CN109672817B - 一种隧道巡检机器人的高清摄像装置及图像采集生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道巡检机器人的高清摄像装置，包括高清成像组件，所述的高清成像组件设置于所述巡检装置的基座上，同时，还公开了利用该装置的图像采集生成方法，包括步骤一、巡检装置的初次标定；步骤二、巡检装置中的主控模块发送图像采集指令至高清成像组件；步骤三、高清成像组件初始化；步骤四、高清成像组件采图；步骤五、高清成像组件采图后处理；步骤六、全景图像输出，利用隧道巡检机器人上搭载的高清成像组件完成一次巡逻过程后，根据内置算法对照片进行拼接，组成一副隧道全景图并上传至服务器，通过图片智能检测或终端人工对图片进行查看，有效降低隧道维护成本；人力检测的成本；同时提高了检测效率以及隧道的安全性。

Description

一种隧道巡检机器人的高清摄像装置及图像采集生成方法

技术领域

本发明涉及隧道维护检测的领域，尤其涉及一种隧道巡检机器人的高清摄像装置及图像采集生成方法。

背景技术

隧道是道路通行的一个重要地段，承载着道路上大部分的车辆，隧道通行的安全一直是交管部门注意的焦点之一。近年来随着城市建设的不断发展，城市规模的不断扩大，交通压力的不断增大！在城市市政工程项目中，城市交通隧道以及高速交通隧道的数量和规模在不断攀升，其隧道运营安全日益引起人们的重视！其中隧道的定期维护为保证隧道安全的一个重要环节。

墙面裂痕的发现与检修是维护过程中的一环。对于墙面裂痕的及时发现是维护的一个关键点，较深的裂痕可能对隧道的安全造成重大的影响。现阶段检测墙面裂痕基本采用人工的方式，进行肉眼的检测，在一定程度上无法做到全部裂痕的发现与排查，留有隐患。墙体裂痕的早期发现有利于隧道的安全，对此，如何早期便可以发现墙体裂痕并及时修整，防患于未然，是隧道维护方面应注意的问题。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种隧道巡检机器人的高清摄像装置及图像采集生成方法，通过该装置及方法能够降低维护成本，及时发现隧道墙面状态。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案得以解决：一种隧道巡检机器人的高清摄像装置，包括高清成像组件，所述的高清成像组件设置于所述巡检装置的基座上，所述的高清成像组件包括图像采集机构、转台舵机、聚焦舵机以及安装支架，所述安装支架的后端与所述的基座固定连接，所述的转台舵机和所述的图像采集机构分别与所述的安装支架固定连接，并通过U型架将所述的图像采集机构与所述转台舵机的转盘固定，所述转盘能够带动所述图像采集机构的转动，所述的聚焦舵机设置于所述的所述安装支架的前端，所述的聚焦舵机能够调节所述图像采集机构的焦距。

上述技术方案中，所述的转台舵机包括转台驱动机构、转台座、U型架、高清成像模块以及转轴，所述的转台座与所述的安装支架固定连接，所述的驱动机构设置于所述的转台座内，所述的U型架通过所述的转轴与所述的转台座转动连接，所述的高清成像模块设置于所述U型架的外侧。

上述技术方案中，所述的图像采集机构包括前端带有调焦盘的相机组、采集支架，所述的采集支架转动设置在所述的安装支架上，所述的转轴穿过所述安装支架上的转轴孔与所述的采集支架配合，所述的相机组设置于所述的采集支架上，所述的调焦盘凸出与所述的采集支架前端与所述的聚焦舵机配合。

上述技术方案中，所述的聚焦舵机包括聚焦架、聚焦盘以及聚焦驱动机构，所述的聚焦架与所述的采集支架固定连接，所述的聚焦驱动机构设置于所述的聚焦架内，所述的聚焦盘设置于所述聚焦驱动机构的驱动轴上，并凸出于所述聚焦架的外侧与所述的调焦盘啮合。

