CN105780631A - 一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置，其特征是：包括检测小车、设置在检测小车上的供电模块和分别与供电模块相连的图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块，图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块顺序相连。该装置能有效地提取水泥混凝土路面接缝图像，并且计算出接缝的错台量，实现了两者的相结合。另外，该装置降低了检测成本，能有效地排除人的主观干扰因素，使测量结果更加准确可靠。

Description

一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体涉及一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置。

背景技术

公路路面的好坏，直接影响到公路运输效益和行车安全。与沥青路面相比，水泥混凝土路面的最大缺点之一就是在面板上设有接缝，接缝的存在不但增加了施工和养护的困难，而且降低了路面在该处的传荷能力，也影响到行车的舒适性。接缝是混凝土板中的一条缝隙，常用低弹性的填缝料填塞，这样就使整个路面承受荷载过程中，在该处不连续，并容易首先破损，尤其是当接缝的传荷能力及防水能力丧失时，就会导致接缝的破损，以致产生严重的病害，如混凝土板挤碎、拱起、错台和唧泥等。根据国内外研究表明，绝大部分水泥混凝土路面的损坏直接或间接与接缝有关。而这些接缝又必须存在，主要是为了减少水泥混凝土面板伸缩变形受到约束时产生的内力，防止板因温度差而引起的拱胀、翘曲、开裂及其受温度均匀下降而发生的断板现象。

目前水泥混凝土路面接缝的损坏检测主要依靠人工，费时费力，主观性大，而且不安全。其中国内针对错台的检测主要是通过人工利用直尺或者游标卡尺实现，这种测量方法同样具有以上缺点，有的地区采用激光断面仪或超声波断面仪实现对错台的测量，断面仪需要多个距离传感器，价格昂贵。同样，专利CN101845788A发明了基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台的检测装置，其所采用的激光器阵列成本高，限制了其发展，不适于大范围推广使用。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明提供了一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置，该装置能有效地提取水泥混凝土路面接缝图像，并且计算出接缝的错台量，实现了两者的相结合。另外，该装置降低了检测成本，能有效地排除人的主观干扰因素，使测量结果更加准确可靠。

实现本发明目的的技术方案是：

一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置，包括检测小车、设置在检测小车上的供电模块和分别与供电模块相连的图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块，图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块顺序相连。

所述：

检测小车，作为其它各模块的载体和支撑，包括车体、前车轮、后车轮、散热风扇模块、推杆和伸缩臂。所述散热风扇的作用是降低车体内部的温度，保证计算机和其它各模块的正常工作；所述伸缩臂，当进行测量时伸出车体外部，并通过紧固装置固定，末端与线阵CCD相机相连的部分包含高度调节机构，用于调整相机与所测接缝之间的距离；所述伸缩臂上设有用于穿引钢丝绳的引导孔，使检测小车能够沿直线行进，保证接缝图像的真实性和检测结果的准确性。

供电模块，用于向系统中其它各个模块输出稳定电源。

图像获取模块，包括编码器、图像采集卡和安装在伸缩臂上的线阵CCD相机和LED线光源。所述编码器安装于检测车的车轮外侧，其出发信号线与图像采集卡的外触发接口相连，实时采集传送带速度脉冲信号，使线阵相机能够实时调整采集频率保证图像的真实性；图像采集卡与计算机相连传送其采集的图像；所述线阵CCD相机与LED线光源位于同一水平面内并成一定夹角，保证两者视角的重合；所述线阵CCD相机的视场宽度大于接缝的宽度，所述线光源的照明宽度略大于线阵CCD相机的视场宽度。

图像处理模块，该模块进行接缝图像处理的过程包括滤波——减弱接缝图像噪声的影响；图像分割——将裂缝信息从接缝图像中分离出来；图像形态学操作——进一步对图像进行处理，排除非裂缝信息；

裂缝特征提取模块，用于从分割图像上获取裂缝的几何特征，如裂缝的长度、宽度和面积，进而对接缝损坏进行类型识别；

裂缝信息存储模块，对采集和分析后的裂缝信息进行存储，方便后续分析和留档。

其中，由于LED线光源不与接缝平行，会造成所拍摄接缝图片照度不均匀的现象，本发明采用直方图均衡化的方法对图片进行修正，消除照度影响。

所述图像处理模块和裂缝特征提取模块设置了多种算法，实现对所得图像的预处理和特征值的提取，是整个装置的计算中枢。

所述裂缝信息存储模块是在分析所得信息的基础上，形成初步的结论，对损伤情况进行分析和存储。

因此，使用本发明对水泥混凝土路面接缝进行检测的效果体现在：

(1)采用手推式检测小车对接缝进行检测，使获取的接缝图像更加真实可靠，大大提高了接缝检测的准确性。

(2)本发明利用结构光三角测距法能同时获取接缝错台量，进而分析接缝的损坏程度，避免了通过人工利用直尺或者游标卡尺进行错台量测量时产生的失误，使测量结果更加准确，并且提高了工作效率。

