CN110541341A - 一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于公路检测技术领域，涉及基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法，基于稳定视觉的公路结构病害检测装置包括车辆承载系统、测量及控制系统、稳定平台系统以及视觉采集系统；测量及控制系统以及稳定平台系统分别置于车辆承载系统上；视觉采集系统置于稳定平台系统底部并对公路结构病害进行视觉采集；测量及控制系统对公路结构病害进行测量。本发明提供了一种定位准确、控制精度高以及可实现公路路面结构病害的信息化与智能化管理的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法。

Description

一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法

技术领域

本发明属于公路检测技术领域，涉及一种公路结构病害检测装置及方法，尤其涉及一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法。

背景技术

随着国民经济的发展，公路数量和里程急剧增加，其养护技术也逐渐受到众多学者的重视。基于机器视觉的无损检测技术被广泛应用于表面病害检测中，可以大大提高检测效率和自动化程度，尤其是在一些不适合人工作业的危险环境，往往需要采用机器视觉代替人工视觉检测。因此，获得质量好、特征明显的病害图片是智能处理与识别的基础。同时，公路路面坑洼、塌陷等结构病害仅依靠视觉方法无法探测病害深度，导致病害信息不完整，且通常病害面积相对于公路全里程面积很小，若不加以区分采集全部区域，存在数据量大、采集及管理效率低等问题。

并联机器人具有多轴联动、运动精度高、承载能力强、结构紧凑等优点，广泛应用于位姿调整、运动模拟等领域，可通过各运动分支协调摆动实现动平台的多自由度稳定。三维扫描技术具有检测速度快、精度高、非接触等优点，广泛应用于检测、模型建立等领域。因此，将三维扫描技术、并联机器人技术引入公路病害检测领域，研制适用于各等级公路路面结构病害检测的智能设备，基于三维扫描技术的精准定位采集质量好、特征明显的病害图片，获得结构病害的三维检测信息。具备检测速度快、精度高，图片采集质量好、信息丰富等优势，改变了传统人工检测效率低、安全性差，纸质资料信息查询难、易丢失，仅依靠视觉采集数据量庞大、工作效率低的技术现状，实现了公路路面结构病害的信息化与智能化管理。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种定位准确、控制精度高以及可实现公路路面结构病害的信息化与智能化管理的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述基于稳定视觉的公路结构病害检测装置包括车辆承载系统、测量及控制系统、稳定平台系统以及视觉采集系统；所述测量及控制系统以及稳定平台系统分别置于车辆承载系统上；所述视觉采集系统置于稳定平台系统底部并对公路结构病害进行视觉采集；所述测量及控制系统对公路结构病害进行测量。

作为优选，本发明所采用的车辆承载系统包括车体、车厢、车轮以及升降装置；所述车厢置于车体上；所述车轮置于车体底部；所述稳定平台系统通过升降装置置于车厢中；所述测量及控制系统置于车体上。

作为优选，本发明所采用的车体包括驾驶室、底盘以及测量设备间；所述驾驶室以及测量设备间均置于底盘前端部；所述车厢置于底盘上；所述车轮置于底盘底部；所述测量及控制系统置于底盘上；所述测量及控制系统在非工作状态时置于测量设备间中。

作为优选，本发明所采用的升降装置包括液压机构以及导轨；所述液压机构与稳定平台系统相连并驱动稳定平台系统沿导轨的轴向自如移动。

作为优选，本发明所采用的测量及控制系统包括扫描装置、测速装置、定位装置以及电控系统；所述扫描装置在非工作状态时置于测量设备间中，在工作状态从测量设备间中伸出；所述测速装置置于车轮上；所述定位装置置于驾驶室顶部；所述电控系统置于底盘上；所述定位装置的定位精度为0.5m。

作为优选，本发明所采用的扫描装置包括伸缩板、安装架以及扫描仪；所述扫描仪通过安装架设置在伸缩板上；所述伸缩板在非工作状态时置于测量设备间中，在工作状态从测量设备间中伸出；所述扫描仪的扫描范围4.0m，所述扫描仪的精度是0.05mm。

作为优选，本发明所采用的电控系统包括均设置在底盘上的电控柜和电气元器件、工控机及配件、发电机以及服务器及配件。

作为优选，本发明所采用的稳定平台系统包括安装盘、运动分支、相机稳定台以及驱动及传感装置；所述相机稳定台通过运动分支设置在安装盘上；所述液压机构与安装盘相连并驱动安装盘沿导轨的轴向自如移动；所述驱动及传感装置与运动分支相连并驱动运动分支运动；所述稳定平台系统的稳定精度移动1％F.S、转动5％F.S；所述稳定平台系统的定位精度移动0.1％F.S、转动0.5％F.S。

