基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置，其硬件包括：隧道检测车、主动式全景视觉传感器、RFID读取器和处理器；系统软件包括：全方位面激光信息解析及点云数据获取单元、隧道中轴线提取单元、降噪及平差处理单元、三维建模及变形分析单元、全隧道各节横断面基准数据库、全隧道纵断面拼接单元、位移监测和沉降监测单元、全隧道健康体检结果数据库和隧道纵断面变移量三维可视化单元；通过对隧道内壁激光扫描断面切片图像进行机器视觉处理分析和识别隧道的横向和纵向形变。本发明专利技术还提供了一种基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测方法，为地铁和高铁的隧道日常维护提供了有效的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置与方法
本专利技术涉及全景激光光源、全方位视觉传感器、数字图像处理、三维重构技术以及计算机视觉技术在隧道的自动检测和三维建模方面的应用，尤其涉及一种基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置与方法，主要应用于地铁和高铁隧道运营期间的自动健康监测。
技术介绍
地铁和高铁隧道的健康监测可分为两个阶段：施工阶段和运营阶段。在铁路隧道的运营过程中，隧道的安全问题主要受到以下几个方面的影响：一是列车运营过程中长期振动荷载引起的道床整体沉降；二是由于大多数长大隧道处于复杂的地质条件中，列车荷载引起的线路沿轴线方向的不均匀沉降；最后就是隧道周边建筑物的影响。而这些影响会造成隧道轮廓的开裂，变形，漏水甚至脱落等一系列安全问题。目前，国内外针对隧道施工阶段的监测技术己比较成熟，但是对隧道运营期间的监测重视程度远远不够。事实上，运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、灾害社会影响大，对地铁和高铁隧道的健康监测更应该得到充分的重视。隧道轮廓的检测能方便的掌握隧道净空，监测隧道的变形，因此隧道结构检测在铁路运输过程中占有重要的地位。在隧道的运维阶段，为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置，包括隧道检测车和处理器，其特征在于，所述的隧道检测车包括在隧道轨道上行走的检测车本体，安装在检测车本体上的主动式全景视觉传感器、RFID读取器和测距轮；所述的主动式全景视觉传感器包括同轴固定的全景激光投射光源和全方位视觉传感器，所述的全景激光投射光源用于为隧道内壁提供隧道断截面全景扫描光，所述的全方位视觉传感器用于采集隧道内壁的全景图像；所述的读取器，用于读取固定在隧道内壁上RFID内存储的隧道基准数据；所述的测距轮，用于计算隧道检测车的行走距离；所述的处理器，用于从所述的全景图像中解析出隧道横断面上的三维点云数据，并结合隧道检测车的行走...

【技术特征摘要】
1.一种基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置，包括隧道检测车和处理器，其特征在于，所述的隧道检测车包括在隧道轨道上行走的检测车本体，安装在检测车本体上的主动式全景视觉传感器、RFID读取器和测距轮；所述的主动式全景视觉传感器包括同轴固定的全景激光投射光源和全方位视觉传感器，所述的全景激光投射光源用于为隧道内壁提供隧道断截面全景扫描光，所述的全方位视觉传感器用于采集隧道内壁的全景图像；所述的全景激光投射光源包括底座，固定在底座上的圆圈形激光发射器，和用于反射圆圈形激光发射器发射出来的圆圈激光为隧道内壁提供隧道断截面全景扫描光的圆锥形镜面；所述的RFID读取器，用于读取固定在隧道内壁上RFID内存储的隧道基准数据；所述的测距轮，用于计算隧道检测车的行走距离；所述的处理器，用于从所述的全景图像中解析出隧道横断面上的三维点云数据，并结合隧道检测车的行走距离重构出全隧道内壁三维模型，再将构建的全隧道内壁三维模型与初始的全隧道内壁三维模型进行对比，分析隧道形变量；所述的处理器包括：全方位视觉传感器标定单元，用于确定三维空间点和摄像机成像平面上的二维图像点之间映射关系的参数；第J节隧道断面图像数据读取单元，用于将全隧