CN109959354B - 一种大尺度道面平整度测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置，包括：激光发射器、机器人小车、第一视觉检测装置、第二视觉检测装置、控制单元、高度测量装置。本发明的目的是提供一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量方法，采用激光导引，使机器人一直沿着激光发出的激光光束前行，行驶过程可自行纠偏，不需要人工干预，并且能够实时快速不间断对道面高度进行采样，由于是用激光光束作为参考高度，测量准确度高，测量速度快，省去了繁杂的人力劳动，具有很好的应用前景。

Description

一种大尺度道面平整度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种大尺度道面平整度测量装置及其测量方法。

背景技术

在某些特定的场合，需要获取较大范围的道面或者路面平整度数据，比如机场跑道，其要求采样点较密集，对测量结果要求较高，目前通常的方法是采用人工方式测量，工作效率低，且误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置及测量方法，本发明的测量装置及方法能够实时快速不间断对道面高度进行采样，测量准确度高，测量速度快，其采用激光导引，使机器人一直沿着激光发射器发出的激光光束前行，行驶过程可自行纠偏，不需要人工干预，省去了繁杂的人力劳动，具有很好的应用前景。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置，包括：激光发射器、机器人小车、第一视觉检测装置、第二视觉检测装置、控制单元、及高度测量装置；

所述激光发射器用于发射导引所需激光光束；

所述第一与第二视觉检测装置前后并列安装于机器人小车支架上，所述第一和第二视觉检测装置均与所述控制单元电连接，所述激光发射器发出的激光光束分别在第一与第二视觉检测装置上成像；

所述第一与第二视觉检测装置检测激光光束的光斑位置并发送至所述控制单元，所述控制单元根据光斑的位置计算机器人小车相对于激光光束的高度偏移量h1；

所述高度测量装置安装于机器人小车的底盘上，与控制单元电性相连，用于测量所述机器人小车到道面的高度h2，通过h1与h2之和的变化来判断道面平整度。

进一步的，还包括一用于测量机器人小车前进距离的前进距离测量装置，所述前进距离测量装置安装于机器人小车车轮上，并与控制单元电性相连。

进一步的，所述前进距离测量装置为旋转编码器，所述旋转编码器与所述机器人小车的车轮同步转动，所述旋转编码器安装于所述机器人小车车轮上或与所述机器人小车车轮的外沿抵靠。

进一步的，所述第一视觉检测装置包括：第一半透半反玻璃、第一投影膜和第一检测相机，所述第一半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第一投影膜设置于所述第一半透半反玻璃上方，所述第一检测相机设置于所述第一投影膜上方；所述第二视觉检测装置包括：第二半透半反玻璃、第二投影膜和第二检测相机，所述第二半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第二投影膜设置于所述第二半透半反玻璃上方，所述第二检测相机设置于所述第二投影膜上方。

进一步的，所述激光发射器还包括一安装支架，所述机器人小车上还包括有用于提供工作电源的电源装置及驱动机器人小车左转或右转的驱动装置，所述电源装置为电池或发电系统。

本发明还提供一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、将机器人小车放置于初始位置，开启激光发射器发出导引激光光束，调整激光光束高度，使激光光束穿过第一与第二视觉检测装置；

步骤S2、机器人小车向前前进，激光光束在机器人小车的第一与第二视觉检测装置上分别成像，第一与第二视觉检测装置分别检测激光光束的光斑位置并发送至控制单元；

步骤S3、控制单元计算机器人小车相对于激光光束的高度偏移量h1；

步骤S4、高度测量装置测量机器人小车到道面的高度h2，并将数据发送至控制单元；

步骤S5、所述控制单元通过h1与h2之和的变化来判断道面平整度。

进一步的，还包括在所述步骤S4之后并在所述步骤S5之前的步骤S45，所述步骤S45采用前进距离测量装置测量机器人小车的前进距离，并将测量到的数据发送至控制单元，所述控制单元根据所述机器人小车前进的距离进行周期性测量。

进一步的，所述步骤S3还包括所述控制单元实时计算机器人小车的姿态，并根据该姿态驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整，使机器人小车保持直线前进。

