CN110849368B - 一种隧道内高精度快速定位装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道内高精度快速定位装置与方法，该装置包括车体、电力模块、计算机模块和定位模块，其中，电力模块包括蓄电池和电源转换单元，计算机模块包括计算机和网络单元，定位模块包括编码器、激光扫描仪、隧道图像传感器、定位图像传感器和多个定位标签；多个定位标签布置在隧道衬砌表面上，定位图像传感器安装在车体的两侧，定位图像传感器的位置能确保定位标签均处于定位图像传感器的拍摄范围内，编码器安装在车体轮轴上，隧道图像传感器安装在车体的顶部和两侧，激光扫描仪安装在车体后盾的移动支座上。与现有技术相比，本发明能够实现隧道内目标纵向里程、环向位置厘米级定位，具有动态实时、精度高、速度快、结果可靠的特点。

Description

一种隧道内高精度快速定位装置与方法

技术领域

本发明涉及一种隧道内定位技术领域，尤其是涉及一种隧道内高精度快速定位装置与方法。

背景技术

隧道是一种典型的地下线性工程，在隧道中卫星系统信号较弱，其精确定位较为困难，特别是随着隧道快速检测技术的推广应用，如何快速实现隧道内定位是工程中面临的一大难题。定位是指确定目标空间位置，广泛应用于车辆导航、工程建设、市政规划等各个领域。卫星导航技术发展迅速，具有实时、高效、精准定位的优点，工程领域经常利用卫星导航技术布设测点控制网、变形监测、勘探测量等方面。编码器将机械与电子紧密结合，通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子信号(电子脉冲信号或者数据串)，可高精度测量转角或直线的位移量，但长距离测量累积误差较大。隧道环境相对封闭，卫星导航不能充分发挥其优势，接收设备在隧道内不能实时接收真实的卫星导航信号，导致无法精准确定目标位置。

如中国发明CN109031377A公开了一种基于伪卫星的隧道内定位方法，用于在隧道内为用户提供定位导航服务；中国发明申请CN 105242241A公开了一种基于Wi-Fi的室内定位方法，利用电子标签作为参考，实现巡检人员定位设备。但是上述的方法定位精度均为米级，难以满足隧道工程实际需求。因此，迫切需要一种隧道高精度快速定位装置与方法实现目标高精度、快速定位。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种隧道内高精度快速定位装置与方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道内高精度快速定位装置，其特征在于，包括车体、电力模块、计算机模块和定位模块，其中，所述的电力模块包括蓄电池和电源转换单元，所述的计算机模块包括计算机和网络单元，所述的定位模块包括编码器、激光扫描仪、隧道图像传感器、定位图像传感器和多个定位标签。

所述的多个定位标签布置在隧道衬砌表面上，所述的定位图像传感器安装在车体的一侧，定位图像传感器的位置能确保定位标签均处于定位图像传感器的拍摄范围内，所述的编码器安装在车体轮轴上，所述的隧道图像传感器安装在车体的顶部和两侧，所述的激光扫描仪安装在车体后盾的移动支座上，所述的计算机通过网络单元分别连接编码器、激光扫描仪、隧道图像传感器和定位图像传感器，所述的蓄电池通过电源转换单元分别连接计算机、编码器、激光扫描仪、隧道图像传感器和定位图像传感器。

进一步地，所述的计算机中运行程序用于实现以下功能：存储编码器采集的距离、对应的时间；存储激光扫描仪采集的隧道轮廓坐标、对应的时间；存储隧道图像传感器采集的隧道衬砌表观图像、对应的时间；存储定位图像传感器采集的定位标签信息；处理距离信息、隧道轮廓坐标、隧道衬砌表观图像、定位标签信息，确定目标位置。

进一步地，所述的编码器安装在车体的轮轴上，其电源接口通过电源转换单元与蓄电池连接，其触发接口通过网络单元与计算机连接，该编码器用于采集距离信息并触发图像采集信号控制隧道图像传感器、定位图像传感器工作，通过数据转换得到得到对应的纵向里程。

