CN111022826B - 一种管道内壁三维采集设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道内壁三维采集设备，包括本体和叶轮，其中本体，包括旋转装置，旋转装置上设置有图像采集端口；图像采集端口，用于将管道内壁图像导入光线偏折系统中；光线偏折系统，用于将图像采集端口进入的图像偏折至图像采集装置中；扫描设备行进速度、旋转装置转动角速度、图像采集装置视场角满足公式关系。本发明首次提出不需要额外动力的三维采集设备。防止驱动相机转动带来的负担，只旋转图像采集端口，通过反射镜将不同图像反射至相机中，而无需转动相机，设备更加轻量化，转动采集更加稳定。

Description

一种管道内壁三维采集设备

技术领域

本发明涉及形貌测量技术领域，特别涉及管道内壁形貌测量技术领域。

背景技术

管道检测通常包括电磁法、超声法，这些方法可以检测管壁中缺陷裂缝等，但无法检测管道内壁的形貌，特别是无法得到直观的管道内壁的视觉图像。

目前也存在使用相机进行管道内壁视觉检测的方法，但这种方法仅仅限于二维图像，但对于封闭的管道，无法判断其内壁三维形貌，从而无法准确测量/检测管道情况。虽然利用激光扫描或结构光扫描的方法可以获得管道三维形貌，但其仅能够得到三维形貌结构，无法获得真实的图像情况，对于封闭管道内复杂的情况不易做出判断，并且任何使用激光装置的设备成本都非常高，且对于光学稳定性要求较高，不适合管道这种复杂的环境。

另外，由于管道特殊环境，很多三维采集装置由于体积较大，无法进入。并且目前三维扫描设备本身并不能运动，无法扫描整个管道内壁。如果不考虑管道特殊环境将会导致三维采集的精度降低，甚至无法合成三维模型。并且在管道内工作时间过长会带来安全隐患，因此需要提高采集效率，降低采集时间。也就是要同时满足采集时间短、精度高的要求，目前也无相关技术涉及。

虽然目前也有一些管道清理设备可以进入管道内工作，但没有技术启示使其具有图像采集和三维建模功能。并且这些设备通常需要额外电源，需要拖电缆进入或频繁充电，使用极为不方便。且一旦电源故障，将无法行进，拥堵管道。

因此，目前急需解决以下技术问题：①能够在管道内行走，适合管道复杂环境；②能够同时获得管道内壁三维形貌和图像纹理信息；③成本低，可靠性高、采集三维精度高、采集时间短。④无需额外能源。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的采集设备。

本发明提供了一种管道内壁三维采集设备，包括本体和叶轮，其中

本体，包括旋转装置，旋转装置上设置有图像采集端口；

图像采集端口，用于将管道内壁图像导入光线偏折系统中；

光线偏折系统，用于将图像采集端口进入的图像偏折至图像采集装置中；

扫描设备行进速度、旋转装置转动角速度、图像采集装置视场角满足如下关系：

其中，v为在旋转装置旋转过程中扫描设备的行进速度，R为管道半径，L为在旋转轴线上图像采集装置光心距旋转中心距离，β为图像采集装置半视场角，w为旋转装置转动角速度，θ为相邻两个图像采集装置光轴夹角，m为系数。

可选的，m<0.9。

可选的，具有一个或多个图像采集单元，位于旋转装置内。

可选的，具有一个或多个图像采集单元，位于本体固定部分内。

可选的，光偏折装置与旋转装置旋转轴线相交。

可选的，光偏折装置偏离旋转装置旋转轴线。

可选的，叶轮，用于接收管道内流体的推动，从而产生扫描设备前进的动力。

可选的，还包括行进轮，行进轮通过可伸缩装置与本体连接。

可选的，平移装置驱动图像采集装置沿旋转装置径向移动。

可选的，叶轮与旋转驱动装置连接，为旋转装置旋转提供动力。

发明点及技术效果

1、首次提出不需要额外动力的三维采集设备。

2、防止驱动相机转动带来的负担，只旋转图像采集端口，通过反射镜将不同图像反射至相机中，而无需转动相机，设备更加轻量化，转动采集更加稳定。

3、为保证后续三维图像的合成效果，限定了扫描设备行进速度和图像采集的转动速度，并根据经验进行了优化，使得三维合成能够同时兼顾速度和效果。

4、通过弹性行走装置自适应调整扫描装置在管道中的位置，使得其始终位于管道轴线处，保证三维采集图片的一致性，防止由于偏心带来的对焦不准问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的管道内壁三维采集设备的采集原理示意图；

