智能手機(jī)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測新技術(shù)

趙雪峰　趙慶安　喻言　劉昊　李明楚　歐進(jìn)萍

摘 要：文中提出了一種基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)新型位移監(jiān)測技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)具備經(jīng)濟(jì)、高效、便捷等優(yōu)點(diǎn)，是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的一個有益補(bǔ)充。依據(jù)攝影測量技術(shù)原理，設(shè)計(jì)出一套位移求解算法，基于此算法，分別在iOS平臺和Android平臺開發(fā)出位移監(jiān)測應(yīng)用軟件“D-Viewer”，并進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，此項(xiàng)技術(shù)具有較好的精確性和顯著的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：位移監(jiān)測；智能手機(jī)；攝影測量技術(shù)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

中圖分類號：TU317；TP368.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-05

0 引 言

近年來，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，并被應(yīng)用于全球各種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施中。隨著各類無損檢測技術(shù)的成熟，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以對結(jié)構(gòu)的健康及安全狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，診斷損傷情況并評估結(jié)構(gòu)的安全性。當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)處于異常狀態(tài)時，監(jiān)測系統(tǒng)可以觸發(fā)報(bào)警信號，為結(jié)構(gòu)的修復(fù)、維護(hù)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)[1，2]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為保障基礎(chǔ)設(shè)施安全的一種重要手段[3]。然而，大多數(shù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)均由專業(yè)人員設(shè)計(jì)、集成并安裝到大型基礎(chǔ)設(shè)施上，并且配備有造價高的傳感器、數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備，因此，該系統(tǒng)不可能安裝至每一個民用建筑。如果可以開發(fā)一些面向大眾的、操作便捷、易于推廣的監(jiān)測技術(shù)，將會對常規(guī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)形成一個強(qiáng)有力的補(bǔ)充，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。這些技術(shù)能夠在建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮巨大的作用，特別是針對極端情況下，比如地震、臺風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害區(qū)和戰(zhàn)爭條件下的城市民用設(shè)施結(jié)構(gòu)的大規(guī)模集群安全監(jiān)測、檢測與評定[4]。

結(jié)構(gòu)的位移同其承載能力及抵御地震等動荷載的能力有著密切的關(guān)系，是對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全狀況評價的重要參數(shù)之一。然而，目前所使用的各類位移傳感技術(shù)，如位移傳感器與加速度傳感器[5]、應(yīng)變傳感器[6]、GPS 衛(wèi)星測量技術(shù)[7]、激光多普勒測振系統(tǒng)[8]等，多數(shù)均需要較高成本的安裝和維護(hù)。因此，本文提出了一種低成本、便捷的基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測解決思路，實(shí)現(xiàn)在某些工況下的位移監(jiān)測。

安裝有各種應(yīng)用軟件的智能手機(jī)是一種高新技術(shù)和快速發(fā)展的移動信息終端，利用手機(jī)內(nèi)置的攝像裝置，加速度傳感器，陀螺儀，GPS等功能可以開發(fā)出新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。智能手機(jī)也可以作為云終端，將收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果發(fā)送至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)健康的集群監(jiān)測與分析評定。目前國內(nèi)外利用手機(jī)內(nèi)置傳感功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康參數(shù)測定的研究還處于起步階段[9-16]。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

（1） 通過監(jiān)測軟件，公眾可以自己使用智能手機(jī)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測，使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測更加普及，提高效率。

（2） 不需要或需要少量的專業(yè)傳感與采集設(shè)備，成本低廉。

（3） 智能手機(jī)內(nèi)置傳感器的傳感參數(shù)通常不如常規(guī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測專用的傳感器靈敏，但可以將其應(yīng)用于對監(jiān)測精度等參數(shù)要求不高的工況。

（4） 監(jiān)測可以迅速布置開展，適合緊急安全監(jiān)測和公眾參與式監(jiān)測評價。

（5） 為結(jié)構(gòu)安全信息的大數(shù)據(jù)（包括地理信息）收集提供了嶄新的途徑，有望實(shí)現(xiàn)公眾參與的大范圍的結(jié)構(gòu)群的安全監(jiān)測與分析。

本文提出了一種基于智能手機(jī)的位移傳感技術(shù)，并開發(fā)出一款智能手機(jī)軟件“D-Viewer”，該軟件利用智能手機(jī)自帶的攝像功能，運(yùn)用攝影測量技術(shù)，并配合使用激光器及投影板，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測。由于D-Viewer的易操作性以及智能手機(jī)的普及性，使公眾參與到結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測成為可能，并且極大地提高了效率與節(jié)約成本。因此，前文提到的集成結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)于智能手機(jī)當(dāng)中的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。

