嵌入式多點(diǎn)橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、撓度監(jiān)測(cè)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，通過(guò)在實(shí)踐中不斷探索，大量橋梁撓度測(cè)量方法被研究出來(lái)。其中，激光圖像法通過(guò)不斷被改進(jìn)具備了測(cè)量精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、功耗低、體積小、價(jià)格便宜、便于安裝調(diào)試等特點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)仍然存在測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確和系統(tǒng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，具體說(shuō)來(lái)由四個(gè)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(jì)算誤差偏大;

2、(3)以往采用的USB攝像頭像素過(guò)低，不能滿足高精度定位的需求;(4)在進(jìn)行多點(diǎn)撓度測(cè)量的時(shí)候，由于無(wú)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(duì)以上問(wèn)題找出相應(yīng)的解決方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證方案的可行性和可靠性。最終將一個(gè)完整的撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的橋梁撓度健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。
　　 針對(duì)以往激光發(fā)射器回位速度慢和衍射明顯的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種自安平撓度激光發(fā)射系

3、統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)重力擺的方式實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射系統(tǒng)的自動(dòng)安平，經(jīng)過(guò)對(duì)單擺受力及運(yùn)動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)磁阻尼器磁感應(yīng)強(qiáng)度與阻力系數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速懸停;為了保持遠(yuǎn)距離投射時(shí)激光仍具有良好的能量集中度，設(shè)計(jì)了專門(mén)的激光鏡頭，該鏡頭由伽利略擴(kuò)束系統(tǒng)和聚焦鏡(參數(shù)通過(guò)費(fèi)馬原理得到)組成，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)該鏡頭能夠保證激光遠(yuǎn)距離投射時(shí)有足夠的聚光度。
　　 針對(duì)差分運(yùn)算在太陽(yáng)光很強(qiáng)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(wèn)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(guò)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(diǎn)的坐標(biāo)并計(jì)算相鄰點(diǎn)之間的距離，以該距離的集合為樣本，通過(guò)拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除邊緣上的異常數(shù)據(jù);最后通過(guò)圓擬合算法定位光斑中心。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(duì)USB攝像頭分辨率低不能滿足高精度檢測(cè)的狀況，設(shè)計(jì)了一個(gè)高清攝像機(jī)的接入模

5、塊來(lái)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(jī)獲取PAL格式的視頻信號(hào)，而后經(jīng)過(guò)處理將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成YCrCb格式的數(shù)字信號(hào);當(dāng)采集到Y(jié)CrCb格式數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)過(guò)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(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)收發(fā)情況不穩(wěn)定的問(wèn)題，解決方法是實(shí)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(hào)機(jī)制。文中通過(guò)把傳輸層的停止等待協(xié)議移植到數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)幀的抗干擾能力進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)。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(jì)了一種穩(wěn)定性較高的嵌入式多點(diǎn)橋梁撓度監(jiān)測(cè)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(wú)線通信系統(tǒng)。在系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)成功后，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn):激光回位時(shí)間和精度實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)的圓擬合光斑中心定位算法實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。