进一步的，所述步骤S2中第一与第二视觉检测装置分别检测激光光束的光斑位置后，对光斑位置进行预处理，所述预处理包括：剔除误识别结果和对正确结果进行平滑；

步骤S2中所述第一与第二视觉检测装置分别检测光斑的位置，包括以下步骤：

步骤Q1、采用检测相机分别抓取投影膜上的光斑图像；

步骤Q2、对所述图像进行二值化分割；

步骤Q3、对二值化的图像进行开运算和闭运算；

步骤Q4、对所述图像进行BLOB分析，获取最大BLOB；

步骤Q5、根据比例关系将像素值换算成高度偏移量。

进一步的，所述步骤Q3还包括在开运算之后进行去除噪点；所述步骤Q4对所述图像进行BLOB分析并获取最大BLOB包括：获取光斑图像重心、面积和包围矩形。

进一步的，所述大尺度道面平整度测量方法还包括将各个测量周期的数据进行直线拟合，计算并去除误差，得到机器人小车不同前进距离下的道面相对于激光光束高度的曲线图。

采用上述方案，本发明涉及一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置及测量方法，能够实时快速不间断对道面高度进行采样，测量准确度高，其采用激光导引，使机器人一直沿着激光发出的激光光束前行，行驶过程自动纠偏，自动化测量，不需要人工干预，测量速度快，省去了繁杂的人力劳动，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置的结构示意图。

图2-1为本发明道面高度变化造成的光斑偏移示意图一。

图2-2为本发明道面高度变化造成的光斑偏移示意图二。

图3为本发明中激光光斑位置计算算法流程图。

图4为本发明根据检测结果所绘制相对于激光光束的道面平整度曲线图。

图5为实际环境下激光光束发射方向未与跑道面保持完全平行时造成光斑偏移示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种大尺度道面平整度测量装置，包括：激光发射器1、机器人小车2、第一视觉检测装置3、第二视觉检测装置4、控制单元5、高度测量装置6。所述激光发射器1还包括一安装支架，通过该安装支架可以使得激光发射器1发出激光光束在第一及第二视觉检测装置3、4上的投影光斑位于第一及第二视觉检测装置3、4的投影膜的中心线上。所述激光发射器1用于发射导引导机器人小车2运行轨迹以及用于评估道面平整度的参考的激光光束。机器人小车2还包括有驱动机器人小车左转或右转的驱动组件(未标示)，所述驱动组件连接控制单元5。所述第一和第二视觉检测装置3、4前后并列安装于机器人小车支架2上，均与所述控制单元5电连接。所述激光发射器1发出的激光光束分别在第一与第二视觉检测装置3、4上成像，所述第一与第二视觉检测装置3、4分别检测激光光束的光斑的位置，并发送至控制单元5，所述控制单元5通过所述光斑的位置计算所述机器人小车2相对于激光光束的高度偏移量h1，所述高度测量装置6安装于机器人小车2的底盘23上，用于测量所述机器人小车2到道面的高度，所述控制单元通过h1与h2之和的变化来判断道面平整度。

所述道面平整度测量装置还包括前进距离测量装置7，在本实施例中，其为一旋转编码器，安装于机器人小车2的车轮上或与机器人小车车轮的外沿抵靠，当车轮转动时，前进距离测量装置7与车轮同步转动。所述前进距离测量装置7与控制单元5电性连接，在控制单元5上设定前进距离测量装置7的采样周期，触发采样。当已知前进距离测量装置7的旋转编码器直径、其旋转一周的脉冲数和采样周期(即测量周期)，可以计算前进距离测量装置7的采样距离，即机器人小车2的前进距离。机器人小车2上还安装有用于提供工作电源的电源装置，如电池或发电系统(未标示)。

所述第一视觉检测装置3包括以下部件：第一半透半反玻璃31，其与机器人小车底盘23呈45度角；第一投影膜32，其设置于第一半透半反玻璃31上方，与所述机器人小车支架(未标示)水平面平行；第一检测相机33，安装于所述第一投影膜32的上方。相似的，第二视觉检测装置4包括以下部件：第二半透半反玻璃41，其与机器人小车底盘23呈45度角；第二投影膜42，其设置于第二半透半反玻璃41上方，与所述机器人小车支架(未标示)水平面平行；第二检测相机43，安装于所述第二投影膜42的上方。