图2为本发明实施例提供的管道内壁三维采集设备的旋转装置示意图；

图3为本发明实施例提供的管道内壁三维采集设备的另一旋转装置示意图；

图4为本发明实施例提供的管道内壁三维采集设备的又一旋转装置示意图；

图5为本发明实施例提供的管道内壁三维采集设备的再一旋转装置示意图；

图6为本发明实施例提供的管道内壁三维采集设备的行进装置示意图；

附图中的各部件与附图标记的对应关系：

1本体，2叶轮，3旋转装置，4图像采集端口，5光线偏折装置，6图像采集装置，7行进轮，8伸缩支架。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

为解决上述技术问题，本发明的一实施例提供了一种管道内壁三维采集设备，也成为三维采集机器人(本发明简称机器人)，包括本体1、叶轮2、及行进单元。

其中本体1包括一旋转装置3，该旋转装置3可以为中空的旋转盘。旋转装置3上沿周向设置有一个或多个图像采集端口4，用来接收目标管道内壁的图像光线。该端口可以为具有透明材料的孔，也可以包括能够对光束进行整形的光学系统，例如透镜或透镜组，形成入光口。端口周围设置有多个光源。光源可以为LED灯珠，但也可以设置智能光源，例如可以根据需要选择不同的光源亮度、亮灭等。光源用来照亮目标物，防止目标物过暗影响采集效果和精度。但同时也要防止光源过亮，导致目标物纹理信息损失。光源也可以设置在本体1的其他位置，以照亮待扫描部分为准。每个端口对应一个光线偏折装置5，光线偏折装置5位于旋转装置3内部靠近轴线部分。每个光线偏折装置5对应一个图像采集装置6，其可以为摄像机、相机、CCD、CMOS等。图像采集装置6位于旋转装置3内靠近轴线的部分，且与对应的光线偏折装置5相互沿旋转轴轴线方向分布(参见图1)。

由于待测管径不同，图像采集装置6可以通过透镜组变焦，并且具有沿旋转装置3轴向(或整个光学系统光路方向)移动的平移装置，通过平移装置调整图像采集装置6在光路方向距离待测区域的距离。采集端口通过光线偏折装置5将待测对象的图像导入图像采集装置6中，从而采集待测管道内壁的图像。

旋转装置3以特定角速度旋转，带动多个端口旋转，从而使得对应的每个图像采集装置6采集管道内壁对应位置的图像。在一种实施例中，入光口为包括透明玻璃材料的圆孔，沿着光路方向圆孔后面依次设置有透镜组、反射镜(或反射棱镜)、透镜组和CCD芯片。在另一种实施例中，入光口包括透明树脂材料的圆孔，沿光路设置有反射镜(或反射棱镜)可变焦相机。

由于旋转，多个图像采集装置6采集的区域相互交叠，这会提高信息的冗余度，保证3D合成的成功率和效果。但过度的交叠会导致采集速度过慢，效率降低，并且导致整个三维扫描机器人在管道内停留时间过长，造成安全隐患。更重要的是，扫描速度过慢要求机器人行进速度也相应减慢(如果过快，会导致扫描不全面)。而在压力管道中存在流体流动，机器人受到流体冲击会存在一定的被动行进速度。那么为了满足过慢的行进速度的要求，需要对机器人行进进行额外制动，耗费能源，降低了机器人的续航。同时，旋转装置3的旋转速度与相机的数量、位置、及光学参数也有直接关系，需要整体考虑。因此，本发明其中一个发明点提出了优化机器人的行进速度、旋转装置3的转动角速度、相机位置及视场角的关系，保证了采集具有恰当的信息冗余度，同时兼顾采集效率，最大程度提高行进速度。根据大量实验和经验摸索，扫描设备行进速度、旋转装置3转动角速度、图像采集装置6视场角满足如下关系：