(3)将图像获取机构置于检测小车的伸缩臂上，而非小车的底部，从而避免了因接缝错台存在而使小车倾斜的现象，计算结果更能准确反映接缝实际情况。

(4)操作方便。只需要人工控制检测车沿接缝进行检测，而后通过计算机确定要检测的接缝，便可得到接缝相关信息。

(5)利用结构光测量的三角测量原理，而非矩阵方法，简化了计算过程，提高了工作效率。

(6)成本低廉。现阶段所使用的激光器阵列成本高昂，限制了其推广使用。相比而言，本发明造价低，同样检测效果好，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明正视图。

图2为本发明左视图。

图3为本发明图像采集侧视示意图。

图4为本发明裂缝检测算法的流程图。

图5为本发明结构光在水泥板上的光条测点示意图。

图6为本发明结构光三角测量接缝错台量的原理图。

附图标记说明如下：

1-车体，2-计算机，3-前车轮，4-供电模块，5-后车轮，6-散热风扇模块，7-电路板，8-推杆，9-显示屏，10-伸缩臂，11-线阵CCD相机，12-锁紧机构，13-钢丝绳引导孔，14-编码器，15-LED线光源，16-路面，17-存在错台的接缝，18-水泥板，19-水泥板，20-结构光光条，21-第一测点，22-第二测点，23-第三测点，24-第四测点，25-透镜，26-光敏检测元件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详述。

参照图1-2，一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置，包括检测小车、设置在检测小车上的供电模块和分别与供电模块相连的图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块，图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块顺序相连。

检测小车，作为其它各模块的载体和支撑，包括车体1、前车轮3、后车轮5、散热风扇模块6、推杆8和伸缩臂10。所述散热风扇6的作用是降低车体1内部的温度，保证计算机和其它各模块的正常工作；所述伸缩臂10，当进行测量时伸出车体1外部，并通过紧固装置固定，末端与线阵CCD相机11相连的部分包含高度调节机构及锁紧机构12，用于调整相机11与所测接缝之间的距离；所述伸缩臂10上设有用于穿引钢丝绳的引导孔13，使检测小车能够沿直线行进，保证接缝图像的真实性和检测结果的准确性；所述用于引导检测小车沿直线行进的钢丝绳可用钉桩或配重块拉直，并与接缝17平行，以便获取更加真实准确的接缝图像。

在该装置工作过程中，供电模块4向系统其它模块所使用的设备供电，可保证系统中其它各个模块的正常工作。

图像获取模块，包括线阵CCD相机11、编码器14和LED线光源15。所述编码器14的壳体安装、固定在检测小车车轮外侧，编码器14的旋转轴与车轮连接，与车轮保持相同的角速度，并实时采集脉冲信号，使线阵CCD相机11能够实时调整采集频率保证图像的真实性；如图3所示，所述LED线光源15和线阵CCD相机11处于同一水平面内，LED线光源15与路面成一定夹角，以保证其照射范围与线阵CCD相机11的视场重合，并略宽于线阵CCD相机11的视场。

其中，由于LED线光源15与路面形成一定夹角，导致拍摄图片照度不均匀。为了清晰地还原真实场景，需要对图片进行修正，消除照度影响。本发明采用直方图均匀化方法来消除照度影响，具体实施步骤如下：

灰度直方图的横坐标代表灰度级，纵坐标代表该灰度级出现的频度，它是图像最基本的统计特征。根据定义，在离散形式下，用r_k表示离散灰度级，用p_r(r_k)表示p_r(r)，则有下式成立：

$p_r\left(r_k\right)=\frac{n_k}{n},0\≤r_k\≤1,k=\mathrm{0,1},\·\·\·,l-1$

式中：n_k为图像中出现r_k级灰度的像素数，n是图像像素总数，n_k/n即为频数。

直方图均衡化处理是以累积分布函数变换法为基础的直方图修正法。假定变换函数为：

$s=T\left(r\right)={\∫}_0^r{p}_r\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}$

当灰度级是离散值时，可用频数近似代替概率值，即

$p_r\left(r_k\right)=\frac{n_k}{n},0\≤r_k\≤1,k=\mathrm{0,1},\·\·\·,l-1$

式中：l是灰度级的总数目，p_r(r_k)是取第k级灰度值的概率，n_k是图像中出现第k级灰度的次数，n是图像中像素总数。

图像处理模块，包括滤波、图像分割和图像形态学操作三个步骤，如图4所示：

滤波处理，目的是减弱裂缝图像噪声的影响。接缝图像通常会受到很多噪声干扰，包括成像系统引起的渐变噪声，光照条件不均匀和不规则物体的影响等。噪声的干扰在很大程度上降低了图像的质量，给图像的检测和识别带来很多困难，所以在对图像进行分割之前，需要做平滑处理以减弱噪声的影响。

优选地，本实施例采用中值滤波方法对裂缝图像进行滤波处理，中值滤波能较好地保留图像边缘，图像轮廓比较清晰，可以得到比较好的平滑效果。

中值滤波的原理是用一个窗口，窗口大小为3x3,5x5,7x7，…，在图像上滑动，把窗口中像素的灰度值按升或降的顺序排列，取排列在正中间的灰度值作为窗口中心所在像素的灰度值。中值滤波是一种典型的非线性滤波器，通常选用的窗口有线形、方形、十字形和圆形等。

