（计算机应用技术专业论文）低功耗无线激光图像挠度自动监测系统研究.pdf

liyiiiillll90ll ii i i111211 1 1 1 1 2tl l 四 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：= 形勿舻 日期： 力f 年彭月；日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：彩么砂领扩 日期：山f 年够月，；同 指导教师签名：糯 日期：伽( | 1 年丫月仫r 本人同意将本学位论文提交至中国学术期：f u ( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 。 将狮签名撇牛 指导教师签名：笊w 翻古1 日期：惘( f 年+ 月f ；日 摘要 挠度是桥梁安全性评价的一项重要指标，为此桥梁工程技术专家提出了很多 行之有效的挠度测量方法。其中的激光图像法以其测量精度高、测量距离远等特 点而得到广泛的应用。然而，现有的激光图像挠度仪大多存在着功耗大、布线方 式繁琐、无法适应强干扰环境的缺点；因此，本论文的主要工作是设计具体的技 术方案来解决这些缺点并通过实验验证这些方案的有效性和可靠性。 针对大功耗问题，本文设计了一种新型动态电源管理技术：( 1 ) 利用a r m 微处理器设计一种最简单的低功耗嵌入式数据采集器代替传统的工控机，并采用 智能的控制策略协调电子元件工作，降低了采集器的功耗。( 2 ) 实现系统高功耗 模式和低功耗模式之间的切换，代替传统的单一高功耗模式，防止电子元件因长 期高负荷工作而损坏。( 3 ) 使用一种间断性电源供应管理器( 简称“秘书机制管 理器”) 来管理系统元件的上电工作时间。挠度测量命令到达时，秘书机制管理 器打开与测量任务相关的所有系统元件的电源，测量任务完成后再断丌其电源， 等待下一次测量命令到达时，再重新开启它们的电源。不仅降低了系统的功耗， 也防止了系统元件因长期带电工作而老化损坏。 针对繁琐的布线方式问题，本文采用了g p r s 远程无线技术实现数据的远程 传输，并采用s r w f 5 0 1 单片射频收发器件实现系统内部元件之间的短程无线通 信。同时实现系统元件无线安装、数据无线传输。通信数据也设置了不同的封装 协议，在避免传统的大量布线问题的同时，也保证了数据传输的可靠性。 针对无法适应强干扰环境的问题，本文设计了一种改进型的差分光斑中心定 位算法。该算法利用一幅带光斑的前景图与一幅不带光斑的背景图作减法运算， 利用相同的背景相减互消的原理来过滤前景图中的背景干扰噪声，同时结合中值 滤波和开闭运算过滤光斑图像中的椒盐噪声点，增加了算法的抗干扰性能；设计 合理的光斑识别梯度算子，结合圆心拟合和光斑测试运算，增加了光斑中心定位 的精度。 结合以上三种技术方案，本文设计了一种新型激光图像挠度监测系统，包括 嵌入式数据采集器、秘书机制管理器、现场系统控制器、自动标定器、g p r s 收发 器、半反射标靶和准直点激光发射器。在完成系统软硬件设计的基础上，分别进 行了算法实验、省电实验、系统性能测试实验。结果表明，该系统具有测量精度 高、功耗低、抗干扰能力强、数据无线传输且能连续自动在线监测等优点。 关键词：挠度监测；低功耗；无线技术；秘书机制；激光图像；嵌入式技术 a b s t r a c t t h ed e f l e c t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fb r i d g es a f e t ye v a l u a t i o n h e n c e ，m a n y e f f e c t i v em e t h o d sw e r ep u tf o r w a r dt om e a s u r et h ed e f l e c t i o nb ye n g i n e e r s t h el a s e r i m a g em e t h o dw a su s e dw i d e l yb e c a u s eo fi t sh i g hp r e c i s i o na n dd i s t a n tm e a s u r e m e n t a n ds oo n h o w e v e r , e x i s t i n gl a s e ri m a g ed e f l e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ss t i l le x i s ts o m e d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，c o m p l e xw i r i n g ，c a nn o tb eu s e di n s t r o n gi