作为优选，本发明所采用的视觉采集系统包括回转驱动、相机安装架以及相机组；所述回转驱动设置在相机稳定台上；所述回转驱动与相机安装架相连并驱动相机安装架转动；所述相机安装架上设置有多组相机组；所述相机安装架整体呈L型；所述相机安装架包括第一安装臂以及与第一安装臂相连的第二安装臂；所述第一安装臂所在平面与第二安装臂所在平面之间的夹角是150～170；所述相机组的全幅拍摄范围4.0m。

一种基于稳定视觉的公路结构病害检测方法，所述方法包括以下步骤：

1)准备工作：根据车辆所处车道以及公路等级，打开测量设备间，将扫描装置放至水平工作状态，打开底盘上推拉门；调整液压机构高度及安装盘在导轨的水平位置，调整回转驱动及相机安装架的角度使相机组相对于公路路面待采集区域的垂直距离相同；

2)行驶过程：扫描装置实时扫描公路路面信息并利用工控机计算路面塌陷以及开裂病害的面积、深度数值，当计算值大于给定阈值时，结合车体长度、病害数值以及测速装置数据计算视觉采集系统开始抓拍时刻及拍照持续时间，根据定位装置数据计算车辆所处里程桩号并将所有数据上传服务器；

3)动态调整过程：根据步骤2)采集的病害面积、深度以及位置数据，计算并调整相机安装架的夹角及转动角度；

4)稳定过程：根据安装盘上设置的传感器组实时获取车辆颠簸参数，结合稳定平台系统结构解算并联机构各分支位移、速度以及加速度数值，利用驱动机构按照解算数值调整稳定平台系统位姿，隔离振动对视觉采集系统的影响，保证图片采集环境及质量；

5)拍摄过程：根据开始抓拍时刻提前设置相机开启，根据拍照持续时间、相机行频计算拍照次数，拍摄图片并存储于服务器，实现病害扫描数据、桩号数据和图片信息数据的融合。

本发明的优点是：

本发明提供了一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法，该装置包括车辆承载系统、测量及控制系统、稳定平台系统以及视觉采集系统；测量及控制系统以及稳定平台系统分别置于车辆承载系统上；视觉采集系统置于稳定平台系统底部并对公路结构病害进行视觉采集；测量及控制系统对公路结构病害进行测量。与现有技术相比，本发明测量及控制系统基于三维扫描技术、定位技术，判断路面低洼、塌陷等结构病害的面积及深度是否大于阈值，计算开始抓拍时刻、拍照持续时间及车辆所处里程桩号，定位准确，控制精度高。稳定平台系统基于并联机构运动及精度高、结构紧凑等优点，隔离车辆颠簸对视觉采集系统的影响，获得采集质量好、特征明显的病害图片。先使用三维扫描技术精准定位，再使用相机拍照的病害采集方式，极大地提高了工作效率，降低了数据存储量。综上，本发明将三维扫描技术、并联机器人技术引入公路病害检测领域，研制适用于各等级公路路面结构病害检测的智能设备，基于三维扫描技术的精准定位采集质量好、特征明显的病害图片，获得结构病害的三维检测信息。具备检测速度快、精度高，图片采集质量好、信息丰富等优势，改变了传统人工检测效率低、安全性差，纸质资料信息查询难、易丢失，仅依靠视觉采集数据量庞大、工作效率低的技术现状，实现了公路路面结构病害的信息化与智能化管理。

附图说明

图1是本发明所提供的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置的工作状态的结构示意图；

图2是本发明所提供的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置的休息状态的结构示意图；

图3是本发明所采用的扫描装置的结构示意图；

图4是本发明所采用的电控系统的结构示意图；

图5是本发明所采用的稳定平台系统的结构示意图；

图6是本发明所采用的相机安装架和相机组安装结构示意图；

其中：

1-车辆承载系统；2-测量及控制系统；3-稳定平台系统；4-视觉采集系统；5-车体；51-驾驶室；52-底盘；53-测量设备间；6-车厢；7-车轮；8-升降装置；81-液压机构；82-导轨；9-扫描装置；91-伸缩板；92-安装架；93-扫描仪；10-测速装置；11-定位装置；12-电控系统；121-电控柜和电气元器件；122-工控机及配件；123-发电机；124-服务器及配件；13-安装盘；14-运动分支；15-相机稳定台；16-驱动及传感装置；17-回转驱动；18-相机安装架；19-相机组。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置及方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

