一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人及其实施方法技术

本发明专利技术公开了一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人及其实施方法，所述立体扫描机器人包括线扫描相机、激光光源、位姿调节分支、3D数字相机、激光三维扫描仪和安装平台，安装平台包括基础平台、定位桁架、左侧90°扇形板和右侧90°扇形板，定位桁架的下端面与基础平台固定连接，定位桁架的上端面与激光三维扫描仪固定连接，左侧90°扇形板与右侧90°扇形板分别固定设置在定位桁架相对的左右两侧。本发明专利技术提供的技术方案实现了2D线扫描相机和3D数字相机在机械结构方面的整合，进而对平面图像和深度图像进行数据融合，以此构建公路隧道病害的三维数字化模型，在此基础上实现了公路隧道病害的智能识别与三维测量，识别准确率高、误检率低。

A stereoscopic scanning robot for highway tunnel detection and its implementation method

The invention discloses a method for three-dimensional scanning robot of highway tunnel detection and its implementation method, the three-dimensional scanning robot includes a line scan camera, laser source, position adjusting branch, 3D digital camera, 3D laser scanner and the installation platform, the installation platform comprises a base platform, positioning truss, left and right 90 degrees 90 fan-shaped plate DEG sector plate, the lower end of the base platform is fixedly connected with the positioning of truss, truss located on the upper end of the three-dimensional laser scanner is fixedly connected with the left and right quadrant 90 degrees 90 degrees sector plates are respectively fixed in position relative to the left and right sides of the truss. The technical scheme of the invention realizes the integration of 2D line scan camera and 3D digital camera in the mechanical structure, and then on the plane and depth image data fusion, 3D digital model in order to construct the highway tunnel disease, on this basis to achieve the intelligent recognition of highway tunnel disease and 3D measurement, high recognition accuracy and a low false detection rate.

