CN109238170A - 隧道扫描系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种隧道扫描系统及方法，该系统包括：安装台，该安装台能够驱动安装在该安装台的扫描设备在垂直于地平面的平面内转动；所述扫描设备，安装于所述安装台上，在所述安装台的驱动下进行转动，并在转动期间以发出射线，测量该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离；以及控制设备，用于控制所述安装台在一预定转动角度范围内转动，所述扫描设备的与该预定转动角度范围对应的扫描范围覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。通过本发明，可通过控制安装台的转动完成隧道的轮廓扫描，不需要移动臂架，不会产生抖动，因此，避免了因抖动而导致扫描结果失真问题。

Description

隧道扫描系统及方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地涉及一种隧道扫描系统及方法。

背景技术

随着我国基础设施建设不断加快，铁路和公路建设对施工要求越来越高。隧道施工越来越多，难度越来越大，风险也随着越来越高。混凝土喷射机作为隧道施工的重要设备，被广泛应用在隧道混凝土搅拌和喷射施工中。传统的喷射机操作是通过遥控器控制完成的，操作要求高，操作手工作强度大，长时间在恶劣的隧道施工环境下工作，有损操作手身心健康，甚至有可能威胁其生命安全。为了解决这些问题，智能化喷射机应运而生。智能化喷射机能自主完成喷射作业，其首要解决的问题是识别隧道轮廓，规划喷射路径。

三维重建技术被用于识别隧道轮廓，其可分为被动式和主动式三维重建技术。被动式一般利用周围环境如自然光的反射，使用相机获取图像，然后通过特定算法计算得到物体的立体空间信息，然而，隧道施工环境差,光线较暗,而且相机的工作距离较小，被动式三维重建技术不适合隧道轮廓识别。主动式是指利用如激光、声波等光源或能量源发射至目标物体，通过接收返回的光波来获取物体的深度信息，非常适合于隧道环境。现有技术均使用三维激光扫描仪重建隧道轮廓，将三维扫描仪安装于臂架的末端，移动臂架进行扫描，通过后续处理得到隧道轮廓。此方法缺点明显，扫描时必须移动臂架，因臂架过长，车体的振动和臂架的抖动均会导致扫描结果失真。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种隧道扫描系统，其可通过控制安装台的转动完成隧道的轮廓扫描，不需要移动臂架，不会产生抖动，因此，避免了因抖动而导致扫描结果失真问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种隧道扫描系统，该系统包括：安装台，该安装台能够驱动安装在该安装台的扫描设备在垂直于地平面的平面内转动；所述扫描设备，安装于所述安装台上，在所述安装台的驱动下进行转动，并在转动期间以发出射线，测量该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离；以及控制设备，用于控制所述安装台在一预定转动角度范围内转动，所述扫描设备的与该预定转动角度范围对应的扫描范围覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。

可选的，所述预定转动角度范围满足：

其中，A为所述预定转动角度范围，H3为所述隧道的高度，H为所述扫描设备距离地面平的高度，L为所述扫描设备与所述隧道的入口之间的距离。

可选的，所述控制设备还用于执行以下操作：根据所述安装台的转动角度、所述扫描设备所测量的该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算所述隧道的扫描面上的各个点在一三维直角坐标系下的坐标；根据所述坐标，生成关于隧道的扫描面上的各个点的点云数据；以及根据所述点云数据，对所述隧道的扫描面进行曲面拟合，以生成关于所述隧道的三维网格图。

可选的，所述安装台及所述扫描设备位于所述隧道外部。

可选的，所述扫描设备所发出的射线覆盖所述隧道的截面宽度。

相应的，本发明实施例还提供一种隧道扫描方法，该方法包括：控制安装有扫描设备的安装台在在垂直于地平面的平面内的一预定转动角度范围内转动，并控制该扫描设备在转动期间以发出射线，测量该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离，所述扫描设备的与该预定转动角度范围对应的扫描范围覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。

可选的，所述预定转动角度满足：

其中，A为所述预定转动角度，H3为所述隧道的高度，H为所述扫描设备距离地面平的高度，L为所述扫描设备与所述隧道的入口之间的距离。

可选的，该方法还包括：根据所述安装台的转动角度、所述扫描设备所测量的该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算所述隧道的扫描面上的各个点在一三维直角坐标系下的坐标；根据所述坐标，生成关于隧道的扫描面上的各个点的点云数据；以及根据所述点云数据，对所述隧道的扫描面进行曲面拟合，以生成关于所述隧道的三维网格图。