1 基本原理

將激光發(fā)射器固定在待測物體上，使其光路方向與待測物體運(yùn)動方向垂直，并使其發(fā)出激光照射在靜止的投影板上。當(dāng)待測物體移動時，激光器也會隨著發(fā)生位移， 使得投影板上的激光光斑也成比例的發(fā)生位移。D-Viewer便對投影板上的激光光斑進(jìn)行實(shí)時拍攝，通過分析激光光斑的運(yùn)動情況便可得到待測物體的位移情況?；蛘邔⑼队鞍搴桶惭b有D-Viewer的智能手機(jī)一起固定在待測物體上，令激光發(fā)射器靜止在外部，同樣通過分析激光光斑在運(yùn)動投影板上的軌跡可以得到待測物體的位移情況。監(jiān)測實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

測量之前，D-Viewer需要確定像素移動與實(shí)際位移的關(guān)系，方法是利用一張白紙上的已知直徑的黑色圓形進(jìn)行標(biāo)定。為保證測量精度，標(biāo)定的過程中手機(jī)與標(biāo)定物必須保持相對靜止，并且手機(jī)攝像范圍內(nèi)除黑色圓形外，其它區(qū)域必須全部為白色背景。通過標(biāo)定，D-Viewer便可以得到像素移動與實(shí)際位移的換算公式，從而獲得實(shí)際位移值。

D-Viewer內(nèi)部處理的具體步驟如下：

（1）標(biāo)定

①由用戶輸入的信息獲取黑色圓形的實(shí)際直徑D。

②將圖像利用OpenCV進(jìn)行二值化處理。

③獲取攝像范圍內(nèi)黑色像素的最大寬度L。

④計(jì)算兩者之比：Ratio=D/L。

（2）測定

①獲取區(qū)域內(nèi)像素值為255的所有點(diǎn)的坐標(biāo)（激光光斑二值化處理時像素值為255，顯示為白色，背景像素值為0，顯示為黑色），循環(huán)計(jì)算出這些點(diǎn)的平均橫縱坐標(biāo)（x， y）作為激光點(diǎn)的形心坐標(biāo)。平均值的計(jì)算方法為計(jì)算出所有像素值為0的橫坐標(biāo)之和Sumx和所有縱坐標(biāo)之和Sumy，像素值為0的像素總數(shù)為n，則形心坐標(biāo)為（Sumx/n， Sumy/n）。

③D-Viewer將視頻信號第一幀畫面中激光光斑形心所處的位置自動設(shè)定為原點(diǎn)，然后處理視頻信號得到每幀圖片中激光光斑形心的像素坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出激光光斑形心的實(shí)際坐標(biāo)，從而直觀地反映物體的位移變化。

2 軟件操作方法

D-Viewer的具體操作方法如下：

打開軟件，出現(xiàn)如圖2所示的初始設(shè)置界面。在此界面右上角第一行輸入標(biāo)定物（黑色圓形）的直徑，單位為毫米；第二行選擇使用手機(jī)的前置或是后置攝像頭；第三行輸入監(jiān)測區(qū)域的長寬，單位為毫米；第四行輸入畫面像素掃描間隔行數(shù)（可不輸入，默認(rèn)為0）。

將手機(jī)與投影板平行放置并固定，并且保證二者保持相對靜止直至監(jiān)測結(jié)束。在屏幕上放置印有標(biāo)定物（黑色圓圈）的A4紙。設(shè)置完成后進(jìn)入標(biāo)定界面，如圖3所示。點(diǎn)擊“按鈕A”，調(diào)整標(biāo)定界面的二值化閾值，使畫面可以清楚地把標(biāo)定物和背景分離開來（此時黑色圓圈以外的部分必須全部為白色），然后點(diǎn)擊此界面中的“Ratio”按鈕，程序自動計(jì)算出視頻畫面中實(shí)際距離和像素距離的比例（Ratio）。

移去標(biāo)定物，打開激光器使其投射光斑在投影板上。點(diǎn)擊“switch”按鈕，出現(xiàn)如圖4所示的監(jiān)測區(qū)域調(diào)節(jié)界面。

點(diǎn)擊界面左側(cè)下角四個按鈕來調(diào)節(jié)監(jiān)測區(qū)域范圍，使其能夠完全覆蓋激光光斑的移動范圍。點(diǎn)擊“按鈕B”，調(diào)整識別界面的二值化閾值，使激光光斑從背景中清晰的分離出來（此時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)激光光斑以外的部分必須全部為黑色）。點(diǎn)擊“start”按鈕，程序開始監(jiān)測激光光斑的形心坐標(biāo)，監(jiān)測界面如圖5所示。

界面下方顯示光斑形心在x和y方向的實(shí)時坐標(biāo)值，點(diǎn)擊“stop”按鈕，結(jié)束一次監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在軟件的根目錄下，數(shù)據(jù)存儲格式為.txt。

3 靜態(tài)位移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證本文的位移監(jiān)測方法在靜態(tài)位移條件下的精確性和實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)儀器有iPhone 6 Plus，三星A5，位移加載裝置，激光發(fā)射器，黑色投影板，印有標(biāo)定物的A4紙，激光位移傳感器和計(jì)算機(jī)。

