一种用于检测隧道断面几何参数的装置及其检测方法

摘要

一种用于检测隧道断面几何参数的装置及其检测方法，本发明涉及隧道检测技术领域，环形光斑光源垂直固定在底座上部的支架上，底座上固定有若干个相机组件，惯性测量传感器固定在底座上方的支架上，且位于环形光斑光源的下方；每个相机组件均与相对应的前端计算单元连接，数个前端计算单元均利用网络交换机与后端计算单元连接，环形光斑光源与光源驱动器连接，光源驱动器和惯性测量传感器均与后端计算单元连接。其基于环形光斑光源和多相机，保证断面的完整性，可以灵活调整测距量程和图像采集速度，减少了相机组件及光源组件姿态角偏移引入的误差，有利于测量精度的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道检测技术领域，具体涉及一种用于检测隧道断面几何参数的装置及其检测方法。

背景技术

轨道交通、公路隧道的周期性断面几何参数检测是保障轨道交通、公路安全运行必要措施。随着轨道交通运营里程及运营时间的增加，以及轨道交通隧道的地下环境的日趋复杂，隧道结构的收敛监测的重要性和急迫性正在逐步提高。收敛监测的频率提高和有限的维护时间之间的矛盾越来越突出，需要一种高精度快速隧道断面几何参数测绘方法。

现有的隧道断面几何参数测绘方法主要有ToF测距逐点扫描法、双目视觉测距法、基于离散结构光及离散相机的三角测量法。现有技术在实际检测过程中，主要缺点为：ToF测距逐点扫描法虽然测距精度较高，但测量速度较慢，即使是较为快速的三维激光扫描仪，测点速度通常小于1000点/秒，对于隧道的几何参数测量效率较低。双目视觉测距法依赖隧道壁板上的特征标志图案，对于大范围的隧道几何参数测量，布放大量特征标志图案较为困难。基于离散结构光及离散相机的三角测量法，其单组结构光源-相机组成的组合体，对于隧道壁板的测距精度和测量速度可以满足要求，但多组结构光源-相机组合体之间的定位精度较难控制，造成设备整体的测量精度较单个组合体之间下降明显。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理的用于检测隧道断面几何参数的装置及其检测方法，其基于环形光斑光源和多相机，保证断面的完整性，可以灵活调整测距量程和图像采集速度，减少了相机组件及光源组件姿态角偏移引入的误差，有利于测量精度的提高。

为达到上述目的，本发明所述的一种用于检测隧道断面几何参数的装置：它包含环形光斑光源、光源驱动器、相机组件、底座、前端计算单元、网络交换机、后端计算单元和惯性测量传感器；环形光斑光源垂直固定在底座上部的支架上，底座上固定有若干个相机组件，惯性测量传感器固定在底座上方的支架上，且位于环形光斑光源的下方；每个相机组件均与相对应的前端计算单元连接，数个前端计算单元均利用网络交换机与后端计算单元连接，环形光斑光源与光源驱动器连接，光源驱动器和惯性测量传感器均与后端计算单元连接。

进一步地，所述的若干个相机组件与底座的连接面为一个与环形光斑光源的光源轴线相重合的圆锥面的切面，且若干个相机组件均以相同高度环绕光源轴线分布设置。

进一步地，所述的相机组件由相机、镜头和滤镜构成；相机上固定有镜头，镜头上固定有滤镜。

进一步地，所述的前端计算单元由相机数据接口、图像处理单元、前端网络接口和前端本地存储器构成；相机数据接口与图像处理单元连接，图像处理单元与前端网络接口连接，图像处理单元与前端本地存储器连接，前端网络接口与网络交换机连接。

进一步地，所述的后端计算单元由后端网络接口、数据处理单元和后端本地存储器构成；后端网络接口与网络交换机连接，后端网络接口与数据处理单元连接，数据处理单元与后端本地存储器连接。

本发明所述的一种用于检测隧道断面几何参数的检测方法，它的操作步骤如下：

步骤一、环形光斑光源的光源轴线平行于隧道行进方向，环形光斑光源在光源驱动器的驱动下，以连续或间隔发射激光，其输出光连续分布于一个垂直于光源轴线的平面内，并照射到被测物体表面，形成光斑；

步骤二、相机组件在前端计算单元的控制下，采集投射在被测物体表面上的光斑所形成的图像，所有的相机组件光轴在空间中交汇于光源轴线上一点，即为交汇点，相机组件光轴与光源轴线所成的夹角的角度小于90°，且大于45°；

步骤三、前端计算单元通过其内部的相机数据接口与其所对应的相机组件通讯，控制相机组件采集图像数据，前端计算单元通过程序读取图像后，沿图像的行方向对图像的亮度数据进行搜索，计算每行图像中，以相机组件光轴在图像中心位置即光心为原点，由环形光斑光源产生的光斑相对于原点的行坐标和列坐标；

步骤四、所有前端计算单元将计算出的由若干相机组件采集的光斑对应行坐标、列坐标、拍摄时间、相机编号等信息，按照预习定义的通讯协议组织成数据包，通过前端计算单元内的前端网络接口发送，由网络交换机转发至后端计算单元；

