[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

说明书

本发明涉及一种基于数据融合的结构层间变形监测装置及方法，该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、通过刚性摄像机支架安装在天花板上的摄像机以及设置在地板上始终位于摄像机拍摄范围内的跟踪靶点，与现有技术相比，本发明弥补了基于视觉识别与基于加速度振动监测等单一测量方式存在的缺点，实现了两种测量方式的互补，提高了监测精度。

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，尤其是涉及一种基于数据融合的结构层间变形监测装置及方法。

背景技术

建筑结构的健康状况不仅会因为材料的自然老化、材料间的粘合和连接变差而降低，还会因强风、地震等自然灾害或不当翻新而降低，结构的性能退化可能会进一步引起结构的固有频率和振动模式的变化或引起结构的轻微变形。结构健康监测能够通过监测结构振动特性或微小变形来感知结构服役状态，从而提供预警和最小化进一步损坏的可能性，楼层层间变形由于能够反映建筑结构的健康状况，成为结构健康监测中的重要参数。

随着位移监测技术的发展，目前出现了许多用于监测层间变形的方法，如GPS、线性可变差动变压器(LVDT)、加速度积分法、基于视觉的层间位移监测等。其中，加速度积分法对测量得到的加速度依次进行数值积分、高通滤波可以得到去除低频漂移后的位移，对得到的相邻两层位移做差可以得到层间水平位移，利用该方法得到的位移仅限于动态位移估计，因为高通滤波消除了建筑物的临界非线性低频行为和永久漂移，但其在高频区域的噪声水平非常低；基于视觉的测量方式通过特征点检测、追踪得到靶点位移后再将其转换为工程单位即可得到层间水平位移，虽然这是一种低成本、非接触式测量方式，但是相机的分辨率在很大程度上取决于可见度(例如，光线条件、物体与相机之间的距离以及焦点)，同时相机大多具有有限的帧速率，无法收集高频动态运动，在结构振动频率较高时测得的层间位移误差较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于数据融合的结构层间变形监测装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于数据融合的结构层间变形监测装置，该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、通过刚性摄像机支架安装在天花板上的摄像机以及设置在地板上始终位于摄像机拍摄范围内的跟踪靶点。

所述的天花板和地板上的IMU均刚性固定在靠近摄像机的角落处，在初始时刻，两个IMU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与布置在地板的IMU处于同一铅垂线上。

一种基于数据融合的结构层间变形监测方法，包括以下步骤：

步骤S1、在待监测层间变形楼层安装层间变形监测装置，在监测前，将标定板放置在跟踪靶点的靶点区域内，根据摄像机拍摄标定板图像，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；