CN113804698A - 一种自行智能管道3d成像及测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自行智能管道3D成像及测量装置，自行机构，用于在所述管壁内自行行走，所述自行机构形成自行信息；旋转测量机构，设于所述自行机构，包括旋转机构、测距传感器和图像摄取器，所述测距传感器和图像摄取器设于所述旋转机构，所述测距传感器用于测量所述管壁的径向信息，所述图像摄取器用于测量所述管壁的轴向信息；及处理器，分别与所述自行机构和所述旋转测量机构耦接，用于根据所述自行信息、所述径向信息和所述轴向信息形成所述管壁的所述3D图像；所述自行智能管道3D成像及测量装置能够在自行前进或者后退的过程中对管壁进行3D的图像测量，形成清晰、完整且无损的管壁3D图像，方便管壁的质量或者不良分析。

Description

一种自行智能管道3D成像及测量装置及其测量方法

技术领域

本申请属于测量领域，尤其是涉及一种自行智能管道3D成像及测量装置和其测量方法。

背景技术

随着管道的广泛应用，对于管道的测量越来越受到重视，管道内壁的测量对于管壁的质量或者不良分析具有重要的意义。现有的管道内壁的测量一般通过激光扫描的方式进行测量或者直接采用2D或者3D的相机进行拍摄，但是这些方法都不能有效形成真实的3D图像，而且得到的管道内壁一般都比较粗糙，对于高精密的分析来说远远不够，无法对细微的缺陷进行检测，另外管道得内壁也存在凹凸不平的缺陷，使得测量装置在行走的过程中颠簸，造成测量不真实。

发明内容

本申请为了克服现有技术的不足，提供一种自行智能管道3D成像及测量装置，采用自行测量管壁，通过激光的对点测距来获得深度、角度，并智能地形成3D图像，能够适用于凹凸不平的管道内壁的测量，方便管壁的质量或者不良分析。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种自行智能管道3D成像及测量装置，用于管壁的3D图像，其特征在于，包括：

自行机构，用于在管壁内自行行走，所述自行机构形成自行信息；

旋转测量机构，设于所述自行机构，包括旋转机构、测距传感器和图像摄取器，所述测距传感器和图像摄取器设于所述旋转机构，所述测距传感器用于测量所述管壁的径向信息，所述图像摄取器用于测量所述管壁的轴向信息；及

处理器，分别与所述自行机构和所述旋转测量机构耦接，用于根据所述自行信息、所述径向信息和所述轴向信息形成所述管壁的3D图像。

进一步地，所述旋转测量机构还包括：

支撑机构，用于支撑所述旋转机构、所述测距传感器和所述图像摄取器，包括：

立柱，设于所述自行机构的前端部；

支撑架，设于所述立柱，且突出所述自行机构；及

连接件，设置在所述立柱和所述支撑架内，用于连接所述处理器和所述旋转机构。

进一步地，所述旋转机构包括：

旋转支架，设置在所述支撑架的中间部位，用于安装所述测距传感器；及

电机，设于所述旋转支架，用于驱动所述旋转支架围绕所述支撑架的中心轴作360度旋转。

进一步地，所述测距传感器包括：

第一激光测距传感器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的0度位置上；

第二激光测距传感器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的120度位置上；及

第三激光测距传感器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的240度位置上；

其中，所述第一激光测距传感器、所述第二激光测距传感器和所述第三激光测距传感器用于测量所述管壁的径向信息。

进一步地，所述测距传感器还包括：

第一红外激光发生器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的0度位置上，与所述第一激光测距传感器耦合；

第二红外激光发生器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的120度位置上，与所述第二激光测距传感器耦合；及

第三红外激光发生器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的240度位置上，与所述第三激光测距传感器耦合；

所述第一红外激光发生器、所述第二红外激光发生器和所述第三红外激光发生器用于为所述第一激光测距传感器、所述第二激光测距传感器和所述第三激光测距传感器进行导向。

进一步地，所述图像摄取器包括：

第一180度广角摄像机，与所述处理器耦接，设置在所述支撑架的端部，且位于0度的位置上；

第二180度广角摄像机，与所述处理器耦接，设置在所述支撑架的端部，且位于120度的位置上；及

第三180度广角摄像机，与所述处理器耦接，设置在所述支撑架的端部，且位于240度的位置上；

其中，所述第一180度广角摄像机、所述第二180度广角摄像机及所述第三180度广角摄像机分别摄取所述管壁的所述轴向信息，所述处理器根据所述轴向信息形成所述管壁的2D图像。

