一种悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法与流程

本发明涉及悬浮隧道技术领域，特别涉及一种基于支架转换法的悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法。

背景技术：

当前有关悬浮隧道物理模型试验的管段姿态测量均在水下进行，主要采用的测量方法包括：①水下激光法/水下摄像法；②速度/加速度传感器测量法；③测斜仪/多维度测量系统测量法等。其中，水下激光法/水下摄像法通过激光捕捉或者高速相机拍摄悬浮隧道管体特征点在不同时刻的运动位置换算得到管段姿态，但因受到水体浑浊、水密度变化、波浪等因素影响，水下激光法/水下摄像法测量精确度无法保证。速度/加速度传感器测量法属于惯性测量法，可以获得管体的实时速度/加速度数据，但如需获得位移数据，需进行一次/二次积分，且需结合准确的初始条件，推导较为复杂，难以保证准确性。另外，采用速度和加速度传感器进行运动测量中往往掺杂着比较复杂的直流分量和干扰噪声，对测量结果的真实性影响较大。测斜仪/多维度测量法可以直接获得管段位移/变形，但是数据采集频率及自动化程度均很低，无法实现实时采集。

目前已有的水下测量方法无法在悬浮隧道整体物模试验中验证其精确度，不同于海洋立管对位移没有严格要求，悬浮隧道的水下姿态控制要求高，对于长条形的柔性结构，位移监测非常重要，目前暂无成功先例。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法，将精度难以把控的水下测量转换为技术、经验成熟的水上测量。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种悬浮隧道管段姿态测量装置，包括用于与悬浮隧道模型管段相固定连接的支架，所述支架上固定连接有的背景板，所述背景板上设有的至少两个特征点，以及对所述特征点进行实时图像采集的图像采集装置。

在悬浮隧道的物理模型试验中，由于悬浮隧道位于水下，利用现有的装置和方法进行水下姿态测量均存在精度不高的问题，而悬浮隧道对水下姿态控制要求较高，为此，本发明提出了将悬浮隧道的水下测量转换为水上测量，具体实现方式为利用支架将特征点露出水面，将水面上的测量特征点与水面下的悬浮隧道模型管段相连，通过图像采集装置实时采集露出水面的特征点的位置信息，再几何换算得到水下管段的姿态信息。通过本发明所述的测量装置可以精确的测量悬浮隧道管段姿态，满足试验精度要求。

需要说明的是，为了使得特征点能准确反映水下模型管段的姿态信息，支架需与模型管段固定连接，背景板也需与支架固定连接，并保证在姿态测量过程中一直连接牢固，不发生相对位移(包括转动和移动)，固定连接的实现方式有多种，比如焊接、固定铆接等。所述支架的长度则要满足能够使得所有所述特征点露出水面。而背景板和特征点的颜色应该有明显的灰度对比，比如背景板为白色，特征点为黑色。所述图像采集装置应该能在短时间内完成对特征点的快速、多次采样。

优选的，所述背景板包括有若干个特征面，所有所述特征点位于所述特征面上。特征面的设置要考虑如何准确反映悬浮隧道的变形，以及便于图像采集装置进行拍摄。通常，所述特征面包括平行于模型管段轴向设置的第一特征面，以及垂直于模型管段轴向设置的第二特征面。

优选的，所述模型管段为圆管型结构，但不限于圆管型结构，也可以是其他截面形式。

优选的，所述第一特征面上包括有沿平行于模型管段轴向方向进行分布的至少两个特征点，从而便于计算悬浮隧道的水平平动量、竖向平动量以及转动量。

优选的，所述第二特征面上包括有与模型管段某一横截面中心点距离相等的至少两个特征点，所述横截面中心点与所述第二特征面共面，从而便于计算悬浮隧道的水平平动量、竖向平动量以及转动量。

优选的，所述第二特征面上还包括有沿着模型管段某一横截面径向分布的至少两个特征点，所述横截面与所述第二特征面共面，从而便于计算悬浮隧道的水平平动量、竖向平动量以及转动量。

优选的，每个所述背景板上仅包括有第一特征面或第二特征面，或每个所述背景板上同时包括有第一特征面和第二特征面。

优选的，所述图像采集装置包括高速摄像机，高速摄像机能够以很高的频率记录一个动态的图像，高速摄像机一般可以每秒1000～10000帧的速度记录，高速摄像机具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。

优选的，所述高速摄像机的数量至少为两台，至少一台沿平行于模型管段轴向方向进行设置，至少一台沿垂直于模型管段轴向方向进行设置。高速摄像机一般布置在水池岸边，高速摄像机应保证能准确采集到所有特征点的位置信息。

