CN112393693A - 内腔结构原位三维测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内腔结构原位三维测量系统及方法，所述内腔结构原位三维测量系统包括：准直激光光源发射装置，用于发射平行的激光光束；环形光产生装置，用于根据所述激光光束产生沿光轴等间隔分布的多路平行环形光，以在待检测的内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面；成像装置，用于对所述内轮廓光学截面进行成像，以实现对所述待检测的内腔结构进行三维测量。本发明实现了对内腔结构多个轮廓截面的同时扫描与测量，解决了常规三维扫描设备的实现原位测量的困难、可达性、对环境振动敏感、测量效率低等问题。
Description
技术领域
本发明属于光学测量的技术领域，涉及一种内腔结构的测量方法，特别是涉及一种内腔结构原位三维测量系统及方法。
背景技术
目前，各种内腔结构的缺陷检测多种多样。燃气管道、地下污水管道、各种服役设备、如水电、燃气轮机、航空发动机、火炮膛线等所包含的大量类似的内腔结构的疲劳损伤、腐蚀脱落、裂纹等缺陷的原位检测是一个需重点解决的社会问题，快速便捷与原位实现检测这类管道的内轮廓，及时了解关键尺寸、缺陷生长等情况非常有助于防止事故的发生。另外，在汽车工业、航空工业、兵器工业等应用领域，对于零件复杂内部轮廓特征的检验尤为重要，如汽车行业对于检查发动机缸体以及其他铸件的内表面检测、航空工业对于发动机喉道内轮廓的精密测量、兵器工业对于炮膛结构的检测等。医学上对气管、肠胃等人体器官内部轮廓的检查等也有很大的需求。迄今为止使用较多的测量方式为接触式的测量，测量过程中对探针以及测量物件有不同程度的损伤并且测量效率远远不能满足要求。光学测量方式如工业内窥镜，可以对裂纹的长度以及面积做精确测量，但是对于三维内轮廓的构建仍存在局限性。利用旋转镜或者棱镜扫描内部轮廓可以满足快速提取轮廓信息，但是存在对测量环境要求高、测量可达性差、测量效率低，并且缺乏对于复杂内部表面测量的能力。
因此，如何提供一种内腔结构原位三维测量系统及方法，以解决现有技术无法在内腔结构的三维测量中提高测量的可达性与效率、并降低测量对环境振动的敏感度等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种内腔结构原位三维测量系统及方法，用于解决现有技术无法在内腔结构的原位三维测量中提高测量的可达性与效率、并降低测量对环境振动的敏感度的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种内腔结构原位三维测量系统，所述内腔结构原位三维测量系统包括：准直激光光源发射装置，用于发射平行的激光光束；环形光产生装置，用于根据所述激光光束产生沿光轴等间隔分布的多路平行环形光，以在待检测的内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面；成像装置，用于对所述内轮廓光学截面进行成像，以实现对所述待检测的内腔结构进行三维测量。
于本发明的一实施例中，所述环形光产生装置包括：锥面反射镜，用于将所述激光光束转换为单环的环形光源；环形光栅，用于对所述单环的环形光源进行衍射分光，产生等光强输出的多环的环形光源；环形透镜，用于对所述多环的环形光源进行准直，产生所述多路平行环形光。
于本发明的一实施例中，所述环形透镜包括环透镜阵列和环柱透镜的至少一种；所述环透镜阵列是指于管状结构上进行开孔，于所开的孔中设置透镜。
于本发明的一实施例中，所述准直激光光源发射装置包括：激光发射器，用于发射激光光束；扩束器，用于对所述激光光束进行光束发散，以扩大所述激光光束的直径。
于本发明的一实施例中，所述成像装置为CCD成像系统；所述CCD成像系统用于对多个所述内轮廓光学截面进行成像。
于本发明的一实施例中，所述内腔结构原位三维测量系统还包括：图像分析装置，与所述成像装置连接，用于对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析。
本发明另一方面提供一种内腔结构原位三维测量方法，应用于所述的内腔结构原位三维测量系统；所述内腔结构原位三维测量方法包括：发射平行的激光光束；根据所述激光光束产生沿光轴等间隔分布的多路平行环形光，以在待检测的内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面；对所述内轮廓光学截面进行成像，以实现对所述待检测的内腔结构进行三维测量。