进一步地，所述自行机构包括：

前驱机构，用于驱动所述旋转测量机构向前移动；

后驱机构，用于驱动所述旋转测量机构向后移动；及

步进电机，用于驱动所述前驱机构和所述后驱机构移动。

进一步地，所述处理器用于根据边缘相同的算法将所述轴向信息整合为一张图片。

进一步地，所述处理器还用于根据匹配算法在所述图片上记录测量位置，并用于控制所述测距传感器测量所述测量位置的径向信息；所述处理器还根据所述图片和所述径向信息，形成环形3D图像，并基于所述环形3D图像形成所述管壁的所述3D图像。

一种上述自行智能管道3D成像及测量装置进行管壁测量的方法，其特征在于：

驱动自行机构向前或者向后移动；

获取所述管壁的轴向信息；

根据边缘相同的算法将所述轴向信息整合为一张图片；

根据匹配算法在所述图片上记录测量位置；

测量所述测量位置的径向信息；

根据所述图片和所述径向信息，形成环形3D图像；及

基于所述环形3D图像形成所述管壁的所述3D图像。

本申请通过自行智能管道3D成像及测量装置能够智能化测量管壁的内部3D图像，使得管壁的内部检查更加方便和简单，该装置能够测量管壁的轴向信息和径向信息，并根据轴向信息和径向信息来生成管壁的3D图像，成像效果更加清晰和准确，更是通过旋转测量机构来实现对管壁内部的环形扫面，实现管壁内部复杂结构的成像，方便对于管壁内的质量或不良分析，而且在凹凸不平的管道内仍然可以真实、准确成像，适用于内壁状况复杂的管道的测量。

附图说明

图1为本申请的结构示意图；

图2为本申请的旋转测量机构的结构示意图；

图3为本申请的测量方法的流程图。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本申请的自行智能管道3D成像及测量装置，所谓管壁是指管道的内壁，通过对管道的内壁进行测量可以形成管壁的复杂结构，方便对管壁进行分析，其中，管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。通常，流体经鼓风机、压缩机、泵和锅炉等增压后，从管道的高压处流向低压处，也可利用流体自身的压力或重力输送。管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。

在一实施例中，请参见图1，本申请的自行智能管道3D成像及测量装置包括自行机构1、处理器2和旋转测量机构3，其中处理器2和旋转测量机构3均设置在自行机构1上，且处理器2分别与自行机构1和旋转测量机构3耦接，耦接指通过电性连接或者网络连接的方式实现在处理器2和自行机构1、旋转测量机构3之间数据的传递。自行机构1可以在管壁内自行行走，通常自行机构1可以自主控制地在管壁内前行或者后退，且自行机构1在前行或者后退地过程中会形成自行信息，该自行信息传递到处理器2中进行处理。

在一些实施例中，自行机构1可以包括前驱机构、后驱机构和步进电机，其中，前驱机构可以驱动旋转测量机构3向前移动；后驱机构可以驱动旋转测量机构3向后移动；步进电机可以驱动前驱机构和后驱机构移动。

在一些实施例中，本申请的自行智能管道3D成像及测量装置还包括光纤及供电线5，通过光纤及供电线5实现供电和网络连接。

在一些实施例中，参见图2，旋转测量机构3包括旋转机构31、测距传感器32、33、34和图像摄取器4，且旋转机构31、测距传感器32、33、34和图像摄取器4均设置在自行机构1上，并在自行机构1地前行或则后退中跟随前行或者后退。测距传感器32、33、34和图像摄取器4设置在旋转机构31上，测距传感器2、33、34可以测量管壁的径向信息，图像摄取器4可以测量管壁的轴向信息，且径向信息和轴向信息传递到处理器2中进行处理。处理器2则会根据自行信息、径向信息和轴向信息来形成管壁的3D图像，其中的旋转机构31可以实现在一位置上360度旋转，适用于凹凸不平的管道内壁的测量。

