基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法，激光光源发射激光束在成像屏上成像，摄像机对激光光斑图像进行采集，运用灰度处理、自适应中值滤波、最大类间差法对光斑处理，得到光斑中心的位置坐标。在地下管线缓慢移动，即可得到一系列测量点的光斑中心的位置坐标，由霍尔里程计获得各个测量点之间的距离。结合所有测量的位置等信息，推算并重建管线轴心线的形状和方位。本发明专利技术不需破坏管线周围环境，不受到地下管线网交错密集和周围复杂电磁环境干扰，测量结果更加精确。

【技术实现步骤摘要】
基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法
本专利技术属于计量检测
，特别是一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法。
技术介绍
在城市地下管线探测普查中，由于当前城市地下管道网交错密集、相互叠加不一，如果在地表上使用地下管线检测仪进行管线位置检测，这就使得精确测量变得十分困难。这也对现有的地下管线探测技术提出了挑战，探测技术要求适应各种各样的探测环境、探测管径，并且高效精度的完成探测任务。目前设备处于应用到实际工程中的探测仪器主要有两种：管线探测仪、探地雷达。管线检测仪和探地雷达都是外置式设备仪器，在地表直接进行探测普查。但现代城市的地下管线错综复杂而且埋设于地下的深度不一，各种地下管线相互交错、叠加在一起，如果在地表上使用管线检测仪或者探测雷达无法分辨出需要测量的管线，测量的结果精确性无法保证。而且探测环境复杂，有可能分布着电力线、城市强磁场等，在管线周围形成的电磁场就要受到强电磁信号的干扰，会严重影响了观测到的真实电磁场的空间分布，导致测量误差较大，严重时造成测量结果失真。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法，克服地下管线网交错密集和周围复杂电磁环境的干扰，精确度高。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统，包括霍尔里程计和图像采集模块和处理模块；图像采集模块由两个定心结构组成，其中一个定心机构的一端固定激光发射器，另一个定心机构固定CMOS摄像机和成像屏，两个定心机构由万向节连接；利用摄像机采集成像屏上激光光斑，处理模块对激光光斑进行灰度变换、自适应中值滤波、阈值分割，通过圆拟合方法定位激光光斑坐标并计算曲率信息；霍尔里程计用于获取各个测量点之间的距离，处理模块结合测量得到的管线轴心线上的测量点曲率信息、每个测量点间的轴向距离信息，确定测量点的三维坐标信息并重建管线轴心线的形状和方位。一种地下管道空间方位测量方法，包括以下步骤：步骤1、万向节连接左右两个定心结构，一个定心结构是用于固定激光发射器，另一个定心结构是用于固定成像屏和摄像机，激光发射器和成像屏相向设置；激光器射出的激光光束沿着管道轴心线的切线方向，摄像机镜头到成像屏的距离固定不变，且等于它的焦距，利用摄像机采集这一过程中的激光光斑图像；步骤2、当测量系统在弯曲的管线中缓慢前进，两个定心结构随管道弯曲而相对运动，同样激光光斑位置也随管道的弯曲变化而相对移动，利用霍尔里程计获取地下管线轴心线上各个测量点之间的距离，获得一系列离散测量点的激光光斑和各个测量点之间的距离；步骤3、对激光光斑图像处理，首先对图像进行灰度变换增强激光光斑和背景的对比度，然后对激光光斑的图像采取自适应中值滤波，采用最大类间方差法得到比较理想的激光光斑的边缘和轮廓；最后利用基于最小二乘法的圆拟合算法来提取激光光斑的中心位置坐标并计算曲率信息；步骤4、在已知地下管线起始点的位置坐标的情况下，结合测量得到的管线轴心线上的离散点曲率信息、每个离散点间的轴向距离信息，确定离散点的三维坐标信息，并重建管线轴心线的形状和方位。