于本发明的一实施例中，在对所述内轮廓光学截面进行成像的步骤之后，所述内腔结构原位三维测量方法还包括：对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析。
于本发明的一实施例中，所述对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析的步骤包括：对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行轮廓提取；根据预设的步长，对轮廓提取的每一幅图像进行3D重构，以将多个环在同一轴上形成拼合的环轮廓；对所述拼合的环轮廓进行轮廓分析，生成分析结果。
于本发明的一实施例中，所述对所述拼合的环轮廓进行轮廓分析，生成分析结果的步骤包括：检测每个环的不连续性，以检测所述待检测的内腔结构中的裂纹、防腐涂层脱落缺陷；计算所述待检测的内腔结构的几何尺寸；根据所述拼合的环轮廓的像素点云数据，计算所述待检测的内腔结构的轮廓内截面积。
如上所述，本发明所述的内腔结构原位三维测量系统及方法，具有以下有益效果：
本发明通过不同组合形式的环形透镜对准直激光光源的衍射分光进行准直，生成等间隔分布的多路平行环形光，在内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面，CCD对多个内轮廓光学截面同时成像，实现了对内腔结构多个轮廓截面的同时扫描与测量，解决了常规三维扫描设备的可达性、对环境振动敏感、测量效率低等问题。
附图说明
图1显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的结构示意图。
图2显示为本发明的环形光产生装置于一实施例中的结构示意图。
图3显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的光学原理图。
图4显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的环透镜阵列结构图。
图5显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的环柱透镜结构图。
图6显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的原理流程图。
图7显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的爬壁机器人测量示意图。
图8显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的管道检测效果图。
图9显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的涡轮叶片喉道面积测量示意图。
图10显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的管道测量示意图。
图11显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的管道检测效果图。
元件标号说明
1 内腔结构原位三维测量系统
11 准直激光光源发射装置
12 环形光产生装置
121 锥面反射镜
122 环形光栅
123 环形透镜
13 成像装置
14 图像分析装置
S61～S64 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明所述的内腔结构原位三维测量方法实现了对内腔结构多个轮廓截面的同时扫描与测量，解决了常规三维扫描设备的可达性、对环境振动敏感、测量效率低等问题。
以下将结合图1至图11详细阐述本实施例的一种内腔结构原位三维测量系统及方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的内腔结构原位三维测量系统及方法。
请参阅图1，显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的结构示意图。如图1所示，所述内腔结构原位三维测量系统1包括：准直激光光源发射装置11、环形光产生装置12、成像装置13和图像分析装置14。
所述准直激光光源发射装置11用于发射平行的激光光束。
所述环形光产生装置12用于根据所述激光光束产生沿光轴等间隔分布的多路平行环形光，以在待检测的内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面。