参见图1以及图2，一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，检测装置由车辆承载系统1、测量及控制系统2、稳定平台系统3及视觉采集系统4构成。测量及控制系统2以及稳定平台系统3分别置于车辆承载系统1上；视觉采集系统4置于稳定平台系统3底部并对公路结构病害进行视觉采集；测量及控制系统2对公路结构病害进行测量。

参见图1以及图2，车辆承载系统1包括车体5、车厢6、车轮7以及升降装置8；车厢6置于车体5上；车轮7置于车体5底部；稳定平台系统3通过升降装置8置于车厢6中；测量及控制系统2置于车体5上。

车体5包括驾驶室51、底盘52以及测量设备间53；驾驶室51以及测量设备间53均置于底盘52前端部；车厢6置于底盘52上；车轮7置于底盘52底部；测量及控制系统2置于底盘52上；测量及控制系统2在非工作状态时置于测量设备间53中。底盘52设置有推拉门，非工作状态下关闭推拉门，工作状态下打开推拉门开始图片采集；

参见图5，升降装置8包括液压机构81以及导轨82；液压机构81与稳定平台系统3相连并驱动稳定平台系统3沿导轨82的轴向自如移动。导轨82安装在液压机构81下端，用于调整稳定平台系统3的垂直位移。

测量及控制系统2包括扫描装置9、测速装置10、定位装置11以及电控系统12；扫描装置9在非工作状态时置于测量设备间53中，在工作状态从测量设备间53中伸出；测速装置10置于车轮7上轮毂上，根据行驶速度结合扫描装置9与相机组19之间距离，计算开始抓拍时刻、拍照持续时间；定位装置11置于驾驶室51顶部，用于实时计算并记录车辆所处里程桩号；电控系统12置于底盘52上；定位装置11的定位精度为0.5m，定位装置是GPS。

参见图3，扫描装置9包括伸缩板91、安装架92以及扫描仪93；扫描仪93通过安装架92设置在伸缩板91上；伸缩板91在非工作状态时置于测量设备间53中，在工作状态从测量设备间53中伸出测量公路路面低洼、塌陷等结构病害的面积及深度等尺寸；扫描仪93的扫描范围4.0m，扫描仪93的精度是0.05mm。

参见图4，电控系统12包括均设置在底盘52上的电控柜和电气元器件121、工控机及配件122、发电机123以及服务器及配件124。

参见图5，稳定平台系统3为六自由度并联结构，用于隔离车辆颠簸对视觉采集系统的影响，包括安装盘13、运动分支14、相机稳定台15以及驱动及传感装置16；相机稳定台15通过运动分支14设置在安装盘13上；液压机构81与安装盘13相连并驱动安装盘13沿导轨82的轴向自如移动；驱动及传感装置16与运动分支14相连并驱动运动分支14运动；稳定平台系统3的稳定精度移动1％F.S、转动5％F.S；稳定平台系统3的定位精度移动0.1％F.S、转动0.5％F.S。安装盘13放置在导轨82上滑动调整其水平位置；相机稳定台15的长边与安装盘13的短边平行安装，运动分支14安装在安装盘13和相机稳定台15之间，驱动与传感装置16放置于并联机构运动分支14各运动副处；视觉采集系统4由回转驱动17、相机安装架18和相机组19三部分组成，回转驱动17放置在相机稳定台15上，相机安装架18放置在回转驱动17上，相机组19由3台线阵相机构成，放置在相机安装架18上，用于拍摄满足阈值条件的路面结构病害。

参见图5以及图6，视觉采集系统4包括回转驱动17、相机安装架18以及相机组19；回转驱动17设置在相机稳定台15上；回转驱动17与相机安装架18相连并驱动相机安装架18转动；相机安装架18上设置有多组相机组19；相机安装架18整体呈L型；相机安装架18包括第一安装臂以及与第一安装臂相连的第二安装臂；第一安装臂所在平面与第二安装臂所在平面之间的夹角是150～170°；相机组19的全幅拍摄范围4.0m。