如图2-1所示，激光光束以水平方向射出，激光光束到达第一半透半反玻璃3后一部分激光被向上反射到所述第一投影膜32上，形成光斑P1，一部分继续前进，到达第二半透半反玻璃41，同样的，一部分又被向上反射至第二投影膜42上，形成一个光斑P2，一部分沿直线继续前进。因为半透半反玻璃31和41与机器人小车的底盘成45度角，所以，图中反映机器人小车相对激光束的高度偏移量参数h1等于d1，而d1可以由控制单元5根据光斑的位置计算得出。此实施例中半透半反玻璃与机器人小车底盘成45度角时，计算最为简便，如其他角度值，通过几何算法同样可以计算得到高度偏移量参数h1的数值。如图2-2所示，基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置的俯视图，通过该图可以看出，当道面升高，两光斑P1和P2在投影膜32和42上的位置前移，d3>d1，d4>d2，同理，如道面降低，两光斑P1和P2在投影膜32和42上的位置后移，d3<d1，d4<d2，通过计算光斑在沿投影膜32、42中心线方向上的偏移，便可得知当前采样点道面的高低状况。通过图2-2还可以看出，两光斑P1和P2与机器人小车2的中心线距离为m1和m2，正常行驶时m1和m2为0，如果机器人小车车头发生偏移，则m1和m2不为0，通过计算m1和m2的值，可对机器人小车的运行姿态进行判断，并由控制单元5发出驱动指令，驱动机器人小车2的驱动装置，使其左转或右转，进行自动纠偏，始终沿激光光束方向前进。即通过判断光斑沿中心线方向的偏移判断道面高低状况，通过判断光斑偏移中心线方向的角度，判断机器人小车2的运行姿态，并由控制单元5对其姿态进行纠偏，使机器人小车2运行更加稳定，测量结果更加准确可靠。

值得一提的是，控制单元5同时根据光斑的位置实时计算机器人小车2的姿态，并根据该姿态通过所述驱动组件驱动机器人小车2左转或右转，实现机器人小车2姿态的调整，从而使得机器人小车2一直沿激光光束方向保持直线运动。具体的，控制单元5接收第一与第二视觉检测装置发送的光斑P1和P2位置，据此对小车的实时姿态进行判断，根据光斑P1和P2的连线与小车中心线的夹角位置判断小车姿态，如夹角在机器人小车的左侧，则说明小车车头右偏；如夹角在机器人小车的右侧，则说明小车车头左偏。进一步的，若机器人小车姿态发生变化，则步骤Q5还包括对左右偏移量进行计算，控制单元5根据步骤Q5所计算的左右偏移量来计算机器人小车左驱动轮和右驱动轮驱动速率的大小，即根据该姿态数据调整左驱动轮和右驱动轮的转速，实现机器人小车姿态的调整，使机器人小车保持直线前进。

本发明还涉及一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、将机器人小车放置于初始位置，开启激光发射器发出导引激光光束，调整激光光束高度，使激光光束穿过第一与第二视觉检测装置，具体的，是使得激光发射器1发出激光光束在第一及第二视觉检测装置3、4上的投影光斑位于第一及第二视觉检测装置3、4的投影膜的中心线上，控制单元将此时得到的光斑位置进行计算，作为道面高度的初始值。

步骤S2、机器人小车2向前前进，激光光束在机器人小车的第一与第二视觉检测装置3、4上分别成像，第一与第二视觉检测装置3、4分别检测激光光束的光斑位置并发送至控制单元。激光光束在机器人小车2的第一视觉检测装置3与第二视觉检测装置4上分别成像，即激光光束到达第一半透半反玻璃31后一部分激光被向上反射到所述第一投影膜32上，形成光斑P1，一部分继续前进，到达第二半透半反玻璃41，同样的，一部分又被向上反射至第二投影膜42上，形成一个光斑P2，一部分沿直线继续前进。第一检测相机33和第二检测相机43分别检测两个光斑P1和P2的位置并发送至控制单元5。此步骤中还包括第一视觉检测装置3和第二视觉检测装置4检测激光光束的光斑P1和P2的位置后，对光斑P1和P2的位置进行预处理，所述预处理包括：剔除误识别结果和对正确结果进行平滑。其中，剔除误识别结果方法为，对图像进行阈值分割，然后对分割后的二值图像进行开闭运算，然后对结果图像进行BLOB分析，对于较小的BLOB值进行剔除(可能是干扰)，只保留最大的BLOB。对正确结果进行平滑：对获取的最大BLOB的坐标位置进行滑动平均滤波，该方法基于车体姿态变化是平稳并连续的，经过平滑后便可获得较为准确的BLOB位置坐标。

步骤S3、控制单元5计算机器人小车2相对于激光光束的高度偏移量h1，如图2-2所示，以两半透半反玻璃31和41与机器人小车2底盘所成的夹角为45度为例，根据两光斑P1和P2在投影膜32和42上的位置，可计算出道面高度，即d3＝h3，d4＝h4，而d3和d4可通过光斑P1和P2的位置计算得出。