【技术实现步骤摘要】
一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人及其实施方法
本专利技术涉及自动检测
，尤其涉及一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人及其实施方法。
技术介绍
随着我国高速公路建设的快速发展，隧道检测量也逐渐增多，传统的人工检测方法需要在全封闭或半封闭交通的前提下，借助裂缝观测仪、升降车等设备完成表观病害的检测，检测速度慢、精度低、人工主观程度高，更重要的是无法实现病害的数据化管理，难以满足日益增长的隧道养护需求。值得注意的是，2015版《公路隧道养护技术规范》(JTG_H12-2015)新增了经常检查项，检测频率也大幅增加，并鼓励运用信息化手段开展隧道检测，因此，近年来基于机器视觉的隧道检测车的研制和应用工作已成为行业研究热点。基于计算机视觉的快速检测方法具有形象直观、速度快、精度高、数据易于保存等优点，被广泛应用于无损检测领域，但是现有的隧道智能检测产品的数字成像技术的实现方式主要以商业相机、工业线扫描、工业面阵等2D数字相机为主，只能采集病害在XY平面内的表观信息，无法获得沿Z方向的深度信息。这也导致在病害识别环节，尤其是对于裂缝等几何尺寸较小的病害，系统自动识别的准确率低、误检率高，往往需要人工进行识别和干预，很难实现全自动智能识别。因此，虽然基于机器视觉的隧道检测车在外业采集中具有突出的优点，但是仍然需要将大量人力和时间投入到内业数据处理中。随着机器视觉技术的不断发展，利用结构光三角测量原理的3D立体成像技术被广泛应用于冶炼金属、轮胎制造、汽车制造、电子产品制造等行业，用于测量待检物三维尺寸。基于3D立体成像技术实现待测物的三维数字化模型重建和三维测量已成为机器视觉的发展趋势，但是现有的3D数字相机应用于公路隧道检测时存在以下技术问题：1、无法分辨裂缝等几何尺寸较小的隧道病害；2、产生海量的数据，这将给现场数据储存以及后期数据处理带来严重的影响；3、车辆在公路隧道行驶时，受驾驶员主观意识、车流量影响等影响，车辆将会偏离中心线行驶，这将导致3D数字相机与衬砌表面之间的距离时刻在变化，考虑到现有3D数字相机采用的工作原理是结构光三角测量法，与2D数字相机相比景深很小，因此当被测物处于工作距离之外时，相机将无法采集图像。综上所述，现有的基于2D机器视觉的隧道智能检测车在病害识别环节，系统自动识别准确率低、误检率高，需要人工进行识别和干预，需要耗费大量人力。另外，由于3D数字相机自身特性限制以及公路隧道病害复杂、检测条件苛刻等原因，导致三维立体扫描技术应用于公路隧道检测时还存在诸多技术难题亟待解决。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人及其实施方法，至少部分解决上述技术问题。为此，本专利技术提供一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人，包括线扫描相机、激光光源、位姿调节分支、3D数字相机、激光三维扫描仪和安装平台，所述安装平台包括基础平台、定位桁架、左侧90°扇形板和右侧90°扇形板，所述左侧90°扇形板与所述右侧90°扇形板具有相同的结构和尺寸，所述定位桁架的下端面与所述基础平台固定连接，所述定位桁架的上端面与所述激光三维扫描仪固定连接，所述左侧90°扇形板与所述右侧90°扇形板分别固定设置在所述定位桁架相对的左右两侧；六组所述位姿调节分支设置在所述左侧90°扇形板的左端面，六组所述位姿调节分支具有相同的结构，六组所述位姿调节分支的六组电动推杆的中心线之间的夹角为15°，位于两侧的电动推杆的中心线与水平线、竖直线的夹角均为7.5°，所述位姿调节分支结构包括移动副、第一转动副和第二转动副，所述移动副由电动推杆实现，其固定部分连接于所述左侧90°扇形板，所述电动推杆包括第一伺服电机，所述第一转动副包括第一阶梯轴、第一轴承、第一轴承座、第一端盖和第二伺服电机，所述第一转动副设置在所述电动推杆的伸缩杆末端，所述第一转动副的轴线垂直于所述左侧90°扇形板，所述第二转动副包括第二阶梯轴、第二轴承、第二轴承座、第二端盖和第三伺服电机，所述第二转动副设置在所述第一转动副的末端，所述第二转动副的轴线与所述第一转动副的轴线垂直而且相交，所述3D数字相机设置在所述位姿调节分支的末端，所述3D数字相机的光轴与所述第二转动副的轴线垂直而且相交；三组所述线扫描相机和六组所述激光光源设置在所述右侧90°扇形板的右端面，三组所述线扫描相机的光轴之间的夹角为30°，所述线扫描相机的视场角范围为30至45°，位于两侧的线扫描相机光轴与水平线、竖直线的夹角均为15°，每个线扫描相机的两侧设置有两组相同的激光光源，所述激光光源的中心线与所述线扫描相机的光轴之间的夹角为7.5°，所述激光光源的发散角为15至20°。可选的，六组所述电动推杆的中心线位于同一个平面，六组所述电动推杆的中心线相交于所述左侧90°扇形板的圆心；三组所述线扫描相机的光轴与六组所述激光光源的中心线位于同一个平面，三组所述线扫描相机的光轴与六组所述激光光源的中心线相交于所述右侧90°扇形板的圆心。可选的，所述定位桁架为一个正方体框架结构，所述基础平台的形状为圆形，所述定位桁架设置在所述基础平台的中间位置。可选的，所述基础平台的构成材料包括碳钢，所述基础平台的直径是所述定位桁架的边长的1.5倍；所述定位桁架的构成材料包括铝合金，所述定位桁架的正方体边长不小于1m；所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板的构成材料包括镁铝合金，所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板的半径与所述定位桁架的边长相等。可选的，所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板相互对应的位置设置有减重孔，所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板的半径为1200mm，所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板的厚度为10mm，所述基础平台的直径为1500mm，所述基础平台的厚度为12mm。可选的，所述激光光源的功率为15w，所述3D数字相机的扫描速度为5kHz，所述3D数字相机的视场范围为352至1060mm，所述3D数字相机的工作距离范围为650至1350mm，所述3D数字相机的平面图像分辨率为1.65mm，所述3D数字相机的Z方向分辨率为0.925mm。可选的，所述电动推杆的直径为30mm，所述电动推杆的行程不小于1m，所述第一阶梯轴和所述第二阶梯轴的直径为12mm，所述第一阶梯轴和所述第二阶梯轴的长度为60mm。本专利技术还提供一种根据任一所述的用于公路隧道检测的立体扫描机器人的实施方法，包括：当设置在车辆载体上的立体扫描机器人进入公路隧道之后，所述线扫描相机实时采集衬砌表观图像，而且将所述衬砌表观图像存储在工业控制计算机之中；所述激光三维扫描仪采集隧道断面尺寸，控制器根据所述隧道断面尺寸计算所述立体扫描机器人在空间之中的位姿参数；根据所述线扫描相机、所述激光光源、所述位姿调节分支、所述3D数字相机的安装参数和结构参数，以及所述3D数字相机的特性参数，计算各个所述位姿调节分支之中的电动推杆、第一转动副和第二转动副的运动量，所述特性参数包括所述3D数字相机的工作距离参数和视场参数；六组所述3D数字相机在各个对应的位姿调节分支的作用之下移动至指定位姿，实时采集衬砌深度图像，而且将所述衬砌深度图像存储在所述工业控制计算机之中；所述激光三维扫描仪实时监测所述车辆载体与隧道衬砌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人，其特征在于，包括线扫描相机、激光光源、位姿调节分支、3D数字相机、激光三维扫描仪和安装平台，所述安装平台包括基础平台、定位桁架、左侧90°扇形板和右侧90°扇形板，所述左侧90°扇形板与所述右侧90°扇形板具有相同的结构和尺寸，所述定位桁架的下端面与所述基础平台固定连接，所述定位桁架的上端面与所述激光三维扫描仪固定连接，所述左侧90°扇形板与所述右侧90°扇形板分别固定设置在所述定位桁架相对的左右两侧；六组所述位姿调节分支设置在所述左侧90°扇形板的左端面，六组所述位姿调节分支具有相同的结构，六组所述位姿调节分支的六组电动推杆的中心线之间的夹角为15°，位于两侧的电动推杆的中心线与水平线、竖直线的夹角均为7.5°，所述位姿调节分支结构包括移动副、第一转动副和第二转动副，所述移动副由电动推杆实现，其固定部分连接于所述左侧90°扇形板，所述电动推杆包括第一伺服电机，所述第一转动副包括第一阶梯轴、第一轴承、第一轴承座、第一端盖和第二伺服电机，所述第一转动副设置在所述电动推杆的伸缩杆末端，所述第一转动副的轴线垂直于所述左侧90°扇形板，所述第二转动副包括第二阶梯轴、第二轴承、第二轴承座、第二端盖和第三伺服电机，所述第二转动副设置在所述第一转动副的末端，所述第二转动副的轴线与所述第一转动副的轴线垂直而且相交，所述3D数字相机设置在所述位姿调节分支的末端，所述3D数字相机的光轴与所述第二转动副的轴线垂直而且相交；三组所述线扫描相机和六组所述激光光源设置在所述右侧90°扇形板的右端面，三组所述线扫描相机的光轴之间的夹角为30°，所述线扫描相机的视场角范围为30至45°，位于两侧的线扫描相机光轴与水平线、竖直线的夹角均为15°，每个线扫描相机的两侧设置有两组相同的激光光源，所述激光光源的中心线与所述线扫描相机的光轴之间的夹角为7.5°，所述激光光源的发散角为15至20°。...

