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使用运动捕捉系统进行结构健康监测的3D位移测量模型
摘要：
与1D或2D位移测量传感器不同，运动捕捉系统（MCS）可以精确确定标记在任何方向上的移动。另外，MCS可以克服地面激光扫描（TLS）和全球定位系统（GPS）在3D测量中采样频率的限制。本文介绍了一种使用运动捕捉系统（MCS）以高精度和采样率测量三维（3D）结构位移的方法。 MCS使用多台摄像机测量多个标记的二维坐标;然后使用这些测量结果来计算标记的3D坐标。因此，与以前的1D或2D位移测量传感器不同，MCS可以精确确定标记在任何方向上的移动。另外，由于MCS相机可以监视多个标记，因此通过添加更多标记来增加测量点。通过比较使用MCS和激光位移传感器的3层结构的自由振动实验中测得的位移与2.1米高度的比较来验证所提出的模型的有效性。
- 介绍
结构健康监测可分为安全性或适用性监测。 安全监测包括对构件和连接件的承载能力进行评估[28,5,65,55]，而可维护性则涉及结构抗变形能力以及混凝土最大挠度，振动水平和开裂的评估[21，77。 已经开发了各种类型的传感器来评估通常使用应变，加速度和位移数据的结构的安全性和适用性
应变数据用于评估安全性，方法是确定构成结构构件的外部载荷施加的应力水平。 但是，由于测量点固定在应变传感器所在的位置，因此对整个结构施加的各种外部载荷的最大应力的准确评估存在技术限制。 另外，由于应变数据不能揭示结构的变形形状或动态特性，因此这些数据不适合评估适用性。
与应变数据相反，加速度数据通过测量结构的动态响应来评估安全性和可服务性[2]。另外，加速度数据对于民用建筑的主动控制至关重要。可以通过结构动态响应的变化来检测由于构件损坏和连接松动导致的刚度降低。结构的安全性可以使用加速度数据进行评估[6,17,72,57,64,80,32]。但是，考虑到大型复杂土木结构的固有不确定性，由于分析限制和必须在评估过程中作出大量假设的事实，准确评估安全性很困难。在这方面，近年来，许多研究人员已经开发出参数系统识别方法来估计结构参数或非参数方法来直接估计结构响应以用于分析复杂结构的行为并确定其损坏状态。另外，使用加速度数据的可服务性评估需要在测量完成后分析频率和幅度，这使得工程师难以在测量时直观地作出决定。虽然加速度数据可以通过双重积分传递给位移数据，但是数值积分的固有误差会使位移数据不准确
当使用位移数据时，可以分析结构的静态和动态特性以评估安全性和适用性。 特别是，以高频率测量的动态位移数据可以提供关于变形形状和损坏的最精确的信息。 因此，在结构监测中，精确的三维（三维）位移测量技术的发展是极其重要的。 另外，位移数据可以通过数值微分转换为加速度数据。
虽然位移是衡量结构行为的最重要因素之一，但其精确的测量几乎是不可能的，因为结构表现为3D方式，常用的位移测量传感器工作在一维（一维）或二维（二维）域。 这些传感器包括线性可变差动变压器（LVDT）[62]，激光多普勒振动计（LDV）[53,43,14]，全球定位系统（GPS）[48,52,12,73,11,36,59 ，33,83]和基于视觉的监测[15]。 LVDT和LDV是一维传感器，用于测量沿轴线方向的位移。 因此，当安装LVDT和LDV时，结构位移和传感器测量的方向未精确对准时，测量点发生变化，精度下降。
GPS正在成为加速度计的替代品，以测量3D位置的大型结构的动态响应[54]。 有GPS测量动态响应[63]和结构位移[68]的研究。 即使GPS可以测量三维位置数据，水平和垂直坐标的误差也高达约10毫米; GPS的采样率远低于加速度计。
基于视觉的监测涉及通过分析使用照片或视频录制的图像序列来获取几何信息。由于商用相机和计算机的最新技术改进，精度和采样率已经大大提高。在这样的发展之前，一个人不得不使用模拟设备来计算每个图像帧的点，这是一个不方便和缓慢的过程。然而，现在，图像和设备数字化已经实现了使用计算机对目标进行自动跟踪和持续监控。罗等人。 [50]开发了双目立体成像系统，以使用两个电荷耦合器件（CCD）相机获得三维表面位移数据。 Olaszek [56]开发了一种基于摄影测量原理研究桥梁动力响应的方法。 Wahbeh等人[76]使用由相机，LED标记和计算机组成的系统测量了洛杉矶文森特托马斯大桥的垂直偏转。其他由相机，标记器和计算机组成的系统已经被提出，其使用一个相机测量一个标记的二维位移或使用多个相机测量多个标记的位移[44,40,26]。 Park等人[61]使用许多摄像头来测量高层建筑的层间漂移，并开发了一种分析方法来测量顶层位移。尽管由于高分辨率相机以及算法的发展，测量结果已经变得更加精确，但使用二维测量系统无法测量结构的三维位移，其中平移和扭转位移同时发生。