n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g n s p e c i f i ct e c h n i c a ls o l u t i o n sa n dv e r i f yt h e i re f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l i t yb ye x p e r i m e n t s f o rt h ei s s u eo fh i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n e dan o v e ld y n a m i c p o w e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y t h ee x p l a n a t i o ni sa sf o l l o w s ：( 1 ) u s et h es i m p l e s tl o w p o w e r e m b e d d e dd a t ac o l l e c t o rw i t ha r m m i c r o p r o c e s s o ri n s t e a do fi n d u s t r i a lp e r s o n a l c o m p u t e r a n dc o o r d i n a t e t h ew o r ko fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sb yi n t e l l i g e n tc o n t r o l s t r a t e g y t h et w om e t h o d sc a nr e d u c et h es y s t e m sp o w e rc o n s u m p t i o n ( 2 ) a c h i e v e m o d es w i t c h i n gb e t w e e nh i g h - p o w e rm o d ea n dl o w - p o w e r m o d e ，i n s t e a do ft r a d i t i o n a l s i n g l eh i g hp o w e rm o d e t h i sm e t h o dc a np r e v e n tt h ed a m a g eo fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t s b e c a u s eo ft h e i rh i g hw o r k l o a di nt h el o n gt e r m ( 3 ) u s ea ni n t e r m i t t e n tp o w e r s u p p l y m a n a g e r ( c a l l e ds e c r e t a r ym e c h a n i s mm a n a g e r ( s m m ) b yu s ) t om a n a g ee l e m e n t w o r k i n gt i m e 舡t h em e a s u r e m e n tc o m m a n da r r i v e s s m mo p e n st h ep o w e ro f s y s t e m s c o m p o n e n t sr e l e v a n tt om e a s u r e m e n tt a s k ，b u tc l o s e st h e i rp o w e ra st h et a s ki s c o m p l e t e d a n ds m mo p e n st h e ma g a i nw i t ht h ea d v e n to fn e x tc o m m a n d t h i sm e t h o d n o to n l yr e d u c e st h es y s t e m s p o w e r , b u ta l s oa v o i d st h ea g i n ga n dd a m a g eo f s y s t e m s c o m p o n e n t sb e c a u s eo fl o n g - t e r mw o r kw i t hp o w e r f o rt h ei s s u eo fc o m p l e xw i r i n g ，t h eg p r sr e m o t ew i r e l e s st e c h n o l o g yi su s e di n d a t ar e m o t