本发明提供了一种基于稳定视觉的公路结构病害检测方法，该方法包括以下步骤：

1)准备工作：根据车辆所处车道以及公路等级，打开测量设备间53，将扫描装置9放至水平工作状态(如图1所示)，打开底盘52上推拉门。调整液压机构81高度及安装盘13在导轨82的水平位置，调整回转驱动17及相机安装架18的角度使相机组19相对于公路路面待采集区域的垂直距离相同。

2)行驶过程：扫描装置9实时扫描公路路面信息并利用工控机122计算路面塌陷、开裂等病害的面积、深度数值，当计算值大于给定阈值时，结合车体长度、病害数值以及测速装置10数据计算视觉采集系统开始抓拍时刻及拍照持续时间，根据定位装置11数据计算车辆所处里程桩号并将所有数据上传服务器121。

3)动态调整过程：根据步骤2)采集的病害面积、深度、位置等数据，计算并调整相机安装架18的夹角及转动角度。

4)稳定过程：根据安装盘13上设置的传感器组实时获取车辆颠簸参数，结合稳定平台系统结构解算并联机构各分支位移、速度、加速度等数值，利用驱动机构按照解算数值调整稳定平台系统位姿，隔离振动对视觉采集系统4的影响，保证图片采集环境及质量。

5)拍摄过程：根据开始抓拍时刻提前设置相机开启，根据拍照持续时间、相机行频计算拍照次数，拍摄图片并存储于服务器，实现病害扫描数据、桩号数据和图片信息等数据的融合。以上为一个完整拍摄周期，当测量到新病害时，重复上述步骤。

公路路面结构病害的尺寸检测精度为2.0mm。

液压机构81下降0.5m，导轨82水平移动0.15m，精度为2.0mm。扫描装置9可折叠，工作状态下伸缩板91和安装架92水平共线放置，扫描仪93垂直安装在安装架92下，非工作状态伸缩板91和安装架92折叠夹角为45°，扫描仪93与安装架92夹角为45°；传感器个数为4个，扫描范围4.0m，扫描精度为0.05mm。定位装置11的定位精度为0.5m。稳定平台系统3稳定精度移动1％F.S、转动5％F.S，定位精度移动0.1％F.S、转动0.5％F.S。相机安装架18为L型，两边夹角范围为150～170°，回转角度为0～360°，相机全幅拍摄范围4.0m。

与现有技术相比，本发明测量及控制系统基于三维扫描技术、定位技术，判断路面低洼、塌陷等结构病害的面积及深度是否大于阈值，计算开始抓拍时刻、拍照持续时间及车辆所处里程桩号，定位准确，控制精度高。稳定平台系统基于并联机构运动及精度高、结构紧凑等优点，隔离车辆颠簸对视觉采集系统的影响，获得采集质量好、特征明显的病害图片。先使用三维扫描技术精准定位，再使用相机拍照的病害采集方式，极大地提高了工作效率，降低了数据存储量。综上，本发明将三维扫描技术、并联机器人技术引入公路病害检测领域，研制适用于各等级公路路面结构病害检测的智能设备，基于三维扫描技术的精准定位采集质量好、特征明显的病害图片，获得结构病害的三维检测信息。具备检测速度快、精度高，图片采集质量好、信息丰富等优势，改变了传统人工检测效率低、安全性差，纸质资料信息查询难、易丢失，仅依靠视觉采集数据量庞大、工作效率低的技术现状，实现了公路路面结构病害的信息化与智能化管理。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述基于稳定视觉的公路结构病害检测装置包括车辆承载系统（1）、测量及控制系统（2）、稳定平台系统（3）以及视觉采集系统（4）；所述测量及控制系统（2）以及稳定平台系统（3）分别置于车辆承载系统（1）上；所述视觉采集系统（4）置于稳定平台系统（3）底部并对公路结构病害进行视觉采集；所述测量及控制系统（2）对公路结构病害进行测量。

2.根据权利要求1所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述车辆承载系统（1）包括车体（5）、车厢（6）、车轮（7）以及升降装置（8）；所述车厢（6）置于车体（5）上；所述车轮（7）置于车体（5）底部；所述稳定平台系统（3）通过升降装置（8）置于车厢（6）中；所述测量及控制系统（2）置于车体（5）上。