进一步地，所述的隧道图像传感器根据拍摄范围进行环向布置，并且相邻图像传感器拍摄重叠区域大于0.1m，隧道图像传感器拍摄范围覆盖隧道衬砌环向。

进一步地，所述的定位标签为标签板或标签纸，用于校正目标纵向里程及环向位置；定位标签上部为编码符号，底部注明定位标签编码及里程信息，并固定于隧道衬砌表面；定位标签采用五进制进行编码，编码符号颜色RGB值为[0，0，0]；定位标签上采用三种符号的组合进行定义，一级符号为竖向实心矩形，权值为5⁰＝1，二级符号为横向实心矩形，权值为5¹＝5，三级符号为实心圆，权值为5²＝25；将每个定位标签的五进制编码TCID、序号TID、对应的里程TM、固定的高度TH，即标签安装处距最近边墙底部的距离，输入至定位标签数据库中并保存至计算机中。

一种如上述的隧道内高精度快速定位装置的定位方法，包括以下步骤：

S1、将激光扫描仪获取的隧道轮廓坐标与隧道图像传感器拍摄的范围统一于同一坐标系中，结合隧道图像传感器参数确定各隧道图像传感器拍摄范围；

S2、车体沿隧道纵向连续移动，编码器按照设定的距离触发采集信号，隧道图像传感器拍摄隧道衬砌表观图像，定位图像传感器拍摄定位标签图像，激光扫描仪采集隧道轮廓坐标，计算机存储上述采集的数据并进行处理；

S3、计算机实时处理定位图像传感器拍摄的图像，获取定位标签信息，利用定位标签对应的里程分段修正编码器采集的距离信息：

S4、图像环向拼接：每个隧道图像传感器同时拍摄无错位，且两个相邻的图像传感器拍摄区域有重叠，将同一时间隧道图像传感器拍摄的图像按照编号进行拼接，利用步骤S1计算的图像传感器的拍摄范围求得重叠区域并剔除重叠部分，形成该时刻环向衬砌表观图像；

S5、图像纵向拼接：将拼接好的环向图像根据时间进行排序，利用步骤S3中修正的编码器信息计算重叠区域并剔除重叠部分，沿隧道纵向进行拼接形成隧道衬砌表观图像；

S6、分段处理隧道衬砌表观图像，通过图像处理确定目标纵向里程及环向位置，最后得到目标位置在坐标系中的坐标。

进一步地，所述的步骤S3中，采用的修正表达式为：

其中，Dis_i,j代表编码器在定位图像传感器第i段拍摄的第j张照片时对应的里程，M_i+1代表第i段终止位置的定位标签里程，M_i代表第i段起始位置的定位标签里程，n_i代表第i段定位图像传感器拍摄的次数。

进一步地，所述的步骤S6中，确定目标纵向里程及环向位置的表达式为：

其中，x代表目标纵向里程，P_x代表目标纵向像素点号，N_x代表该段纵向像素点个数，Dis_e代表该段最后一张图像对应的里程，Dis_s代表该段第一张图像对应的里程；

y代表目标环向位置，P_y代表目标环向像素点号，N_y代表定位标签距边墙底部的像素点个数，TH代表定位标签固定高度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于编码器进行纵向里程初步定位、基于激光扫描仪进行环向定位，通过隧道图像传感器和定位图像传感器结合定位标签对隧道内目标进行图像校核，克服了编码器长距离测量累计误差大的问题，修正目标位置，实现隧道内多层次、动态实时、精准定位，定位精度可达厘米级。

2、本发明的定位标签采用极简易图形编码，相较于传统的条形码、二维码，识别度和识别效率更高，可满足隧道内快速运动中图形定位识别。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的连接结构示意框图。