et r a n s m i s s i o n ，a n ds r w f 一5 0 1w i r e l e s sm o d u l ei su s e di n s h o r t r a n g e c o m m u n i c a t i o na m o n gs y s t e m s c o m p o n e n t s h e n c e ，s y s t e m sc o m p o n e n t sc a nb e j n s t a l l e dw i r e l e s s l y , a n dd a t aw a st r a n s m i t t e dw i r e l e s s l y a n dc o m m u n i c a t i o nd a t as e t d i f f e r e n te n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 t h i sm e t h o dc a na v o i dl a r g ew i r i n ga n d g u a r a n t e e dt h e r e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n f o rt h ei s s u eo fs t r o n gi n t e r f e r e n c e ，t h i sp a p e r d e s i g n e da d i f f e r e n c eo p e r a t i o ns p o t c e n t e rl o c a t i o n a l g o r i t h m af o r e g r o u n di m a g ew i t hl a s e rs p o tt a k e sa w a ya n o t h e r b a c k g r o u n d i m a g ew i t h o u tl a s e rs p o tm e a n sd y i n gb a c k g r o u n dn o i s e s m e d i a nf i l t e r i n g ， o p e n i n ga n dc l o s i n go p e r a t i o na r eu s e dt of i l t e rt h es m a l ln o i s ei nt h es p o ti m a g e t h i s m e t h o d i m p r o v e s t h ea n t i i n t e r f e r e n c eo fa l g o r i t h m c i r c l e f i t t i n go p e r a t i o nw i t h a p p r o p r i a t eg r a d i e n ta n ds p o tt e s t i n go p e r a t i o nc a ni m p r o v et h el o c a t i o np r e c i s i o no f l a s e rs p o tc e n t e r w i t ha b o v et h r e et e c h n o l o g ys c h e m e s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dan o v e ll a s e ri m a g e d e f l e c t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m ，c o m p o s e do f l a s e re m i t t e r , h a l fr e f l e c t i n g t a r g e t ， e m b e d d e dd a t a c o l l e c t o r , s e c r e t a r y m e c h a n i s mm a n a g e r , s c e n em a s t e rc o n t r o l m a n a g e r , g p r st r a n s c e i v e r , c a l i b r a t i o nm o d u l e f i n a l l y , b a s e do nt h ec o m p l e t i o no f s o f t w a r ed e s i g n i n ga n dh a r d w a r ed e s i g n i n g ，t h ea l g o r i t h me x p e r i m e n t ，p o w e rs a v i n g e