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术不会受到地下管线埋藏深度、周围电磁环境的影响，可测量任意埋藏深度的地下管线；(2)采用的CMOS摄像机采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，当采集图片信息时，实时性上CMOS要更佳，且具有低功耗、低成本、集成性等诸多优点；(3)两个定心结构有效保证了激光光源、成像屏和摄像机的中心尽可能和管道的中心轴处于同一条水平线上，使摄像机能够拍摄到成像屏上的光斑；(4)摄像机镜头到成像屏的距离固定不变，且等于它的焦距，这就保证了激光成像的质量；(5)霍尔里程计可以方便确定每个离散点间的轴向距离。附图说明图1是本专利技术基于激光光斑位置探测的地下管道空间方位测量方法的霍尔里程计理论图。图2为霍尔里程计结构示意图。图3是本专利技术实施例中的灰度图像。图4是本专利技术自适应滤方法流程图。图5(a)和图5(b)是本专利技术实施例中的自适应滤波图和阈值分割图。图6是本专利技术基于激光光斑位置探测的地下管道空间方位测量方法的图像处理流程图。图7是地下管线曲率半径检测原理图。图8是管道轴心线测量过程原理图。图9是本专利技术基于激光光斑位置探测的地下管道空间方位测量方法的系统流程图。1-地下管线，2-定心结构，3-激光发射器，4-激光光束，5-成像屏，6-摄像机，7-滚轮，8-霍尔开关，9-第一磁条，10-第二磁条具体实施方式结合图1，一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统，包括霍尔里程计、图像采集模块和处理模块；图像采集模块由两个定心结构2组成，其中一个定心结构的一端固定激光发射器3，另一个定心结构固定CMOS摄像机6和成像屏5，两个定心结构由万向节连接；利用摄像机采集成像屏上激光光斑，处理模块对激光光斑进行灰度变换、自适应中值滤波、阈值分割，通过圆拟合方法定位激光光斑坐标并计算曲率信息；霍尔里程计用于获取各个测量点之间的距离，处理模块结合测量得到的管线轴心线上的测量点曲率信息、每个测量点间的轴向距离信息，确定测量点的三维坐标信息并重建管线轴心线的形状和方位。摄像机镜头到成像屏的距离固定不变，且距离等于它的焦距。进一步的，每个定心机构包括四个滚轮，其中一个滚轮上设置霍尔里程计，如图2所示，霍尔里程计包括第一磁条9、第二磁条10和霍尔开关8，两个磁条嵌入在滚轮7上，霍尔开关8位于定心结构的靠近滚轮一侧的扶正臂末端；当仪器在地下管线运动时，磁条跟滚轮一起作圆周运动，当滚轮的某个磁条转动到霍尔开关的位置时，霍尔开关会在霍尔效应的作用输出一个高电平信号；当滚轮上的磁条没有与霍尔开关对准，则会输出低电平信号。一种基于所述地下管道空间方位测量系统的测量方法，包括以下步骤：步骤1、万向节连接左右两个定心结构2，一个定心结构2用于固定激光发射器3，另一个定心结构是用于固定成像屏5和摄像机6，激光发射器3和成像屏5相向设置；激光发射器3射出的激光光束4沿着管道轴心线的切线方向，摄像机镜头到成像屏5的距离固定不变，且等于它的焦距，利用摄像机6采集这一过程中的激光光斑图像；步骤2、当测量系统在弯曲的管线中缓慢前进，两个定心结构随管道弯曲而相对运动，同样激光光斑位置也随管道的弯曲变化而相对移动，利用霍尔里程计获取地下管线轴心线上各个测量点之间的距离，获得一系列离散测量点的激光光斑和各个测量点之间的距离；步骤3、对激光光斑图像处理，首先对图像进行灰度变换增强激光光斑和背景的对比度，然后对激光光斑的图像采取自适应中值滤波，采用最大类间方差法得到比较理想的激光光斑的边缘和轮廓；最后利用基于最小二乘法的圆拟合算法来提取激光光斑的中心位置坐标并计算曲率信息；步骤4、在已知地下管线起始点的位置坐标的情况下，结合测量得到的管线轴心线上的离散点曲率信息、每个离散点间的轴向距离信息，确定离散点的三维坐标信息，并重建管线轴心线的形状和方位。