[发明专利]一种基于数据融合的结构层间变形监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于数据融合的结构层间变形监测方法，其特征在于，采用层间变形监测装置，所述层间变形监测装置包括分别设置在建筑中待监测层间变形楼层的天花板和地板上的IMU(1)、通过刚性摄像机支架安装在天花板上的摄像机(2)以及设置在地板上始终位于摄像机(2)拍摄范围内的跟踪靶点(3)；所述的天花板和地板上的IMU(1)均刚性固定在靠近摄像机(2)的角落处，在初始时刻，两个IMU(1)的坐标系方向与世界坐标系方向重合，且布置在天花板的IMU(1)与布置在地板的IMU(1)处于同一铅垂线上；

具体的，所述监测方法包括以下步骤：

步骤S1、在待监测层间变形楼层安装所述层间变形监测装置，在监测前，将标定板放置在跟踪靶点(3)的靶点区域内，根据摄像机(2)拍摄标定板图像，并建立标定板像素坐标(p_x,p_y)与世界坐标(x,y)之间的映射关系；

步骤S2、监测开始后，分别对两个IMU(1)测得的加速度数据进行对时间的二重积分得到对应的位移，并以其位移差值作为基于IMU的层间水平位移，根据IMU(1)实时测得的姿态角和角速度数据，构建世界坐标系和IMU坐标系之间的旋转矩阵，建立关于层间转角的方程，采用四元数分量求解得到层间转角；

步骤S3、根据摄像机(2)实时拍摄到待监测层间变形楼层的监测结构视觉图像帧序列并进行预处理后选取感兴趣区域，即靶点区域；

步骤S4、采用Harris特征点检测算法提取靶点区域内的特征点坐标，采用KLT特征追踪算法得到靶点位移时程，通过标定板像素坐标(p_x,p_y)与世界坐标(x,y)之间的映射关系得到基于视觉的层间水平位移；

步骤S5、将基于视觉的层间水平位移进行上采样至与IMU(1)相同的采样率，进行低通滤波后计算基于视觉层间水平位移与基于IMU的层间水平位移之间的相关性，并采用具有最大互相关值的时间偏移进行数据同步，其中，相关性的表达式为：

其中，x_n+m为视觉层间水平位移序列中第(n+m)个时间步数据，y_n为IMU层间水平位移序列中第n个时间步数据，N为总时间步，为时间步偏移为m时两序列的互相关值，*表示复共轭；

步骤S6、采用滤波器分别对基于视觉层间水平位移以及基于IMU的层间水平位移进行低通滤波和高通滤波，将提取的伪静态分量和动态分量融合得到监测结构层间水平位移；

步骤S7、在得到层间转角以及监测结构层间水平位移后即完成结构层间变形的监测。

2.根据权利要求1所述的一种基于数据融合的结构层间变形监测方法，其特征在于，所述的步骤S1中，标定板像素坐标(p_x,p_y)与世界坐标(x,y)之间的映射关系具体为：

其中，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、β₀、β₁、β₂、β₃、β₄、β₅分别为待定参数。

3.根据权利要求2所述的一种基于数据融合的结构层间变形监测方法，其特征在于，所述的步骤S1中，通过跟踪标定板上的多个目标点的多帧画面得到目标点的平均坐标，通过最小二乘法拟合得到待定参数。