CN104913740A - 一种管道内壁形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道内壁形貌测量装置。管道内壁形貌测量装置由全向点结构光传感器、旋转机构和轴向移动机构组成；全向点结构光传感器原理是将点结构光投射器3以摄像机4光轴为中心轴，均匀分布在曲面镜1和摄像机4之间，点结构光投射器3数量为3～12个，组成环形点结构光投射器投射光平面垂直于摄像机光轴，将环形点结构光投射器向被测管道内壁2投射结构光，经曲面镜1反射进入摄像机4，形成环形结构光点阵，按固定角度旋转环形点结构光投射器，角度范围为0.1°～3°，直至完全采集被测管道内壁2横向360°图像信息。本发明采用环形点阵按固定角度和步长投射环形点结构光，采集被测管道内壁图像细节，提高管道内表面测量精度。

Description

一种管道内壁形貌测量装置

技术领域

本发明应用结构光视觉三维测量技术对管道内表面进行测量，属于受限空间内三维形貌测量技术领域，涉及一种管道内壁形貌测量装置。

背景技术

随着数字图像处理技术、光电测试技术和计算机视觉技术的不断发展，基于计算机视觉的三维测量技术得到广泛应用，该技术能够通过视觉检测系统对被测物体三维空间信息进行感知映射到二维成像空间，以此恢复被测物体真实三维形貌。

目前，计算机视觉三维测量技术主要有立体视觉、从阴影恢复形状、激光扫描和结构光视觉测量等，而结构光测量作为最具吸引力的三维测量技术，成为解决物体形貌测量、空间位置测量、三维场景感知、三维运动信息获取等诸多领域在线测量的有效途径。由于管道内壁空间局限性，以及表面形状复杂等特点，现有的结构光技术投射光条在有限空间相互干扰，复杂内表面的强反光，导致管道内表面的三维测量难度增加，迫切需要研制新的测量方法及测量传感器，否则，一旦管道内部发生破裂极易造成设备损坏，甚至人员伤亡。研究快速、有效、方便的深孔磨损检测以及内壁形貌测量装置对机械生产、检修工艺和重大装备维护和有效作业具有重要意义。

发明内容

本发明针对管道内壁形貌测量装置，其特征在于，

1、管道内壁形貌测量装置由全向点结构光传感器、旋转机构和轴向移动机构组成；

2、所说的全向点结构光传感器由曲面镜1、点结构光投射器3和摄像机4组成，其中曲面镜1倒立放置在摄像机4的正前方，点结构光投射器3均匀分布在曲面镜1和摄像机4之间向被测管道内壁2投射结构光，形成环形结构光点阵，环形结构光点阵经过曲面镜1反射后被摄像机4接收；

3、所说的轴向移动机构由滑动轨5和电机6组成，滑动轨5与摄像机光轴重合，滑动轨5一端固定在全向点结构光传感器底部中心处，另一端固定在电机上，电机驱动全向点结构光传感器按固定步长移动，步长范围为0.5mm～5mm；

4、所说的旋转机构由旋转轴7和电机6组成，旋转轴7用于带动全向点结构光传感器以固定角度旋转环形点结构光投射器，电机驱动全向点结构光传感器按固定角度旋转旋转轴，角度范围为0.1°～3°；

5、全向点结构光传感器的原理是将点结构光投射器3以摄像机4光轴为中心轴，均匀分布在曲面镜1和摄像机4之间，点结构光投射器3的数量为3～12个，组成的环形点结构光投射器投射光平面垂直于摄像机光轴，将环形点结构光投射器向被测管道内壁2投射结构光，经曲面镜1反射进入摄像机4，形成环形结构光点阵，按固定角度旋转环形点结构光投射器，角度范围为0.1°～3°，直至完全采集被测管道内壁2横向360°图像信息；

6、轴向移动机构带动全向点结构光传感器按固定定步长移动，步长范围为0.5mm～5mm，每移动到一个位置时，旋转机构带动全向点结构光传感器以固定角度旋转环形点结构光投射器，角度范围为0.1°～3°，获取横向360°图像信息，直至完全获得整个管道内壁2图像信息；

7、管道内壁形貌恢复的具体步骤如下：

步骤一，根据2中传感器结构设计，安装全向点结构光传感器；

步骤二，依据5中所述的全向点结构光传感器原理，对管道内壁形貌图像进行采集；

步骤三，根据步骤二中采集的管道内壁中环形点阵图像，提取环形点阵图像中每一个光点的图像坐标，然后根据全向点结构光传感器结构模型，计算环形点阵中光点的测量三维坐标，即被测管道内壁的表面三维数据，从而恢复被测管道内壁的三维形貌。

