[发明专利]一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法

摘要

本发明公开了一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法。与传统的钢桁架液压提升过程中的监测方法相比，本发明所提供的方法具有以下优点：（1）克服了使用水准仪、全站仪和经纬仪等传统坐标监测方法难以实现动态实时监测的缺陷，可以实现钢桁架液压提升全过程的动态实时监测；（2）相比于传统的监测设备，一旦计算机视觉监测及识别系统搭设完毕，便能够快速的同时获取多个目标监测点的坐标数据，无需重复作业，即节省了人力又提高了效率；（3）通过实时的数据传输和有限元模型分析，可以获取实时的钢桁架应力分布云图，危险预警功能则保障了提升过程中的安全性；（4）相比于其他方法，满足高精度、高效率、低成本的现场施工需求。

主权项

一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法，其特征在于，所述钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法包括：(1)依照设计文件在ANSYS中运用命令流的方法建立钢桁架液压提升有限元模型，生成包含单元编号、单元节点坐标、单元材料信息、单元边界条件并可直接导入ANSYS进行有限元分析的模板txt文件；(2)将有限元模型中钢桁架的每一个单元的节点作为重点监测部位，查看每个单元节点的实际坐标数据，并在现场施工钢桁架上找出对应位置；(3)在钢桁架液压提升的施工现场建立用于实时监测的计算机视觉识别系统，具体步骤包括：(301)在现场施工钢桁架的重点监测部位上粘贴印有2×2黑白相间方格的标志物，根据现场的施工环境，确定相机的安置位置，并确保在整个提升过程中钢桁架都位于相机的视野范围内且标志物能够被相机清晰地捕捉；(302)选用印有黑白相间方格网的平板作为相机的标定板，采用Zhang氏标定法对相机进行平面标定，建立目标点从图像像素坐标向真实世界坐标转换的关系：sm＝HM＝A[r1 r2 t]M  (1)m＝[x y 1]T  (2)M＝[X Y 1]T  (3)R＝[r1 r2 r3]  (4)[r1r2t]=r11r12t1r21r22t2r31r32t3---(5)]]>H=h11h12h13h21h22h23h31h32h33---(6)]]>式中m为目标点在图像像素坐标系下的3×1扩充坐标矩阵，x、y分别为目标点在图像平面两个方向的像素坐标；M为目标点在世界坐标系下的3×1扩充坐标矩阵，X、Y分别为目标点在世界平面上两个方向的坐标；H为3×3的映射矩阵，反映了图像像素坐标系和世界坐标系的坐标对应关系；A为3×3的相机的内参矩阵，同一相机固定焦距下A不会随相机移动、转动而发生变化；R为相机坐标系相对于世界坐标系的3×3转动矩阵，r1、r2和r3分别为R中第一列、第二列和第三列3×1列向量；t为相机坐标系相对于世界坐标系的3×1平移矩阵；[r1 r2 t]为相机的3×3外参矩阵，其中r1和r2分别为R的第一、第二列元素；s为一尺寸系数，可由h31X+h32Y+h33求得；(303)在钢桁架液压提升开始之前，通过Shi‑Tomas特征点匹配算法识别出标志物中2×2黑白相间方格的中心点作为钢桁架重点监测部位的精确定位：P=Σx,yIW(x,y)Ix2IxIyIxIyIy2---(7)]]>W(x,y)＝exp[‑(x2+y2)/2σ2]  (8)min(λ1,λ2)＞c  (9)式中x，y为图像上一点的像素坐标；P为与某一像素点(xi，yi)对应的2×2对称矩阵；I为以(xi，yi)为中心的3×3的像素窗口；Ix和Iy分别为像素窗口I在x方向和y方向的灰度梯度值；W(x，y)为对应于窗口I的加权系数，σ为像素窗口I中所有像素灰度值的均方根；λ1和λ2为矩阵P的两个特征根，c为一常数；现场调整常数c的值，当在标志物区域仅有唯一的像素点(xc0，yc0)满足矩阵P两个特征值都大于c时，则(xc0，yc0)为钢桁架重点监测部位在图像上的精确坐标；利用公式(1)中图像像素坐标和真实世界坐标之间的转换关系，得到钢桁架重点监测部位在世界坐标系下的坐标(Xc0，Yc0)：(1/s)M＝H‑1m  (10)式中H‑1为3×3的映射矩阵H的逆矩阵；(304)在钢桁架液压提升全过程中，先通过模板匹配跟踪算法实时获取各标志物的位置，再在标志物区域中运用Shi‑Tomas特征点匹配算法和坐标变换获取各重点监测部位的世界坐标系下的实时坐标，t时刻的坐标记为(Xct，Yct)；(305)计算t时刻重点监测部位的坐标变化：(ΔXct,ΔYct)＝(Xct‑Xc0,Yct‑Yc0)  (11)式中ΔXct和ΔYct分别为t时刻世界坐标系下重点监测部位在X轴方向和Y轴方向的坐标变化值；(4)以(ΔXct，ΔYct)作为t时刻的重点监测部位的坐标增量修改模板txt文件中对应的单元节点坐标，得到t时刻的txt文件；(5)将t时刻的txt文件导入ANSYS中进行有限元分析，在分析结果中输出钢桁架应力分布云图以及各个单元的应力值，并计算应力比值：k＝σei/σiMax  (12)式中k为单元i的应力比；σei为单元i的真实应力；σiMax的为单元i容许应力；当k>0.9时，则给出预警信号并结合应力分布情况有针对性地调整钢桁架提升方案。