如图3所示，光斑位置具体计算方法包括：

步骤Q1、采用检测相机33和43分别抓取投影膜上的光斑图像；

步骤Q2、对所述图像进行二值化分割；

步骤Q3、对二值化的图像进行开运算和闭运算；

步骤Q4、对所述图像进行BLOB分析，获取最大BLOB；

步骤Q5、根据比例关系将像素值换算成高度偏移量，如可以根据事先标定的结果，将像素值换算成高度偏移量。控制单元5根据高度偏移量的数值，计算出道面相对于激光光束的距离。同时控制单元5还可以根据左右偏移量计算出机器人小车2驱动装置需加速的速度，驱动机器人小车2车身尽快回正，回到设定路线，具体操作为上述的姿态调整内容，此处不再赘述。从偏移量到机器人小车驱动装置加速度的计算方法，可采用传统的PID控制策略，适当调整P、I、D参数的取值，使机器人小车2能够平稳纠偏并不发生左右震荡晃动。

通过该步骤可以计算光斑的位置和偏差，还可以相应调整相机曝光时间和增益效果，从而提升拍照效果，提升测量的准确度。

步骤S4、高度测量装置6测量机器人小车2到道面的高度h2，并将数据发送至控制单元；

步骤S5、所述控制单元通过h1与h2之和的变化来判断道面平整度。

如上所述的道面平整度测量方法，还包括在所述步骤S4之后并在所述步骤S5之前增加步骤S45，所述步骤S45采用前进距离测量装置7测量机器人小车2的前进距离，并将测量到的数据发送至控制单元，所述控制单元根据所述机器人小车2前进的距离进行周期性测量。

如上所述的道面平整度测量方法，所述步骤S5还包括将各个测量周期的数据进行直线拟合，计算并去除误差，得到机器人小车2不同前进距离下的道面相对于激光光束高度的曲线图。

以上为理想状态下的测量方法，实际操作中还有以下两种较常见的特殊情况需要处理，如图4所示，在实际环境下，激光光束发射方向很难与跑道面保持完全平行，这个误差反应在测量结果上，表现为随着测量距离的增加，线性增大或者减小，通过对测量结果进行直线拟合，可以计算出误差并去除，得到较平直准确的道面平整度曲线图。

在另一种情况下，如图5所示，即当道面存在斜坡时，机器人小车2发生俯仰变化，当控制单元5检测到光斑P1和P2与激光光束的高度偏移值不一致时，即确定道面为斜坡状态，如果按照之前的算法进行计算则容易产出误差。需由控制单元5启用另一算法，对数据进行处理。需要得到的值是道面到水平激光光束的垂直距离d4，但是由于机器人小车2的车体存在俯仰，车身与水平面存在一个夹角a，根据前面算法测得的高度实际上是d3。根据光的反射定理和几何学关系，可以得出，

d1＝d2；

d5＝d6；

d4＝cos(a)*d3。

在已知L的情况下，根据d2与d6的偏差，可以计算出角a，从而计算出d4。

综上所述，本发明提供一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置及测量方法，通过激光导引，使机器人小车沿着激光发射器发出的激光光束前行，所述测量装置设有两个并列安装的视觉检测装置，对激光光束所形成的光斑进行监控拍照，控制单元根据图片的数据计算机器人小车相对于激光光束的高度偏移量h1，所述测量装置还在所述机器人小车底盘上设有高度测量装置，用于垂直向下测量所述机器人小车到道面的高度h2；所述测量装置还在机器人小车的车轮上安装有前进距离测量装置，用于测量机器人小车的前进距离并实现等间距采样，根据以上数据可绘制一定距离内的道面平整度曲线图，清晰准确地获取所测量距离内的道面平整度状况。本发明的道面平整度测量装置可快速并不间断对道面高度进行采样测量，自动化测量，测量速度快，省去了繁杂的人力劳动，在各种道路平整度检测领域具有很好的应用前景。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量装置，其特征在于，包括：激光发射器、机器人小车、第一视觉检测装置、第二视觉检测装置、控制单元、及高度测量装置；

所述激光发射器用于发射导引所需激光光束；

所述第一与第二视觉检测装置前后并列安装于机器人小车支架上，所述第一和第二视觉检测装置均与所述控制单元电连接，所述激光发射器发出的激光光束分别在第一与第二视觉检测装置上成像；