管道内壁形貌测量装置的优点在于：

一、采用曲面镜反射成像，扩大了摄像机视场范围，与结构光视觉测量技术相结合，实现管道内壁视觉三维感知测量；

二、将点结构光投射器组成环形点阵，按一定步长和距离调整环形点结构光投射器，完全采集被测管道内壁图像信息，提高了管道内表面测量精度；

三、传感器结构设计简单，实用性强，克服了传统管道内表面三维形貌检测的失真以及维修现状的不足，精准恢复管道内表面三维信息。

附图说明

通过下述结合附图的详细描述，本发明的目的、特征以及优点将更加清晰。其中，

图1是示出本发明全向点结构光传感器原理图。

图2是环形点阵激光投射排列示意图。

图3是示出本发明管道内壁形貌测量装置示意图。

示意图中标号说明：

1、曲面镜 2、被测管道内壁 3、点结构光投射器 4、摄像机5、滑动轨6、电机 7、旋转轴 8、摄像机安装底座 A、曲面镜顶点 N_r、曲面镜映射光斑处法线 l、摄像机光心与被测内壁水平方向距离 θ、FOV视角(视场角) m、激光投射器中心与摄像机光心垂直方向上距离 O、摄像机光心 d、摄像机CCD尺寸 f、摄像机焦距 h、摄像机光心与曲面镜顶点垂直方向距离 α、曲面镜曲面法线在垂直方向上的夹角 BC、曲面镜底部圆直径

具体实施方式

下面将更加详细的描述本发明的优选实施方式，其示例在附图中图示。

本发明全向点结构光传感器原理如图1所示，它由曲面镜1、点结构光投射器3和摄像机4组成，多个点结构光投射器投射出结构光，在管道内壁形成环形光斑，光斑经过曲面镜反射之后进入摄像机。

如图2所示10个点结构光投射器以摄像机4光轴为中心，按一定角度均匀分布在曲面镜1和摄像机4之间，组成环形点结构光投射器。

如图3所示，管道内壁形貌测量装置由全向点结构光传感器、旋转机构和轴向移动机构组成。

参照图1，选取任意一个激光投射器为例，对管道内壁形貌装置中曲面镜、点结构光投射器和摄像机的相对位置及摄像机焦距的选取进行说明，将曲面镜1倒立放置在摄像机4的正前方，曲面镜1圆轴与摄像机4光轴重合，以摄像机4光心为原点O建立坐标系，已知摄像机4光心O与曲面镜1顶点A垂直距离h，曲面镜1底部圆直径为BC，摄像机4CCD尺寸为d，由此得到摄像机4焦距f为，

$f=\frac{d\×h}{\left|\mathrm{BC}\right|}---\left[1\right]$

摄像机4视场角θ可以通过摄像机4焦距f和摄像机4CCD尺寸d计算得到，

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{d}{2f}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{1}{2h}\right|\mathrm{BC}\left|\right)---\left[2\right]$

为了保证点结构光投射器3投射光斑在摄像机4视场范围内，根据曲面镜1法线垂直方向角度α，摄像机4光心O与被测管道内壁2水平方向距离l以及摄像机4视场角θ范围，得到点结构光投射器3在垂直方向上与摄像机4光心O的距离m的取值范围，

h>m>h-(l-h·tanθ)·cotα   [3]

由此获得点结构光投射器3在垂直方向上与摄像机4光心O的距离的最佳取值m_best，

$m_{\mathrm{best}}=\frac{1}{2}(2h-(l-h\·\tan \mathrm{\θ})\·\cot \mathrm{\α})---\left[4\right]$

管道内壁形貌测量装置按照全向点结构光传感器原理进行搭建和选取摄像机，然后对管道内壁图像进行采集，具体步骤如下：

步骤一、将若干点结构光投射器以摄像机光轴为中心均匀排列在曲面镜与摄像机之间固紧，组成的环形点结构光投射器投射光平面垂直于摄像机光轴，能够以摄像机光轴为中心旋转，点结构光投射器的数量为3～12个，根据全向点结构光传感器原理，调整曲面镜、点结构光投射器和摄像机的相对位置，按照焦距选取合适摄像机，保证环形结构光点阵投射到摄像机视场范围，调整完成后将曲面镜、点结构光投射器和摄像机固紧；