在一些实施例中，旋转测量机构3还包括支撑机构，支撑机构可以用于支撑旋转机构31、测距传感器32、33、34和图像摄取器4，支撑机构包括立柱6、支撑架7和连接件，其中，立柱6设置在自行机构1的前端部；支撑架7设置在立柱6上，且支撑架7突出自行机构1的前端部；连接件（图未视）则设置在立柱6和支撑架7的内部，连接件用于连接处理器2和旋转机构31。

在一些实施例中，旋转机构31可以包括旋转支架和电机，其中，旋转支架设置在支撑架7的中间部位，旋转支架可以安装所述测距传感器32、33、34；电机则可以设置在旋转支架上，电机驱动旋转支架围绕支撑架7的中心轴作360度旋转。

在一些实施例中，测距传感器32、33、34包括第一激光测距传感器32、第二激光测距传感器33和第三激光测距传感器34，其中，第一激光测距传感器32、第二激光测距传感器33和第三激光测距传感器34分别与处理器2耦接，这里的耦接是指通过电性连接或者网络连接的方式实现在处理器2和第一激光测距传感器32、第二激光测距传感器33和第三激光测距传感器34之间数据的传递。第一激光测距传感器32、第二激光测距传感器33和第三激光测距传感器34均匀布置在旋转支架上。

在一些实施例中，第一激光测距传感器32设置在旋转支架的0度位置上；第二激光测距传感器33设置在旋转支架的120度位置上；第三激光测距传感器34则设置在旋转支架的240度位置上；其中，第一激光测距传感器32、第二激光测距传感器33和第三激光测距传感器34可以测量管壁的径向信息，而且通过旋转支架的旋转实现了在单一位置上的360度的旋转测量，对于凹凸不平等缺陷的内壁的管道仍然可以适用，不用另外增加机构来避免凹凸不平造成的失真。

在一些实施例中，测距传感器还包括第一红外激光发生器、第二红外激光发生器和第三红外激光发生器，其中，第一红外激光发生器、第二红外激光发生器和第三红外激光发生器分别与处理器2耦接，这里的耦接是指通过电性连接或者网络连接的方式实现在处理器2和第一红外激光发生器、第二红外激光发生器和第三红外激光发生器之间数据的传递。另外，第一红外激光发生器和第一激光测距传感器32可以整合为一个器件、第二红外激光发生器和第二激光测距传感器33可以整合为一个器件及第三红外激光发生器和第三激光测距传感器34也可以整合为一个器件。

在一些实施例中，第一红外激光发生器设置在旋转支架的0度位置上；第二红外激光发生器设置在旋转支架的120度位置上；第三红外激光发生器则设置在旋转支架的240度位置上；其中，第一红外激光发生器、第二红外激光发生器和第三红外激光发生器可以为第一激光测距传感器32、第二激光测距传感器33和第三激光测距传感器34进行导向。

在一些实施例中，图像摄取器4包括第一180度广角摄像机、第二180度广角摄像机和第三180度广角摄像机，第一180度广角摄像机、第二180度广角摄像机和第三180度广角摄像机地摄像机水平角度的视角范围可达到180角的水平视角，相当于人的双眼可用余光观测左右两边的物体。第一180度广角摄像机、第二180度广角摄像机和第三180度广角摄像机分别与处理器2耦接。

在一些实施例中，第一180度广角摄像机设置在支撑架7的端部，且位于0度的位置上；第二180度广角摄像机设置在支撑架7的端部，且位于120度的位置上；第三180度广角摄像机设置在支撑架7的端部，且位于240度的位置上；其中，所述第一180度广角摄像机、所述第二180度广角摄像机及所述第三180度广角摄像机分别摄取管壁的所述轴向信息，处理器2则根据轴向信息形成管壁的2D图像。

在一些实施例中，自行机构1匀速在管道中行进，在自行机构1的头部安装旋转测量机构3，旋转测量机构3能够在管道恒切面旋转旋转的结构，在这个结构上安装有3个激光测距装置、3个红外激光发生器和三个180度广角摄像机，在自行机构1向前运动的同时，旋转测量机构3同步旋转，安装在旋转测量机构3上的3个激光测距装置测量旋转点到管壁的距离，三个180度广角摄像机采集管壁的图像，然后各种测量数据、车辆运动数据、管壁图像经过数据采集处理装置计算并生成管道的3D图像，并通过网络送到电脑上显示与存储。