所述装置的图像采集生成方法，包括如下步骤：

步骤一：巡检装置的初次标定；

步骤二：巡检装置中的主控模块发送图像采集指令至高清成像组件；

步骤三：高清成像组件初始化；

步骤四：高清成像组件采图；

步骤五：高清成像组件采图后处理；

步骤六：输出全景图像。

上述技术方案中，所述步骤一中，巡检装置的初次标定包括下述步骤：

1)制作棋盘格标定板；

2）将表情板置于旋转相机各向相邻位置的重叠视场中采集图像；

3）计算单应性矩阵：对各组图像进行预处理后做角点检测，通过两幅图像的角点坐标计算单应性矩阵H，获得图像处理参数；

4）保存数据至中央处理模块内，中央处理模块设置于高清成像模块内，只要用于控制高清成像模块。

上述技术方案中，所述的图像处理参数包括像素焦距F、平移变换后的矩阵H*M、平移向量L。

上述技术方案中，所述步骤三中，高清成像组件的初始化步骤包括：转台舵机的转位以及调焦舵机的转位调焦。

上述技术方案中，所述步骤四中，高清成像组件采图并处理更新通过所述的高清成像模块完成，处理过程包括：柱面投影变换、双线性插值去毛刺。

上述技术方案中，所述步骤三中采集图像的后处理包括：读取预处理图像、透视变化、拼接图像以及图像的融合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明利用隧道巡检机器人上搭载的高清成像组件进行对隧道整体的图像采集及智能检测，其中高清采集装置由转台舵机、聚焦舵机、相机组以及支架组成，随着隧道巡检机的移动，高清成像组件在竖直方向180°内旋转依次抓拍，每旋转一次的过程中，会抓拍6-8张的照片，在隧道巡检机完成一次巡逻过程后，会根据内部设置的算法对所有照片进行拼接，组成一副完成的隧道图并上传至服务器，通过图片智能检测出墙面有无裂痕，亦可通过终端的人工对图片进行查看和检查，有效降低隧道维护成本；人力检测的成本；同时提高了检测效率以及隧道的安全性。

附图说明

图1为本发明安装位置示意图。

图2为巡检装置结构示意图。

图3为巡检装置爆炸结构示意图。

图4为图像采集生成方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见图1至图3，一种隧道巡检机器人的高清摄像装置，包括高清成像组件，高清成像组件设置于所述巡检装置的基座上，其特征在于，高清成像组件包括图像采集机构、转台舵机、聚焦舵机以及安装支架4，安装支架4的后端与基座固定连接，转台舵机和图像采集机构分别设置于安装支架4的两侧，转台舵机能够带动所述图像采集机构的转动，聚焦舵机设置于安装支架4的前端，聚焦舵机能够调节所述图像采集机构的焦距。

转台舵机包括转台驱动机构、转台座21、U型架22、高清成像模块以及转轴24，转台座21与安装支架4固定连接，驱动机构设置于转台座21内，U型架22通过转轴24与转台座21转动连接，高清成像模块设置于U型架22的外侧，图像采集机构包括前端带有调焦盘11的相机组12、采集支架13，采集支架13转动设置在安装支架4上，转轴24穿过安装支架4上的转轴孔与采集支架13配合，相机组12设置于采集支架13上，调焦盘11凸出与采集支架13前端与聚焦舵机配合，聚焦舵机包括聚焦架31、聚焦盘32以及聚焦驱动机构，聚焦架31与采集支架13固定连接，聚焦驱动机构设置于聚焦架31内，聚焦盘32设置于所述聚焦驱动机构的驱动轴上，并凸出于所述聚焦架31的外侧与调焦盘11啮合。

参见图4，利用上述各单元的图像采集生成方法包括如下步骤：

步骤一、在巡检装置初次安装启动时，需要对巡检装置的初次标定，1）初次标定：主要是相机组的标定，首先制作棋盘格标定板，然后将制作好的棋盘格标定板固定在相机组中相机相邻转动位置视场的重叠区域；2）标定采图，将标定板分别固定在相机两两相邻位置的重叠视场中,选取第一张适合拼接的图像，并确定该图像中重叠的视场,转台舵机转动时，会根据确定的重叠的视场进行转动角度的计算，转动到位后取第二张图并确定该图像中重叠的视场，重新计算转动角度，继续转动取下一张图, 转台舵机转动到位时，调焦舵机会进行转动，根据相机拍摄画面的清晰度进行比对，在图像最清晰的位置停止；3）计算单应性矩阵，通过将采集的图像进行预处理后做角点检测，通过两幅图像的角点坐标计算单应性矩阵H，通过H计算相机组的像素焦距f和平移变换后的矩阵H*M，并计算经过透视变换后的图像坐标，从而获取平移向量L，并将这些参数保存至高清成像模块内；步骤二、巡检装置中的主控模块发送图像采集指令至高清成像组件；步骤三：高清成像组件初始化：通过初次标定时的位置将转台舵机转至拍摄的位置，同时调整调焦舵机上相机组的像素；步骤四、高清成像组件采图：初始化完毕后，相机组采图，首先需要设定一个采图的数量N，以便程序能够在采集完毕后进入下一个步骤，若N=8时，图片采集过程中，高清成像模块会持续检测采图数量是否达到预设值8，若未达到，则相机组会持续采集，直至高清摄像模块检测达到预设值终止；在采图过程中，为了保持视觉一致性，对采集到的图像利用标定得到的像素焦距f进行柱面投影变换预处理，然后使用双线性插值法去毛刺后覆盖原图像，直至采图结束；步骤五、高清成像组件采图后处理：当采图结束后，高清成像模块直接读取经投影变换以及去毛刺后的图像序列，利用在标定时得到的平移变换后矩阵H*M进行透视变换，再利用标定时得到的平移向量L来拼接图像，最后进行图像融合去处理拼接图像之间的缝隙，得到拼接图像；步骤六、全景图像的输出，将完成后的拼接图像经高清成像模块输出至与高清摄像装置连接到服务器，以便后续操作。

