CN107747910A - 一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统及方法 - Google Patents

一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统及方法。包括设置在隧道岩壁上的标志点、照射到隧道岩壁上的可见光灯和标志点坐标测量装置，标志点坐标测量装置中，安装板安装在能沿水平旋转和竖直俯仰运动的云台顶端，工业相机和激光位移传感器固定在安装板上，工业相机的探头轴线方向和激光位移传感器的激光发射方向相垂直，并且在工业相机的探头轴线和激光位移传感器的激光发射相交处固定放置窄带滤光镜，窄带滤光镜固定在安装板上，窄带滤光镜在远离工业相机的一侧布置有遮光板。本发明结构简单，应用灵活，可自动完成隧道标志点坐标测量，实现隧道轮廓的自动、非接触监测。

Description

一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统及方法
技术领域
本发明涉及自动激光测量技术领域，尤其涉及了一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统及方法。
背景技术
随着现代社会的进步与发展，隧道建设的需求越来越大。在隧道施工过程中，洞体受到周围岩体作用力发生变形，隧道的变形是影响施工安全的主要因素，过大的隧道变形会造成隧道塌方、人员伤亡、设备损坏等事故，若能在隧道变形较大时发出预警，将能减少损失甚至防止事故发生，因此对隧道轮廓的变形情况进行监测变得尤为重要。目前隧道轮廓的监测方法主要分为接触式测量和非接触式测量。
接触式测量主要有收敛仪、倾斜仪、巴塞特收敛系统等，接触式的方法虽然测量精度较高，但是耗费较多的人力和物力，并且对安装空间的要求较高，操作不便。目前广泛采用的非接触式测量有全站仪和三维激光扫描仪，然而由于隧道内部环境及施工条件的限制，它们并不能很好的完成监测任务。例如使用全站仪时需要配合使用特定的靶标，靶标安装不便、耗时；在岩土松软地段需要安装钢筋网支护、施工过程中灰尘较重、岩壁渗水、机器的振动等对全站仪和三维激光扫描仪的干扰较大。
综上所述，现有的隧道轮廓监测技术并不成熟，使用不够灵活，适应性差，容易受到施工条件的限制，不能满足隧道轮廓监测需求，因此需要一种新型的隧道轮廓监测系统。
发明内容
本发明克服了现有的一些隧道轮廓监测方法的不足，提出了一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统及方法。
本发明采用的技术方案是：
一、一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统：
系统包括设置在隧道岩壁上的标志点、照射到隧道岩壁上的可见光灯和标志点坐标测量装置，标志点坐标测量装置包括相机安装台、工业相机、窄带滤光镜、激光位移传感器、遮光板、安装板和云台；安装板安装在能沿水平旋转和竖直俯仰运动的云台顶端，工业相机和激光位移传感器固定在安装板上，工业相机的探头轴线方向和激光位移传感器的激光发射方向相垂直，并且在工业相机的探头轴线和激光位移传感器的激光发射相交处固定放置窄带滤光镜，窄带滤光镜固定在安装板上，窄带滤光镜在远离工业相机的一侧布置有遮光板。
所述的激光位移传感器发出激光光束，透过窄带滤光镜后照射到隧道岩壁发生漫反射，然后一部分透过窄带滤光镜回到激光位移传感器的探头被接收，另一部分经窄带滤光镜反射后被工业相机接收；所述的可见光灯发出可见光束，照射到隧道岩壁上发生漫反射，然后经窄带滤光镜反射后被工业相机接收。
所述的窄带滤光镜均与工业相机的光轴和激光位移传感器的光轴呈45度夹角，并且通过相机安装台调节工业相机的位姿使得工业相机的等效光轴与激光位移传感器发射的激光束轴线重合，工业相机的等效光轴为工业相机的光轴沿窄带滤光镜对称后的轴。即使得窄带滤光镜平面垂直于由工业相机的光轴和激光位移传感器的激光束轴线构成的平面，使得所述的激光光束、可见光束均与窄带滤光镜平面成45度角。
所述的标志点为在隧道的岩壁上涂抹的荧光点，采用荧光涂料制作。
还包括所述的图像处理系统和目标瞄准测量系统，图像处理系统对工业相机所捕获的图像进行颜色矫正和图像中目标区域形心的提取，目标瞄准测量系统驱动云台调节工业相机和激光位移传感器的位姿使得激光位移传感器发射的激光光束对准射到标志点，即使得图像中的标志点位于图像的中心。
所述工业相机的光轴与激光位移传感器的光轴垂直且相交于窄带滤光镜平面。