步骤二、打开点结构光投射器，将环形点结构光投射器向被测管道内壁投射结构光，经曲面镜反射进入摄像机，形成环形结构光点阵，然后轴向移动机构带动全向点结构光传感器按固定定步长移动，步长范围为0.5mm～5mm，每移动到一个位置时，旋转机构带动全向点结构光传感器以固定角度旋转环形点结构光投射器，角度范围为0.1°～3°，获取横向360°图像信息，直至完全获得整个管道内壁图像信息；

步骤三、根据步骤二中采集的管道内壁中环形点阵图像，提取环形点阵图像中每一个光点的图像坐标，然后根据全向点结构光传感器结构模型，计算环形点阵中光点的测量三维坐标，即被测管道内壁的表面三维数据，从而恢复被测管道内壁的三维形貌。

实施例

已知摄像机光心与曲面镜顶点垂直距离h＝100mm，曲面镜底部圆直径为BC＝80mm，摄像机CCD尺寸为d＝5.32mm，摄像机光心与被测内壁水平方向距离l＝65mm，曲面镜光斑处法线在垂直方向上夹角α＝30°，计算得到，

$f=\frac{d\×h}{\left|\mathrm{BC}\right|}=\frac{5.32\×100}{80}=6.65\mathrm{mm}$

m∈[h-(l-h·tanθ)·cotα h]＝[57 100]

$m_{\mathrm{best}}=\frac{1}{2}(2h-(l-h\·\tan \mathrm{\θ})\·\cot \mathrm{\α})=78.5\mathrm{mm}$

以上所述，仅为本发明的实施例，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (1)

1.本发明针对管道内壁形貌测量装置，其特征在于，

1.1、管道内壁形貌测量装置由全向点结构光传感器、旋转机构和轴向移动机构组成；

1.2、所说的全向点结构光传感器由曲面镜[1]、点结构光投射器[3]和摄像机[4]组成，其中曲面镜[1]倒立放置在摄像机[4]的正前方，点结构光投射器[3]均匀分布在曲面镜[1]和摄像机[4]之间向被测管道内壁[2]投射结构光，形成环形结构光点阵，环形结构光点阵经过曲面镜[1]反射后被摄像机[4]接收；

1.3、所说的轴向移动机构由滑动轨[5]和电机[6]组成，滑动轨[5]与摄像机光轴重合，滑动轨[5]一端固定在全向点结构光传感器底部中心处，另一端固定在电机上，电机驱动全向点结构光传感器按固定步长移动，步长范围为0.5mm～5mm；

1.4、所说的旋转机构由旋转轴[7]和电机[6]组成，旋转轴[7]用于带动全向点结构光传感器以固定角度旋转环形点结构光投射器，电机驱动全向点结构光传感器按固定角度旋转旋转轴，角度范围为0.1°～3°；

1.5、全向点结构光传感器的原理是将点结构光投射器[3]以摄像机[4]光轴为中心轴，均匀分布在曲面镜[1]和摄像机[4]之间，点结构光投射器[3]的数量为3～12个，组成的环形点结构光投射器投射光平面垂直于摄像机光轴，将环形点结构光投射器向被测管道内壁[2]投射结构光，经曲面镜[1]反射进入摄像机[4]，形成环形结构光点阵，按固定角度旋转环形点结构光投射器，角度范围为0.1°～3°，直至完全采集被测管道内壁[2]横向360°图像信息；

1.6、轴向移动机构带动全向点结构光传感器按固定定步长移动，步长范围为0.5mm～5mm，每移动到一个位置时，旋转机构带动全向点结构光传感器以固定角度旋转环形点结构光投射器，角度范围为0.1°～3°，获取横向360°图像信息，直至完全获得整个管道内壁[2]图像信息；

1.7、管道内壁形貌恢复的具体步骤如下：

步骤一，根据1.2中传感器结构设计，安装全向点结构光传感器；

步骤二，依据1.5中所述的全向点结构光传感器原理，对管道内壁形貌图像进行采集；

步骤三，根据步骤二中采集的管道内壁中环形点阵图像，提取环形点阵图像中每一个光点的图像坐标，然后根据全向点结构光传感器结构模型，计算环形点阵中光点的测量三维坐标，即被测管道内壁的表面三维数据，从而恢复被测管道内壁的三维形貌。