详情

原文传递嵌入式多点桥梁挠度监测系统研究与实现

论文题名：	嵌入式多点桥梁挠度监测系统研究与实现
关键词：	桥梁挠度监测;磁阻尼器;激光发射系统;数据采集;无线通信
摘要：	挠度监测是桥梁健康监测的重要内容，通过在实践中不断探索，大量桥梁挠度测量方法被研究出来。其中，激光图像法通过不断被改进具备了测量精度高、测量距离远、功耗低、体积小、价格便宜、便于安装调试等特点因而得到广泛的应用。但是，现阶段采用的激光挠度监测系统仍然存在测量结果不够准确和系统稳定性差的缺点，具体说来由四个方面原因引起:(1)激光发射系统回位速度不够迅速，镜头衍射现象明显;(2)差分光斑中心定位算法本身存在缺陷，造成光斑中心计算误差偏大;(3)以往采用的USB摄像头像素过低，不能满足高精度定位的需求;(4)在进行多点挠度测量的时候，由于无线通信协议不完善，经常出现收发数据中断，数据乱码，收发程序退出等异常情况。介于以上一些原因，本论文的主要任务就是要针对以上问题找出相应的解决方案，并通过实验论证方案的可行性和可靠性。最终将一个完整的挠度监测系统应用于实际的桥梁挠度健康监测项目中。　　针对以往激光发射器回位速度慢和衍射明显的缺点，设计了一种自安平挠度激光发射系统。该系统通过重力摆的方式实现激光发射系统的自动安平，经过对单摆受力及运动轨迹分析，依据临界阻尼原理得到相应的阻力系数，然后通过调节磁阻尼器磁感应强度与阻力系数匹配，实现系统快速悬停;为了保持远距离投射时激光仍具有良好的能量集中度，设计了专门的激光镜头，该镜头由伽利略扩束系统和聚焦镜(参数通过费马原理得到)组成，经实验确认该镜头能够保证激光远距离投射时有足够的聚光度。　　针对差分运算在太阳光很强或者激光功率不足的情况下，光斑经常出现边缘残缺或者为散斑，导致光斑中心定位精度偏差较大的问题，提出了一种改进的圆拟合光斑中心定位算法。该算法首先通过预处理得到二值化的光斑图像;然后提取光斑边缘像素点的坐标并计算相邻点之间的距离，以该距离的集合为样本，通过拉依达准则剔除边缘上的异常数据;最后通过圆拟合算法定位光斑中心。经实验该方法在光斑边缘残缺的情况下比普通的圆拟合精度要高。　　针对USB摄像头分辨率低不能满足高精度检测的状况，设计了一个高清摄像机的接入模块来提高图像质量。该模块以视频采集芯片SAA7113为核心，在ARM处理器控制下从高清摄像机获取PAL格式的视频信号，而后经过处理将该模拟信号转换成YCrCb格式的数字信号;当采集到YCrCb格式数字信号后，经过颜色空间变化转变成RGB颜色空间，屏蔽掉G、B基色后提取出R基色;最后提供给相关的图像处理算法处理。　　针对系统出现的数据收发情况不稳定的问题，解决方法是实现数据链路层的数据可靠传输，建立MAC(Media Access Control)层的确认、重发和编号机制。文中通过把传输层的停止等待协议移植到数据链路层实现，并对数据帧的抗干扰能力进行了理论分析和实验。最终能够满足系统的控制需求。　　综合以上四种技术方案，本文设计了一种稳定性较高的嵌入式多点桥梁挠度监测系统，包括激光发射系统、数据采集系统、数据处理系统、无线通信系统。在系统初步设计成功后，进行了如下实验:激光回位时间和精度实验，改进的圆拟合光斑中心定位算法实验，系统整体稳定性实验。实验结果表明通过缩短单摆的回位时间、提高回位精度、减小光斑衍射、采用高清摄像机图像采集系统和改进圆拟合算法等方法能提高系统定位精度和稳定性，同时系统采用基于停止等待协议的无线控制算法提高了数据收发的准确性。
作者：	张文会
专业：	计算机应用技术
导师：	张开洪
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文