x p e r i m e n ta n ds y s t e mp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ta r ed o n ei nt h el a b o r a t o r ya n db r i d g e s e x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h eh i g hp r e c i s i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e ，d a t aw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，a n dc o n t i n u eo n l i n em e a s u r e m e n to ft h e n e ws y s t e m k e y w o r d s ：d e f l e c t i o nm o n i t o r i n g ，l o wp o w e r , w i r e l e s s ，s e c r e t a r ym e c h a n i s m ，l a s e r i m a g e ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景与研究意义1 1 2 国内外挠度测量的研究现状2 1 3 本课题的研究内容矛n g , j 新点5 1 4 本章小结6 第二章系统综述7 2 1 现有的激光图像挠度监测系统7 2 2 低功耗无线激光图像挠度自动监测系统8 2 2 1 系统的改进之处及整体结构8 2 2 2 系统工作流程8 2 2 3 系统施工安装方法1 0 2 2 4 系统各部分功能及设计思想1 1 2 3 本章小结1 4 第三章桥梁挠度监测动态电源管理技术1 5 3 1 动态电源管理技术简介1 5 3 2 低功耗嵌入式数据采集器设计1 6 3 3 嵌入式多模式设计1 8 3 4 秘书机制管理器技术1 9 3 4 1 基本原理1 9 3 4 2 硬件设计2 0 3 4 3 软件设计2 1 3 5 本章小结2 2 第四章差分光斑中心定位算法2 3 4 1 传统的光斑中心定位算法介绍2 3 4 2 现有的梯度光斑中心定位算法分析2 4 4 2 1 梯度算法原理2 4 4 2 2 存在的问题2 5 4 3 差分光斑中心定位算法设计2 5 4 3 1 改进之处2 5 4 3 2 算法实现过程2 5 4 4 本章小结3 0 第五章桥梁挠度监测无线通信技术3 1 5 1 用于桥梁挠度监测的g p r s 远程无线通信技术3 1 5 1 1g p r s 技术概述3 1 5 1 2g p r s 收发器与p d a 手机之间的通信3 1 5 1 3g p r s 收发器与p c 机之间的通信3 5 5 2 用于桥梁挠度监测的s r w f - 5 0 1 短程无线通信技术3 6 5 2 1s r w f 一5 0 1 技术概述3 6 5 2 2 系统元件之间的无线通信3 6 5 3 通信数据拆包封包技术3 7 5 3 1g p r s 通信数据拆包封包技术3 7 5 3 2s r w f 一5 0 1 通信数据封装技术3 8 5 4 本章小结3 9 第六章系统软硬件设计4 0 6 1 硬件设计4 0 6 1 1 硬件整体结构4 0 6 1 2 自动标定器设计4 0 6 1 3 现场系统控制器设计4 2 6 2 软件设计4 4 6 2 1 软件开发环境4 5 6 2 2 现场系统控制器软件设计4 5 6 2 3 嵌入式数据采集软件设计4 8 6 3 本章小结5 0 第七章实验及分析5 2 7 1 算法实验及分析5 2 7 1 1 建立实验室实验环境5 2 7 1 2 强抗干扰实验5 2 7 1 3 激光强度变化实验5 3 7 1 4 强干扰环境下的光斑中心定位精度实验5 4 7 2 系统挠度监测性能实验及分析5 4 7 2 1 建立桥梁现场实验环境5 4 7 2 2 长期在线监测稳定性实验5 5 7 2 3 挠度测量精度实验5 6 7 3 系统省电对比实验及分析5 6 7 3 1 省电对比理论分析5 6 7 3 2 省电对比实验分析5 7 7 4 本章小结5 8 第八章结论与展望5 9 8 1 结论5 9 8 2 展望6 0 8 3 本章小结6 0 致谢6 1 参考文献6 2 在学期间发表的论文及取得的科研成果6 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景与研究意义 2 0 世纪9 0 年代以来，伴随着世界大规模公路建设的展开和我国国民经济的发 展，我国的桥梁建设进入了一个全面发展的阶段。桥梁是国家的重要基础设施之 一，是国民经济大动脉一交通的关键枢纽和控制节点。