步骤五、后端计算单元接收到前端计算单元发来的数据包后，根据数据包所含相机编号选择对应的标定参数，将光斑对应行坐标、列坐标（即相机坐标系坐标）转换为相对整机参考点的坐标；

步骤六、后端计算单元读取惯性测量传感器所采集的姿态参数，计算整机当前姿态后，修正光斑对应的相对整机参考点的坐标；计算完成后的坐标数据以图像拍摄时间为索引，保存在后端计算单元内部的后端本地存储器内。

采用上述结构后，本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于检测隧道断面几何参数的装置及其检测方法，其基于环形光斑光源和多相机，保证断面的完整性，可以灵活调整测距量程和图像采集速度，减少了相机组件及光源组件姿态角偏移引入的误差，有利于测量精度的提高。

附图说明

图1是本发明中环形光斑光源、相机组件以及底座的连接示意图。

图2是本发明中环形光斑光源、相机组件以及底座的连接主视图。

图3是本发明的工作原理图。

图4是本发明的系统模块图。

图5是本发明中相机组件所采集的光斑图像示意图。

附图标记说明：

环形光斑光源1、光源轴线2、平面3、光源驱动器4、相机组件5、相机5a、镜头5b、滤镜5c、底座6、相机组件光轴7、交汇点8、夹角9、前端计算单元10、相机数据接口10a、图像处理单元10b、前端网络接口10c、前端本地存储器10d、网络交换机11、后端计算单元12、后端网络接口12a、数据处理单元12b、后端本地存储器12c、惯性测量传感器13、被测物体14、光斑15、图像16、原点17。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图5所示，本具体实施方式（实施例一）采用如下技术方案：将本装置装备于可在轨道上运动的检测车辆上，底座6顶端安装有环形光斑光源1，光源轴线2平行于隧道行进方向，环形光斑光源1出光连续分布于垂直于光源轴线的一个平面3内；相机组件5由相机5a、镜头5b和滤镜5c组成，相机5a上固定有镜头5b，镜头5b上固定有滤镜5c；多个相机组件5安装在底座6上，相机组件5与底座6的安装面为一个与环形光斑光源1的光源轴线2重合的圆锥面的切面，所有的相机组件5以相同高度环绕光源轴线2分布，相机组件5中镜头5a的轴线定义为相机组件光轴7，所有的相机组件光轴7在空间中交汇于光源轴线2上一点，即交汇点8，相机组件光轴7与光源轴线2所成的夹角9的小于90°，大于45°；工作时，环形光斑光源1在光源驱动器4的驱动下发出一条环形分布的激光，照射在隧道壁板（被测物体14）上，形成一条激光光斑15，该光斑15在相机组件5所采集的图像16中的横坐标会随着测量装置与隧道壁板距离的变换而发生单调变化；前端计算单元10控制相机组件5拍摄图像，由前端计算单元10计算出光斑15在每一图像行中的位置，并转换为以相机组件光轴7在图像16中位置为原点17的坐标数据，发送至后端计算单元12，后端计算单元12根据标定参数，将每个相机组件5产生的上述坐标数据转换为光斑15在真实世界中的坐标，并结合惯性测量传感器13，用来采集整机当前的姿态参数，修正底座6姿态误差形成的测距误差，形成隧道壁板的点云数据。

采用上述结构后，本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式提供了一种用于检测隧道断面几何参数的装置及其检测方法，其基于环形光斑光源和多相机，保证断面的完整性，可以灵活调整测距量程和图像采集速度，减少了相机组件及光源组件姿态角偏移引入的误差，有利于测量精度的提高。

实施例二：

底座6顶端安装有环形光斑光源1，光源轴线2平行于隧道行进方向，环形光斑光源1出光连续分布于垂直于光源轴线的一个平面3内；相机组件5由相机5a、镜头5b和滤镜5c组成，相机5a上固定有镜头5b，镜头5b上固定有滤镜5c；多个相机组件5安装在底座6上，相机组件5与底座6的安装面为一个与环形光斑光源1的光源轴线2重合的圆锥面的切面，所有的相机组件5以相同高度环绕光源轴线2分布，相机组件5中镜头5a的轴线定义为相机组件光轴7，所有的相机组件光轴7在空间中交汇于光源轴线2上一点，即交汇点8，相机组件光轴7与光源轴线2所成的夹角9的小于90°，大于45°；工作时，该装置的图像处理和坐标计算由多台计算机完成；装置包含多个前端计算单元10，每个前端计算单元10由一台计算机构成，计算机使用USB接口连接一个或多个相机组件5中的相机5a（参看图3），定时采集相机5a的图像数据，并使用软件对图像进行亮度调整、对比度调整、边缘增强、光斑中心坐标计算；计算完成的坐标数据，为光斑在各相机坐标系中坐标数据，经过通讯协议封装，通过网络发送至后端计算单元12，后端计算平单元12由一台计算机构成，后端计算单元12接收到各个前端计算单元10计算出的光斑15在各相机坐标系中坐标数据，并同步读取惯性测量传感器13采集底座6当前的姿态参数以修正底座6姿态误差形成的测距误差，结合标定参数，通过软件将光斑15在各相机坐标系中坐标数据转换为统一的世界坐标系数据，形成隧道壁板的点云数据，存储至数据库中供监控、比对。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。