可选的，所述安装台及所述扫描设备位于所述隧道外部。

可选的，所述扫描设备所发出的射线覆盖所述隧道的截面宽度。

相应的，本发明实施例还提供一种作业车，该作业车上安装上述隧道扫描系统。

可选的，所述安装台安装在所述作业车驾驶舱顶部位置。

另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述隧道扫描系统内的控制设备所执行的操作。

通过上述技术方案，扫描设备位于安装台上，可在安装台的驱动下进行转动而完成隧道的轮廓扫描，且在扫描期间无需改变扫描设备的位置，不牵涉到臂架，不会产生抖动，因此，避免了因抖动而导致扫描结果失真问题。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的隧道扫描系统的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的隧道扫描系统的结构示意图；

图3为图2所示的隧道扫描系统的工作过程示意图；

图4为隧道三维重建过程的流程图；以及

图5为隧道三维重建结果的示意图。

附图标记说明

10 安装台 20 扫描设备

30 控制设备 40 作业车

100 隧道

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1为本发明一实施例提供的隧道扫描系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供一种隧道扫描系统，该系统包括：安装台10，该安装台10能够驱动安装在该安装台的扫描设备在垂直于地平面的平面(即，隧道高度方向上)内转动；扫描设备20，安装于所述安装台10上，在所述安装台10的驱动下进行转动，并在转动期间发出射线(例如，该扫描设备可以一次性以多个角度呈扇形来发出多条射线，以覆盖隧道截面宽度；或者该扫描设备还可以在所述安装台的驱动下，除了在隧道高度方向上转动之外，还在隧道宽度方向转动，以使其发出的射线能够覆盖隧道截面宽度)，测量该扫描设备20与所述隧道的被扫描点之间的距离；以及控制设备30，用于控制所述安装台10在一预定转动角度范围内转动，所述扫描设备20的与该预定转动角度范围对应的扫描范围能够覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围(即，整个隧道高度范围)。

所述安装台例如可为云台，该云台目前在摄像头领域已存在广泛应用，其可带有承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置，把摄像机装在云台上能使摄像机从多个角度进行摄像。一般而言，云台内装两个电动机，水平及垂直转动的角度大小可通过限位开关进行调整。就本发明而言，所述云台可为一单轴云台或多轴云台，其可驱动所述扫描设备在一个或多个方向上旋转，从而控制设备可通过控制该云台转动而实现所述扫描设备对所述隧道的扫描面的扫描。所述安装台可以隔离作业车体及外界环境对扫描设备的扰动，维持扫描设备平衡，使扫描设备的扫描结果更加平稳。所述安装台可通过金属杆垂直安装于湿喷机车头顶部，安装位置可与该湿喷机车上的臂架在同一条直线上。虽然本文中所采用的是术语安装台，但其他与该安装台具备相似功能的设备均可适用于此，诸如普通转台等等。

所述扫描设备可为激光扫描设备、红外扫描设备等等，其可发射波束，该波束在遇到隧道的扫描面之后可被反射，并由扫描设备接收，该扫描设备可根据发射波束及反射波束之间的时间差来确定隧道的扫描面上的反射点与扫描设备之间的距离。所述扫描设备一次扫描可发射多个角度的波束，该多个角度的波束可构成一波束面，从而一次扫描可获得该波束面与隧道的交点，该交点可构成一条关于隧道的轮廓曲线。多次扫描可得到一系列曲线，后续可对该一系列曲线进行处理，以得出关于隧道的三维重建结果。

在开始进行扫描之后，所述控制设备可控制所述安装台在一预定转动角度范围内转动，该预定转动角度范围可根据扫描设备距离隧道入口的距离、隧道的高度、扫描设备的高度等而定，确保扫描设备的与该预定转动角度范围对应的扫描范围能够覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围，从而在对隧道的整个扫描过程中，无需对扫描设备进行空间上的移动(上述转动除外)，从而可避免了因移动而造成扫描设备的抖动，进而避免了因抖动而导致扫描结果失真问题。

当然，虽然上述提及了“扫描设备距离隧道入口的距离”，但这仅仅是针对扫描设备处于隧道入口之前的情形而言的。假设无需在隧道入口之前对隧道进行完整扫描，而是使得扫描设备处于隧道内以对隧道内的部分扫描面进行扫描的情况下，可不必考虑该距离，且所述预定转动角度范围亦可不限于上述设置，即所述扫描设备20的与该预定转动角度范围对应的扫描范围可无需覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。在此情况下，可仅仅利用本发明所提供的“安装台”与“扫描设备”的组合布置方式而实施隧道扫描，且相较于现有技术的将“扫描设备”安装于“臂架”的方式，可减少因臂架抖动而导致扫描结果失真。