图3是本发明的定位标签信息上的符号示意图。

图4是隧道图像传感器拍摄范围示意图。

图5是拼接的目标位置计算示意图。

图6是编码为121的定位标签示意图。

图7是编码为122的定位标签示意图。

附图标记：1、车体，2、电力模块，21、蓄电池，22、电源转换单元，3、计算机模块，31、计算机，32、网络单元，4、定位模块，41、编码器，42、激光扫描仪，43、隧道图像传感器，44、定位图像传感器，45、定位标签。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～图3所示，本实施例提供了一种隧道内高精度快速定位装置。包括车体1、电力模块2、计算机模块3和定位模块4。电力模块2包括蓄电池21和电源转换单元22，安装在车体1内部；计算机模块3包括计算机31和网络单元32，同样安装在车体1内部；定位模块4包括编码器41、激光扫描仪42、隧道图像传感器43、定位图像传感器44和多个定位标签45。

编码器41安装在车体1的后轮轮轴上，其电源接口通过电源转换单元22与蓄电池21连接，其触发接口通过网络单元32(网络单元32可采用有线网络或无线网络)与计算机31连接，该编码器41用于采集距离信息并触发图像采集信号，通过数据转换得到对应里程。编码器41在本实施例中采用欧姆龙E6C3-CWZ光电旋转编码器，里程定位精度为±5cm。

激光扫描仪42安装在车体1内的后盾移动支座上，电源接口通过电源转换单元22与蓄电池21连接，控制端口通过网络单元32与计算机31连接用于获取当前位置隧道轮廓坐标信息。激光扫描仪42在本实施例中采用德国SICK二维激光扫描仪，型号为LMC121-11000，扫描频率为50Hz，角分辨率为0.25°；

定位标签45布置在隧道衬砌表面上，定位图像传感器44安装在车体1的一侧，定位图像传感器44的位置能确保定位标签45均处于定位图像传感器44的拍摄范围内，定位图像传感器44控制端口通过网络单元32与计算机31连接。

隧道图像传感器43安装在车体1的顶部和两侧，控制端口通过网络单元与计算机31连接，用于获取隧道衬砌表观图像。隧道图像传感器43根据拍摄范围进行环向布置，并且相邻图像传感器拍摄重叠区域大于0.1m，使得隧道图像传感器43拍摄范围覆盖隧道衬砌环向，如图4所示。

隧道图像传感器43和定位图像传感器44均采用Genie Nano-CL M4040工业相机，分辨率为4112*3012像素。

计算机31通过网络单元32与各设备连接，用于控制各设备进行数据采集，同时存储定位系统采集的数据并进行处理，具体包括：

(1)存储编码器41采集的距离、对应的时间；

(2)存储激光扫描仪42采集的隧道轮廓坐标、对应的时间；

(3)存储隧道图像传感器43采集的隧道衬砌表观图像、对应的时间；

(4)存储定位图像传感器44采集的定位标签45信息、对应的时间；

(5)处理距离、隧道轮廓坐标、隧道衬砌表观图像、定位标签45信息，确定目标位置。

蓄电池21通过电源转换单元22分别连接计算机31、编码器41、激光扫描仪42、隧道图像传感器43和定位图像传感器44，提供电力。

本实施例的目标定位方法通过以下步骤实现：

1、将一组多个定位标签固定在隧道衬砌表面。定位标签用于校正目标纵向里程及环向位置，其制作方法如下：

(1)采用不锈钢板制作，上部为定位标签的编码符号，底部注明定位标签的编码及里程信息，并固定于隧道衬砌表面；

(2)定位标签采用五进制进行编码，编码符号颜色RGB值为[0，0，0]；

(3)一级符号为竖向实心矩形，权值为5⁰＝1，二级符号为横向实心矩形，权值为5¹＝5，三级符号为实心圆，权值为5²＝25。

如图5所示，定位标签一级符号为计数1，高45mm、宽15mm的实心矩形，二级符号为计数5，高15mm、宽45mm的实心矩形，三级符号为计数25、直径为45mm的实心圆。

(4)定位标签制作完成；

(5)最后将定位标签五进制编码TCID、序号TID、对应的里程TM、固定的高度TH(距最近边墙底部的距离，本实施例采用固定高度为0.5m。)及其他信息输入定位标签数据库中并保存至计算机。

