一種基于視覺測量的隧道斷面輪廊測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于視覺測量的隧道斷面輪廊測量裝置，包括處理器、測量車、發(fā)出平面結(jié)構(gòu)光的結(jié)構(gòu)光源和若干個對于平面結(jié)構(gòu)光所在平面統(tǒng)一進(jìn)行坐標(biāo)映射標(biāo)定過的圖形傳感器，結(jié)構(gòu)光源和若干個圖形傳感器分別安裝在測量車上并且相對位置關(guān)系穩(wěn)固不變，若干個圖形傳感器的取景范圍共同組成一個類環(huán)帶狀取景范圍，平面結(jié)構(gòu)光與受測隧道的內(nèi)壁相交并在內(nèi)壁上形成指示受測隧道內(nèi)壁的斷面輪廓相標(biāo)識光條，該標(biāo)識光條完全納入類環(huán)帶狀取景范圍中，測量車在軌道上沿受測隧道軸向行駛，各個圖形傳感器沿途對標(biāo)識光條進(jìn)行圖像采集，處理器換算出沿途各個采集點的標(biāo)識光條二維世界坐標(biāo)。本實用新型實現(xiàn)了移動式測量，并且測量速度快、精度高。
【專利說明】一種基于視覺測量的隧道斷面輪廊測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種隧道斷面輪廊測量裝置，具體地說是一種基于視覺測量的隧道斷面輪廊測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]軌道交通已經(jīng)成為解決城市交通擁擠問題最有效的措施，大量的隧道工程正在或?qū)⒁度虢ㄔO(shè)，修建好的隧道輪廊變形與安全檢測，已成為保障軌道交通運營安全的重大舉措。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，主要采用螺旋掃描法對隧道斷面輪廓進(jìn)行測量，該方法將發(fā)射點激光的激光器安裝在測量車上，在測量車在沿隧道行進(jìn)的過程中，使激光器繞隧道軸向旋轉(zhuǎn)，以在隧道內(nèi)壁形成螺旋激光軌跡，通過配套的儀器獲取過程中激光器到隧道的距離，即可獲得受測隧道內(nèi)壁的全斷面輪廓。
[0004]上述螺旋掃描法存在以下不足:由于受測隧道內(nèi)壁的全斷面輪廓往往形狀不規(guī)貝U，存在因施工誤差而造成的各種變形缺陷，上述螺旋掃描法以離散取點、旋轉(zhuǎn)掃描方法對隧道全斷面進(jìn)行測量，對隧道斷面的測量密度低，斷面輪廓信息不全面，容易造成變形缺陷區(qū)域的漏測，測量出的隧道全斷面輪廓精度低。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，也有采用單個圖像傳感器對隧道斷面輪廓進(jìn)行測量的方法，但首先受限于單個圖像傳感器的分辨率限制，難以對大尺寸的隧道輪廊進(jìn)行一次成型測量，其次，需要采用柔性坐標(biāo)尺對隧道斷面輪廓進(jìn)行標(biāo)識，測量速度慢。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的是提供一種基于視覺測量的隧道斷面輪廊測量裝置，實現(xiàn)了對隧道全斷面輪廓的移動式測量，具有測量速度快、測量精度高的特點。
[0007]本實用新型的目的是通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)的:
[0008]一種基于視覺測量的隧道斷面輪廓測量裝置，其特征在于:所述的測量裝置包括處理器、工作于受測隧道中的測量車、發(fā)出平面結(jié)構(gòu)光的結(jié)構(gòu)光源和若干個對于所述平面結(jié)構(gòu)光所在平面統(tǒng)一進(jìn)行坐標(biāo)映射標(biāo)定過的圖形傳感器，其中，所述受測隧道中鋪設(shè)有沿隧道軸向延伸的軌道，所述測量車設(shè)置在該軌道上；所述結(jié)構(gòu)光源和若干個圖形傳感器分別安裝在測量車上并且相對位置關(guān)系穩(wěn)固不變，所述若干個圖形傳感