进一步的，自适应中值滤波的具体过程为：设定自适应中值滤波的滤波窗口为Sxy，滤波窗口的中心位置坐标(x，y)；Zmin是在Sxy滤波窗内灰度的最小值，Zxy是坐标(x，y)处的灰度值，Zmax是在Sxy滤波窗内灰度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统，其特征在于，包括霍尔里程计、图像采集模块和处理模块；图像采集模块由两个定心结构组成，其中一个定心结构的一端固定激光发射器，另一个定心结构固定CMOS摄像机和成像屏，两个定心结构由万向节连接；利用摄像机采集成像屏上激光光斑，处理模块对激光光斑进行灰度变换、自适应中值滤波、阈值分割，通过圆拟合方法定位激光光斑坐标并计算曲率信息；霍尔里程计用于获取各个测量点之间的距离，处理模块结合测量得到的管线轴心线上的测量点曲率信息、每个测量点间的轴向距离信息，确定测量点的三维坐标信息并重建管线轴心线的形状和方位。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统，其特征在于，包括霍尔里程计、图像采集模块和处理模块；图像采集模块由两个定心结构组成，其中一个定心结构的一端固定激光发射器，另一个定心结构固定CMOS摄像机和成像屏，两个定心结构由万向节连接；利用摄像机采集成像屏上激光光斑，处理模块对激光光斑进行灰度变换、自适应中值滤波、阈值分割，通过圆拟合方法定位激光光斑坐标并计算曲率信息；霍尔里程计用于获取各个测量点之间的距离，处理模块结合测量得到的管线轴心线上的测量点曲率信息、每个测量点间的轴向距离信息，确定测量点的三维坐标信息并重建管线轴心线的形状和方位。2.根据权利要求1所述的基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统，其特征在于，摄像机镜头到成像屏的距离固定不变，且距离等于它的焦距。3.根据权利要求1所述的基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统，其特征在于，每个定心结构包括四个滚轮，其中一个滚轮上设置霍尔里程计，霍尔里程计包括第一磁条(9)、第二磁条(10)和霍尔开关(8)，两个磁条嵌入在滚轮上，霍尔开关(8)位于定心结构的靠近滚轮一侧的扶正臂末端；当仪器在地下管线运动时，磁条跟滚轮一起作圆周运动，当滚轮的某个磁条转动到霍尔开关的位置时，霍尔开关会在霍尔效应的作用输出一个高电平信号；当滚轮上的磁条没有与霍尔开关对准，则会输出低电平信号。4.一种基于权利要求1所述地下管道空间方位测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、万向节连接两个定心结构，一个定心结构用于固定激光发射器，另一个定心结构用于固定成像屏和摄像机，激光发射器和成像屏相向设置；激光发射器射出的激光光束沿着管道轴心线的切线方向，摄像机镜头到成像屏的距离固定不变，且等于它的焦距，利用摄像机采集这一过程中的激光光斑图像；步骤2、当测量系统在弯曲的管线中前进，两个定心结构随管道弯曲而相对运动，同样激光光斑位置也随管道的弯曲变化而相对移动，利用霍尔里程计获取地下管线轴心线上各个测量点之间的距离，获得一系列离散测量点的激光光斑和各个测量点之间的距离；步骤3、对激光光斑图像处理，首先对图像进行灰度变换增强激光光斑和背景的对比度，然后对激光光斑的图像采取自适应中值滤波，采用最大类间方差法得到激光光斑的边缘和轮廓；最后利用基于最小二乘法的圆拟合算法来提取激光光斑的中心位置坐标并计算曲率信息；步骤4、在已知地下管线起始点的位置坐标的情况下，结合测量得到的管线轴心线上的离散点曲率信息、每个离散点间的轴向距离信息，确定离散点的三维坐标信息，并重建管线轴心线的形状和方位。5.根据权利要求4所述的地下管道空间方位测量方法，其特征在于，自适应中值滤波的具体过程为：设定自适应中值滤波的滤波窗口为Sxy，滤波窗口的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪贵华，杨栩，徐元，王珂，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32