五进制编码转序号示例，编码TCID＝123，编码从左至右依次为三级符号编码、二级符号编码、一级符号编码，对应的序号TID＝1×5²+2×5¹+3×5⁰＝38。

定位标签的具体信息如下：

编码001、序号1、里程K0+000、固定高度0.5m、2号线区间隧道；

编码002、序号2、里程K0+50、固定高度0.5m、2号线区间隧道；

…

编码121、序号36、里程K1+000、固定高度0.5m、2号线区间隧道，如图6所示；

编码122、序号37、里程K1+100、固定高度0.5m、2号线区间隧道，如图7所示；

…

2、在计算机31中，预先将激光扫描仪42获取的隧道轮廓坐标与隧道图像传感器43拍摄的范围统一于同一坐标系中，结合隧道图像传感器43参数确定各隧道图像传感器43拍摄范围。

3、打开电力模块2，检查各模块的连接情况，然后车体1沿隧道纵向行进，编码器41实时采集距离信息并触发相机采集信号，隧道图像传感器43采集隧道衬砌表观图像，定位图像传感器44采集定位标签45图像，激光扫描仪42实时采集隧道轮廓坐标。

4、车体1前进过程中，实时分析定位图像传感器44拍摄的图像，识别定位标签45获取的里程信息修正编码器41采集的距离数据；

5、根据定位标签45沿隧道纵向进行分段，并且在第36段拍摄次数为102，由步骤1可知，第36段起始里程为K1+000、终止里程为K1+100，则M₃₆为K1+000，M₃₇为K1+100，n₃₆为102；

根据计算表达式：

可得出第36段拍摄第50次时编码器41对应的里程为Dis_36,50＝K1+40.020；

6、四台隧道图像传感器43同时拍摄无错位，且相邻相机拍摄区域有重叠，将同一时间拍摄的图像按照编号进行拼接，利用传感器参数及激光扫描仪42获取的隧道轮廓坐标计算重叠区域，剔除重叠部分进行图像拼接形成该时刻环向衬砌表观图像；

7、将拼接好的环向图像根据时间进行排序，根据传感器参数、编码器41采集的距离信息将环向图像进行纵向拼接形成隧道衬砌表观图像；

8、如图3所示，以定位标签45为节点分段处理拼接好的隧道衬砌表观图像，计算目标纵向里程及环向位置；

通过图像处理得到目标中心点像素P_x为2500，P_y为13800，拼接的隧道衬砌表观图像纵向像素点个数N_x为10800，定位标签45底部距边墙底部的像素点个数N_y为4400。

根据计算表达式：

可得目标中心点纵向里程x＝K1+23.148，y＝1.568m。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种隧道内高精度快速定位装置，其特征在于，包括车体(1)、电力模块(2)、计算机模块(3)和定位模块(4)，其中，所述的电力模块(2)包括蓄电池(21)和电源转换单元(22)，所述的计算机模块(3)包括计算机(31)和网络单元(32)，所述的定位模块(4)包括编码器(41)、激光扫描仪(42)、隧道图像传感器(43)、定位图像传感器(44)和多个定位标签(45)；

所述的多个定位标签(45)布置在隧道衬砌表面上，所述的定位图像传感器(44)安装在车体(1)的一侧，定位图像传感器(44)的位置能确保定位标签(45)均处于定位图像传感器(44)的拍摄范围内，所述的编码器(41)安装在车体(1)轮轴上，所述的隧道图像传感器(43)安装在车体(1)的顶部和两侧，所述的激光扫描仪(42)安装在车体(1)后盾的移动支座上，所述的计算机(31)通过网络单元(32)分别连接编码器(41)、激光扫描仪(42)、隧道图像传感器(43)和定位图像传感器(44)，所述的蓄电池(21)通过电源转换单元(22)分别连接计算机(31)、编码器(41)、激光扫描仪(42)、隧道图像传感器(43)和定位图像传感器(44)；