Park等人 [58]提出了一种使用地面激光扫描（TLS）进行结构健康监测的新方法。 使用TLS获取的目标结构的三维坐标可能具有大约10mm的最大误差，这对于结构的健康监测来说是不够的。 他们提出了一种位移测量模型来提高测量的准确性。该模型在简单支撑钢梁上采用三种不同的技术进行了实验测试：线性可变位移传感器（LVDTs），电应变计和长规光纤传感器。 尽管GPS方法仅允许在GPS接收机天线位置测量位移，但所提出的TLS方法允许测量整个结构。
其他研究人员还使用TLS监测与服务能力相关的响应，以测量结构构件的3D位移[22,42,74]。 然而，在TLS测量结构响应时需要解决两个问题：准确性和扫描速度。 由制造商[66]引用的精度为10 mm，TLS不能确保精确测量位移。 此外，结构响应的动态测量可以从当前TLS获得，最大扫描速度为20次扫描/秒。
本研究提出了一种使用运动捕捉系统（MCS）以高精度和采样率测量三维结构位移的方法。 MCS使用多台摄像机测量多个标记的二维坐标; 然后使用这些测量结果来计算标记的3D坐标。 因此，与以前的1D或2D位移测量传感器不同，MCS可以精确确定标记在任何方向上的移动。 另外，由于MCS相机可以监视多个标记，所以S.W.增加了测量点。 Park等人 /测量59（2015）352-362 353添加更多标记。 通过比较使用MCS和激光位移传感器的3层结构的自由振动实验中测得的位移与2.1米高度的比较来验证所提出的模型的有效性。
- 动作捕捉系统的原理
所提议的MCS由标记，相机，棒子，服务器和计算机组成（图1）。 标记代表测量点。 标记可以是被动的或主动的，其中被动标记可以是涂有反射材料的物体，并且光线被物体反射并且有源标记直接发光[75]。相机检测通过其图像传感器进入的光，以获得图2所示的图像坐标中的二维坐标。如图所示，由于屏幕上的标记中心成为二维坐标，所以随着相机分辨率的增加，可以获得更清晰的标记轮廓。由于MCS使用多个摄像头测量多个标记的坐标，因此测量中使用的摄像头必须同步。结构上的标记数量取决于要监视的数据点的数量。市场提供服务器控制相机同时进行测量，并将数据从每台相机传输到计算机。
棒子是一种L形或T形结构，其多个标记附着在预定位置（如图3）。该棒用于校准摄像机并设置测量的3D空间的原点。对于图3中的T形棒，连接短棒上的三个标记的线是x轴，并且连接长棒上的三个标记的线是y轴。x和y轴的交点被设置为长棒坐标的原点，并且垂直于T平面的方向变成长棒坐标的z轴。对于摄像机的校准，所述棒被放置在地面上的结构附近进行监测。校准后，在监控期间移除该棒。计算机使用来自服务器发送的来自每个相机的2D坐标数据来计算相对于由该棒确定的3D空间的原点的标记的3D坐标。
如图3所示，三维坐标系统涉及到三维坐标计算，棒子上标记的图像坐标，摄像机坐标以及如图3所示的棒上标记的棒的坐标。如图1所示，MCS的测量区域 取决于相机的位置。 但是，摄像机必须被放置在至少可以通过两台摄像机看到结构上的每个标记。 由第i个相机计算的第j个标记的2D图像坐标（hj，vj）是相机坐标的透视投影的结果。 摄像机坐标（xc，yc，zc）i是第j个标记相对于第i个位置的三维坐标，并且杖的坐标（xwj，ywj，zwj）是第j个标记相对于第j个棒子在。如图3所示，三维坐标系统涉及到三维坐标计算，棒子制造商的图像坐标，摄像机坐标以及棒子上标记的棒子坐标。如图1所示，MCS的测量区域 取决于相机的位置。 但是，必须放置摄像机，以便至少可以通过两台摄像机看到结构上的每个标记。 由第i个相机计算的第j个标记的2D图像坐标（hj，vj）i是相机坐标的透视投影的结果。 摄像机坐标（xc，yc，zc）i是第j个标记相对于第i个位置的三维坐标，并且棒子的坐标（xwj，ywj，zwj）是第j个标记相对于棒子位置的3D坐标。
图像坐标和棒子坐标之间的关系定义如下[8]。
其中[c]i是第i台相机的相机矩阵代表从相机空间到图像的转换空间。相机中系数和内在矩阵的值取决于相机的内部属性：焦距fx和fy以及像主点坐标px和py的值。主要点是主轴（图3中的zc轴）和像平面的垂直交点。。 [R | T]称为外在矩阵，代表从棒子空间到第i个相机的相机空间的转换。[R | T]有两个：一个3*3的旋转矩阵R和一个3*1的平移矢量T。在MCS的校准过程中，内在和外在矩阵的元素由附着在T形棒上预定位置的标记的测量位置之间的关系确定，校准过程被执行以确定方程式中的内在和外在矩阵在Eq（1）中通过比较附着在T形杖上预定位置的标记的测量位置。如果MCS的精度和精度不令人满意，