图2为本发明另一实施例提供的隧道扫描系统的结构示意图，图3为图2所示的隧道扫描系统的工作过程示意图。如图2及图3所示，本发明的隧道扫描系统可布置在作业车40上，该作业车40可诸如为湿喷机车、混凝土喷浆设备等等可于施工作业之前或施工作业时利用隧道扫描系统获取隧道信息的工程机械设备，亦可为专用于搭载所述隧道扫描系统来通过移动所述隧道扫描系统而实施隧道信息扫描的专用移动设备。

在实施过程中，驾驶员可将所述作业车40驾驶到位于所述隧道100的入口之前的一预定距离处，且尽可能停靠在隧道中心线位置上。所述预定距离满足以下等式：

L2＝L1*H2/H1，

其中，L2为所述预定距离，L1为所述扫描设备在平行于地面方向上距离所述作业车靠近所述隧道的一端的距离，H1为所述扫描仪在垂直于地面方向上距离所述作业车表面的距离，H2为所述作业车的高度。

通过此位置布置，可避免因作业车遮挡扫面设备的扫描范围而导致无法扫描到隧道全貌

在图2及图3所述的隧道与隧道扫描系统之家的位置关系的情况下，所述预定转动角度范围可满足：

其中，A为所述预定转动角度范围，H3为所述隧道的高度，L2为所述作业车与所述隧道的入口之间的距离，L1为所述扫描设备在平行于地面方向上距离所述作业车靠近所述隧道的一端的距离，H1为所述扫描仪在垂直于地面方向上距离所述作业车表面的距离，H2为所述作业车的高度。

控制设备可控制安装台沿垂直于隧道截面的方向匀速转动，扫描设备自动以多个发射角度发出射线，测量扫描设备中心与隧道面上相应点之间的距离，扫描仪每次扫描后得到单一曲线，当安装台转动经历所述预定转动角度范围后，即可得到一系列曲线，供后续三维重建处理。在整个扫描过程中，无需移动作业车及扫描设备即可完成整个隧道的扫描，可避免因移动作业车及扫描设备而造成的抖动，提升扫描结果的准确性。

在完成隧道扫描之后，控制设备或其他上位机可以以特定频率读取安装台当前转动角度和激光扫描结果，根据安装台的转动角度，所测量的隧道表面距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算隧道扫描面上各点在一三维直角坐标系下的坐标，该坐标系可以以安装台为原点，三轴的方向分别为作业车朝向在水平面上的投影方向，水平面上与投影方向垂直的方向以及与水平面垂直的方向。

图4为隧道三维重建过程的流程图。以下结合图4对如何利用扫描结果进行隧道三维重建进行介绍。

所述控制设备或其他上位机可执行以下操作：根据所述安装台的转动角度、所述扫描设备所测量的该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算所述隧道的扫描面上的各个点在一三维直角坐标系下的坐标；根据所述坐标，生成关于隧道的扫描面上的各个点的点云数据；以及根据所述点云数据，对所述隧道的扫描面进行曲面拟合，以生成关于所述隧道的三维网格图。

鉴于本发明所重建的隧道三维结果可能是需要应用于对隧道进行施工作业(例如，喷湿、喷混凝土、喷硅藻泥等)的工程机械的，而该工程机械一般会具有转台及臂架，其可根据所重建的隧道三维结果来控制转台及臂架，以此保证施工位置的正确性。因此，可进行坐标转换，以使得本发明所重建的隧道三维结果的坐标系适用于上述工程机械。由于臂架运动控制是以转台为中心而建立的空间坐标系，该坐标系以转台为中心，臂架在水平面上的投影方向为x轴，水平面上与投影方向垂直的方向为y轴，与水平面垂直的方向为z轴。以转台为原点的坐标系与以安装台为原点的坐标系三轴方向一致，只需将扫描得到的点坐标平移即可得到以转台为原点坐标系下的坐标。

在根据所述点云数据对所述隧道的扫描面进行曲面拟合之前，所述控制设备还用于执行以下操作中的一者或多者：利用滤波算法对所述点云数据进行预处理，以去除噪声点；以及对所述点云数据进行降采样处理。

在隧道扫描中,由于外界干扰，隧道表面质量较差，扫描结果会产生噪声点，如果不去除这些噪声点，会影响后续的隧道三维重建效果，可能得到与实际隧道差异过大的三维曲面模型，从而不能表征物体真实的三维模型，影响后续的喷射路径规划。故需对点云数据进行预处理，本方案采用中值滤波算法对数据进行预处理，去除噪声点。

中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术，中值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近的真实值，从而消除孤立的噪声点。当然，本发明并不限于中值滤波算法，其他可消除噪声点的滤波算法亦是可以使用的。