优选的，所述支架通过卡箍固定在所述模型管段上，安拆方便。

优选的，所述卡箍设置在悬浮隧道的拉锚截面处。拉锚式悬浮隧道，卡箍可与模型管段本身的扣环兼用，卡箍质量在浮重比设计时考虑在内，因此对卡箍材料可不作轻质要求。对于浮筒式悬浮隧道，卡箍位置不在模型管段本身的扣环位置，故卡箍应采用轻质材料。

优选的，所述悬浮隧道管段姿态测量装置还包括有用于分析换算管段线形、姿态变化的数据处理装置，所述数据处理装置可以为电脑。通过电脑进行计算分析，相较于手算，可大大提高计算速度。

优选的，所述支架和背景板均采用轻质材料制作而成，尽量不影响模型管段的重量，以减少测试误差。

优选的，所述支架采用高强度钢制作而成，以确保其不发生变形或发生的变形可以忽略不计，一般来说，变形量应不超过1/1000。

本发明还公开了一种悬浮隧道管段姿态试验系统，包括悬浮隧道模型管段、水池、任一上述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，所述模型管段放置于所述水池中，所述测量装置的支架固定安装在所述模型管段上。

试验时，悬浮隧道模型管段位于水面以下，但是通过支架可以将特征点露出水面，通过测量特征点的位置变化来实时反映模型管段的姿态，大大提高了测量精度，且整套试验装置结构简单、安装使用方便。

优选的，所述模型管段通过缆绳安装在所述水池中，或所述模型管段通过浮筒安装在所述水池中。

本发明还公开了一种悬浮隧道管段姿态的试验方法，利用任一上述的一种悬浮隧道管段姿态试验系统进行试验，包括以下步骤：

步骤一：制作支架、以及带有特征点的背景板；

步骤二：将所述背景板固定安装在所述支架上，将所述支架固定安装在悬浮隧道模型管段，并将所有模型管段放置于水池中；

步骤三：利用图像采集装置记录特征点的初始数据，根据初始数据将管段姿态调平；

步骤四：水池注水，并保证所述特征点位于水面以上，进行工况试验，试验过程中利用图像采集装置连续记录特征点的位置变化，根据特征点的位置变化分析换算管段线形、姿态变化。

本发明的测量方法将悬浮隧道的水下测量转换为成熟且精度高的水上测量，利用图像采集装置记录特征点的位置变化，来分析换算管段线形、姿态变化，具有安装、测量方便，且测量精度高的优点。

优选的，所述步骤四中，将所述特征点的位置变化的数据，传输给数据处理装置，利用数据处理装置分析换算管段线形、姿态变化，具有计算精度高、计算速度快的优点。当然在计算量较小的情况下也可以直接手算。

优选的，所述步骤二中，所述背景板与所述支架焊接连接，所述支架通过卡箍安装在所述模型管段上。

优选的，所述步骤二中，所有所述模型管段相互连接，每个所述模型管段上均连接有背景板。

优选的，所述步骤三和步骤四中，所述图像采集装置为高速摄像机。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提出了将悬浮隧道的水下测量转换为水上测量，具体实现方式为利用支架将水面上的测量特征点与水面下的悬浮隧道模型管段相连，通过图像采集装置拍摄露出水面的特征点，再几何换算得到水下管段的姿态信息。通过本发明所述的测量装置可以精确的测量悬浮隧道管段姿态，满足试验精度要求。

本发明的测量方法将悬浮隧道的水下测量转换为成熟且精度高的水上测量，利用图像采集装置记录特征点的位置变化，来分析换算管段线形、姿态变化，具有安装、测量方便，且测量精度高的优点。