器的取景范圍共同組成一個類環(huán)帶狀取景范圍，所述平面結(jié)構(gòu)光與受測隧道的內(nèi)壁相交并在內(nèi)壁上形成指示受測隧道內(nèi)壁的斷面輪廓相標(biāo)識光條，該標(biāo)識光條完全納入所述類環(huán)帶狀取景范圍中，所述測量車在軌道上沿受測隧道軸向行駛，各個圖形傳感器沿途對所述標(biāo)識光條進(jìn)行圖像采集，所述處理器依據(jù)所述若干個圖形傳感器坐標(biāo)映射標(biāo)定獲得的平面結(jié)構(gòu)光中任意一點的二維世界坐標(biāo)與該點在所述圖形傳感器采集的圖像中的像平面坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，換算出沿途各個采集點的標(biāo)識光條二維世界坐標(biāo)，并與所述各個采集點的位置信息組合成受測隧道的全斷面輪廓數(shù)據(jù)。[0009]為了提高斷面輪廓數(shù)據(jù)的精度，作為本實用新型的一種改進(jìn)，所述平面結(jié)構(gòu)光與受測隧道的內(nèi)壁正交或者接近于正交，所述標(biāo)識光條指示受測隧道內(nèi)壁的橫斷面輪廓。
[0010]作為本實用新型的一種實施方式，所述結(jié)構(gòu)光源包括三支或以上傳播方向發(fā)散設(shè)置的一字線激光器，并且所述各支一字線激光器的激光平面共面并環(huán)狀發(fā)散組合成所述平面結(jié)構(gòu)光。
[0011]為了確保標(biāo)識光條能完全納入類環(huán)帶狀取景范圍中，同時保證本實用新型測量裝置的結(jié)構(gòu)自檢及分精度提高，作為本實用新型的一種改進(jìn)，相鄰兩個所述圖形傳感器的取景范圍部分重疊。
[0012]為了使測量車在隧道中能平穩(wěn)行進(jìn)，避免測量車姿態(tài)變化對測量結(jié)果造成影響，作為本實用新型的一種改進(jìn)，利用所述隧道中鋪設(shè)的沿隧道軸向延伸的軌道，所述測量車設(shè)置在該軌道上并沿軌道行駛。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0014]第一，本實用新型基于視覺測量的方式，利用平面結(jié)構(gòu)光在受測隧道內(nèi)壁上形成指示受測隧道內(nèi)壁的斷面輪廓的標(biāo)識光條，能夠?qū)崿F(xiàn)在本實用新型的測量裝置移動的情況下，連續(xù)快速對隧道斷面輪廓幾何特征進(jìn)行標(biāo)識，而圖像傳感器也能在測量全過程中進(jìn)行高密度，因此，本實用新型對大尺寸隧道斷面輪廓的采樣密度高，可實現(xiàn)對斷面輪廓的連續(xù)采樣，對隧道全斷面的輪廓一次成型，得出的全斷面輪廓平滑度高；
[0015]第二，本實用新型采用多個圖像傳感器對表征隧道斷面輪廓的標(biāo)識光條進(jìn)行圖像采集，每個圖像傳感器獲取標(biāo)識光條的其中一段，根據(jù)隧道內(nèi)壁的實際情況，選擇設(shè)置圖像傳感器的數(shù)量和各個圖像傳感器的分辨率，實現(xiàn)對大尺寸隧道斷面的一次全面覆蓋，并對其凹凸部位進(jìn)行高清采集，因此，本實用新型能夠以最低的成本測量出精度最高的隧道全斷面輪廓；
[0016]第三，本實用新型利用平面結(jié)構(gòu)光與標(biāo)定板對所有圖像傳感器統(tǒng)一進(jìn)行坐標(biāo)映射標(biāo)定，獲取平面結(jié)構(gòu)光中任意一點的二維世界坐標(biāo)與該點在所述圖形傳感器采集的圖像中的像平面坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，并且由于結(jié)構(gòu)光本身在遮擋物表面漫反射形成光條的特性，能夠準(zhǔn)確的判斷出標(biāo)定板上的棋盤格平面與平面結(jié)構(gòu)光是否重合，因此，本實用新型能夠精確的標(biāo)定所有圖像傳感器和平面結(jié)構(gòu)光的空間幾何關(guān)系，使得測量出的隧道全斷面輪廓更為精確；