所述的定位标签为标签板或标签纸，用于校正目标纵向里程及环向位置；定位标签上部为编码符号，底部注明定位标签编码及里程信息，并固定于隧道衬砌表面；定位标签采用五进制进行编码，编码符号颜色RGB值为[0，0，0]；定位标签上采用三种符号的组合进行定义，一级符号为竖向实心矩形，权值为5⁰＝1，二级符号为横向实心矩形，权值为5¹＝5，三级符号为实心圆，权值为5²＝25；将每个定位标签的五进制编码TCID、序号TID、对应的里程TM、固定的高度TH，即标签安装处距最近边墙底部的距离，输入至定位标签数据库中并保存至计算机中；

所述的隧道内高精度快速定位装置的定位方法，包括以下步骤：

S1、将激光扫描仪获取的隧道轮廓坐标与隧道图像传感器拍摄的范围统一于同一坐标系中，结合隧道图像传感器参数确定各隧道图像传感器拍摄范围；

S2、车体沿隧道纵向连续移动，编码器按照设定的距离触发图像采集信号，隧道图像传感器拍摄隧道衬砌表观图像，定位图像传感器拍摄定位标签图像，激光扫描仪采集隧道轮廓坐标，计算机存储上述采集的数据并进行处理；

S3、计算机实时处理定位图像传感器拍摄的图像，获取定位标签信息，利用定位标签对应的里程分段修正编码器采集的距离信息：

S4、图像环向拼接：每个隧道图像传感器同时拍摄无错位，且两个相邻的图像传感器拍摄区域有重叠，将同一时间隧道图像传感器拍摄的图像按照编号进行拼接，利用步骤S1计算的图像传感器的拍摄范围求得重叠区域并剔除重叠部分，形成该时刻环向衬砌表观图像；

S5、图像纵向拼接：将拼接好的环向图像根据时间进行排序，利用步骤S3中修正的编码器信息计算重叠区域并剔除重叠部分，沿隧道纵向进行拼接形成隧道衬砌表观图像；

S6、分段处理隧道衬砌表观图像，通过图像处理确定目标纵向里程及环向位置，最后得到目标位置在坐标系中的坐标。

2.根据权利要求1所述的隧道内高精度快速定位装置，其特征在于，所述的计算机(31)中运行程序用于实现以下功能：存储编码器(41)采集的距离、对应的时间；存储激光扫描仪(42)采集的隧道轮廓坐标、对应的时间；存储隧道图像传感器(43)采集的隧道衬砌表观图像、对应的时间；存储定位图像传感器(44)采集的定位标签(45)信息；处理距离信息、隧道轮廓坐标、隧道衬砌表观图像、定位标签(45)信息，确定目标位置。

3.根据权利要求1所述的隧道内高精度快速定位装置，其特征在于，所述的编码器(41)安装在车体(1)的轮轴上，其电源接口通过电源转换单元(22)与蓄电池(21)连接，其触发接口通过网络单元(32)与计算机(31)连接，该编码器(41)用于采集距离信息并触发图像采集信号控制隧道图像传感器(43)、定位图像传感器(44)工作，然后通过数据转换得到对应的纵向里程。

4.根据权利要求1所述的隧道内高精度快速定位装置，其特征在于，所述的隧道图像传感器(43)根据拍摄范围进行环向布置，并且相邻图像传感器拍摄重叠区域大于0.1m，隧道图像传感器(43)拍摄范围覆盖隧道衬砌环向。

5.根据权利要求1所述的隧道内高精度快速定位装置，其特征在于，所述的步骤S3中，采用的修正表达式为：

其中，Dis_i,j代表编码器在定位图像传感器第i段拍摄的第j张照片时对应的里程，M_i+1代表第i段终止位置的定位标签里程，M_i代表第i段起始位置的定位标签里程，n_i代表第i段定位图像传感器拍摄的次数。

6.根据权利要求1所述的隧道内高精度快速定位装置，其特征在于，所述的步骤S6中，确定目标纵向里程及环向位置的表达式为：

其中，x代表目标纵向里程，P_x代表目标纵向像素点号，N_x代表该段纵向像素点个数，Dis_e代表该段最后一张图像对应的里程，Dis_s代表该段第一张图像对应的里程；

y代表目标环向位置，P_y代表目标环向像素点号，N_y代表定位标签距边墙底部的像素点个数，TH代表定位标签固定高度。

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