二、一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量方法：
1)首先在隧道岩壁上涂上标志点，用可见光灯照射到隧道岩壁上；
2)激光位移传感器不工作，然后通过控制云台调节工业相机的位姿，使得工业相机沿俯仰方向和水平方向进行扫描采集图像，使得工业相机获得所有标志点的初步位置；
3)激光位移传感器工作，通过云台调节工业相机的位姿，将激光位移传感器发射的激光光束先移动到标志点附近使得工业相机所采集的图像中包含所述标志点，然后驱动云台调节工业相机的位姿使得图像中的标志点位于图像的中心；
4)由激光位移传感器测量标志点到自身探头之间的距离，根据云台输出俯仰和水平旋转的角度信息，经过坐标变换得到标志点的三维坐标。
所述步骤2)中，工业相机扫描中可见光灯发出的可见光经窄带滤光镜反射到工业相机的探头被接收，从而采集到图像，根据图像采集时刻云台输出的俯仰和水平旋转的角度信息获得所有标志点的初步位置；
所述步骤3)中，激光位移传感器发出激光光束，透过窄带滤光镜后照射到隧道岩壁发生漫反射，漫反射其中一部分经窄带滤光镜反射后被工业相机接收；同时，可见光灯发出可见光束，照射到隧道岩壁上发生漫反射，然后经窄带滤光镜反射后被工业相机接收。
所述步骤4)中，激光位移传感器发出激光光束，透过窄带滤光镜后照射到隧道岩壁发生漫反射，漫反射其中一部分透过窄带滤光镜回到激光位移传感器的探头被接收而测量获得所述距离。
本发明的有益效果是：
本发明实现了自动化、非接触的隧道轮廓监测，结构简单，应用灵活，能根据实际情况选择各零部件，能实时地对隧道轮廓进行监测，能够准确、快速地测量隧道岩壁轮廓表面。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图2为本发明在隧道中的布置实施示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明具体实施包括设置在隧道岩壁上的标志点、照射到隧道岩壁上的可见光灯和标志点坐标测量装置。如图1所示，标志点坐标测量装置包括用于调整工业相机位姿的相机安装台1、用于辅助激光瞄准的工业相机2、用于透过激光反射可见光的窄带滤光镜3、用于测量目标点到测量装置距离的激光位移传感器4、用于吸收部分激光和遮挡环境光的遮光板5、用于连接云台与其他零部件的安装板6、用于带动测量装置水平旋转和竖直俯仰运动的云台7；
安装板6安装在能沿水平旋转和竖直俯仰运动的云台7顶端，工业相机2和激光位移传感器4固定在安装板6上，工业相机2的探头轴线方向和激光位移传感器4的激光发射方向相垂直，并且在工业相机2的探头轴线和激光位移传感器4的激光发射相交处固定放置窄带滤光镜3，窄带滤光镜3固定在安装板6上，窄带滤光镜3在远离工业相机2的一侧布置有遮光板5。
窄带滤光镜3可透过大部分由激光位移传感器4发出的激光，反射大部分的可见光。
激光位移传感器4发出激光光束，透过窄带滤光镜3后照射到隧道岩壁发生漫反射，然后一部分透过窄带滤光镜3回到激光位移传感器4的探头被接收，另一部分经窄带滤光镜3反射后被工业相机2接收；所述的可见光灯发出可见光束，照射到隧道岩壁上发生漫反射，然后经窄带滤光镜3反射后被工业相机2接收。
窄带滤光镜3均与工业相机2的光轴和激光位移传感器4的光轴呈45度夹角，并且通过相机安装台1调节工业相机2的位姿使得工业相机2的等效光轴与激光位移传感器4发射的激光束轴线重合，工业相机2的等效光轴为工业相机2的光轴沿窄带滤光镜3对称后的轴。
标志点为在隧道的岩壁上涂抹的荧光点，采用荧光涂料制作。
激光位移传感器4使用高精度一维激光位移传感器，安装在安装板6上，其能精确地完成测量装置与目标点之间距离的测量，并输出距离信息。
工业相机2通过相机安装台1安装在安装板6上，辅助激光位移传感器4的激光束瞄准目标，窄带滤光镜3安装在安装板6上，其能透过大部分激光并反射大部分可见光，通过调整相机安装台1，使得工业相机2的等效光轴与激光位移传感器4发射的激光束轴线重合。
遮光板5安装在安装板6上，其表面为黑色植绒布，能吸收部分激光并防止环境光从窄带滤光片另一侧透过并被相机接收。
本发明具体实施中还包括所述的图像处理系统和目标瞄准测量系统，图像处理系统对工业相机2所捕获的图像进行颜色矫正和图像中目标区域形心的提取，目标瞄准测量系统驱动云台7调节工业相机2和激光位移传感器4的位姿使得激光位移传感器4发射的激光光束对准射到标志点，即使得图像中的标志点位于图像的中心。