[0017]第四，本實用新型的圖像傳感器和結(jié)構(gòu)光源設(shè)置在測量車上，協(xié)同工作下即能在行進(jìn)中對隧道斷面輪廓進(jìn)行測量，因此，本實用新型實現(xiàn)了對隧道斷面輪廓的移動式測量，具有測量速度快、測量精度高的特點；
[0018]第五，本實用新型適用范圍廣，可以廣泛使用在直徑I米到20米，測量分辨率、精度在0.05?50mm的各種空心內(nèi)腔，如隧道的測量中；并且本實用新型適用于各種截面形狀的隧道中，如圓形截面、方形截面的隧道。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0020]圖1為本實用新型的測量裝置對隧道斷面輪廓進(jìn)行測量的示意圖；
[0021]圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)光源在隧道內(nèi)壁形成標(biāo)識光條的示意圖；[0022]圖3為本實用新型的各個圖像傳感器取景范圍與標(biāo)識光條的位置關(guān)系示意圖；
[0023]圖4為本實用新型進(jìn)行標(biāo)定時，各個圖像傳感器取景范圍與標(biāo)定板棋盤格的位置關(guān)系不意圖。
【具體實施方式】
[0024]如圖1至3所示，本實用新型的基于視覺測量的隧道斷面輪廓測量裝置包括處理器(圖中未示出)、光電編碼器(圖中未示出)、測量車1、結(jié)構(gòu)光源和若干個圖形傳感器3 ;其中，結(jié)構(gòu)光源和該若干個圖形傳感器3分別安裝在測量車I上，若干個圖形傳感器3的取景范圍共同組成一個類環(huán)帶狀取景范圍，并且相鄰兩個圖形傳感器3的取景范圍部分重疊，如圖3中，取景范圍3a?3i組成的區(qū)域，結(jié)構(gòu)光源和該若干個圖形傳感器3在安裝時需要滿足以下位置關(guān)系，即:將測量車I停放于受測隧道內(nèi)時，結(jié)構(gòu)光源發(fā)出的平面結(jié)構(gòu)光與受測隧道的內(nèi)壁4正交或者接近于正交,在內(nèi)壁4上形成指示受測隧道內(nèi)壁4的橫斷面輪廓的標(biāo)識光條5，該標(biāo)識光條5與受測隧道內(nèi)壁4的橫斷面輪廓的形狀、位置相吻合，并且該標(biāo)識光條5完全納入上述類環(huán)帶狀取景范圍中；光電編碼器安裝在測量車I的車輪或傳動軸上，用于定位測量車I的位置；處理器采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的具有數(shù)據(jù)、圖像處理能力的控制設(shè)備，如微型計算機(jī)加載相應(yīng)的同步控制與信號處理系統(tǒng)，用于對測量車1、光電編碼器和圖形傳感器3進(jìn)行控制和它們采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0025]參見圖2，本實用新型的結(jié)構(gòu)光源包括三支或以上傳播方向發(fā)散設(shè)置的一字線激光器2，它們安裝在測量車I的安裝支架Ia上，并且各支一字線激光器的激光平面共面組合成上述平面結(jié)構(gòu)光，圖中示出了由5支一字線激光器2構(gòu)成結(jié)構(gòu)光源的實例，各個一字線激光器2對應(yīng)的兩條虛線表示該一字線激光器2發(fā)射出的一字線激光平面的邊界邊，相鄰的兩個一字線激光器2的一字線激光平面可以部分交疊，其中，一字線激光器應(yīng)選用波長大于400nm的激光光源，以使得上述標(biāo)識光條5具有足夠的亮度，滿足上述圖像傳感器的靈敏度要求；并且，選用一字線激光器時，應(yīng)使得上述標(biāo)識光條5的寬度盡可能窄，限定在2mm以內(nèi)；如此，各支一字線激光器的激光平面共面組成的平面結(jié)構(gòu)光在20米內(nèi)的平面度能小于 Imnin
