WYKORZYSTANIE KAMERY CYFROWEJ DO POMIARÓW STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH PRZEMIESZCZEŃ W MOSTACH

Transkrypt

1 397 II Sympozjum Diagnostyka i badanie mostów, Opole, kwiecień 2003 r. Zbigniew OPILSKI 1 Marek SALAMAK 2 WYKORZYSTANIE KAMERY CYFROWEJ DO POMIARÓW STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH PRZEMIESZCZEŃ W MOSTACH 1. Wstęp Pomiar przemieszczeń przęseł mostu w czasie badań statycznych i dynamicznych może być realizowany wieloma metodami. Najczęściej stosowane są techniki tradycyjne wykorzystujące niwelacje precyzyjną, czujniki zegarowe lub indukcyjne. Niwelacja precyzyjna nie pozwala osiągnąć wystarczającej dokładności przy dłuższych celowych i jest bardzo czasochłonna. Zamknięcie ciągu niwelacyjnego może zająć nawet piętnaście minut, a więc tyle co interwał czasowy między kolejnymi odczytami ugięcia przy badaniu statycznym. Metoda ta zupełnie nie nadaje się do badań dynamicznych. Czujniki zegarowe i indukcyjne mają wystarczającą dokładność, a te drugie mogą być stosowane również w badaniach dynamicznych. Jednak oba urządzenia potrzebują stałej bazy odniesienia. W przypadku gdy nie jest możliwe wykorzystanie przestrzeni podmostowej pomiary są właściwie nie do zrealizowania. Jednak nawet, gdy mamy dostęp do terenu pod mostem, to przy większych wysokościach musimy korzystać z linek sprowadzających pomiar do poziomu jakiejś bazy. Takie pomiary zawsze będą obarczone błędami i zakłóceniami związanymi z metodą pomiaru (podatność linki, oddziaływanie wiatru na linkę, drgania bazy itp.). W efekcie będziemy rejestrować charakterystykę dynamiczną układu most-linka, a nie samego mostu. Problemów tych można uniknąć w przypadku stosowania nowoczesnych technik optycznych. 2. Optyczne systemy pomiarów przemieszczeń Do optycznych systemów pomiaru przemieszczeń stosowanych w mostach zaliczyć można fotogrametrię, techniki laserowe i wizyjne. Fotogrametria ze względu na swoją specyfikę jest rzadziej wykorzystywana. Zdecydowanie przeważają dwie pozostałe techniki. Laserowa aparatura pomiarowa wykorzystuje możliwość wytworzenia spójnej i na tyle mocnej wiązki światłą laserowego, że można przyjąć założenie prostoliniowości rozchodzenia się 1 Dr inż., Instytut Fizyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach, zopilski@zeus.polsl.gliwice.pl 2 Mgr inż., Katedra Budowy Mostów Politechniki Śląskiej w Gliwicach, salmar@ams-bt.com.pl

