基于攝影測量的起重機主梁變形檢測方法＊

趙章焰 朱 強 魯恩順

武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063

0 引言

近年來，我國港口發(fā)展迅速，港口機械數(shù)量也逐漸增長，起重機的安全事故頻發(fā)。自2014年起，我國起重機械安全事故數(shù)量逐年遞增，2016年達(dá)到了94起，且死亡人數(shù)在特種設(shè)備安全事故總死亡人數(shù)中的比重也在不斷上升。因此，對起重機進(jìn)行安全檢測勢在必行。主梁是門式起重機的主要承載構(gòu)件，如果主梁發(fā)生嚴(yán)重變形后仍正常使用，不僅影響起重機的使用性能，更可能造成安全事故，所以需要重點檢測主梁的變形。

1 常用方法

常用的測量主梁變形的方法有拉鋼絲法、水準(zhǔn)儀法和布設(shè)傳感器法。鋼絲法操作簡單，測量成本低，但測量結(jié)果會受到鋼絲繩自重影響。另外，鋼絲繩具有一定的彈性和韌性，彎曲后不易拉直，會造成較大誤差。水準(zhǔn)儀法是將水準(zhǔn)儀放在主梁端部調(diào)平，用鋼直尺置于待測位置進(jìn)行測量。水準(zhǔn)儀法測量快捷準(zhǔn)確，但攜帶水準(zhǔn)儀到主梁上不方便，且測量人員站在主梁上會使主梁變形，從而影響精度。此外，光線不足、距離較遠(yuǎn)都會影響讀數(shù)，產(chǎn)生誤差。利用布設(shè)傳感器的方式進(jìn)行測量，可取得精確、詳實的相關(guān)數(shù)據(jù)，但效率極低，往往需要相關(guān)設(shè)備停機1～2 d才能完成測量工作，且傳感器的安裝工序也十分復(fù)雜，由于港口環(huán)境較為惡劣，傳感器裸露在外，很難滿足長期穩(wěn)定工作的要求。鑒于此，針對于起重機械的變形檢測，需要一種高效便捷的檢測方法。

2 攝影測量方法

2.1 求解外方位元素

攝影測量是一種非接觸式測量方法，僅需少量控制點和指針點的坐標(biāo)信息即可通過拍照的方式獲取被測物體的三維坐標(biāo)，從而得到尺寸信息。此方法在測量效率、實驗成本以及測量距離上均有優(yōu)秀表現(xiàn)，隨著攝影測量技術(shù)和計算機視覺的發(fā)展，使用攝影測量技術(shù)來測量構(gòu)件三維尺寸的方法在工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

在進(jìn)行攝影測量時，首先要求解相片的內(nèi)外方位元素。內(nèi)方位元素是指攝影過程中鏡頭中心相對于相片的位置關(guān)系參數(shù)，在相機標(biāo)定檢校時即可確定。外方位元素是指相機在待測物體所在物方坐標(biāo)系的位置參數(shù)T和姿態(tài)參數(shù)R，包括3個線元素X、Y、Z和3個角度參數(shù)ψ、ω、κ，求解原理可表示為

采用單像空間后方交會的方法，利用4個控制點的物方坐標(biāo)、影像坐標(biāo)和相機的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)共線方程求出攝影中心的外方位元素。

2.2 雙目測距

3 實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備

本次實驗所選擇的相機為佳能EOS 5DS，分辨率8 688×5 792，搭配的鏡頭型號為EF 50 mm f/1.8 STM，所采用的相機標(biāo)定方法是Matlab提供的Camera Calibrator工具箱，測量對象為門式起重機，試驗場環(huán)境見圖1。

圖1 試驗場環(huán)境

3.2 實驗流程

如圖2所示，在現(xiàn)場架設(shè)全站儀，獲取控制點的坐標(biāo)信息，本文中所有點的坐標(biāo)通過拓普康602G全站儀采集。該全站儀最遠(yuǎn)有效測距為200 m，無外界干擾情況時的測量最大誤差為±（3+2×10-6D）㎜，充分滿足測量的工程要求。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行3次獨立測量，試驗坐標(biāo)取平均值。

圖2 數(shù)據(jù)采集所使用的全站儀

坐標(biāo)信息采集完成后，通過相機對現(xiàn)場進(jìn)行拍攝。分別拍攝起重機在吊載和空載狀況下的照片，每次拍攝從左方、右方兩個角度進(jìn)行，左方、右方夾角為45°～60°。拍攝完成對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在起重機上設(shè)置實驗點，將吊載和空載下的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可得到主梁的變形量。控制點和指針點的選取如圖3所示，其物方坐標(biāo)如表1所示。

表1 起重機測量控制點、指針點物方坐標(biāo) mm

3.3 實驗結(jié)果

分別處理3組空載和吊載的實驗照片，人工選取各個測量過程中的左右照片中的控制點和指針點，利用后方交會解算外方位元素，取3次實驗的平均值作為最終結(jié)果，表2～表5為相機的外方位元素和試驗點物方坐標(biāo)。

表2 空載測量外方位元素

表3 吊載測量外方位元素

表4 空載時試驗點物方坐標(biāo) mm

表5 吊載時試驗點物方坐標(biāo) mm

將得到的數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)的誤差在5 ㎝左右，進(jìn)而說明測量精度的可靠性。以試驗點X坐標(biāo)和吊載、空載Y坐標(biāo)的差值為參數(shù)進(jìn)行曲線擬合，得到圖4所示主梁變形曲線。

圖4 曲線擬合

4 結(jié)論

本文基于攝影測量設(shè)計了針對起重機主梁變形的測量方法，通過全站儀進(jìn)行控制點和指針點的標(biāo)定，解算出相機的外方位元素，然后通過人工選點進(jìn)行關(guān)鍵點的測量，從而得到主梁的變形信息。相比于傳統(tǒng)的測量方法本文所述方法具有以下優(yōu)勢：

1）非接觸測量方式，可排除接觸測量的人為等受力干擾，便于實現(xiàn)自動化；

2）操作簡單，實驗環(huán)境安全；

3）可同時測量多個目標(biāo)，測量效率高；

4）除了測量主梁變形，也可通過設(shè)計專用算法，對其他參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。

目前，本文提出的方法仍然存在改進(jìn)空間，受限于環(huán)境因素影響，相機采集的相片中同名點的自動匹配效果不佳，主要依賴于人工選擇。未來將探究自動匹配算法，提高測量精度的穩(wěn)定性和測量過程的自動化程度。