所述成像装置13用于对所述内轮廓光学截面进行成像，以实现对所述待检测的内腔结构进行三维测量。
请参阅图2，显示为本发明的环形光产生装置于一实施例中的结构示意图。如图2所示，所述环形光产生装置12包括：锥面反射镜121、环形光栅122和环形透镜123。
所述锥面反射镜121用于将所述激光光束转换为单环的环形光源。
所述环形光栅122用于对所述单环的环形光源进行衍射分光，产生等光强输出的多环的环形光源。
所述环形透镜123用于对所述多环的环形光源进行准直，产生所述多路平行环形光。
于一实施例中，所述环形透镜包括环透镜阵列和环柱透镜的至少一种；所述环透镜阵列是指于管状结构上进行开孔，于所开的孔中设置透镜。需要说明的是，所述环形透镜可以是环透镜阵列或者是环柱透镜。
于一实施例中，所述准直激光光源发射装置包括：激光发射器和扩束器。
所述激光发射器，用于发射激光光束；所述扩束器，用于对所述激光光束进行光束发散，以扩大所述激光光束的直径。
于一实施例中，所述成像装置为CCD成像系统；所述CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)成像系统用于对多个所述内轮廓光学截面进行同时成像。
请参阅图3，显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的光学原理图。如图3所示，激光二极管(Laser diode)发射的准直激光经扩束器(diffuser)后扩大激光光束的直径，进而经锥面反射镜(conical mirror)产生环形光源(single ringbeam)，利用现有技术中的管状的环形光栅(Tubular grating)对锥面反射镜产生的单环光(single ring beam)进行衍射分光，环形光栅衍射光强经过设计，实现对衍射次级的等光强输出(Multi ring beam)，经环形透镜(lens)准直后产生多路沿光轴等间隔分布的多路平行环形光(平行的Multi ring beam)，在内腔结构(Pipe object)中同时产生多个内轮廓光学截面，通过成像装置(imaging lens)对多个内轮廓光学截面同时进行CCD成像，实现对内腔结构的三维扫描和测量。
请参阅图4，显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的环透镜阵列结构图。如图4所示，(a)、(b)、(c)分别呈现了环透镜阵列不同视角的结构图。环透镜阵列结构是基于特殊设计的管状结构进行透镜的阵列，其中，管状结构上设置有多个孔，阵列的透镜嵌入孔中，该特殊设计的管状结构可由3D打印精密制造，使得管身有均匀交叉分布的孔。优选的，孔径为3mm，可装聚焦透镜。激光经扩束器以及锥面镜产生环光，经管状光栅产生多环光，环透镜阵列的作用是对由锥面镜产生的多环光进行准直平行。其实现准直的原理为：单圈透镜组产生的环光由截断的弧形光构成，测量盲区可由邻圈透镜组补充。
请参阅图5，显示为本发明的内腔结构原位三维测量系统于一实施例中的环柱透镜结构图。如图5所示，环柱透镜弯曲成圆管状，焦面为管身，与所述环透镜阵列作用相同，也用于对光栅产生的多环光进行准直。
所述图像分析装置14与所述成像装置13连接，用于对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析。优选的，所述图像分析装置14为计算机设备，所述计算机设备用于执行所述内腔结构原位三维测量方法。
请参阅图6，显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的原理流程图。如图6所示，所述内腔结构原位三维测量方法应用于所述的内腔结构原位三维测量系统中，具体包括以下几个步骤：
S61，发射平行的激光光束。具体地，通过激光发射器(例如，激光二极管)发射平行的激光光束。
S62，根据所述激光光束产生沿光轴等间隔分布的多路平行环形光，以在待检测的内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面。具体地，通过环形透镜产生多路平行环形光，多路平行环形光在传输过程中遇到内腔结构的内壁后产生多个内轮廓光学截面。
S63，对所述内轮廓光学截面进行成像，以实现对所述待检测的内腔结构进行三维测量。具体地，通过CCD成像系统对所述内轮廓光学截面进行成像。
S64，对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析。
