一种多点激光位移监测装置、系统以及方法与流程

1.本发明涉及激光位移监测技术领域，尤其涉及一种多点激光位移监测装置、系统以及方法。


背景技术：

2.近些年自然灾害频发，建筑物年久失修或质量不过关，非常容易坍塌。救援队伍在坍塌建筑物中搜救被困人员时，容易受到建筑物二次坍塌而威胁到生命安全。目前常规的做法是将激光测距机架设在距离坍塌建筑物安全距离以外，激光测距机对建筑物外墙进行单点持续测量，监测建筑物的位移形变，当监测到位移值发生较大变化，立即发出声光报警信号，提示现场作业的救援人员。
3.现有的激光位移监测技术使用的单点激光测距原理来实现对建筑物位移形变的测量，但是该项技术存在较大的缺点是一个点的监测无法充分表现建筑物整体形变的情况，存在很高的漏警和虚警，而现场部署多台激光位移监测设备，在一定程度上能改善报警的准确度，但是带来的问题是多设备协同工作及信息传输的问题，也增加了现在操作人员的负担，实用性和经济性大打折扣。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种多点激光位移监测装置、系统以及方法，其解决了现有的激光位移监测方案所布设的监测点数量上有限制，进而影响监测精度，即使采取部署多台监测设备的方法也会带来多设备协同工作、信息传输以及经济成本的技术问题。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
8.第一方面，本发明实施例提供一种多点激光位移监测装置，所述监测装置设置于建筑物的预设范围内，且所述监测装置的视场角覆盖建筑物；所述监测装置包括：
9.激光测距机；
10.振镜电机，用于在受控时将振镜镜面进行偏转，以实现将所述激光测距机所投射的光束反射至若干不同位置点进行多点测量；
11.伺服控制模块，用于在接收位置信息指令时控制所述振镜电机的振镜镜面偏转；以及，
12.分别与所述激光测距机与所述伺服控制模块连接的主控器，所述主控器用于向所述伺服控制模块发送位置信息指令。
13.可选地，
14.所述激光测距机测距的测量精度达到1mm以内，激光的发射频率为每秒9～11hz；
15.所述振镜电机的振镜镜面镀设有激光反射膜，所述振镜电机的偏转角度范围为0
°
～40
°
。
16.可选地，所述主控器还设有用于显示工作状态和指标参数的显示模块。
17.可选地，所述监测装置还包括：
18.与所述主控器连接的报警模块，所述报警模块包括：蜂鸣器、爆闪灯的一种或多种；
19.与所述主控器连接的无线传输模块；
20.分别与所述激光测距机、所述无线传输模块、所述伺服控制模块、所述主控器连接的电池组件。
21.第二方面，本发明实施例提供一种多点激光位移监测系统，包括：远程控制中心以及与所述远程控制中心通信连接的如上所述的多点激光位移监测装置；
22.所述多点激光位移监测装置将激光测距结果传输至所述远程控制中心，并接收所述远程控制中心依据所述激光测距结果所作出的反馈指令。
23.第三方面，本发明实施例提供一种多点激光位移监测方法，应用于如上所述的多点激光位移监测装置，包括：
24.所述主控器向所述伺服控制模块输出位置信息指令，以使所述伺服控制模块驱动所述振镜电机偏转至若干不同角度；
25.所述主控器控制所述激光测距机对所述振镜电机偏转至若干不同角度下的每一位置点进行距离测量，通过将建筑物位移形变的点测量转化为线测量，得到建筑物的位移形变量；
26.当监测到建筑物的部分位置点的位移值超出报警阈值时，所述控制器通过预先设置的报警模块发出声光报警信息。
27.可选地，所述主控器向所述伺服控制模块输出位置信息指令，以使所述伺服控制模块驱动所述振镜电机偏转至若干不同角度之前，还包括：
28.对所述报警模块进行激光报警阈值设置，以及对所述激光测距机进行激光选通距离设置。
29.可选地，所述主控器控制所述激光测距机每隔1
°
测量一个距离值，在40
°
的范围内获取40个距离值，且所述主控器通过所述伺服控制模块在控制过程中将所述振镜镜面的偏转角度控制在10μrad内，以达到在100m内维持所述激光测距机1mm的监测精度。
30.可选地，所述伺服控制模块对所述振镜电机采用增量式pid控制算法，实现过程如下：
31.所述伺服控制模块先将增量式pid控制器的参数初始化；
32.所述伺服控制模块实时采集振镜电机的振镜位置值；
33.所述伺服控制模块依据不同时刻下的所述振镜位置值，通过增量式pid控制器得到不同时刻下的控制量，进而得到针对所述振镜电机的稳定控制量；