2 398 światła. Nadajnik laserowy mocowany jest na stabilnym podłożu w pobliżu badanego obiektu. Wysyłana wiązka nakierowana jest dokładnie na odbiornik znajdujący się na moście. Światłoczuła matryca odbiornika potrafi rejestrować plamkę lasera i określać przemieszczenia płaszczyzny odbiornika względem emitowanej wiązki światłą. Opis pomiarów laserowych dużych konstrukcji mostowych można znaleźć w publikacji [1]. Wykorzystanie kamer video do badań mostów było już przedmiotem zainteresowania badaczy i to nawet w Polsce. W latach dziewięćdziesiątych w Instytucie Budowy Dróg i Mostów, dr Olaszek zbudował zestaw pomiarowy do pomiaru przemieszczeń przęseł mostów, który z powodzeniem był wykorzystywany w wielu badaniach statycznych i dynamicznych różnych obiektów mostowych [1]. Podobne prace prowadzone były w wielu znanych ośrodkach zagranicznych jak na przykład na Uniwersytecie w Sheffield [3]. Możliwości sprzętu video oraz komputerów bardzo szybko się zmieniają. Pojawiły się nowe cyfrowe technologie rejestracji obrazu, szybsze i bardziej przepustowe magistrale transferu danych do komputera oraz nowsze i bardziej wydajne algorytmy analizy obrazu. Jednocześnie obniżają się koszty tych zaawansowanych technologii. Dlatego wychodząc naprzeciw potrzebom stworzenia prostego w obsłudze, uniwersalnego i taniego zestawu pomiarowego do badań statycznych i dynamicznych mostów, autorzy zajęli się opracowaniem takiego urządzenia, którego podstawą w założeniu miała być ogólnie dostępna, średniej klasy kamera cyfrowa. 3. Budowa zestawu pomiarowego i oprogramowanie Zestaw pomiarowy składa się ze standardowej kamery video nagrywającej obraz na taśmie magnetycznej typu Digital 8. Autorzy używali kamery z obiektywem posiadającym 20 krotny zoom. Nagrany na taśmę magnetyczną film, przegrywany jest do pamięci masowej komputera. Tutaj następuje jego archiwizacja w formacie *.avi. Etap ten może obecnie odbywać się na kilka sposobów, np.: Jeżeli kamera posiada tylko wyjście analogowe video, komputer powinien zostać wyposażony w kartę typu frame-grabber (lub kartę telewizyjną) pozwalającą na akwizycję obrazu i jego zapis na twardym dysku. Obecnie coraz częściej wyposaża się kamery oraz komputery w szybką magistralę szeregową FIREWIRE (IEEE 1394). Pozwala to na łatwe przeniesienie nagranego filmu do zasobów komputera. Dalsza konieczna obróbka filmu odbywa się z pomocą specjalnie napisanego oprogramowania. Idea działania programu sprowadza się do wybrania, na jednej z klatek filmu, obiektu graficznego - wzorca związanego z badanym obiektem, a następnie poszukiwaniu go na wszystkich pozostałych klatkach. Podczas tego poszukiwania wyznaczane jest jego położenie (wyrażone w pikselach) względem jednego z rogów klatki. Tak zdobyte wyniki pomiarów można oczywiście przeliczyć następnie na rzeczywiste położenie wzorca. Korzysta się w tym celu ze współczynników skalujących, które można wyznaczyć znając rzeczywistą wielkość niektórych elementów na obrazie. Podstawa czasu zostaje natomiast odtworzona na podstawie informacji o tym, ile klatek obrazu zostaje zapisanych przez kamerę w ciągu jednostki czasu. Pracując w standardzie PAL kamera zapisuje 25 obrazów na sekundę, a więc jeden obraz co 40 ms. Procedura poszukiwania wzorca na obrazie pozwala wyznaczyć jego położenie z dokładnością znacznie lepszą niż piksel, co pokazano w punkcie 4. Aby taki pomiar mógł mieć miejsce należy spełnić pewne warunki: kamera musi znajdować się na nieruchomym względem mostu statywie (stabilność kamery ma decydujący wpływ na dokładność pomiarów),

3 399 wskazane, choć niekonieczne, jest umocowanie wzorca graficznego do badanego obiektu; wzorzec (wzorce) powinien być kontrastowy oraz niepowtarzalny w ramach analizowanego obrazu. Rys. 1 Zawartość menu programu Program do analizy obrazu został napisany w środowisku LabVIEW. Pozwala on: wybrać sekwencję klatek podlegającą dalszej analizie, wskazać poszukiwany wzorzec, wyznaczyć współczynniki skalujące i zastosować je, zaprezentować oraz zapisać w zasobach komputera wyniki pomiarów. Rysunek 1 przedstawia widok menu programu. Oprócz przedstawionego, pojawiają się dodatkowe okna zawierające m.in. poszukiwany wzorzec oraz kolejne klatki filmu z zaznaczonym rezultatem poszukiwania, tak jak to przedstawiono na Rys. 2. Wyznaczane współrzędne Znaleziony wzorzec Rys. 2 Fragment obrazu z zaznaczonym rezultatem poszukiwań Na przedstawionym rysunku rolę poszukiwanego wzorca spełnia naturalny element obrazu, jakim w tym przypadku jest fragment balustrady kładki dla pieszych. Program pozwala