于一实施例中，S64包括：
(1)对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行轮廓提取。具体对图像进行滤波去噪，找到每个轮廓的质心。
(2)根据预设的步长，对轮廓提取的每一幅图像进行3D重构，以将多个环在同一轴上形成拼合的环轮廓。具体地，例如，整个内腔结构原位三维测量系统每步移动1毫米，则步长为1毫米，通过环分离算法对应每一步长获取一幅CCD图像，进而在同一轴上对其环轮廓，实现CCD相机的校准，并标定每个环的内外参。
(3)对所述拼合的环轮廓进行轮廓分析，生成分析结果。
具体地，检测每个环的不连续性(例如，缺口)，以检测所述待检测的内腔结构中的裂纹、防腐涂层脱落等缺陷；计算所述待检测的内腔结构的几何尺寸，如通过柱面识别与分析算法计算所述待检测的内腔结构的圆柱体内径、通过锥面识别与分析算法计算所述待检测的内腔结构的圆锥顶角、计算内部缝隙宽度等；根据所述拼合的环轮廓的像素点云数据，计算所述待检测的内腔结构的轮廓内截面积。
本发明所述的内腔结构原位三维测量系统及内腔结构原位三维测量方法可以适用于不同的领域进行内腔测量。一方面，可以应用于燃气管道、地下污水管道等类似的内腔结构的疲劳损伤和裂纹测量，快速便捷检测地下污水、燃气管导的内轮廓有助于防止事故的发生。另一方面，可以应用于汽车工业、航空工业、兵器工业等应用领域中零件复杂内部轮廓特征的检验，如汽车行业对于检查发动机缸体以及其他铸件的内表面检测、航空工业对于发动机喉道内轮廓面积的精密测量、兵器工业对于炮膛膛线结构的检测等。又一方面，可以应用于医学上对气管、肠胃等人体器官内部轮廓的检查。以下结合图7至图11对多个应用场景进行详细说明，优选的，将准直激光光源发射装置、环形光产生装置及成像装置作为内腔结构原位三维测量系统的一个移动整体，通过各种移动机构在内腔结构中进行移动。移动机构可以是爬壁机器人、机械手臂或移动小车等可移动的机构。
请参阅图7，显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的爬壁机器人测量示意图。如图7所示，利用爬壁机器人进行管道内环境的测量，有两个步进器，其中，步进1为粗位移，步进2为精密位移，通过爬壁机器人使内腔结构原位三维测量系统移动，以实现光学截面的移动，从而获得沿管道轴向移动的管道壁的数据点云。对环光截面进行移动，扫面管道壁的数据点云，从而获得管道壁的三维结构，检查出管道所出现的凹凸、褶皱、破裂及其他异常。
请参阅图8，显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的管道检测效果图。如图8所示，图8(a)中为真实的管道中破裂的图像，图8(b)与图8(c)方框中的直线为内腔结构原位三维测量方法检测出的裂缝。
请参阅图9，显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的涡轮导向器喉道面积测量示意图。如图9所示，呈现了航空发动机涡轮导向器喉道面积原位测量的应用场景。
将内腔结构原位三维测量系统固定于机械手臂上，通过机械手臂的运动带动内腔结构原位三维测量系统的运动，以探入航空发动机涡轮导向器喉道中进行原位测量，通过扫面飞机发动机喉道获得内部三维轮廓，进而计算出喉道面积。具体地，机械手臂上设有视觉定位装置，以通过视觉定位装置检测视觉信号，并传输至机械手臂的控制器，进而控制器根据视觉信号控制机械手臂的运动状态。在本实施例中，多环光可提高获得数据点云的速率。其中，原位测量是指测量时并没有改变内腔结构所属物体的原始条件或没有把内腔结构从原来的物体系统中隔离出来，由此实现的一种无损测量以及可达性较高的测量。
请参阅图10，显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的管道测量示意图。如图10所示，将内腔结构原位三维测量系统固定于移动小车上或滑动轨道Track上，通过移动小车或滑动轨道上移动件的运动带动内腔结构原位三维测量系统的运动，以探入燃气管道或地下污水管道中进行原位测量，对内管道表面轮廓进行实时测量，将形成的多个轮廓截面图像输入至计算机中进行数据提取以及处理，最终实现对燃气管道或地下污水管道表面裂纹、腐蚀尺度等进行测量。
请参阅图11，显示为本发明的内腔结构原位三维测量方法于一实施例中的管道检测效果图。如图11所示，图11(a)中为获取的多个轮廓截面图像，从而获得管道壁的三维结构，通过图像分析处理判断得出图11(b)所示的裂纹图像，检查出管道所出现的裂纹以及腐蚀坑等缺陷。