随着改革开放的不断深入， 我国加快了交通建设的步伐，也高度重视桥梁建设，先后建成了一批具有世界级 水平的桥梁。经过这些年的不断努力，我国桥梁建设的技术水平已经接近或达到 了国际先进水平，桥梁建设步入了伟大的复兴时代。 近年来，我国先后建造了近百座大跨度桥梁。然而这些桥梁中的相当一部分 在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、 人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到 设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维 修，轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌l l 训。 同样，桥梁结构的劣化现象在美国、同本、韩国、西欧等国家也普遍存在，而且 程度较为严重。美国在1 9 9 5 年调查发现，其4 7 万多座公路桥中有4 0 以上有不同程 度的结构性或功能性缺陷。鉴于此，世界各国的研究者对桥梁结构的安全性问题 表现出极大的关注，进行了深入的研究并总结出了一系列的桥梁结构安全检测和 评价的方法。 根据监测特征参数和传感器的不同，桥梁健康监测系统可分为裂缝监测系统、 挠度监测系统、应变监测系统、索力监测系统、温度监测系统等等。桥梁健康监 测通常根据不同桥型的需要，选用不同监测系统组合。桥梁的安全监测主要针对 桥梁的关键参数进行监测，然后运用各种科学的方法和手段对参数监测结果进行 分析，对桥梁做出科学的结论和评价1 5 d 。近年来，随着大跨度桥梁的兴建，桥梁 健康监测技术已成为国内外学者的研究热点，并将其应用于工程实践。如英国的 连续钢箱梁桥f o y l e 桥；挪威的s k a m i s u n d e t 斜拉桥( 主跨5 3 0 m ) ；美国w h i t e m a nt 大桥l l l j 和主跨4 4 0 m 的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥、丹麦主跨1 6 4 2 m 的大贝尔特 悬索桥；韩国的s a n g h ob 大桥【1 2 1 和香港的汲水门、青马、汀九三座大桥f 1 3 】；渝长 高速公路上的红槽坊立交桥等【l 引。 挠度是结构弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移，是桥梁等大 型结构健康监测的一项重要内容，是桥梁等结构安全性评价的一项重要指标，对 于桥梁承载能力检测和桥梁的防震减灾有着重要的意义和价值。它直接反应桥梁 结构形变是否超出危险范围，在桥梁检定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准 2 第一章绪论 确测量桥梁的静、动态挠度值。 桥梁挠度相对于桥的尺寸来说非常小，如一座主跨1 0 0 米长的连续刚构梁桥， 跨中允许的最大挠度仅约为十几厘米，基本无法用肉眼来识别，只能通过一定的 仪器来测量。目前，常规方法是每隔一段时间，由专业测量人员利用标尺经纬仪、 水准仪、百分表、千分表、加速度计、位移计等专用测量仪器在桥面上对桥梁的 挠度进行检测。这种方法时间长( 检测一次需要几天时问) 、费用非常高( 差旅住 宿、专业人员薪水、特殊仪器使用) 、人员安全难以保证( 需要在车辆高速通行的 道路上实施检测) ，只能对桥梁的静态挠度进行测量，不能实时了解结构挠度变化， 也不能起到长期监测桥梁挠度变化的作用，无法满足桥梁实时安全保障的需求。 因此，设计一种数据无线传输的桥梁挠度自动监测系统，以满足桥梁挠度长期在 线、自动监测的需要，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外挠度测量的研究现状 由于桥梁通常尺度较大，成百上千米的桥梁结构比比皆是，其挠度监测技术 和监测设备的安装均不同于通常结构，因此桥梁结构的挠度监测方法许多都是专 用方法，即专为适应桥梁结构的特点而设计的。 目前可用于实现桥梁结构长期健康监测的方法主要分为两类【1 5 】，简述如下： 1 、全人工读数方法 ( 1 ) 经纬仪法。采用水准仪测量挠度是目前比较传统的一种方法。先将标尺 垂直立于桥梁待测部位，然后通过经纬仪对标尺进行读数。当桥梁发生竖向变形 时，水准仪的读数也会发生变化，该读数的变化即反映桥梁该待测点处挠度的变 化1 1 6 j 。其测量原理参见图1 1 。 图1 1 经纬仪法测量原理 f i g 1 1 t h e m e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft h e o d o l i t e ( 2 ) 百分表法。测量方法为：将百分表安装在桥梁待测部位下侧，这样桥梁 的挠度变化将直接反映在百分表的读数上。其中百分表固定牢靠，使其位置保持 不变。其测量原理如图1 2 所示。 