所述第一与第二视觉检测装置检测激光光束的光斑位置并发送至所述控制单元，所述控制单元根据光斑的位置计算机器人小车相对于激光光束的高度偏移量h1；

所述高度测量装置安装于机器人小车的底盘上，与控制单元电性相连，用于测量所述机器人小车到道面的高度h2，通过h1与h2之和的变化来判断道面平整度；

所述第一视觉检测装置包括：第一半透半反玻璃、第一投影膜和第一检测相机，所述第一半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第一投影膜设置于所述第一半透半反玻璃上方，所述第一检测相机设置于所述第一投影膜上方；

所述第二视觉检测装置包括：第二半透半反玻璃、第二投影膜和第二检测相机，所述第二半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第二投影膜设置于所述第二半透半反玻璃上方，所述第二检测相机设置于所述第二投影膜上方；

所述激光发射器还包括一安装支架，所述机器人小车上还包括有用于提供工作电源的电源装置及驱动机器人小车左转或右转的驱动装置，所述电源装置为电池或发电系统。

2.根据权利要求1所述的大尺度道面平整度测量装置，其特征在于，还包括一用于测量机器人小车前进距离的前进距离测量装置，所述前进距离测量装置安装于机器人小车车轮上，并与控制单元电性相连。

3.根据权利要求2所述的大尺度道面平整度测量装置，其特征在于，所述前进距离测量装置为旋转编码器，所述旋转编码器与所述机器人小车的车轮同步转动，所述旋转编码器安装于所述机器人小车车轮上或与所述机器人小车车轮的外沿抵靠。

4.一种基于激光导引的大尺度道面平整度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将机器人小车放置于初始位置，开启激光发射器发出导引激光光束，调整激光光束高度，使激光光束穿过第一视觉检测装置与第二视觉检测装置；

步骤S2、机器人小车向前前进，激光光束在机器人小车的第一与第二视觉检测装置上分别成像，第一与第二视觉检测装置分别检测激光光束的光斑位置并发送至控制单元；

步骤S3、控制单元计算机器人小车相对于激光光束的高度偏移量h1；

步骤S4、高度测量装置测量机器人小车到道面的高度h2，并将数据发送至控制单元；

步骤S5、所述控制单元通过h1与h2之和的变化来判断道面平整度；

其中，所述第一视觉检测装置包括：第一半透半反玻璃、第一投影膜和第一检测相机，所述第一半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第一投影膜设置于所述第一半透半反玻璃上方，所述第一检测相机设置于所述第一投影膜上方；

所述第二视觉检测装置包括：第二半透半反玻璃、第二投影膜和第二检测相机，所述第二半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第二投影膜设置于所述第二半透半反玻璃上方，所述第二检测相机设置于所述第二投影膜上方；

所述激光发射器包括一安装支架，所述机器人小车上还包括有用于提供工作电源的电源装置及驱动机器人小车左转或右转的驱动装置，所述电源装置为电池或发电系统。

5.根据权利要求4所述的大尺度道面平整度测量方法，其特征在于：还包括在所述步骤S4之后并在所述步骤S5之前的步骤S45，所述步骤S45采用前进距离测量装置测量机器人小车的前进距离，并将测量到的数据发送至控制单元，所述控制单元根据所述机器人小车前进的距离进行周期性测量。

6.根据权利要求4所述的大尺度道面平整度测量方法，其特征在于，所述步骤S3还包括所述控制单元实时计算机器人小车的姿态，并根据该姿态驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整，使机器人小车保持直线前进。

7.根据权利要求6所述的大尺度道面平整度测量方法，其特征在于，所述步骤S2中第一与第二视觉检测装置分别检测激光光束的光斑位置后，对光斑位置进行预处理，所述预处理包括：剔除误识别结果和对正确结果进行平滑；

步骤S2中所述第一与第二视觉检测装置分别检测光斑的位置，包括以下步骤：

步骤Q1、采用检测相机分别抓取投影膜上的光斑图像；

步骤Q2、对所述图像进行二值化分割；

步骤Q3、对二值化的图像进行开运算和闭运算；

步骤Q4、对所述图像进行BLOB分析，获取最大BLOB；

步骤Q5、根据比例关系将像素值换算成高度偏移量。

8.根据权利要求7所述的大尺度道面平整度测量方法，其特征在于，所述步骤Q3还包括在开运算之后进行去除噪点；所述步骤Q4对所述图像进行BLOB分析并获取最大BLOB包括：获取光斑图像重心、面积和包围矩形。

9.根据权利要求4-8任一项所述的大尺度道面平整度测量方法，其特征在于，还包括将各个测量周期的数据进行直线拟合，计算并去除误差，得到机器人小车不同前进距离下的道面相对于激光光束高度的曲线图。

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