本发明所述的内腔结构原位三维测量方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
本发明所述的内腔结构原位三维测量方法由一种计算机设备执行，所述计算机设备包括：处理器与存储器。处理器用于运行内腔结构原位三维测量方法的计算机程序，存储器用于存储内腔结构原位三维测量方法的计算机程序，以使所述计算机设备执行所述内腔结构原位三维测量方法的各个步骤。
综上所述，本发明所述内腔结构原位三维测量系统及方法通过不同组合形式的环形透镜对准直激光光源的衍射分光进行准直，生成等间隔分布的多路平行环形光，在内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面，CCD对多个内轮廓光学截面同时成像，实现了对内腔结构多个轮廓截面的同时扫描与测量，解决了常规三维扫描设备的可达性、对环境振动敏感、测量效率低等问题。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种内腔结构原位三维测量系统，其特征在于，所述内腔结构原位三维测量系统包括：
准直激光光源发射装置，用于发射平行的激光光束；
环形光产生装置，用于根据所述激光光束产生沿光轴等间隔分布的多路平行环形光，以在待检测的内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面；
成像装置，用于对所述内轮廓光学截面进行成像，以实现对所述待检测的内腔结构进行三维测量。
2.根据权利要求1所述的内腔结构原位三维测量系统，其特征在于，所述环形光产生装置包括：
锥面反射镜，用于将所述激光光束转换为单环的环形光源；
环形光栅，用于对所述单环的环形光源进行衍射分光，产生等光强输出的多环的环形光源；
环形透镜，用于对所述多环的环形光源进行准直，产生所述多路平行环形光。
3.根据权利要求2所述的内腔结构原位三维测量系统，其特征在于，
所述环形透镜包括环透镜阵列和环柱透镜的至少一种；所述环透镜阵列是指于管状结构上进行开孔，于所开的孔中设置透镜。
4.根据权利要求1所述的内腔结构原位三维测量系统，其特征在于，所述准直激光光源发射装置包括：
激光发射器，用于发射激光光束；
扩束器，用于对所述激光光束进行光束发散，以扩大所述激光光束的直径。
5.根据权利要求1所述的内腔结构原位三维测量系统，其特征在于，所述成像装置为CCD成像系统；所述CCD成像系统用于对多个所述内轮廓光学截面进行成像。
6.根据权利要求1所述的内腔结构原位三维测量系统，其特征在于，所述内腔结构原位三维测量系统还包括：
图像分析装置，与所述成像装置连接，用于对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析。
7.一种内腔结构原位三维测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任一项所述的内腔结构原位三维测量系统；所述内腔结构原位三维测量方法包括：
发射平行的激光光束；
根据所述激光光束产生沿光轴等间隔分布的多路平行环形光，以在待检测的内腔结构中同时产生多个内轮廓光学截面；
对所述内轮廓光学截面进行成像，以实现对所述待检测的内腔结构进行三维测量。
8.根据权利要求7所述的内腔结构原位三维测量方法，其特征在于，在对所述内轮廓光学截面进行成像的步骤之后，所述内腔结构原位三维测量方法还包括：
对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析。
9.根据权利要求8所述的内腔结构原位三维测量方法，其特征在于，所述对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行尺寸测量与缺陷分析的步骤包括：
对所述内轮廓光学截面成像后的图像进行轮廓提取；
根据预设的步长，对轮廓提取的每一幅图像进行3D重构，以将多个环在同一轴上形成拼合的环轮廓；
对所述拼合的环轮廓进行轮廓分析，生成分析结果。
10.根据权利要求9所述的内腔结构原位三维测量方法，其特征在于，所述对所述拼合的环轮廓进行轮廓分析，生成分析结果的步骤包括：
检测每个环的不连续性，以检测所述待检测的内腔结构中的裂纹、防腐涂层脱落缺陷；
计算所述待检测的内腔结构的几何尺寸；
根据所述拼合的环轮廓的像素点云数据，计算所述待检测的内腔结构的轮廓内截面积。
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