附图说明：

图1是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图一。

图2是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图二。

图3是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图三。

图4是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图四。

图5是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图五。

图6是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图六。

图7是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图七。

图8是本发明所述的背景板安装在模型管段上的示意图八。

图9是本发明所述的支架的结构示意图一。

图10是本发明所述的支架的结构示意图二。

图11是本发明实施例1所述的悬浮隧道管段姿态测量装置的三维结构图。

图12是本发明实施例1所述的悬浮隧道管段姿态测量装置的横断面图。

图13是本发明实施例2所述的悬浮隧道管段姿态测量装置的三维结构图。

图14是本发明实施例2所述的悬浮隧道管段姿态测量装置的横断面图。

图15是本发明实施例3所述的卡箍组件组装成卡箍的结构示意图。

图16是本发明实施例3所述的卡箍安装在模型管段上的结构示意图。

图17是本发明实施例3制作的背景板的结构示意图。

图18是本发明实施例3所述的将背景板固定安装在支架上的结构示意图。

图19是本发明实施例3所述的支架通过卡箍固定安装在模型管段上的结构示意图。

图20是本发明实施例3所述的某一种特征点布置形式的截面示意图。

图21是本发明实施例3所述的模型管段只发生水平平动时的示意图。

图22是本发明实施例3所述的模型管段只发生竖向平动时的示意图。

图23是本发明实施例3所述的模型管段只发生转动时的示意图。

图24是图23的计算示意图。

图25是本发明实施例3所述的模型管段同时发生水平平动、竖向平动以及转动时的示意图。

图26是图25的简化示意图。

图27是图26的计算示意图。

图中标记：1-模型管段，2-支架，3-背景板，31-第一特征面，32-第二特征面，4-特征点，5-高速摄像机，6-卡箍，61-卡箍组件，7-竖向缆，8-斜向缆，9-浮筒。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种悬浮隧道管段姿态测量装置，包括用于固定在悬浮隧道模型管段1上的支架2，所述支架2上焊接固定有背景板3，所述背景板3设有若干个特征面，所述特征面上设有多个特征点4。由于支架2具有一定的高度，使得所述背景板3上的特征点4可以完全露出水面，特征点4的设置应满足能否测量、换算得到模型管段特定截面的ux、uy、uz、rotx、roty、rotz六个方向的运动分量。

虽然特征面的位置、方向以及特征点的分布形式并不影响测量得到模型管段的姿态。但是为了便于计算，本实施例中模型管段1采用圆管型结构，且对特征面以及特征点4的分布进行了限定。

本实施例中所述特征面包括平行于模型管段1轴向设置的第一特征面31，以及垂直于模型管段1轴向设置的第二特征面32。每个所述背景板3上可以仅包括有第一特征面31或第二特征面32，如图1-图3，图5-图6，图8所示，或每个所述背景板3上同时包括有第一特征面31和第二特征面32，如图4和图7所示。

本实施例中所述特征点4的具体分布形式至少包括以下几种：一，所述第一特征面31上包括有沿平行于模型管段1轴向方向进行分布的至少两个特征点4，如图1、图4-图8所示；二，所述第二特征面32上包括有与模型管段1某一横截面中心点距离相等的至少两个特征点4，所述横截面中心点与所述第二特征面共面，如图2、图4-图5、图7-图8所示；三，所述第二特征面32上还包括有沿着模型管段1某一横截面径向分布的至少两个特征点4，所述横截面与所述第二特征面32共面，如图2-图4、图6-图8所示。此外，特征点4与背景板3的颜色，应根据高速摄像5的拍摄捕捉要求有明显的灰度对比。

支架2采用高刚度、低密度、透水率小的材料制作而成，所述支架2的变形量不超过1/1000，可以是简单的棒状结构(如图9所示)，也可以是复杂的桁架结构(如图10所示)。

如图11-图12所示，悬浮隧道整体物模试验中，当模型管段1的浮力大于其自身的重力时，锚固系统设计为拉锚式，拉锚系统一般包含斜向缆8和竖向缆7，水平作用力不大时也可仅设计竖向缆7，拉锚式悬浮隧道管段的浮重比(bwr，即浮力与重力的比值)一般在1.09～1.6之间。采用支架转换法测量装置时，支架2通过卡箍6固定在所述模型管段1上，卡箍6可直接设在拉锚截面位置，并确保卡箍6与模型管段1、支架2与卡箍6、背景板3与支架2连接牢固，不发生相对位移。

对于拉锚式悬浮隧道，支架转换法测量装置可设置在拉锚截面，其卡箍6可与模型管段1锚索的扣环兼用，卡箍6质量在浮重比设计时考虑在内，因此对卡箍6的材料可不作轻质要求。

在水池岸边还设有至少两台高速摄像机5，至少一台沿平行于模型管段1轴向方向进行设置，至少一台沿垂直于模型管段1轴向方向进行设置，所述高速摄像机5用于采集背景板3上的特征点4，所述高速摄像机5与数据处理装置相连接，所述数据处理装置可以是电脑。

本实施例还公开了一种悬浮隧道管段姿态试验系统，包括悬浮隧道模型管段1、水池、任一上述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，所述模型管段1通过斜向缆8和竖向缆7安装在所述水池中，所述测量装置的支架2固定安装在所述模型管段1上。

实施例2

如图13-图14所示，悬浮隧道整体物模试验中，当模型管段1的浮力小于其自身的重力时，锚固系统设计为浮筒式，模型管段的浮重比一般设计为略小于1。采用支架转换法测量装置时，应设在两个浮筒9的中间位置，并确保卡箍6与模型管段1、支架2与卡箍6、背景板3与支架2连接牢固，不发生相对位移。当对浮筒式悬浮隧道进行测量时，特征点4高程应大于浮筒9顶部高程，以避免浮筒9对测量造成影响。