其中，v为在旋转装置旋转过程中扫描设备的行进速度，R为管道半径，L为在旋转轴线上图像采集装置光心距旋转中心距离，β为图像采集装置半视场角，w为旋转装置转动角速度，θ为相邻两个图像采集装置光轴夹角，m为系数。当满足m<0.9时，采集图像的冗余度能够保证3D合成的精度和效果，同时最大程度的避免行进速度降低。典型值可以为：

目标管道：市政管道，半径1.2m

图像采集装置：视场角30°-60°，相邻两台之间光轴夹角60°，r＝0.15m

行进速度：0.1m/s

旋转装置转速：0.1π/s

本体1的壳体内还包括旋转驱动装置，其可以为电机，在处理器的控制下，驱动旋转装置3按特定角速度旋转。

这样，可以避免过多的重量位于旋转装置3的外周导致的转动动量过大的问题。同时可以避免在旋转装置3圆周上设置过多相机，导致旋转装置3半径较大，体积过大，无法在管径较细的管道使用。在这种情况下，可以设置多个图像采集端口4及对应的图像采集单元，也可以仅设置一个图像采集端口4及对应的图像采集单元。当仅有一个图像采集端口4时，同样符合上述公式，此时θ＝360°。也可以设置多个图采集端口4及一个图像采集单元，使得每个图像采集端口4对应图像采集单元的不同区域。此时，也可以通过光学系统进行变焦，或平移图像采集装置6的位置实现对待测管壁清晰的采集。

旋转装置3中可以具有一个端口，此时需要设置一个反射镜及一个图像采集装置6，反射镜设置在旋转装置3的轴线位置，图像采集装置6也位于旋转装置3的轴线位置，且与反射镜沿轴线方向分布设置(请参考图2)。

旋转装置3中可以具有多个端口4，多个端口位于旋转装置3周缘分布，每个端口对应一个反射镜，每个反射镜均位于旋转装置3的轴线位置，每个反射镜均对应一个图像采集装置6，其也位于旋转装置3的轴线位置，且与对应反射镜沿轴线方向分布设置(请参考图3)。

在另一种实施例中，图像采集装置6也可以位于本体1的固定部分中，而不在旋转装置3中。此时旋转装置3和固定部分通光孔连接(请参考图4)。通光孔为具有透明材料的孔，或包括光束整形装置，例如透镜组。此时旋转装置3的旋转轴可以为空心的，空心部分为通光孔。

驱动旋转装置转动也可以不通过旋转轴，而是在旋转装置3周边设置驱动装置。

在另一种实施例中，反射镜和图像采集装置6可以不位于旋转轴的附近，可以在径向上适当偏离旋转轴(请参考图5)。这样可以避免旋转轴附近的器件拥挤。或者反射镜位于旋转轴附近，而图像采集装置6偏离旋转轴。

叶轮2通过转轴安装于本体1上，用于接收管道内流体的推动，从而产生推动机器人前进的动力。这样可以充分利用流体管路自身的压力，而节约能源。但管道内产生的推力并不一致，因此在推力较小时，机器人通过本体1外壳内的电动机补充动力；在推力较大时，通过机械减速装置或电动机产生一定的制动，从而保证机器人的行进速度满足上述公式的要求。

叶轮2除了产生对机器人向前的推力外，其通过转轴与发电装置连接，通过叶轮2的旋转进行发电，并将电能存储在电池中。电池可用来为光源、电机、相机提供电力。当然，除了叶轮2产生的电力外，本体1还包括充电口，可以外接电源对机器人进行充电。

叶轮2通过变速装置与旋转装置3连接，通过叶轮2的转动带动旋转装置3转动。可以直接节约电能，提高机器人的续航。但叶轮2的转速与旋转装置3的转速并不相同。因此需要设置机械的变速装置，保证旋转装置3的转速满足要求。或者依靠电机对旋转装置3的转速进行调整。

可以理解，叶轮2并不是必须的，机器人可以通过行走装置提供前进动力。

本体1的外壳上设置有行进装置，例如可以使用履带、车轮等多种行进方式。在一种实施例中，如图6，行进装置可以包括行进轮7和伸缩支架8构成。行进装置沿圆柱行本体1的外周均匀分布，共设置3个，可以从三个方向分别支撑住本体1，保证其沿管道行进。伸缩支架8可以通过伸缩调节行进轮7与本体1间的距离，使得机器人能够适应不同管径的管道。同时，通过伸缩支架8，可以保证本体1基本沿管道的轴线前进，这样能够使得旋转装置3中的图像采集装置6在转动到不同位置时相机物距基本保持不变，从而防止过近过远的物距变化带来的光学系统频繁调整，以及图像劣化，保证3D信息合成的精度和效果。伸缩支架8可以为弹簧式，也可以为液压式。本体1的壳体内包括行进驱动装置，行进驱动装置由电机构成，由电池进行供电，在处理器控制下用于驱动行进轮7加速或减速。