通过相机安装台1调节工业相机2的位姿使得所述工业相机2的光轴与激光位移传感器4的光轴垂直且相交于窄带滤光镜3平面。
云台7采用高精度数字云台，通过计算机控制云台7带动测量装置实现水平方向的旋转和竖直方向的俯仰运动，驱动激光束瞄准目标，并能实时的输出测量装置旋转的角度值。
由于窄带滤光镜3的透射性能随着入射角的变化而发生改变，导致工业相机2采集到的图像在水平方向呈现蓝绿色渐变增加，因此需要图像处理系统对工业相机2捕获的图像的红色通道进行补偿，从而矫正图像的颜色。
图像处理系统在对图像完成去噪处理后，利用基于RGB颜色模型的阈值分割法将目标区域与背景区分，提取出目标区域，并用Canny算子提取出目标边缘，利用图像矩计算出目标点形心在图像中的坐标。
目标瞄准测量系统利用迭代算法进行目标的瞄准，使得图像中的目标区域形心与图像主点重合，由于上述操作保证了工业相机2等效光轴与激光位移传感器4发射的激光束轴线重合，当目标点形心与图像主点重合时，激光束也就瞄准了目标点中心，同时测量目标点与测量装置之间的距离。
如图2所示，本发明的实施工作过程如下：
1)首先在隧道岩壁上涂上标志点，用可见光灯照射到隧道岩壁上；
人工标志点采用荧光涂料直接涂抹在隧道岩壁上，选择可以与岩壁形成较大颜色梯度的荧光漆，在黑暗条件下由可见光灯进行照射，使得在光线较暗时也能与岩壁背景相区分；
2)激光位移传感器4不工作，然后通过控制云台7调节工业相机2的位姿，使得工业相机2沿俯仰方向和水平方向进行扫描采集图像，完成一定范围内隧道断面的扫描，使得工业相机2获得所有标志点的初步位置，记录扫描到的目标区域的大致位置。
其中，工业相机2扫描中可见光灯发出的可见光经窄带滤光镜3反射到工业相机2的探头被接收，从而采集到图像，根据图像采集时刻云台7输出的俯仰和水平旋转的角度信息获得所有标志点初步位置。
3)激光位移传感器4工作，通过云台7调节工业相机2的位姿，将激光位移传感器4发射的激光光束先移动到标志点附近使得工业相机2所采集的图像中包含所述标志点，然后通过目标瞄准测量系统驱动云台7调节工业相机2的位姿使得图像中的标志点位于图像的中心；
激光位移传感器4发出激光光束，透过窄带滤光镜3后照射到隧道岩壁发生漫反射，漫反射其中一部分经窄带滤光镜3反射后被工业相机2接收；同时，可见光灯发出可见光束，照射到隧道岩壁上发生漫反射，然后经窄带滤光镜3反射后被工业相机2接收。
4)由激光位移传感器4测量标志点到自身探头之间的距离(在实际测量中测得的其中5个标志点与激光位移传感器之间的距离分别为3282.2mm，2869.7mm，3419.7mm，2819.8mm，2884.6mm)，根据云台7输出俯仰和水平旋转的角度信息(在实际测量中，激光位移传感器4瞄准上述5个标志点时，云台输出的水平旋转步数分别为-2949，-3466，2482，3344，2837，云台输出的俯仰角步数分别为-346，-422，-454，-513，-1295，其中步距角为0.0125度)，经过坐标变换得到标志点的三维坐标(在实际测量中，求解得到上述五个标志点的三维坐标分别为(1919.2mm，-2548.0mm，1004.0mm)，(1910.0mm，-2014.9mm，943.2mm)，(-1693.5mm，-2829.2mm，1117.6mm)，(-1800.6mm，-2024.4mm，983.5mm)，(-1480.0mm，-2089.8mm，1458.3mm))；
由目标瞄准测量系统控制测量装置对扫描到的标志点初步位置逐个进行瞄准、测量，获取各个目标点的三维坐标。
其中，激光位移传感器4发出激光光束，透过窄带滤光镜3后照射到隧道岩壁发生漫反射，漫反射其中一部分透过窄带滤光镜3回到激光位移传感器4的探头被接收而测量获得所述距离。
5)由所有标志点的三维坐标进行圆柱拟合获得隧道岩壁的曲面尺寸(在实际测量实例中，拟合得到的隧道岩壁曲面半径尺寸为2033.1mm)。
具体实施中，相隔一段时间对相同的目标点再次进行测量，获得目标点的位移情况，即可获得隧道轮廓的变形情况。

Claims (10)

1.一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统，其特征在于：包括设置在隧道岩壁上的标志点、照射到隧道岩壁上的可见光灯和标志点坐标测量装置，标志点坐标测量装置包括相机安装台(1)、工业相机(2)、窄带滤光镜(3)、激光位移传感器(4)、遮光板(5)、安装板(6)和云台(7)；安装板(6)安装在能沿水平旋转和竖直俯仰运动的云台(7)顶端，工业相机(2)和激光位移传感器(4)固定在安装板(6)上，工业相机(2)的探头轴线方向和激光位移传感器(4)的激光发射方向相垂直，并且在工业相机(2)的探头轴线和激光位移传感器(4)的激光发射相交处固定放置窄带滤光镜(3)，窄带滤光镜(3)固定在安装板(6)上，窄带滤光镜(3)在远离工业相机(2)的一侧布置有遮光板(5)。