34.其中，增量式pid控制器的表达式通过如下步骤得到：
35.将获取的pid控制器表达式进行包含采样时刻点代替连续时间、和式代替积分以及增量代替微分的离散化处理得到离散化的pid控制器表达式；
36.求取任意一时刻的离散化的pid控制器表达式与上一时刻的离散化的pid控制器表达式的差，得到增量式pid控制器的表达式。
37.可选地，
38.所述pid控制器表达式为：
[0039][0040]
式(1)中，e
(t)
为误差，e
(t)
＝i
t-o
t
，输入量为i
t
，输出量为o
t
；u(t)为输出量，k
p
为比例增益，ti为积分增益，td为微分增益，t为连续时间；
[0041]
所述采样时刻点代替连续时间的表达式为：
[0042]
t≈kt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0043]
式(2)中，k为采样点数，t为采样周期
[0044]
所述和式代替积分的表达式为：
[0045][0046]
式(3)中，j为离散化的时间点；
[0047]
所述增量代替微分的表达式为：
[0048][0049]
所述离散化的pid控制器表达式为：
[0050][0051]
式(5)中，ki为积分系数、kd为微分系数；
[0052]
所述上一时刻的离散化的pid控制器表达式为：
[0053][0054]
所述增量式pid控制器的表达式：
[0055]
δu(k)＝k
p
[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]＝(k
p
+ki+kd)e(k)-(k
p
+2kd)e(k-1)+kde(k-2)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。
[0056]
(三)有益效果
[0057]
本发明的有益效果是：
[0058]
第一，本发明将建筑物位移形变的点测量转化为线测量，通过对建筑物整体监测位移形变量，提高了激光位移监测的准确性和实用性；
[0059]
第二，经济效益高，相比较于目前使用多台单点激光位移监测设备，只需要部署一套多点测量的激光位移监测系统即可满足现场使用要求；
[0060]
第三，使用简单，传输方便，操作简易，无需多机器组网联合监测，化繁为简，一套设备一套系统解决现有问题。
附图说明
[0061]
图1为本发明实施例提供的一种多点激光位移监测装置的组成示意图；
[0062]
图2为本发明实施例提供的一种多点激光位移监测装置的激光测距机与振镜电机的工作示意图；
[0063]
图3为本发明实施例提供的一种多点激光位移监测装置的信息流程图；
[0064]
图4为本发明实施例提供的一种多点激光位移监测装置的组成结构示意图；
[0065]
图5为本发明实施例提供的一种多点激光位移监测装置的整体结构示意图；
[0066]
图6为本发明实施例提供的一种多点激光位移监测装置的多点检测示意图；
[0067]
图7为本发明实施例提供的一种多点激光位移监测装置的伺服控制模块pid控制流程图。
[0068]
【附图标记说明】
[0069]
1：主控器；2：报警模块；3：伺服控制模块；4：无线传输模块；5：激光测距机；6：电源模块；7：振镜电机；8：望远镜。
具体实施方式
[0070]
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
[0071]
如图1所示，本发明实施例提出的一种多点激光位移监测装置，监测装置设置于建筑物的预设范围内，且监测装置的视场角覆盖建筑物。参考图3与图4可知，监测装置包括：激光测距机5；图2示出振镜电机7用于在受控时将振镜镜面进行偏转，以实现将激光测距机5所投射的光束反射至若干不同位置点进行多点测量；伺服控制模块3，用于在接收位置信息指令时控制振镜电机7的振镜镜面偏转；以及，分别与激光测距机5与伺服控制模块3连接的主控器1，主控器1用于向伺服控制模块3发送位置信息指令。
[0072]
基于上述描述，本发明具备如下有益效果：
[0073]
第一，本发明将建筑物位移形变的点测量转化为线测量，通过对建筑物整体监测位移形变量，提高了激光位移监测的准确性和实用性；
[0074]
第二，经济效益高，相比较于目前使用多台单点激光位移监测设备，只需要部署一套多点测量的激光位移监测系统即可满足现场使用要求；
[0075]
第三，使用简单，传输方便，操作简易，无需多机器组网联合监测，化繁为简，一套设备一套系统解决现有问题。