[0026]參見圖3，本實用新型的圖形傳感器3的數(shù)量應(yīng)根據(jù)受測隧道的徑向?qū)挾群透鱾€圖形傳感器3的分辨率確定，只需滿足上述圖形傳感器3安裝時的要求即可。其中，各個圖形傳感器3的分辨率根據(jù)受測隧道斷面中不同區(qū)域?qū)Ψ直媛实牟煌蠖x擇，例如對于隧道中鋪設(shè)有各種設(shè)施的底部，為能更細(xì)致的獲得斷面輪廓，采集該區(qū)域圖像的圖像傳感器可選用較高分辨率，而對于隧道中較為平滑的頂部，則對應(yīng)的圖像傳感器可選用較低分辨率，以降低本實用新型的實施成本。
[0027]如圖4所示，在對受測隧道進(jìn)行斷面輪廓測量前，首先要對本實用新型測量裝置的若干個圖形傳感器3統(tǒng)一進(jìn)行坐標(biāo)映射標(biāo)定:測量車I靜態(tài)停放在戶外或隧道內(nèi)，先將標(biāo)定板懸掛在測量車I前方，使標(biāo)定板上的棋盤格6平面與平面結(jié)構(gòu)光重合，并且上述若干個圖形傳感器3的類環(huán)帶狀取景范圍完全落在棋盤格6范圍之內(nèi)，其中，標(biāo)定板選用現(xiàn)有技術(shù)中常用的標(biāo)定板，并根據(jù)上述類環(huán)帶狀取景范圍的大小定制棋盤格6的幅面大小，而借助結(jié)構(gòu)光在遮擋物表面漫反射形成光條的特性，當(dāng)棋盤格6全面形成反光時，即可判斷棋盤格6平面與平面結(jié)構(gòu)光重合；然后在平面結(jié)構(gòu)光關(guān)閉的情況下，用各個圖形傳感器3對棋盤格6進(jìn)行圖像采集；再以采集到的圖像中的棋盤格6作為平面結(jié)構(gòu)光的像平面坐標(biāo)原點，獲取上述平面結(jié)構(gòu)光中任意一點的二維世界坐標(biāo)與該點在圖形傳感器3采集的圖像中的像平面坐標(biāo)之間的映射關(guān)系。另外，需要注意的是，本實用新型測量裝置更換圖形傳感器3或者使用一定期限過后，為保證該映射關(guān)系正確，應(yīng)該對裝置的圖形傳感器3補充標(biāo)定。
[0028]參見圖1，在本裝置完成標(biāo)定后，維持平面結(jié)構(gòu)光和圖形傳感器之間的相對位置關(guān)系不變，即可開始對受測隧道進(jìn)行斷面輪廓測量。本實用新型的受測隧道中鋪設(shè)有沿隧道軸向延伸的軌道7，上述測量車I設(shè)置在該軌道7上并沿軌道7行駛，保持各個圖形傳感器3和各支一字線激光器固定在測量車I上，使各個圖形傳感器3的取景范圍與平面結(jié)構(gòu)光之間的相對位置關(guān)系不變，驅(qū)動測量車I沿受測隧道軸向行進(jìn)，并沿途用各個圖形傳感器3對標(biāo)識光條5進(jìn)行圖像采集，以處理器利用上述標(biāo)定獲取到的映射關(guān)系，通過三維插值法和查表方法，換算出沿途各個采集點位置對應(yīng)的標(biāo)識光條5的二維世界坐標(biāo)，與上述光電編碼器定位到的測量車11在各個采集點的位置信息組合成受測隧道的全斷面輪廓數(shù)據(jù)，其中，采集點的密度依據(jù)對全斷面輪廊采樣的平滑性要求而定，當(dāng)平滑度要求越高，則通過亞像素計算法來提取更密的光條像素點，再通過查表法和三維插值法去計算獲得標(biāo)識光條5的二維世界坐標(biāo)。在測量車I行進(jìn)的過程中，某采集點所在位置的隧道內(nèi)壁4橫斷面存在如圖1所示的凸起4a，借助結(jié)構(gòu)光在遮擋物表面漫射形成光條的特性，此時在隧道內(nèi)壁4上形成的標(biāo)識光條5指示該位置的隧道內(nèi)壁4橫斷面，能夠反映出隧道內(nèi)壁4橫斷面存在凸起4a的情況，上述得到的受測隧道的全斷面輪廓數(shù)據(jù)得以全面反映出隧道全斷面輪廓的實際情況。
[0029]對于測量車在受測隧道中行進(jìn)的過程中容易顛婆的情況，本實用新型可以通過增設(shè)現(xiàn)有技術(shù)中常用的姿態(tài)校正單元，如姿態(tài)檢測用陀螺儀，對沿受測隧道軸向行進(jìn)過程中的測量車進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)測，并使處理器依據(jù)該姿態(tài)校正單元監(jiān)測到的姿態(tài)數(shù)據(jù)校正上述受測隧道的全斷面輪廓數(shù)據(jù)，以克服測量車姿態(tài)變化對測量結(jié)果造成影響，提高測量結(jié)果的精度。
