趙章焰 朱 強(qiáng) 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(jī)械數(shù)量也逐漸增長(zhǎng)，起重機(jī)的安全事故頻發(fā)。自2014年起，我國起重機(jī)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(duì)起重機(jī)進(jìn)行安全檢測(cè)勢(shì)在必行。主梁是門式起重機(jī)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(jī)的使用性能，更可能造成安全事故，所以需要重點(diǎn)檢測(cè)主梁的變形。

1 常用方法

常用的測(cè)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(jiǎn)單，測(cè)量成本低，但測(cè)量結(jié)果會(huì)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(huì)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(cè)位置進(jìn)行測(cè)量。水準(zhǔn)儀法測(cè)量快捷準(zhǔn)確，但攜帶水準(zhǔn)儀到主梁上不方便，且測(cè)量人員站在主梁上會(huì)使主梁變形，從而影響精度。此外，光線不足、距離較遠(yuǎn)都會(huì)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(cè)量，可取得精確、詳實(shí)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(jī)1～2 d才能完成測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定工作的要求。鑒于此，針對(duì)于起重機(jī)械的變形檢測(cè)，需要一種高效便捷的檢測(cè)方法。

2 攝影測(cè)量方法

2.1 求解外方位元素

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

在進(jìn)行攝影測(cè)量時(shí)，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(duì)于相片的位置關(guān)系參數(shù)，在相機(jī)標(biāo)定檢校時(shí)即可確定。外方位元素是指相機(jī)在待測(cè)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(gè)線元素X、Y、Z和3個(gè)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(huì)的方法，利用4個(gè)控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)、影像坐標(biāo)和相機(jī)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(cè)距

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)所選擇的相機(jī)為佳能EOS 5DS，分辨率8 688×5 792，搭配的鏡頭型號(hào)為EF 50 mm f/1.8 STM，所采用的相機(jī)標(biāo)定方法是Matlab提供的Camera Calibrator工具箱，測(cè)量對(duì)象為門式起重機(jī)，試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境見圖1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

如圖2所示，在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)全站儀，獲取控制點(diǎn)的坐標(biāo)信息，本文中所有點(diǎn)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(cè)距為200 m，無外界干擾情況時(shí)的測(cè)量最大誤差為±（3+2×10-6D）㎜，充分滿足測(cè)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(dú)立測(cè)量，試驗(yàn)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(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍攝。分別拍攝起重機(jī)在吊載和空載狀況下的照片，每次拍攝從左方、右方兩個(gè)角度進(jìn)行，左方、右方夾角為45°～60°。拍攝完成對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在起重機(jī)上設(shè)置實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，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(diǎn)和指針點(diǎn)的選取如圖3所示，其物方坐標(biāo)如表1所示。

表1 起重機(jī)測(cè)量控制點(diǎn)、指針點(diǎn)物方坐標(biāo) mm

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別處理3組空載和吊載的實(shí)驗(yàn)照片，人工選取各個(gè)測(cè)量過程中的左右照片中的控制點(diǎn)和指針點(diǎn)，利用后方交會(huì)解算外方位元素，取3次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果，表2～表5為相機(jī)的外方位元素和試驗(yàn)點(diǎn)物方坐標(biāo)。

表2 空載測(cè)量外方位元素

表3 吊載測(cè)量外方位元素

表4 空載時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)物方坐標(biāo) mm

表5 吊載時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)物方坐標(biāo) mm

將得到的數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)量精度的可靠性。以試驗(yàn)點(diǎn)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(cè)量設(shè)計(jì)了針對(duì)起重機(jī)主梁變形的測(cè)量方法，通過全站儀進(jìn)行控制點(diǎn)和指針點(diǎn)的標(biāo)定，解算出相機(jī)的外方位元素，然后通過人工選點(diǎn)進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)量，從而得到主梁的變形信息。相比于傳統(tǒng)的測(cè)量方法本文所述方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）非接觸測(cè)量方式，可排除接觸測(cè)量的人為等受力干擾，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

2）操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)環(huán)境安全；

3）可同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)，測(cè)量效率高；

4）除了測(cè)量主梁變形，也可通過設(shè)計(jì)專用算法，對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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(jī)采集的相片中同名點(diǎn)的自動(dòng)匹配效果不佳，主要依賴于人工選擇。未來將探究自動(dòng)匹配算法，提高測(cè)量精度的穩(wěn)定性和測(cè)量過程的自動(dòng)化程度。