位移加載裝置由移動部分和基座組成，移動部分可以沿基座作平動，位移改變方式為螺旋微調(diào)旋鈕，旋鈕旋轉(zhuǎn)完整一圈時位移為0.35 mm。由于加載過程緩慢，故可以視為一個靜態(tài)過程。將激光發(fā)射器固定在移動部分，連接計(jì)算機(jī)的位移傳感器固定在基座上用以精確測定激光發(fā)射器沿基座方向的位移。打開D-Viewer軟件，初始化設(shè)置完成后固定于投影板前，保持兩者平行并相對靜止直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。調(diào)節(jié)激光發(fā)射器，使發(fā)射的激光束在黑色投影板上形成一個明亮的激光點(diǎn)?？紤]到若投影板垂直于激光光線方向，則手機(jī)易將激光束擋住，從而使監(jiān)測無法進(jìn)行。故本實(shí)驗(yàn)將投影板擺放方向設(shè)置為與激光光線方向成30°夾角。由幾何關(guān)系可知，此時用手機(jī)測得的位移為實(shí)際位移的2倍，故手機(jī)數(shù)據(jù)需要做減半處理。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖和現(xiàn)場照片如圖6所示。

按前文所述的方式進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后開啟激光發(fā)射器，并啟動位移傳感器和D-Viewer同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。旋轉(zhuǎn)螺旋微調(diào)旋鈕，激光發(fā)射器移動的同時激光點(diǎn)會產(chǎn)生相同的位移，通過D-Viewer來測量激光點(diǎn)的位移并經(jīng)過減半換算處理便可以得到激光發(fā)射器的位移情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

從圖7可以看到iPhone 6 Plus與激光位移傳感器測得的位移曲線達(dá)到了較好的吻合。盡管有一些微小偏差，但都在正常的可接受范圍內(nèi)，并且D-Viewer相對于傳感器更穩(wěn)定。iPhone 6 Plus測得位移的峰值為9.196 mm，激光位移傳感器測得的峰值為9.14 mm，誤差僅為0.61%。

從圖8可以看出，三星A5測得的位移峰值為10.61 mm，激光位移傳感器測得的峰值為10.66 mm，誤差僅為0.47%。

4 動態(tài)位移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證本文的位移監(jiān)測方法在動態(tài)位移條件下的精確性和實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)儀器有iPhone 6 Plus，三星A5，振動臺，激光發(fā)射器，黑色投影板，印有標(biāo)定物的A4紙，激光位移傳感器和計(jì)算機(jī)。

將激光發(fā)射器固定在振動臺上，保證在振動臺運(yùn)動時，激光發(fā)射器發(fā)生相同的位移。投影板和智能手機(jī)的布置與本文靜態(tài)位移實(shí)驗(yàn)部分完全一致， D-Viewer通過測定投影板上激光點(diǎn)的位移，經(jīng)換算可得激光發(fā)射器的位移。同時，在振動臺外側(cè)固定位移傳感器，在整個實(shí)驗(yàn)過程中保持靜止，用以精確監(jiān)測振動臺的位移。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖和現(xiàn)場照片如圖9所示。

本實(shí)驗(yàn)iPhone 6 Plus的監(jiān)測環(huán)境為振動臺模擬Kobe地震波，三星A5的監(jiān)測環(huán)境為振動臺模擬EI Centro地震波。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（2） 激光位移傳感器和三星A5測得的位移隨時間變化曲線如圖11所示，選取如圖11 （b）所示的四個峰值點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其結(jié)果如表2所列。

從圖11和表2可以看出，動態(tài)位移條件下，三星A5測得的位移峰值最大誤差不超過5%。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)位移便捷監(jiān)測技術(shù)，并開發(fā)出相應(yīng)的位移監(jiān)測軟件“D-Viewer”。通過一系列靜態(tài)和動態(tài)實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。靜態(tài)對比實(shí)驗(yàn)中，兩種操作系統(tǒng)的手機(jī)監(jiān)測結(jié)果同激光位移傳感器結(jié)果相比，具有很好的一致性。在動態(tài)對比實(shí)驗(yàn)中，兩種手機(jī)的監(jiān)測結(jié)果同激光位移傳感器結(jié)果的一致性較弱，但誤差在5%左右。本項(xiàng)技術(shù)只應(yīng)用了一個造價幾十元的激光發(fā)射器，結(jié)合智能手機(jī)內(nèi)置的攝影功能與研發(fā)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)了位移的動靜態(tài)監(jiān)測，極大地降低了監(jiān)測成本。

在實(shí)際情況中，激光發(fā)射器和智能手機(jī)之間的距離是有限的，因?yàn)榧す庠诰嚯x過長時會分散，從而對精度造成很大的影響。因此，在未來的工作中，需要進(jìn)一步的研究來解決這個問題。目前， iOS和Android版本的D-Viewer應(yīng)用軟件已分別在蘋果商店和豌豆莢平臺上架，供用戶免費(fèi)下載試用。

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