3.根据权利要求2所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述车体（5）包括驾驶室（51）、底盘（52）以及测量设备间（53）；所述驾驶室（51）以及测量设备间（53）均置于底盘（52）前端部；所述车厢（6）置于底盘（52）上；所述车轮（7）置于底盘（52）底部；所述测量及控制系统（2）置于底盘（52）上；所述测量及控制系统（2）在非工作状态时置于测量设备间（53）中。

4.根据权利要求3所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述升降装置（8）包括液压机构（81）以及导轨（82）；所述液压机构（81）与稳定平台系统（3）相连并驱动稳定平台系统（3）沿导轨（82）的轴向自如移动。

5.根据权利要求4所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述测量及控制系统（2）包括扫描装置（9）、测速装置（10）、定位装置（11）以及电控系统（12）；所述扫描装置（9）在非工作状态时置于测量设备间（53）中，在工作状态从测量设备间（53）中伸出；所述测速装置（10）置于车轮（7）上；所述定位装置（11）置于驾驶室（51）顶部；所述电控系统（12）置于底盘（52）上；所述定位装置（11）的定位精度为0.5m。

6.根据权利要求5所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述扫描装置（9）包括伸缩板（91）、安装架（92）以及扫描仪（93）；所述扫描仪（93）通过安装架（92）设置在伸缩板（91）上；所述伸缩板（91）在非工作状态时置于测量设备间（53）中，在工作状态从测量设备间（53）中伸出；所述扫描仪（93）的扫描范围4.0m，所述扫描仪（93）的精度是0.05mm。

7.根据权利要求6所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述电控系统（12）包括均设置在底盘（52）上的电控柜和电气元器件（121）、工控机及配件（122）、发电机（123）以及服务器及配件（124）。

8.根据权利要求7所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述稳定平台系统（3）包括安装盘（13）、运动分支（14）、相机稳定台（15）以及驱动及传感装置（16）；所述相机稳定台（15）通过运动分支（14）设置在安装盘（13）上；所述液压机构（81）与安装盘（13）相连并驱动安装盘（13）沿导轨（82）的轴向自如移动；所述驱动及传感装置（16）与运动分支（14）相连并驱动运动分支（14）运动；所述稳定平台系统（3）的稳定精度移动1%F.S、转动5%F.S；所述稳定平台系统（3）的定位精度移动0.1%F.S、转动0.5%F.S。

9.根据权利要求8所述的基于稳定视觉的公路结构病害检测装置，其特征在于：所述视觉采集系统（4）包括回转驱动（17）、相机安装架（18）以及相机组（19）；所述回转驱动（17）设置在相机稳定台（15）上；所述回转驱动（17）与相机安装架（18）相连并驱动相机安装架（18）转动；所述相机安装架（18）上设置有多组相机组（19）；所述相机安装架（18）整体呈L型；所述相机安装架（18）包括第一安装臂以及与第一安装臂相连的第二安装臂；所述第一安装臂所在平面与第二安装臂所在平面之间的夹角是150~170°；所述相机组（19）的全幅拍摄范围4.0m。

10.一种基于稳定视觉的公路结构病害检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）准备工作：根据车辆所处车道以及公路等级，打开测量设备间（53），将扫描装置（9）放至水平工作状态，打开底盘（52）上推拉门；调整液压机构（81）高度及安装盘（13）在导轨（82）的水平位置，调整回转驱动（17）及相机安装架（18）的角度使相机组（19）相对于公路路面待采集区域的垂直距离相同；

2）行驶过程：扫描装置（9）实时扫描公路路面信息并利用工控机（122）计算路面塌陷以及开裂病害的面积、深度数值，当计算值大于给定阈值时，结合车体长度、病害数值以及测速装置（10）数据计算视觉采集系统开始抓拍时刻及拍照持续时间，根据定位装置（11）数据计算车辆所处里程桩号并将所有数据上传服务器（121）；

3）动态调整过程：根据步骤2）采集的病害面积、深度以及位置数据，计算并调整相机安装架（18）的夹角及转动角度；

4）稳定过程：根据安装盘（13）上设置的传感器组实时获取车辆颠簸参数，结合稳定平台系统结构解算并联机构各分支位移、速度以及加速度数值，利用驱动机构按照解算数值调整稳定平台系统位姿，隔离振动对视觉采集系统（4）的影响，保证图片采集环境及质量；

5）拍摄过程：根据开始抓拍时刻提前设置相机开启，根据拍照持续时间、相机行频计算拍照次数，拍摄图片并存储于服务器，实现病害扫描数据、桩号数据和图片信息数据的融合。