优选地，本实施例中选取5x5的十字形窗口对图像进行中值滤波处理。

图像分割，目的是将裂缝信息从接缝图像中分离出来。一般图像由背景和目标物体组成，根据他们对光线的反射能力不同，其中裂缝较背景暗，因此可以选择一个灰度阈值将物体区域分割开来。

优选地，本实施例选择全局阈值法Kittler二值化方法对图像进行二值化处理。

图像形态学操作，需要选取合适的结构元素，结构元素不能太小，太小达不到形态学操作的目的，也不能太大，太大会导致操作后的裂缝出现断开或者较大程度改变裂缝形态。

经过图像形态学操作后，还存在一些无法去除的较大的孤立区域。本实施例中，提出在形态学操作后根据经验设定孤立区域面积大小(区域像素数)的阈值T₁。再根据裂缝区域一般具有长与宽的比值(长宽比)比较大的特点设定区域长宽比阈值T₂。如果二值化后的裂缝图像中区域面积小于T₁或者长宽比小于T₂，则认为这些区域是噪声区域，然后去除这样的区域。

裂缝特征提取模块，该模块旨在提取出裂缝的长度、宽度和面积三种几何特征，这三种裂缝的信息很大意义上描述了裂缝的损坏程度。根据这三种裂缝几何特征，对接缝的损坏程度进行分类。

接缝错台量的测量，本发明采用结构光三角测量法。如图5和图6所示，测量过程中，由LED线光源15向路面投射一结构光光条20，其漫反射光经接受透镜25形成光斑成像在光电检测器件上。当被测物体表面位置高度发生变化时，就会引起光敏元件26上面成像光斑的移动，产生位移，从而我们从光电检测元件26的处理控制电路上面得到感光面上光斑位移变化信息，这样我们就可以测出物体表面位置的变化量。

对线阵CCD相机11采集图像中的结构光光条进行细化，提取接缝17右侧的水泥板19上的第一测点21到第二测点22和接缝17左侧的水泥板18上的第三测点23到第四测点24之间的细化后的结构光光条20，利用结构光三角测量原理计算接缝的错台量。

其中，第二测点22是水泥板19上的结构光光条20与接缝17的交点；第一测点21是在水泥板19上选取的结构光测点，它与第二测点22的距离为50mm；第三测点23是水泥板18上的结构光光条20与接缝17的交点；第四测点24是在水泥板18上选取的结构光测点，它与第三测点23的距离为50mm。

如图5所示，O代表线阵CCD相机11的光心，PQ为通过光心O且垂直于路面的基线，PQ位于接缝17的中间，设接缝的宽度为d，则有第一测点21和第二测点22之间的距离第三测点23和第四二测点24之间的距离光心O到水泥板18之间的垂直距离为h1，光心O到水泥板19之间的垂直距离为h2；光心O到光敏检测元件26之间的距离为h；第一测点21通过透镜25在光敏检测元件26上形成的光斑距Q点距离第四测点24通过透镜25在光敏检测元件26上形成的光斑距Q点距离

根据三角形相似关系，可得三角形AOP和三角形NOQ相似，则有

$\frac{a+d/2}{X2}=\frac{h1}{h}$

由此可求得

$h1=\frac{a+d/2}{X2}\·h$

根据三角形相似关系，可得三角形FOC和三角形MOQ相似，则有

$\frac{a+d/2}{X1}=\frac{h2}{h}$

由此可求得

$h2=\frac{a+d/2}{X1}\·h$

根据以上关系，可得接缝错台量

$S=h2-h1=\frac{X2-X1}{X1X2}-(a+d/2)h$

所述裂缝信息存储模块是在分析所得信息的基础上，形成初步的结论，对接缝损伤情况和接缝错台量进行分析和存储。

Claims (6)

1.一种手推式水泥混凝土路面接缝损坏检测装置，其特征是：包括检测小车、设置在检测小车上的供电模块和分别与供电模块相连的图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块，图像获取模块、图像处理模块、裂缝特征提取模块和裂缝信息存储模块顺序相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述检测小车包括车体、前车轮、后车轮、散热风扇模块、推杆和伸缩臂。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述图像获取模块包括编码器、图像采集卡和安装在伸缩臂上的线阵CCD相机和LED线光源，编码器安装于检测车的车轮外侧，其出发信号线与图像采集卡的外触发接口相连，实时采集传送带速度脉冲信号，使线阵相机能够实时调整采集频率保证图像的真实性；图像采集卡与计算机相连传送其采集的图像；线阵CCD相机与LED线光源位于同一水平面内并成一定夹角，保证两者视角的重合。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是：线阵CCD相机的视场宽度大于接缝的宽度。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征是：线光源的照明宽度略大于线阵CCD相机的视场宽度。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述图像处理模块进行接缝图像处理的过程包括滤波——减弱接缝图像噪声的影响；图像分割——将裂缝信息从接缝图像中分离出来；图像形态学操作——进一步对图像进行处理，排除非裂缝信息。