对于浮筒式悬浮隧道，卡箍6位置不在模型管段1本身的扣环位置，故卡箍6应采用轻质材料。

本实施例还公开了一种悬浮隧道管段姿态试验系统，包括悬浮隧道模型管段1、水池、任一上述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，所述模型管段1通过浮筒9安装在所述水池中，所述测量装置的支架2固定安装在所述模型管段1上。

实施例3

一种悬浮隧道管段姿态试验方法，包括以下步骤：

步骤一：制作支架2，支架2可以为棒状结构，如图9所示，也可以是桁架结构，如图10所示。

步骤二：在岸上将卡箍6与模型管段1相连接，如图15-图16所示，卡箍6包括两个卡箍组件61，安装时，将两个卡箍组件61分别与模型管段1相卡和，再通过焊接的方式连接两个卡箍组件61，从而将卡箍6与模型管段1相连接。

步骤三：如图17所示，根据需求制作带有特征点4的背景板3，特征点4与背景板3的颜色，应根据高速摄像5的拍摄捕捉要求有明显的灰度对比。

步骤四：将所述背景板3焊接固定安装在所述支架2上，如图18所示。

步骤五：在岸上将所述支架2与卡箍6焊接连接，如图19所示。

步骤六：并将所述模型管段1放置于水池中，并安装锚固系统。

步骤七：干环境下调整索力和管段线性，利用高速摄像机5记录特征点4初始数据，根据初始数据将管段姿态调平。

步骤八：水池注水，并保证所述特征点4位于水面以上，进行工况试验，试验过程中利用高速摄像机5连续记录特征点4位置变化，并将数据传输至数据处理装置，实时分析换算管段线形、姿态变化。

具体的测量换算方法为：

以其中一种特征点分布形式，进行本发明测量换算原理及步骤说明，其余特征点分布形式可进行类似推导。模型管段1的截面形式以及特征点4的分布形式，如图20所示。管段模型1为圆管型结构，且在初始状态为水平状态，支架2沿管段模型1径向方向进行设置，并在初始状态下保持竖直，背景板3以及特征面均沿垂直于管段模型1轴向方向进行设置，特征面上设有两个特征点4，两个特征点4上沿着支架2(钢棒)对称设置，图中h为特征点(a、b)距模型管段中心点的高度差，s为特征点a或b距离支架(钢棒)的横向距离。规定正方向为向右平动、向上平动以及顺时针旋转。

第一，当模型管段只发生水平平动时，如图21所示，模型管段的横向位移与两个特征点(a、b)的横向位移均相等，即δx＝δxa＝δxb，其中δx为模型管段的横向位移，δxa为特征点a的横向位移，δxb为特征点b的横向位移，

第二，当模型管段只发生竖向平动时，如图22所示，模型管段的竖向位移与两个特征点(a、b)的竖向位移均相等，即δy＝δya＝δyb，其中δy为模型管段的竖向位移，δya为特征点a的竖向位移，δyb为特征点b的竖向位移。

第三，当模型管段只发生转动时，如图23所示，并可简化为计算示意图24。

特征点a的坐标变化分别为δxa’和δya’，δxa’为特征点a的横向位移，δya’为特征点a的竖向位移，特征点b的坐标变化分别为δxb’和δyb’，δxb’为特征点b的横向位移，δyb’为特征点b的竖向位移。

则在δaa’o中，有：

aa′²＝δxa′²+δya′²

oa′²＝oa²＝h²+s²

算得：

同理可得：

式中，o为模型管道截面的中心点，oa为特征点a距离点o的距离，a’为特征点a发生转动后的位置，oa’为点a’距离o点的距离，aa’为点a和点a’之间的距离。

第四，当模型管段同时发生水平平动、竖向平动以及转动时，如图25所示，将其进行简化得到图26。

假设初始时刻的两个特征点坐标分别为a(xa，ya)、b(xb，yb)，发生变化后两个特征点坐标变为a’(xa’，ya’)、b’(xb’，yb’)。由变化后的特征点坐标，可以首先算得管段转角θ，相关计算公式为：

现研究何如获得模型管段的平动位移，如图27所示，假设初始时刻为时刻0，管段发生平动后的时刻为时刻1，管段发生平动和转动的时刻为时刻2。时刻0和时刻2的特征点坐标差分别为δxa、δya、δxb、δyb，时刻1和时刻2的特征点坐标差分别为δxa’、δya’、δxb’、δyb’。

可以得出，模型管段中心的平动位移为：

ax＝δxa-δxa′＝δxb-δxb′(3)

δy＝δya-δya′＝δyb+δyb′(4)

上式中，δxa’、δya’、δxb’、δyb’为四个未知数，联立(1)、(2)、(3)、(4)四个式子，即可解出这四个未知数，从而获得模型管段的平动位移。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。