第一章绪论 3 图1 2 百分表法测量原理 f i g 1 2 t h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo fd i a li n d i c a t o r 除以上两种方法外还有水准仪和线性差动变压器法( l v d t ) 1 7 】等，这些挠度测 量方法结构简单且仪器廉价，但只能用于桥梁结构短期和人工监测，测量精度低， 对测量人员要求高，费时费力，无法做到实时监测。 2 、自动测量方法 ( 1 ) 张力线法【1 8 】首先将张力线安装在桥跨两端( 如桥墩) 固定的参考点上， 并将传感器固定于结构的待测点上，监测待测点相对于张力线的变化情况即可得 到结构挠度的变化情况。 ( 2 ) g p s l ”恨口新一代卫星定位系统。g p s 定位的基本原理为将高速运动的卫 星瞬间的位置作为起算数据，然后采用空问距离后方交会的方法，确定待测点的 位置。在地面上，只要用一部g p s 接收机测出3 4 颗卫星信号到达本接收机的时间， 就可准确推算出接收机所在地的经纬度、海拔高度、时间、运动速度等数据。 ( 3 ) 连通管测2 0 , 2 1 1 原理较简单，在桥上布置若干个竖向水管，用水管连通使 得液面保持同一高度，根据液面在竖向水管上的变化情况反算结构变形情况。基 于液位高度的传感方法不同，连通管法又可分为光电液位式、压力变送器式、超 声波式、光透射法等。 ( 4 ) 光电成像法【2 2 】使用带光学系统的c c d 阵列( 摄像设备) ，监测安装在桥 梁结构待测点上的光靶。当待测结构移动时，光靶也发生移动，只要监测出光靶 在c c d 阵列中的投影位置变化，即可计算出结构挠度的变化。 ( 5 ) 光电分光成像与激光测量澍2 3 硎。该方法类别很多，主要包括线阵c c d 成像法，将一片黑底白条图案贴在铁轨或钢梁的外侧作为信号源，通过成像系统 将该信号源成像到线阵c c d 的光敏面上，然后将线阵c c d 的输出端输出的信号经 过处理即可得到被测物的位移或振动频率；激光光斑测量法，将激光器安装在一 个固定的参考点上，以激光器发出的准直激光束为参考，将传感器固定在被测物 上，当被测物在该点发生形变或者位移时，参考激光发出的光斑在传感器上的位 4 第一章绪论 置发生变化，而光斑位置的变化则反映出了形变或位移的方向和大小；激光图像 测量法与激光光斑测量法刚好相反，该方法将激光器固定在被测物上，而将传感 器作为参考点，激光器投射到传感器上的光斑会随着激光器的移动而移动，即挠 度位移变化。 ( 6 ) 测量机器人1 2 8 , 2 9 般由棱镜及主机组成。在测量时，将棱镜安装于桥梁 被测点，集成在主机上的红外测距仪发出的红外线经棱镜反射后又被它接收到， 通过测量光从发出到接收经过的时间，就能得到桥梁被测点与测量机器人之间的 距离。与此同时，利用集成在主机上的电子经纬仪测出棱镜相对于主机的水平方 位角和垂直角，以主机所处的点为测量空间坐标原点，即可确定空间任意一点的 位置坐标。测量机器人测定一个目标棱镜的空间位置后自动切换到下一目标测量 点继续测量。各点在竖直方向不同时刻空间位置变化即反映出桥梁挠度的变化。 ( 7 ) 倾角仪【3 0 3 2 j 通过在与桥梁中轴线平行的轴线上选定的测点上布设倾角仪， 测量桥梁各测点的倾角值，然后通过算法计算出该轴线上各截面的挠度值、倾角 值和曲率值。哈尔滨科技大学已经采用了倾角仪外加单片机、a d 转换器等硬件进 行信号的采集和处理、实现了自动化记录桥梁挠度数据。 ( 8 ) 激光挠度测量方法一般是利用激光器产生一个激光源作为基准线，当结 构发生形变时，利用位置灵敏探测器( p s d ) 来测量结构挠度。例如，有一种自动 测量仪1 3 3 l 使用一个激光二极管、p s d 和一面能自由移动的镜子来测量细微的形变。 还有一种由一个c d 播放器摄像头和一个反射面构成的白准直仪1 3 4 j ，利用摄像头附 带的激光源和二极管产生的反射光线测量挠度。除此之外，还有基于激光扫描的 三维坐标绘制系统【3 5 j ，它在3 0 m 范围内的精度为毫米量级；还有三维激光雷达系统 1 3 州，它利用两种不同频率的可调激光来确定物距，它的测量距离比三维坐标绘制系 统要远，该系统在6 0 m 范围内能达到同三维坐标绘制系统相同的精度。这些系统或 相当复杂昂贵，或体积庞大，需要用车辆运载，不便于实时监测。 以上方法都能完成挠度自动测量。采用张力线法精度不高，施工较复杂，此 外由于张力线受温度和结构受力状态影响较大，长期使用难以保证。采用倾角仪 和g p s 存在着精度低的缺点，测量精度一般只能得到厘米级。连通管法的主要优点 是不受桥梁现场高尘、高湿和浓雾等外部环境的影响，但由于要在全桥结构固定 和安装连通管，施工比较复杂，安装成本也较高，此外由于桥梁结构振动时引起 的液位变化滞后较大，连通管无法用于结构挠度的动态监测。