2.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统，其特征在于：所述的激光位移传感器(4)发出激光光束，透过窄带滤光镜(3)后照射到隧道岩壁发生漫反射，然后一部分透过窄带滤光镜(3)回到激光位移传感器(4)的探头被接收，另一部分经窄带滤光镜(3)反射后被工业相机(2)接收；所述的可见光灯发出可见光束，照射到隧道岩壁上发生漫反射，然后经窄带滤光镜(3)反射后被工业相机(2)接收。
3.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统，其特征在于：所述的窄带滤光镜(3)均与工业相机(2)的光轴和激光位移传感器(4)的光轴呈45度夹角，并且通过相机安装台(1)调节工业相机(2)的位姿使得工业相机(2)的等效光轴与激光位移传感器(4)发射的激光束轴线重合，工业相机(2)的等效光轴为工业相机(2)的光轴沿窄带滤光镜(3)对称后的轴。
4.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统，其特征在于：所述的标志点为在隧道的岩壁上涂抹的荧光点，采用荧光涂料制作。
5.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统，其特征在于：还包括所述的图像处理系统和目标瞄准测量系统，图像处理系统对工业相机(2)所捕获的图像进行颜色矫正和图像中目标区域形心的提取，目标瞄准测量系统驱动云台(7)调节工业相机(2)和激光位移传感器(4)的位姿使得激光位移传感器(4)发射的激光光束对准射到标志点。
6.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量系统，其特征在于：所述工业相机(2)的光轴与激光位移传感器(4)的光轴垂直且相交于窄带滤光镜(3)平面。
7.一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一所述系统，方法在于以下步骤：
1)首先在隧道岩壁上涂上标志点，用可见光灯照射到隧道岩壁上；
2)激光位移传感器(4)不工作，然后通过控制云台(7)调节工业相机(2)的位姿，使得工业相机(2)沿俯仰方向和水平方向进行扫描采集图像，使得工业相机(2)获得所有标志点的初步位置；
3)激光位移传感器(4)工作，通过云台(7)调节工业相机(2)的位姿，将激光位移传感器(4)发射的激光光束先移动到标志点附近使得工业相机(2)所采集的图像中包含所述标志点，然后驱动云台(7)调节工业相机(2)的位姿使得图像中的标志点位于图像的中心；
4)由激光位移传感器(4)测量标志点到自身探头之间的距离，根据云台(7)输出俯仰和水平旋转的角度信息，经过坐标变换得到标志点的三维坐标。
8.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，工业相机(2)扫描中可见光灯发出的可见光经窄带滤光镜(3)反射到工业相机(2)的探头被接收，从而采集到图像，根据图像采集时刻云台(7)输出的俯仰和水平旋转的角度信息获得所有标志点的初步位置。
9.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，激光位移传感器(4)发出激光光束，透过窄带滤光镜(3)后照射到隧道岩壁发生漫反射，漫反射其中一部分经窄带滤光镜(3)反射后被工业相机(2)接收；同时，可见光灯发出可见光束，照射到隧道岩壁上发生漫反射，然后经窄带滤光镜(3)反射后被工业相机(2)接收。
10.根据权利要求1所述的一种视觉引导的隧道标志点坐标激光测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，激光位移传感器(4)发出激光光束，透过窄带滤光镜(3)后照射到隧道岩壁发生漫反射，漫反射其中一部分透过窄带滤光镜(3)回到激光位移传感器(4)的探头被接收而测量获得所述距离。
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