[0076]
为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0077]
如图3和图4所示，监测装置还包括：与主控器1连接的报警模块2，报警模块2包括：蜂鸣器、爆闪灯的一种或多种，当系统检测到建筑物位移超出报警阈值时，会驱动报警模块2进行报警，提示现场救援工作人员；与主控器1连接的无线传输模块4，可见激光测距的检测结果由无线传输模块4至远程控制中心，有利于前后方协同作战，指挥研判；分别与激光测距机5、无线传输模块4、伺服控制模块3、主控器1连接的电池组件，为各模块提供电源；以
及望远镜8。较佳地，主控器1为显控模块，本发明实施例提供的多点激光位移监测装置的整体结构如图5所示。
[0078]
进一步地，激光测距机5测距使用的是高精度激光测距机5，测距精度达到mm级别，激光测距的重复频率为9～11hz，较佳地为10hz，满足对建筑物持续测量监测的需求。
[0079]
进一步地，伺服控制模块3主要功能是为振镜电机7提供驱动，并控制振镜到达指定角度，使用pid(比例积分微分控制proportional-integral-derivative control)控制算法，将振镜角度控制在10μrad内。使得激光测距在100m的范围内保持1mm的精度，完全满足高精度测距的指标要求。
[0080]
进一步地，振镜电机7的振镜镜面镀设有激光反射膜，能受控将镜面偏转至指定的角度，能够反射激光测距机5的光束至指定角度，其振镜电机7的偏转角度范围为0
°
～40
°
[0081]
进一步地，主控器1还设有用于显示工作状态和指标参数的显示模块。主控器1包括：显示模块和控制模块，控制部分由arm芯片、显示屏、存储芯片、外围电路组成，控制报警模块2、激光测距机5、伺服控制模块3、无线传输模块4的协同工作及系统通信工作；显示模块负责显示系统工作状态、指标参数。
[0082]
同时，本发明实施例还提供一种多点激光位移监测系统，包括：远程控制中心以及与远程控制中心通信连接的如上的多点激光位移监测装置；多点激光位移监测装置将激光测距结果传输至远程控制中心，并接收远程控制中心依据激光测距结果所作出的反馈指令。
[0083]
以及，本发明还提供一种多点激光位移监测方法，应用于如上的多点激光位移监测装置，包括：
[0084]
s1、主控器1向伺服控制模块3输出位置信息指令，以使伺服控制模块3驱动振镜电机7偏转至若干不同角度；
[0085]
s2、主控器1控制激光测距机5对振镜电机7偏转至若干不同角度下的每一位置点进行距离测量，通过将建筑物位移形变的点测量转化为线测量，得到建筑物的位移形变量；
[0086]
s3、当监测到建筑物的部分位置点的位移值超出报警阈值时，控制器通过预先设置的报警模块2发出声光报警信息。
[0087]
步骤s1之前，还包括：针对报警模块2进行激光报警阈值设置，针对激光测距机5进行激光选通距离设置。
[0088]
在上述步骤中，本发明主要包括如下几个步骤：
[0089]
(1)系统架设：将该设备架设距离坍塌建筑物的安全范围内，使得激光位移监测系统的视场角覆盖建筑物。
[0090]
(2)装置上电：装置上电，各个模块自检并达到工作状态，激光报警阈值设置，激光选通距离设置。
[0091]
(3)执行检测工作：参数设置完成后，系统进入监测状态，主控器1输出位置信息指令，伺服控制模块3驱动振镜电机7到达指定位置，并同步激光测距机5对该位置进行距离测量。每1度测量一个距离值，在俯仰40度的范围内可以获取40个距离值，系统实时监测这40个距离值。值得一提的是，伺服控制模块3在控制过程中将振镜镜面的偏转角度控制在10μrad内，以达到在100m内保持激光测距机51mm的监测精度。
[0092]
(4)阈值报警：当系统实时监测到建筑物的部分点的位移值超出报警阈值时，会自
动发出声光报警信息，提示现在作业人员，并通过无线传输模块4将报警信息传输至远程指挥中心，为指挥调度提供重要参考信息。
[0093]
如图6所示，主控器1控制激光测距机5每隔1
°
测量一个距离值，在40
°
的范围内获取40个距离值。
[0094]
继而，如图7所示，伺服控制模块3针对振镜电机7采用pid控制算法，其实现过程如下：
[0095]
所述伺服控制模块3先将增量式pid控制器的参数初始化；
[0096]
所述伺服控制模块3实时采集振镜电机7的振镜位置值；
[0097]
所述伺服控制模块3依据不同时刻下的所述振镜位置值，通过增量式pid控制器得到不同时刻下的控制量，进而得到针对所述振镜电机7的稳定控制量。