【技术特征摘要】
1.一种用于公路隧道检测的立体扫描机器人，其特征在于，包括线扫描相机、激光光源、位姿调节分支、3D数字相机、激光三维扫描仪和安装平台，所述安装平台包括基础平台、定位桁架、左侧90°扇形板和右侧90°扇形板，所述左侧90°扇形板与所述右侧90°扇形板具有相同的结构和尺寸，所述定位桁架的下端面与所述基础平台固定连接，所述定位桁架的上端面与所述激光三维扫描仪固定连接，所述左侧90°扇形板与所述右侧90°扇形板分别固定设置在所述定位桁架相对的左右两侧；六组所述位姿调节分支设置在所述左侧90°扇形板的左端面，六组所述位姿调节分支具有相同的结构，六组所述位姿调节分支的六组电动推杆的中心线之间的夹角为15°，位于两侧的电动推杆的中心线与水平线、竖直线的夹角均为7.5°，所述位姿调节分支结构包括移动副、第一转动副和第二转动副，所述移动副由电动推杆实现，其固定部分连接于所述左侧90°扇形板，所述电动推杆包括第一伺服电机，所述第一转动副包括第一阶梯轴、第一轴承、第一轴承座、第一端盖和第二伺服电机，所述第一转动副设置在所述电动推杆的伸缩杆末端，所述第一转动副的轴线垂直于所述左侧90°扇形板，所述第二转动副包括第二阶梯轴、第二轴承、第二轴承座、第二端盖和第三伺服电机，所述第二转动副设置在所述第一转动副的末端，所述第二转动副的轴线与所述第一转动副的轴线垂直而且相交，所述3D数字相机设置在所述位姿调节分支的末端，所述3D数字相机的光轴与所述第二转动副的轴线垂直而且相交；三组所述线扫描相机和六组所述激光光源设置在所述右侧90°扇形板的右端面，三组所述线扫描相机的光轴之间的夹角为30°，所述线扫描相机的视场角范围为30至45°，位于两侧的线扫描相机光轴与水平线、竖直线的夹角均为15°，每个线扫描相机的两侧设置有两组相同的激光光源，所述激光光源的中心线与所述线扫描相机的光轴之间的夹角为7.5°，所述激光光源的发散角为15至20°。2.根据权利要求1所述的用于公路隧道检测的立体扫描机器人，其特征在于，六组所述电动推杆的中心线位于同一个平面，六组所述电动推杆的中心线相交于所述左侧90°扇形板的圆心；三组所述线扫描相机的光轴与六组所述激光光源的中心线位于同一个平面，三组所述线扫描相机的光轴与六组所述激光光源的中心线相交于所述右侧90°扇形板的圆心。3.根据权利要求1所述的用于公路隧道检测的立体扫描机器人，其特征在于，所述定位桁架为一个正方体框架结构，所述基础平台的形状为圆形，所述定位桁架设置在所述基础平台的中间位置。4.根据权利要求3所述的用于公路隧道检测的立体扫描机器人，其特征在于，所述基础平台的构成材料包括碳钢，所述基础平台的直径是所述定位桁架的边长的1.5倍；所述定位桁架的构成材料包括铝合金，所述定位桁架的正方体边长不小于1m；所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板的构成材料包括镁铝合金，所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板的半径与所述定位桁架的边长相等。5.根据权利要求3所述的用于公路隧道检测的立体扫描机器人，其特征在于，所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板相互对应的位置设置有减重孔，所述左侧90°扇形板和所述右侧90°扇形板的半径...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓，段英杰，薛春明，刘博，周立军，李洋，孙贝，
申请(专利权)人：山西省交通科学研究院，
类型：发明
国别省市：山西,14