本体1内还具有数据存储装置，用于存储图像采集单元发送的图像数据。数据存储装置与传输装置连接，用于将存储的数据发送至上位机、网络或云平台。传输装置可以为有线装置，例如光口、网口、串口、USB接口等。上述接口可以设置在本体1的外壳上，通过光纤、电线、网线等固体媒介传输。传输装置也可以为无线装置，例如wifi、蜂窝网络、4G、5G、蓝牙等。传输装置此时可以设置在本体1的外壳内也可以设置在外壳上，通过无线网络传输。

处理器分别与行进驱动装置的电机、旋转驱动装置的电机连接，驱动行进装置以特定速度行进，驱动旋转装置以特定角速度转动。同时，处理器还与图像采集装置、数据存储装置和数据传输装置连接，将图像采集装置6采集到的图片数据存入数据存储装置中，并在恰当的时候通过数据传输装置传输至上位机或云平台。

上述目标物体、目标物、及物体皆表示预获取三维信息的对象。可以为一实体物体，也可以为多个物体组成物。例如可以为燃气管道、水管等所述目标物的三维信息包括三维图像、三维点云、三维网格、局部三维特征、三维尺寸及一切带有目标物三维特征的参数。本发明里所谓的三维是指具有XYZ三个方向信息，特别是具有深度信息，与只有二维平面信息具有本质区别。也与一些称为三维、全景、全息、三维，但实际上只包括二维信息，特别是不包括深度信息的定义有本质区别。

本发明所说的采集区域是指图像采集装置(例如相机)能够拍摄的范围。本发明中的图像采集装置可以为CCD、CMOS、相机、摄像机、工业相机、监视器、摄像头、手机、平板、笔记本、移动终端、可穿戴设备、智能眼镜、智能手表、智能手环以及带有图像采集功能所有设备。

以上实施例获得的目标物多个区域的三维信息可以用于进行比对。例如：首先利用本发明的方案获取标准管道三维信息，并将其存储在服务器中，作为标准数据。当使用时可以用三维获取装置再次采集并获取实际管道的三维信息，将其与标准数据进行比对，比对成功则认为管道质量良好。上实施例获得的目标物多个区域的三维信息可以用于为该目标物设计、生产、制造配套物。例如，获得管道三维数据，可以设计相应的管道附属物。以上实施例获得的目标物的三维信息也可以用于对该目标物的几何尺寸、外形轮廓进行测量。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的基于本发明装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种管道内壁三维采集设备，其特征在于：包括本体和叶轮，其中

本体，包括旋转装置，旋转装置上设置有图像采集端口；

图像采集端口，用于将管道内壁图像导入光线偏折装置中；

光线偏折装置，用于将图像采集端口进入的图像偏折至图像采集装置中；

三维采集设备行进速度、旋转装置转动角速度、图像采集装置半视场角满足如下关系：

其中，v为在旋转装置旋转过程中三维采集设备的行进速度，R为管道半径，L为在旋转轴线上图像采集装置光心距旋转中心距离，β为图像采集装置半视场角，w为旋转装置转动角速度，θ为相邻两个图像采集装置光轴夹角，m为系数，m<0.9。

2.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：具有一个或多个图像采集单元，位于旋转装置内。

3.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：具有一个或多个图像采集单元，位于本体固定部分内。

4.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：光线偏折装置与旋转装置旋转轴线相交。

5.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：光线偏折装置偏离旋转装置旋转轴线。

6.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：叶轮，用于接收管道内流体的推动，从而产生三维采集设备前进的动力。

7.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：还包括行进轮，行进轮通过可伸缩装置与本体连接。

8.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：平移装置驱动图像采集装置沿旋转装置径向移动。

9.如权利要求1所述的管道内壁三维采集设备，其特征在于：叶轮与旋转驱动装置连接，为旋转装置旋转提供动力。

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