然后调整相机的焦点，光源的强度和其他环境因素以进行校准过程。
虽然[c]i和[R | T] i都由校准确定，3D（xwj，ywj，zwj）坐标依旧无法从2D坐标(hj，vj)测量中获得。由于图3中图像平面与标记位置之间的距离是未知的，因此只有从oc，i到第j个标记的矢量的方向是已知的。因此，要获得三维坐标，应该使用两个以上相机测量的矢量，如图3所示，并且矢量相交的点成为棒上第j个标记的三维坐标。
3 三维位移计算模型
本研究中开发的3D位移测量模型包含以下三个步骤，将在以下小节中详细讨论：（1）结构坐标的定义，（2）运动捕捉系统的设置，和（3）坐标转换为结构坐标和3D位移计算，图4给出了使用MCS的3D位移计算模型的流程图。
3.1. 结构坐标系的定义
如图3所示，表示结构位移的结构坐标与由T形杆确定的棒子坐标不一致。在从图1的MCS的测量区域移除棒子之后，将标记附着到结构的外表面以产生结构坐标系统在结构变形之前如图3所示。结构坐标系被用标记1和标记2之间的连线作为xs轴，ys轴是标记1到标记1和2之间平面的投影，zs轴垂直于xs，ys平面。
（2）运动捕捉系统的设置
MCS包括安装摄像头，校准过程以及结构上的标记附件。 由于不能测量相机屏幕上的标记，因此考虑到结构中可能发生的位移范围，决定相机的数量和每个相机的角度。 校准过程在Eq（1）中被执行以确定方程式中的内在和外在矩阵。如之前描述的，首先附加三个标记以确定结构坐标系。如图3所示，可以通过将标记1和标记2的两个标记附着在同一平面上来定义xs轴。为了便于测量，可以将xs轴设置为与测量方向平行。然后，标记3被附加以形成xs zs平面，并将zs轴从标记1定义为标记3.将xs和zs轴的交点设置为结构坐标的原点os，并将投影方向设置为xs？ zs平面变成ys轴。 随后附加许多与位移测量位置相关的标记。 由于可以测量相机屏幕中的所有标记，因此MCS中要监视的标记数量不受限制。
3.3. 转变为结构坐标系
标记的实际位移必须在结构的xs，ys和zs坐标中测量。 为了获得实际的3D位移，魔杖坐标系被转换为结构坐标系。 然后，可以如下获得第j个标记在时间t的3D位移
其中m是标记的数量。 （xsj，ysj，zsj）t是第t个时刻第j个标记在结构坐标系中的三维坐标值，（xwj，ywj，zwj）t是第w个标记在时间t处的坐标值 系统，并且杖子坐标系统的起源（图3中的ow）位于O（xwo，ywo，zwo），其中xwo，ywo和zwo是相对于结构坐标系统测量的。 结构坐标相对于棒子坐标的旋转矩阵[Rs]可以表示如下。
其中hr，hp和hs是系统与结构坐标系统的xs，ys和zs轴之间的旋转角。
4.位移测量测试
4.1。 实验装置
本研究提出的位移测量模型应用于结构模型的自由振动测试。该测试模型是一个缩放的三层三维钢框架，在x方向和y方向都有一个305毫米的单间隔。计划和侧视图以及缩放模型实际测试设置的照片如图5所示。所有的柱子都有6个6毫米的相同的钢方形截面。 柱的弹性模量和屈服强度分别为206GPa和235.3MPa。该模型被设定为沿给定初始位移的x方向的自由振动。 安装对角支撑以防止自由振动期间的y方向振动。
在自由振动测试中，从MCS测量的测试模型顶部的水平位移与图5中的激光位移传感器测得的位移进行比较。在图中，沿x轴的水平位移通过安装在位置L1和L2处的激光位移传感器来测量。为了更详细地比较自由振动期间xy平面内的位移，在图5所示的位置L3和L4上安装了两个其他激光位移传感器。对于MCS的测量目标，在图5所示的顶板的楼板侧面安装了五个标记M1，M2，M3，M4和M5。该测试使用的MCS是Vicon T160型号[75]。 在测试过程中共使用三台相机进行测量，相机在测试室中的安装位置如图6所示。
在进行校准后，将M4的测量结果在静止状态下进行5分钟，以评估Vicon T160在测试室中心的测量精度。如图7所示，静止标记的测量结果显示在xw yw平面内0.059 mm半径内，yw zw平面内为0.051 mm，zw xw平面内为0.059 mm。因此，本次测试中使用的MCS评估的准确度约为0.060 mm。该测试中用于与MCS进行比较的激光位移传感器是LB-301 / LB-1201型号[35]，其测量距离限制为30厘米，
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资料编号：[466060]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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