光电成像法可进行 远距离、非接触式测量，测量速度高，但价格昂贵，易受下雨、雾天等环境条件 的影响，测量距离近，精度低。测量机器人法具有测量速度快、量程大和测量精 度高的优点，但其价格非常昂贵，单套设备即需十余万元，限制了其在结构健康 监测中的应用。综合比较以上几种方法，其中光电分光成像和激光测量法中的激 第一章绪论 5 光图像测量法具有测量精度高、测量距离远的特点，能够实现实时自动在线测量 3 7 - 4 1 】，故我们选择这一方法作为研究方向。 1 3 本课题的研究内容和创新点 本课题以激光图像测量法为研究方向，然而，现有的激光图像挠度测量 系统大多存在功耗大、布线方式繁琐、无法适应于强干扰环境等缺点。因此 本文的主要工作就是提出具体的技术方案来解决这些缺点，并通过实验验证 这些方案的有效性和可靠性。 具体来说，本课题的主要创新点如下： ( 1 ) 探索并设计一种新型动态电源管理技术并成功应用到桥梁挠度监测 系统中。该动态功耗管理技术由三种省电方案组成：利用低功耗a r m 微处理 器设计一种省电型嵌入式数据采集器代替传统的工控机数据采集器；设计高 功耗模式和低功耗模式，并在不同的工作环境下成功实现二者的转换；探索 一种间歇性电源供应管理器技术( 简称“秘书机制管理器”) 来管理系统元件 的上电工作时间。即需要用到某个系统元件时，给它供电，一旦不再需要这 个元件时，自动断丌它的电源。 ( 2 ) 采用g p r s 无线技术实现数据的远程传输，采用s r w f 5 0 1 无线技 术实现系统内部元件之间的短距离通信，有效地解决了有线布线带来了一系 列问题。 ( 3 ) 成功实现了一种差分光斑中心定位算法，提高了光斑中心定位精度 和强抗干扰性，即使在太阳光、手电筒照射等恶劣的监测环境下也能准确地 测量桥梁挠度。 ( 4 ) 设计了一种自动标定器，避免了类似于激光图像法人工标定困难等 问题。 本论文的内容安排如下： ( 1 ) 第二章详细介绍系统的整体结构及工作流程。 ( 2 ) 结合第二章介绍的系统，本文第三章、第四章和第五章分别详细介 绍了该系统的三种桥梁挠度监测关键技术及具体的实现方法，包括动态电源 管理技术、差分光斑中心定位算法、多模式切换技术。 ( 3 ) 第六章主要介绍了系统的软硬件设计方法。 ( 4 ) 第七章是实验部分，主要在实验室完成了算法实验、精度实验、省 电实验，验证( 2 ) 中介绍的三种技术方案的有效性和可靠性。最后是文章的 结论部分。 6 第一章绪论 1 4 本章小结 本章开篇通过全世界桥梁坍塌的危害性来阐述桥梁健康监测的重要性和必要 性，并进一步讨论了桥梁挠度监测在桥梁健康监测中的重要地位，实时准确地监 测桥梁挠度具有重要的意义和价值。 综合比较国内外几种常见的桥梁挠度测量方法，最终决定以其中的激光图像 测量法作为本文的研究方向。激光图像测量法以其精度高、测量距离远等显著的 特点而得到越来越广泛的应用，但它也存在一些明显的不足之处，所以本文提出 了四种具体的技术方案( 新型动态功耗管理技术、差分光斑中心定位算法、无线通 信技术、自动标定技术) 来解决激光图像测量法的缺点，在此基础上设计出一种创 新型的激光图像挠度监测系统。本章最后总结了本课题的主要研究内容和创新点。 第二章系统综述 7 第二章系统综述 2 1 现有的激光图像挠度监测系统 激光图像挠度测量方法因其测量精度高、测量距离远等显著特点而受到广泛 的应用，现有的激光图像挠度监测系统如图2 1 所示，由激光发射器、标靶、g p r s 收发器、视频采集设备和配置视频采集卡并预装相应软件的工控机组成。其基本 原理为：激光发射器固定在被测结构的测量点上，视频采集设备安装在标靶正后 方不远处，任一时刻，激光发射器发出的激光束照射到远处的标靶上形成一个圆 形光斑，当被测结构发生位移变化时，标靶上的激光光斑也会移动相同的位移， 通过视频采集设备采集光斑变化前后的两幅图像，然后通过梯度光斑中心定位算 法定位它们的中心位置，作差值即可得到被测结构的位移变化量a y ，最后工控机 通过g p r s 收发器将a y 值发送到远程服务器。 y 7 ：远程服务器8 ：供电站 图2 1 现有的激光图像挠度监测系统 f i g 2 1e x i s t i n gl a s e ri m a g ed e f l e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m 现有的激光图像挠度监测系统存在如下不足之处： ( 1 ) 功耗大。，系统元器件每天2 4 d 时都处于上电工作状态，从而导致系统不停 地采集数据，这样不仅浪费大量的电能，而且元器件也会因为长期不停地工作 而老化损坏。 ( 2 ) 布线方式繁琐。系统内部元件之间都采用有线通信方式，由于各种桥梁结 构的不同，导致某些系统元件施工安装时存在距离很远的情况，布线距离长、 8 第二章系统综述 范围广，一旦出现通信故障也很难检修。 ( 3 ) 在一些强干扰光线的恶劣监测环境下，梯度算法也会产生较大的测量误 差。 