在一些实施例中，自行机构由前驱和后驱两个驱动装置组成，可以向前或者向后移动。车辆进行设计每秒10mm,驱动由步进电机控制，采用多级齿轮变速，控制精度在0.2-0.5mm。车辆的行进速度和运动由主控进行控制。车辆匀速运动过程中 旋转测量机构3进行测量和数据采集。旋转测量机构3设计为每0.1秒转动一周并完成360个测量点的距离测量，测量步长为1mm。旋转测量机构3不需要在管道的圆心位置，可在管道截面的任意位置，测量的数据为以当前测量位置360角度的距离数据，主控会对数据进行修正。三维管道图可以以测量点的视觉模式展现，可以以圆心视角方式来展现，做数学变换就可以实现。

在一些实施例中，旋转测量机构3上包括测距传感器红色激光发生器，在头部由三个180的广角图像摄取器4组成的360度全向摄像系统。测量时，旋转机构先确定是否在0位置，行走机构暂停，三个图像摄取器4同时拍摄三张照片，作为该位置的基准图像，拍摄完成后，分别位于0度位置，120度，360度位置的三个红色激光发生器发出红色激光点到管壁上，与红色激光器在同一位置的测距传感器测量该红色点管壁的距离，同时图像摄取器4拍照带红色光点的图像，根据红色光电在图上的位置标记该点的深度距离数据，测量完成后旋转机构向右旋转1度(可调整)，按上一步重复测量过程，直到120度全部测量完成，3组传感器共同完成一圈测量后，行走机构向前移动一个距离(可定义的测量精度)，然后进行该位置的测量。其中，旋转机构可以采用步进电机和编码盘，可实现1度旋转控制，理论设计为每测量一圈的速度为0.1秒，如行进分辨率为1mm,测量1米所用的时间为 1s * 100 = 10s ,如测量分辨率为 0.1mm 测量1米所用的时间为 100s，根据旋转机构旋转一圈来进行测量，可以忽略管道内壁的凹凸不平或者不规则的缺陷造成测量不准确。而且自行机构在测量时是暂停的，所以不用考虑平稳性，测量的前后可能中心不在一条水平线上，根据算法会自动进行调整。

在一些实施例中，测距传感器和红外激光发生器都安装在旋转机构上，旋转机构是一个中间固定，外部旋转的步进电机，外部旋转转子上分别在0度、120度、240度的位置安装有一组由测距传感器和红外激光发生器组成的测量单元，还有一个控制器负责三组对三组测量单元进行控制，将激光传感器采集的数据通过高速工业总线送到主机上，旋转机构上的供电及信号线由滑环将旋转的线和主机连接起来，共5V,GND,RX和TX四根线。

在一些实施例中，在当前圈开始测量前，相隔120度的三个摄像机就开始拍照，将该角度的图像作为基准图，每个测量单元开始测量前对应的摄像机就会开始采集图像，采集的图像有红点的位置就是测量的位置，将该位置测量的数据与角度相互对应，就知道了在该管道的这个点的深度。检测的效率可以通过加快旋转机构的速度来实现，但是受限于摄像机的拍照速度，如采用高速摄像机，可极大的提高效率。精度的提高取决于旋转机构旋转角度的最小控制角度，如采用能够实现0.1度旋转控制的电机，则测量精度会提升到0.1度的分辨率，激光测距也可选用高分辨率高精度的，也提高整体的测量精度。

在一些实施例中，测量是由机构的主控系统来控制完成，每圈的测量的数据送到主控后，由单独的数据处理单元，将图像数据、每个角度每个点的深度数据进行处理，并绘制出以中心点视角的该圈的3D图，行进中的每个点的环形3D图组成了该段管道的3D图。

在一些实施例中，处理器2根据边缘相同的算法将轴向信息整合为一张图片。

在一些实施例中，处理器2根据匹配算法在所述图片上记录测量位置，并用于控制测距传感器测量测量位置的径向信息；处理器2还根据图片和径向信息，形成环形3D图像，并基于环形3D图像形成管壁的3D图像。