[0030]本實用新型不局限與上述【具體實施方式】，根據(jù)上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識和慣用手段，在不脫離本實用新型上述基本技術(shù)思想前提下，本實用新型還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，例如，對于隧道斷面無需全面測量的情況，上述具體實施例中由一字線激光器的激光平面組成的平面結(jié)構(gòu)光，其發(fā)散角可以是0-360° ;均落在本實用新型的保護(hù)范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于視覺測量的隧道斷面輪廓測量裝置，其特征在于:所述的測量裝置包括處理器、工作于受測隧道中的測量車、發(fā)出平面結(jié)構(gòu)光的結(jié)構(gòu)光源和若干個對于所述平面結(jié)構(gòu)光所在平面統(tǒng)一進(jìn)行坐標(biāo)映射標(biāo)定過的圖形傳感器，其中，所述受測隧道中鋪設(shè)有沿隧道軸向延伸的軌道，所述測量車設(shè)置在該軌道上；所述結(jié)構(gòu)光源和若干個圖形傳感器分別安裝在測量車上并且相對位置關(guān)系穩(wěn)固不變，所述若干個圖形傳感器的取景范圍共同組成一個類環(huán)帶狀取景范圍，所述平面結(jié)構(gòu)光與受測隧道的內(nèi)壁相交并在內(nèi)壁上形成指示受測隧道內(nèi)壁的斷面輪廓相標(biāo)識光條，該標(biāo)識光條完全納入所述類環(huán)帶狀取景范圍中，所述測量車在軌道上沿受測隧道軸向行駛，各個圖形傳感器沿途對所述標(biāo)識光條進(jìn)行圖像采集，所述處理器為依據(jù)所述若干個圖形傳感器坐標(biāo)映射標(biāo)定獲得的平面結(jié)構(gòu)光中任意一點的二維世界坐標(biāo)與該點在所述圖形傳感器采集的圖像中的像平面坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，得出沿途各個采集點的標(biāo)識光條二維世界坐標(biāo)，并與所述各個采集點的位置信息組合成受測隧道的全斷面輪廓數(shù)據(jù)輸出的處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺測量的隧道斷面輪廓測量裝置，其特征在于:所述平面結(jié)構(gòu)光與受測隧道的內(nèi)壁正交或者接近于正交，所述標(biāo)識光條指示受測隧道內(nèi)壁的橫斷面輪廓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于視覺測量的隧道斷面輪廓測量裝置，其特征在于:所述結(jié)構(gòu)光源包括三支或以上傳播方向發(fā)散設(shè)置的一字線激光器，并且所述各支一字線激光器的激光平面共面并且環(huán)形向外發(fā)散組合成所述平面結(jié)構(gòu)光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于視覺測量的隧道斷面輪廓測量裝置，其特征在于:相鄰兩個所述圖形傳感器的取景范圍部分重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項所述的基于視覺測量的隧道斷面輪廓測量裝置，其特征在于:所述隧道中鋪設(shè)有沿隧道軸向延伸的軌道，所述測量車設(shè)置在該軌道上并沿軌道行駛。
【文檔編號】G01B11/24GK203405182SQ201320178361
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】劉光武, 朱茂芝, 郭玲 申請人:廣州市地下鐵道總公司, 廣州復(fù)旦奧特科技股份有限公司