4 400 prześledzić zmierzone rezultaty. Rysunek 3 przedstawia trajektorię Y(X), oraz położenie wzorca w funkcji czasu Y(t), X(t). Omawiany program jest jedynym niestandardowym elementem układu pomiarowego, ponieważ używana kamera jest zwykłą amatorską kamerą video. Rys. 3 Prezentacja wyników. Lewy wykres przedstawia wyniki w ujęciu Y(X). Prawe wykresy przedstawiają kolejno od góry: Y(t), X(t), α(t) (tu nieaktywne) 4. Badania laboratoryjne Przeprowadzono badania, których celem było sprawdzenie możliwości układu pomiarowego oraz oszacowanie jego dokładności. Badania przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, mierząc pionowe drgania poziomej belki w układzie przedstawionym na rysunku 4. Stalowa belka została zamocowana po prawej stronie. Do jej lewego, swobodnego końca, przymocowano indukcyjny czujnik przemieszczenia. Czujnik ten rejestrował drgania w celach porównawczych. Do belki zostały także przymocowane lekkie tarcze - wzorce z wydrukowanymi figurami geometrycznymi. Zaznaczona na każdym z wzorców pozioma i pionowa linia miała długość 180 mm. Drganiom o największej amplitudzie podlegał kwadrat, a znacznie mniejszym - zamocowane blisko osi obrotu, koło. Trójkąt natomiast nie był w ogóle związany z drgającą belką i pełnił rolę punktu odniesienia. Nagrano kilka 20 sekundowych sekwencji filmu przy różnych odległościach kamery od drgającej belki. Odległość tę zmieniano w granicach od 10 do 60 m. Zarejestrowane z odległości 10 m drgania przedstawia Rys. 5, natomiast z odległości 60 m - Rys. 6. Porównanie ostatnich dwóch rysunków prowadzi do wniosku, że na obraz drgań kwadratu z Rys. 5 nakłada się widoczne na Rys. 6 drganie kamery. Aby ograniczyć do minimum możliwość pobudzenia kamery do drgań, do jej włączania oraz wyłączania używano pilota. Podczas eksperymentu kamera znajdowała się na standardowym statywie, jak się okazało niewystarczająco sztywnym. Do wyznaczenia poziomu szumów układu pomiarowego wykorzystano wyniki pomiarów położenia trójkąta, który w założeniu nie powinien drgać. Pomiary przeprowadzono dla kierunku X oraz Y. Wyznaczone odchylenia standardowe pojedynczego pomiaru przedstawiono w Tab. 1.

5 401 Z porównania przedstawionych wyników wynika, że zmierzone niepewności pomiarowe są większe dla kierunku X (poziomego) niż dla kierunku Y (pionowego). Wynika to prawdopodobnie z konstrukcji użytego statywu kamery. Komentarza wymaga bardzo mała niepewność pomiarowa wyznaczona dla odległości 10 m, a wyrażona w pikselach. Wynika ona z metody wyznaczania położenia wzorca. Obserwowany obraz wzorca miał wielkość 324x350= pikseli. W omawianej metodzie, wszystkie elementy wzorca używane są do jego lokalizacji na kolejnych klatkach filmu. W innych znanych metodach przeprowadzana jest detekcja położenia brzegu kontrastowego elementu obrazu, w związku z tym w wyznaczeniu jego położenia biorą udział tylko te elementy obrazu, które znajdują się blisko wspomnianego brzegu. Czujnik indukcyjny Mocowanie belki Drgająca belka Rys. 4 Widok stanowiska pomiarowego z drgającą belką. Zakładając liniowy wzrost niepewności pomiarowej wraz z odległością, dla odległości 60 m należałoby się spodziewać niepewności pomiarowej (dla kierunku osi X) rzędu σ=0,16 piksela lub σ=0,25mm. Zmierzone wartości są jednak większe. Wynika to z faktu, że podczas obydwu pomiarów używano takiego samego, maksymalnego powiększenia obiektywu kamery. W związku z tym wielkość wzorca (widziana przez przetwornik CCD kamery) liczona w pikselach różni się istotnie za każdym razem i w drugim przypadku wyniosła tylko 56x60=3360 pikseli. Aby zachować dokładność pomiarów należałoby użyć obiektywu z większym powiększeniem lub wzorca o większych rozmiarach, tak by wielkość obrazu wzorca mierzonego pikselami pozostała niezmieniona. Y [mm] Czas [s] Rys. 5 Zarejestrowane z odległości 10 m drgania kwadratu.