道横断面激光扫描图像分段节按顺序读取并进行分析；全方位面激光信息解析及点云数据获取单元，用于对J节内所有的移动距离Zi的隧道横断面激光扫描图像进行处理，得到隧道内壁边缘点云数据；隧道中轴线提取单元，用于根据隧道轴线绘制隧道纵向变形图，以便进行三维建模；降噪及平差处理单元，用于进一步对所述的隧道轴线提取模块处理得到的隧道点云数据进行降噪及平差处理；三维建模及变形分析单元，用于隧道变形可视化处理；全隧道纵断面拼接单元，用于将全隧道的分段三维重构结果进行拼接；位移监测和沉降监测单元，用于对隧道的整体位移和沉降有量化的度量；隧道纵断面变移量三维可视化单元，用于对隧道的整体位移和沉降有量化的且可视化的表达。2.一种基于权利要求1所述的隧道全断面高速动态健康检测装置的隧道全断面高速动态健康检测方法，其特征在于，包括步骤：1)控制隧道检测车在隧道轨道上行走，采用全景激光投射光源为隧道内壁提供隧道断截面全景扫描光，并通过全方位视觉传感器采集隧道横断面激光扫描图像，同时利用RFID读取器读取固定在隧道内壁上RFID内存储的隧道基准数据；2)估算出隧道检测车的行车距离，并将隧道横断面激光扫描图像与行车距离关联储存；3)从隧道横断面激光扫描图像中解析出隧道横断面上全景激光投射点的空间坐标位置值，即隧道横断面上的三维点云数据；4)根据所述的行车距离和对应的三维点云数据，重构出全隧道内壁三维模型；5)将构建的全隧道内壁三维模型与最初构建的全隧道内壁三维模型进行对比，分析隧道形变量。3.如权利要求2所述的隧道全断面高速动态健康检测方法，其特征在于，将全隧道分为若干节，用h(j)作为节的变量，h(j)与隧道检测车沿隧道纵向方向上的移动距离Zi之间的关系用公式(16)表示，h(j)＝INT(Zi/10)+1(16)在选取了某一节h(j)后，根据公式(16)得到该节中所包含的移动距离Zi，然后以该节中所有的移动距离Zi作为文件名从所述的全隧道横断面激光扫描图像库中读取隧道横断面激光扫描图像。4.如权利要求3所述的隧道全断面高速动态健康检测方法，其特征在于，用于对h(j)节内所有的移动距离Zi的隧道横断面激光扫描图像进行处理，得到隧道内壁边缘点云数据；具体实现算法是：Step1：设置初始方位角β＝0；Step2：在激光扫描全景图像上以方位角β从激光扫描全景图像的中心点开始检索激光投射点，对于方位角β上存在着若干个连续的激光投射的像素，选择HIS颜色空间中的I分量，即亮度值接近最高值的三个连续像素通过高斯近似方法来估算激光投射线的中心位置；具体计算方法由公式(7)给出，式中，f(i-1)、f(i)和f(i+1)分别为三个相邻像素接近最高亮度值的亮度值，d为修正值，i表示从图像中心点开始的第i个像素点；因此估算得到的激光投射线的中心位置为(i+d)；Step3：计算出该激光投射点的入射角αβ，并根据隧道检测车沿隧道纵向方向上的移动距离Zi，计算出隧道检测车沿隧道纵向方向上的移动距离Zi和方位角β'＝β情况下在隧道内壁上的激光投射点到主动式全景视觉传感器的中心轴线之间的距离d(z,β)；最后用公式(8)计算该激光投射点的空间坐标位置值；式中，Zi为隧道检测车沿隧道纵向方向上的移动距离，H全景扫描光线到全方位视觉传感器的单视点Om的直线距离，d(z,β)为沿隧道纵向方向上的位置Zi和方位角β'＝β情况下在隧道内壁上的激光投射点到主动式全景视觉传感器的中心轴线之间的距离，x,y,z分别为激光投射点相对于以全方位视觉传感器的单视点Om的坐标值，β为方位角；Step4：改变方位角继续检索激光投射点，即β＝β+Δβ，Δβ＝1；Step5：判断方位角β＝360，如果成立，检索结束；反之转到Step2。5.如权利要求4所述的隧道全断面高速动态健康检测方法，其特征在于，在构建三维模型时，根据隧道轴线绘制隧道纵向变形图，提取轴线的方法是对分割后的隧道点云进行圆柱面拟合，圆柱面拟合算法的步骤如下：STEP1：读取全方位面激光信息解析及点云数据获取单元处理后得到的沿隧...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤一平，陈麒，胡克钢，周伟敏，吴挺，鲁少辉，韩旺明，王伟羊，韩国栋，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33