嵌入式多點橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn).pdf

1、撓度監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的重要內(nèi)容，通過在實踐中不斷探索，大量橋梁撓度測量方法被研究出來。其中，激光圖像法通過不斷被改進(jìn)具備了測量精度高、測量距離遠(yuǎn)、功耗低、體積小、價格便宜、便于安裝調(diào)試等特點因而得到廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)階段采用的激光撓度監(jiān)測系統(tǒng)仍然存在測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確和系統(tǒng)穩(wěn)定性差的缺點，具體說來由四個方面原因引起:(1)激光發(fā)射系統(tǒng)回位速度不夠迅速，鏡頭衍射現(xiàn)象明顯;(2)差分光斑中心定位算法本身存在缺陷，造成光斑中心計算誤差偏大;

2、(3)以往采用的USB攝像頭像素過低，不能滿足高精度定位的需求;(4)在進(jìn)行多點撓度測量的時候，由于無線通信協(xié)議不完善，經(jīng)常出現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)中斷，數(shù)據(jù)亂碼，收發(fā)程序退出等異常情況。介于以上一些原因，本論文的主要任務(wù)就是要針對以上問題找出相應(yīng)的解決方案，并通過實驗論證方案的可行性和可靠性。最終將一個完整的撓度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于實際的橋梁撓度健康監(jiān)測項目中。
　　 針對以往激光發(fā)射器回位速度慢和衍射明顯的缺點，設(shè)計了一種自安平撓度激光發(fā)射系

3、統(tǒng)。該系統(tǒng)通過重力擺的方式實現(xiàn)激光發(fā)射系統(tǒng)的自動安平，經(jīng)過對單擺受力及運動軌跡分析，依據(jù)臨界阻尼原理得到相應(yīng)的阻力系數(shù)，然后通過調(diào)節(jié)磁阻尼器磁感應(yīng)強度與阻力系數(shù)匹配，實現(xiàn)系統(tǒng)快速懸停;為了保持遠(yuǎn)距離投射時激光仍具有良好的能量集中度，設(shè)計了專門的激光鏡頭，該鏡頭由伽利略擴束系統(tǒng)和聚焦鏡(參數(shù)通過費馬原理得到)組成，經(jīng)實驗確認(rèn)該鏡頭能夠保證激光遠(yuǎn)距離投射時有足夠的聚光度。
　　 針對差分運算在太陽光很強或者激光功率不足的情況下，光斑

4、經(jīng)常出現(xiàn)邊緣殘缺或者為散斑，導(dǎo)致光斑中心定位精度偏差較大的問題，提出了一種改進(jìn)的圓擬合光斑中心定位算法。該算法首先通過預(yù)處理得到二值化的光斑圖像;然后提取光斑邊緣像素點的坐標(biāo)并計算相鄰點之間的距離，以該距離的集合為樣本，通過拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除邊緣上的異常數(shù)據(jù);最后通過圓擬合算法定位光斑中心。經(jīng)實驗該方法在光斑邊緣殘缺的情況下比普通的圓擬合精度要高。
　　 針對USB攝像頭分辨率低不能滿足高精度檢測的狀況，設(shè)計了一個高清攝像機的接入模

5、塊來提高圖像質(zhì)量。該模塊以視頻采集芯片SAA7113為核心，在ARM處理器控制下從高清攝像機獲取PAL格式的視頻信號，而后經(jīng)過處理將該模擬信號轉(zhuǎn)換成YCrCb格式的數(shù)字信號;當(dāng)采集到Y(jié)CrCb格式數(shù)字信號后，經(jīng)過顏色空間變化轉(zhuǎn)變成RGB顏色空間，屏蔽掉G、B基色后提取出R基色;最后提供給相關(guān)的圖像處理算法處理。
　　 針對系統(tǒng)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)收發(fā)情況不穩(wěn)定的問題，解決方法是實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)可靠傳輸，建立MAC(Media Acce

6、ss Control)層的確認(rèn)、重發(fā)和編號機制。文中通過把傳輸層的停止等待協(xié)議移植到數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)，并對數(shù)據(jù)幀的抗干擾能力進(jìn)行了理論分析和實驗。最終能夠滿足系統(tǒng)的控制需求。
　　 綜合以上四種技術(shù)方案，本文設(shè)計了一種穩(wěn)定性較高的嵌入式多點橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)。在系統(tǒng)初步設(shè)計成功后，進(jìn)行了如下實驗:激光回位時間和精度實驗，改進(jìn)的圓擬合光斑中心定位算法實驗，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性實驗。