6 402 Y [mm] Czas [s] Rys. 6 Zarejestrowane z odległości 60 m drgania kwadratu. Układ jest przystosowany do wykonywania pomiarów różnicowych polegających na wyznaczaniu współrzędnych wzorca jako różnicy pomiędzy położeniem wzorca ruchomego (kwadratu) i nieruchomego (trójkąta) zarejestrowanych jednocześnie. Ponieważ drgania kamery w równym stopniu przenoszą się na drganie obydwu wzorców, dlatego też odjęcie ich współrzędnych pozwala skompensować drgania kamery wideo. Tabela 1. Zestawienie zmierzonych niepewności pomiarowych. Odchylenie standardowe pojedynczego pomiaru σ odległość 10m (324x350) odległość 60m (56x60) [piksel] [mm] [piksel] [mm] kierunek X 0,026 0,041 0,28 0,6 kierunek Y 0,023 0,033 0,15 0,63 Ponieważ wzorzec optyczny (kwadrat) oraz indukcyjny czujnik przemieszczenia umocowane są w różnych miejscach belki, dlatego nie można porównać bezpośrednio rejestrowanych przemieszczeń. Można jednak z obydwu pomiarów wyznaczyć częstotliwość rezonansową oraz logarytmiczny dekrement tłumienia. Z pomiarów optycznych wynika, że f o =5,550 (5,565) (5,534) Hz, natomiast logarytmiczny dekrement tłumienia wynosi λ=0,042. Kontaktowy pomiar za pomocą czujnika indukcyjnego wskazuje, że wartości te wynoszą odpowiednio f o =5,565 Hz i λ=0, Podsumowanie W prezentowanej pracy przedstawiono pierwsze laboratoryjne wyniki pomiarów zebranych za pomocą układu pomiarowego składającego się ze standardowej amatorskiej kamery video oraz odpowiedniego oprogramowania. Celem tych badań jest ocena jakości zebranych wyników i ich przydatności do pomiarów statycznych i dynamicznych konstrukcji mostowych. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że celowym jest stosowanie wzorców posiadających symetrię osiową w przypadku elementów wykonujących jako jedną ze składowych ruchu obrót. Badania wykazały także potrzebę stosowania podczas pomiarów wzorców referencyjnych, które umożliwiają kompensację drgań kamery.

7 403 Literatura [1] Bień J., Rawa P., Laserowe pomiary statycznych I dynamicznych przeemieszczeń dużych konstrukcji mostowych, Inżynieria i Budownictwo 3-4/2002 [2] Olaszek P., Trials of computer-vision method application in bridge investigation, International Bridge Conference Warsaw 94, Warszawa 1994 [3] Patsias S., Staszewski W.J., Damage Detection Using Optical Measurements and Wavelets, Structural Health Monitoring, Vol. 1(1): , 2002 [4] Weseli J., Radziecki A., Salamak M., Silarski A., Badanie i ocena cech dynamicznych podwieszonej kładki dla pieszych usytuowanej w sąsiedztwie stadionu sportowego, Inżynieria i Budownictwo 3-4/2002. STATIC AND DYNAMIC DISPLACEMENT OF BRIDGES MEASURE USING DIGITAL CAMCORDER Summary The paper presents the application of the digital camcorder for measuring static and dynamic displacements of bridges. Different optical techniques are described and compared. The results of laboratory dynamic identification of simple cantilever beam are presented. These results are compared to natural frequencies and logarithmic decrement obtained using traditional contact method with induction gauges.