[0098]
为实现高精度的位移监测功能，伺服控制模块3采用高精度pid控制算法，启动后,首先进行pid参数初始化,然后进入控制循环体。首先是采集振镜的位置值,按pid控制规律及特性计算振镜工作电流的大小及极性,不断根据最新测到的数据计算最近的控制量。这样多次重复后,就可以达到稳定控制温度的目的。
[0099]
其中，增量式pid控制器的表达式通过如下步骤得到：
[0100]
首先，将获取的pid控制器表达式进行包含采样时刻点代替连续时间、和式代替积分以及增量代替微分的离散化处理得到离散化的pid控制器表达式。
[0101]
由于振镜位置控制系统中需要进行采样，控制量的计算需要获得采样时刻的偏差值，所以不能够直接使用传统的pid控制表达式中的微分与积分项，还需要对其进行相应的离散化处理首先使用一系列的采样时刻点kt代替连续时间t，再使用和式代替积分，由增量代替微分，由此就能够根据传统的表达式进行近似变换。
[0102]
其次，求取任意一时刻的离散化的pid控制器表达式与上一时刻的离散化的pid控制器表达式的差，得到增量式pid控制器的表达式。
[0103]
若控制系统具有恒定不变的采样周期t，那么只要比例系数k
p
、积分系数ki、微分系数kd的值得到了确定，根据测量值前后3次的偏差，就可以使用增量式pid控制算法求出控制用量，经多次计算不同时刻下的控制量，最终得到针对所述振镜电机7的稳定控制量。
[0104]
进一步地，
[0105]
所述pid控制器表达式为：
[0106][0107]
式(1)中，e
(t)
为误差，e
(t)
＝i
t-o
t
，输入量为i
t
，输出量为o
t
；u(t)为输出量，k
p
为比例增益，ti为积分增益，td为微分增益，t为连续时间；
[0108]
所述采样时刻点代替连续时间的表达式为：
[0109]
t≈kt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0110]
式(2)中，k为采样点数，t为采样周期
[0111]
所述和式代替积分的表达式为：
[0112]
[0113]
式(3)中，j为离散化的时间点；
[0114]
所述增量代替微分的表达式为：
[0115][0116]
所述离散化的pid控制器表达式为：
[0117][0118]
式(5)中，ki为积分系数、kd为微分系数；
[0119]
所述上一时刻的离散化的pid控制器表达式为：
[0120][0121]
所述增量式pid控制器的表达式：
[0122]
δu(k)＝k
p
[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]＝(k
p
+ki+kd)e(k)-(k
p
+2kd)e(k-1)+kde(k-2)
ꢀꢀꢀꢀ
(7)。
[0123]
综上所述，本发明公开了一种多点激光位移监测装置、系统以及方法，其装置包括：主控器1、报警模块2、伺服控制模块3、无线传输模块4、激光测距机5、电源模块6以及振镜电机7；本发明创新性地将激光测距机5与振镜电机7相结合并应用在应急救援行业，普通的单点激光位移监测只能监测一个点的位移形变，而使用本发明方则可以实现由点至线的转化，由单点测量转化为多点测量。提高了检测的实用性和准确性，能更加全面的反应坍塌建筑物的实际位移变形情况。
[0124]
由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。
[0125]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0126]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
[0127]
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中
的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
[0128]
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0129]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0130]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。