另外，由于扫描设备的扫描时间间隔短，导致所产生的点云数据庞大，消耗了大量的存储和计算资源，导致处理速度慢，三维重建效率低下。故在保证精度的前提下，可对点云数据降采样处理，本方案采用体素网络法对点云数据进行降采样处理，体素网格大小参数可被设置为5*5*5cm，减少点数量的同时保留点云的形状特征。当然，本发明并不限于体素网络法及其相关设置，还可采用其他下采样算法。

上述曲面拟合可采用滑动最小二乘法对隧道曲面进行拟合，拟合曲面阶数设置为4，搜索半径设置为10，上采样半径设置为1，采样间隔设置为0.1，搜索方式设置为KD树，加快搜索速度。当然，本发明并不限于滑动最小二乘法及其相关设置，还可采用其他曲面拟合算法。

在根据所述点云数据对所述隧道的扫描面进行曲面拟合之后，所述控制设备还曲面拟合后的点云进行三角网格化处理。可采用贪婪投影算法对曲面拟合后的点云进行三角网格化。针对贪婪投影算法，可进行以下设置以加快搜索速度：设置搜索半径为10，搜索方法设置为KD树，加权因子设置为2.5，邻近搜索点数最大值设置为300，三角形最大和最小角度分别设置为120度和10度，两点法向量角度差最大值设置为45度。当然，本发明并不限于贪婪投影算法及其相关的上述设置，其他可实现三角网格化处理的算法及设置亦是可以使用的。

通过上述隧道三维重建过程，最终生成的三维重建结果如图5所示。

通过上述技术方案，扫描设备位于安装台上，可在安装台的驱动下进行转动而完成隧道的轮廓扫描，且在扫描期间无需改变扫描设备的位置，不牵涉到臂架，不会产生抖动，因此，避免了因抖动而导致扫描结果失真问题。另外，通过本发明提供的隧道三维重建过程，还可以以较快的速度及精确度生成逼真的隧道三维重建结果。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (12)

1.一种隧道扫描系统，其特征在于，该系统包括：

安装台，该安装台能够驱动安装在该安装台的扫描设备在垂直于地平面的平面内转动；

所述扫描设备，安装于所述安装台上，在所述安装台的驱动下进行转动，并在转动期间以发出射线，测量该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离；以及

控制设备，用于控制所述安装台在一预定转动角度范围内转动，所述扫描设备的与该预定转动角度范围对应的扫描范围覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。

2.根据权利要求1所述的隧道扫描系统，其特征在于，所述预定转动角度范围满足：

其中，A为所述预定转动角度范围，H3为所述隧道的高度，H为所述扫描设备距离地面平的高度，L为所述扫描设备与所述隧道的入口之间的距离。

3.根据权利要求1所述的隧道扫描系统，其特征在于，所述控制设备还用于执行以下操作：

根据所述安装台的转动角度、所述扫描设备所测量的该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算所述隧道的扫描面上的各个点在一三维直角坐标系下的坐标；

根据所述坐标，生成关于隧道的扫描面上的各个点的点云数据；以及

根据所述点云数据，对所述隧道的扫描面进行曲面拟合，以生成关于所述隧道的三维网格图。

4.根据权利要求1所述的隧道扫描系统，其特征在于，所述安装台及所述扫描设备位于所述隧道外部。

5.根据权利要求1所述的隧道扫描系统，其特征在于，所述扫描设备所发出的射线覆盖所述隧道的截面宽度。

6.一种隧道扫描方法，其特征在于，该方法包括：

控制安装有扫描设备的安装台在在垂直于地平面的平面内的一预定转动角度范围内转动，并控制该扫描设备在转动期间以发出射线，测量该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离，

所述扫描设备的与该预定转动角度范围对应的扫描范围覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。

7.根据权利要求6所述的隧道扫描方法，其特征在于，所述预定转动角度满足：

其中，A为所述预定转动角度，H3为所述隧道的高度，H为所述扫描设备距离地面平的高度，L为所述扫描设备与所述隧道的入口之间的距离。

8.根据权利要求6所述的隧道扫描方法，其特征在于，该方法还包括：

根据所述安装台的转动角度、所述扫描设备所测量的该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算所述隧道的扫描面上的各个点在一三维直角坐标系下的坐标；

根据所述坐标，生成关于隧道的扫描面上的各个点的点云数据；以及

根据所述点云数据，对所述隧道的扫描面进行曲面拟合，以生成关于所述隧道的三维网格图。

9.根据权利要求6所述的隧道扫描方法，其特征在于，所述安装台及所述扫描设备位于所述隧道外部。

10.根据权利要求6所述的隧道扫描方法，其特征在于，所述扫描设备所发出的射线覆盖所述隧道的截面宽度。

11.一种作业车，其特征在于，该作业车上安装有根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的隧道扫描系统。

12.根据权利要求11所述的作业车，其特征在于，所述安装台安装在所述作业车驾驶舱顶部位置。