2 2 低功耗无线激光图像挠度自动监测系统 2 2 1 系统的改进之处及整体结构 1 15 ：嵌入式数据采集器6 ：秘书机制管理器7 ：现场系统控制器8 ：g p r s 收发器 9 ：自动标定器1 0 ：供电站1 1 ：远程服务器 图2 2 低功耗无线激光图像挠度自动监测系统 f i g 2 2 l o wp o w e rw i r e l e s sl a s e ri m a g ed e f l e c t i o na u t o m a t i cm o n i t o r i n g s y s t e m 系统的改进之处：第一章已经介绍了具体的改进方案，即动态电源管理技术、 差分光斑中心定位算法、无线通信技术。针对以上改进方案，本文设计了一种新 型激光图像挠度监测系统，如图2 2 所示( 黑色线代表电源线，蓝色线代表数据 线) ，该系统主要由六部分组成：嵌入式数据采集器、自动标定器、点激光发射器、 半反射标靶、秘书机制管理器( s e c r e t a r ym e c h a n i s mm a n a g e r ，简称s m m ) 、现 场系统控制器( s c e n em a s t e rc o n t r o lm a n a g e r ，简称s m c m ) 和g p r s 收发器。 自动标定器负责完成挠度测量前的自动标定任务，嵌入式数据采集器是系统的核 心单元，它负责处理图像数据并计算挠度；现场系统控制器负责协调和控制系统 各元件有序工作；秘书机制管理器负责给所有系统元件独立供电，摄像头负责采 集激光图像数据( 激光发射器投射在标靶上的光斑图像) 并发送给嵌入式数据采 集设备。 2 2 2 系统工作流程 第_ 二章系统综述 9 i 开始；i 一一、l 一 $ i 6 p r s 收蓟 、命令c ? 。l 1 一i 隹图螽耳订、 将挠度发送到 f 远程服务器 u 厂u 上 当j 脌硛 换到省电模式 硎遥控s 删打 采集器电源 1 一 城x 发送c 给采集 z 。 结束 ，切换到工作模式 n ，= ：。：j 、1 ：关闭采集器电l ? 、。 ：莲有其它测量i 二：旦 二1 i ：c - o - 、n 、c 2 杯疋。 。 、f 集器遥控标定1 一切换型! 一个i ； 超1 小时? ，潺一。 结墨左 件f 1 a h 。点 2 3 系统工作流程 i g 2 3 o r k i n g r o c e s sfh ey s t e m 统的工作流程如图2 3 所示。 1 ) g p r s 收发器循环等待并接收上位机发送短信命令c 。 2 ) 接收到命令后，现场系统控制器通过s r w f 5 0 1 无线模块给秘书机制管 器发送电源控制命令，丌启嵌入式数据采集器的电源，采集器上电启动后进入 电模式。此时现场系统控制器将短信命令c 解析成采集器命令发送给嵌入式数 采集器，采集器进入工作模式并判断该命令的类型。如果该命令为标定，则采 器通过s r w f 5 0 1 无线模块遥控自动标定器工作( 先前在知道标定命令的情况 ，现场系统控制器已经遥控秘书机制管理器开启了自动标定器的电源) ，最终的 定结果存入采集器的f l a s ho m 中，防止掉电丢失。反之，如果该命令为测量 令，则采集器进入挠度计算主程序并通过s r w f 5 0 1 无线模块遥控秘书机制管 器开启当前测量点的激光发射器的电源。 3 ) 嵌入式数据采集器采集激光图像并处理计算当前测量点的挠度值，最后 挠度值传送给现场系统控制器。 4 ) 循环判断当前测量点的挠度是否计算完成，如果任务完成则循环判断是 否还有其它测量点需要测量，如果任务没有完成则继续执行当前步骤。 5 ) 如果还有其它测量点需要测量，则切换到下一个测量点( 断开当前测量 的激光电源并开启下一个测量点的激光电源) 并跳转到第三步继续执行。如果 经完成所有测量任务，则将这些挠度值发送到远程服务器并使嵌入式数据采集 切换到省电模式。 1 0 第二章系统综述 ( 6 ) 此时判断是否还有新命令到达，如果有新命令则跳转到第二步继续执行， 否则判断系统白上一次测量任务完成到现在经历的时间是否超过1 小时，如果超 过1 小时还没有新命令到达，现场系统控制器就遥控秘书机制管理器断开嵌入式 数据采集器的电源并跳转到第一步继续执行。 为了保证挠度监测能顺利且高效地进行，在桥梁挠度长期监测过程中，秘书 机制管理器、g p r s 收发器和现场系统控制器必须2 4 小时保持上电工作状态。其 它功耗设备都通过秘书机制管理器动态供电。 2 2 3 系统施工安装方法 无论在实验室还是桥梁现场都需要施工安装，本文通过对多座大桥的结构进 行实地考察，总结了一套最完善的施工安装技术。 ( 1 ) 选定激光发射器的安装位置。由于挠度监测系统安装于桥梁箱内，对于 激光发射器的安装位置必须考虑如下因素g 首先应保证激光能准确无误地投射到 半反射标靶上；其次，为了保证系统的测量数据和桥梁挠度