步骤四中，采图的设置数量可以根据实际情况而设置，在隧道巡检机完成一次巡逻过程后，会根据内部设置的算法对所有照片进行拼接，组成一副完成的隧道图并上传至服务器，通过图片智能检测出墙面有无裂痕，亦可通过终端的人工对图片进行查看和检查，有效降低隧道维护成本；人力检测的成本；同时提高了检测效率以及隧道的安全性。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种隧道巡检机器人的高清摄像装置，包括高清成像组件，所述的高清成像组件设置于巡检机器人的基座上，其特征在于，所述的高清成像组件包括图像采集机构、转台舵机、聚焦舵机以及安装支架（4），所述安装支架（4）的后端与所述的基座固定连接，所述的转台舵机和所述的图像采集机构分别与所述的安装支架（4）固定连接，并通过U型架（22）将所述的图像采集机构与所述转台舵机的转盘固定，所述转盘能够带动所述图像采集机构的转动，所述的聚焦舵机设置于所述安装支架（4）的前端，所述的聚焦舵机能够调节所述图像采集机构的焦距，该装置的图像采集生成方法包括如下步骤：

步骤一、初次标定：1）相机组的标定：首先制作棋盘格标定板，然后将制作好的棋盘格标定板固定在相机组中相机相邻转动位置视场的重叠区域；2）标定采图：将标定板分别固定在相机两两相邻位置的重叠视场中，选取第一张适合拼接的图像，并确定该图像中重叠的视场，转台舵机转动时，会根据确定的重叠的视场进行转动角度的计算，转动到位后取第二张图并确定该图像中重叠的视场，重新计算转动角度，继续转动取下一张图，转台舵机转动到位时，聚焦舵机会进行转动，根据相机拍摄画面的清晰度进行比对，在图像最清晰的位置停止；3）计算单应性矩阵：通过将采集的图像进行预处理后做角点检测，通过两幅图像的角点坐标计算单应性矩阵H，通过H计算相机组的像素焦距f和平移变换后的矩阵H*M，并计算经过透视变换后的图像坐标，从而获取平移向量L，并将这些参数保存至高清成像模块内；

步骤二、巡检机器人中的主控模块发送图像采集指令至高清成像组件；

步骤三、高清成像组件初始化：转台舵机的转位以及聚焦舵机的转位调焦；

步骤四、高清成像组件采图：初始化完毕后，相机组采图，首先需要设定一个采图的数量N，以便程序能够在采集完毕后进入下一个步骤，若N=8时，图片采集过程中，高清成像模块会持续检测采图数量是否达到预设值8，若未达到，则相机组会持续采集，直至高清摄像模块检测达到预设值终止；在采图过程中，为了保持视觉一致性，对采集到的图像利用标定得到的像素焦距f进行柱面投影变换预处理，然后使用双线性插值法去毛刺后覆盖原图像，直至采图结束；

步骤五、高清成像组件采图后处理：当采图结束后，高清成像模块直接读取经投影变换以及去毛刺后的图像序列，利用在标定时得到的平移变换后矩阵H*M进行透视变换，再利用标定时得到的平移向量L来拼接图像，最后进行图像融合去处理拼接图像之间的缝隙，得到拼接图像；

步骤六、输出全景图像。

2.根据权利要求1所述的一种隧道巡检机器人的高清摄像装置，其特征在于，所述的转台舵机包括转台驱动机构、转台座（21）、U型架（22）、高清成像模块以及转轴（24），所述的转台座（21）与所述的安装支架（4）固定连接，所述的驱动机构设置于所述的转台座（21）内，所述的U型架（22）通过所述的转轴（24）与所述的转台座（21）转动连接，所述的高清成像模块设置于所述U型架（22）的外侧。

3.根据权利要求2所述的一种隧道巡检机器人的高清摄像装置，其特征在于，所述的图像采集机构包括前端带有调焦盘（11）的相机组（12）、采集支架（13），所述的采集支架（13）转动设置在所述的安装支架（4）上，所述的转轴（24）穿过所述安装支架（4）上的转轴孔与所述的采集支架（13）配合，所述的相机组（12）设置于所述的采集支架（13）上，所述的调焦盘（11）凸出与所述的采集支架（13）前端与所述的聚焦舵机配合。

4.根据权利要求3所述的一种隧道巡检机器人的高清摄像装置，其特征在于，所述的聚焦舵机包括聚焦架（31）、聚焦盘（32）以及聚焦驱动机构，所述的聚焦架（31）与所述的采集支架（13）固定连接，所述的聚焦驱动机构设置于所述的聚焦架（31）内，所述的聚焦盘（32）设置于所述聚焦驱动机构的驱动轴上，并凸出于所述聚焦架（31）的外侧与所述的调焦盘（11）啮合。

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