本申请还提供一种上述自行智能管道3D成像及测量装置进行管壁测量的方法，参见图3，包括：

S10：驱动自行机构向前或者向后移动；

S20：获取管壁的轴向信息；

S30：根据边缘相同的算法将轴向信息整合为一张图片；

S40：根据匹配算法在图片上记录测量位置；

S50：测量所述测量位置的径向信息；

S60：根据图片和所述径向信息，形成环形3D图像；

S70：基于环形3D图像形成管壁的所述3D图像。

在一些实施例中，具体的流程包括：

自行机构1到固定点位；

固定点位的三个摄像机拍照，排出的照片根据边缘相同的算法将图片整合为一张图片；

0点位置发射激光点拍照后，根据匹配算法得到该点在全图照片中的位置，并记录该位置为0,120,240度的位置；

激光测距器测出到激光点的距离，记录该点的角度、深度信息；

全部测量完成后，根据角度、深度数据，取相应位置的图片，生成环形3D图；

重复以上的内容，得到整个管道的3D图。

激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度。

红外光激光器可采用功率不同的激光管和参数不同的透镜,可产生圆形或椭圆形光斑, 光束发散度和光斑大小也都不一样, 出口功率也可根据不同的使用要求调整。

处理器2可以通过硬件和软件来实现。处理器2可以被实现为一个或更多个CPU芯片、内核(例如，被实现为多核处理器)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，FPGA)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)和数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。

虽然已描述了某些实施方式和一般相关的方法，但是这些实施方式的更改和转变对于所属领域的技术人员来说是清楚的。因此，对示例性的实施方式的以上描述不限定或约束本发明。在不偏离所附权利要求的精神的情况下，其他改变、替换和更改也是可能的。

Claims (10)

1.一种自行智能管道3D成像及测量装置，用于对管道内部进行3D成像及高精度测量，其特征在于，包括：

自行机构，用于在管壁内自行行走，所述自行机构形成自行信息；

旋转测量机构，设于所述自行机构，包括旋转机构、测距传感器和图像摄取器，所述测距传感器和图像摄取器设于所述旋转机构，所述测距传感器用于测量所述管壁的径向信息，所述图像摄取器用于测量所述管壁的轴向信息；及

处理器，分别与所述自行机构和所述旋转测量机构耦接，用于根据所述自行信息、所述径向信息和所述轴向信息形成所述管壁的3D图像。

2.根据权利要求1所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于，所述旋转测量机构还包括：

支撑机构，用于支撑所述旋转机构、所述测距传感器和所述图像摄取器，包括：

立柱，设于所述自行机构的前端部；

支撑架，设于所述立柱，且突出所述自行机构；及

连接件，设置在所述立柱和所述支撑架内，用于连接所述处理器和所述旋转机构。

3.根据权利要求2所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于，所述旋转机构包括：

旋转支架，设置在所述支撑架的中间部位，用于安装所述测距传感器；及

电机，设于所述旋转支架，用于驱动所述旋转支架围绕所述支撑架的中心轴作360度旋转。

4.根据权利要求3所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于，所述测距传感器包括：

第一激光测距传感器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的0度位置上；

第二激光测距传感器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的120度位置上；及

第三激光测距传感器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的240度位置上；

其中，所述第一激光测距传感器、所述第二激光测距传感器和所述第三激光测距传感器用于测量所述管壁的径向信息。

5.根据权利要求4所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于，所述测距传感器还包括：

第一红外激光发生器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的0度位置上，与所述第一激光测距传感器耦合；

第二红外激光发生器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的120度位置上，与所述第二激光测距传感器耦合；及

第三红外激光发生器，与所述处理器耦接，设于所述旋转支架的240度位置上，与所述第三激光测距传感器耦合；

所述第一红外激光发生器、所述第二红外激光发生器和所述第三红外激光发生器用于为所述第一激光测距传感器、所述第二激光测距传感器和所述第三激光测距传感器进行导向。

6.根据权利要求5所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于，所述图像摄取器包括：

第一180度广角摄像机，与所述处理器耦接，设置在所述支撑架的端部，且位于0度的位置上；

第二180度广角摄像机，与所述处理器耦接，设置在所述支撑架的端部，且位于120度的位置上；及

第三180度广角摄像机，与所述处理器耦接，设置在所述支撑架的端部，且位于240度的位置上；

其中，所述第一180度广角摄像机、所述第二180度广角摄像机及所述第三180度广角摄像机分别摄取所述管壁的所述轴向信息，所述处理器根据所述轴向信息形成所述管壁的2D图像。

7.根据权利要求1所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于，所述自行机构包括：

前驱机构，用于驱动所述旋转测量机构向前移动；

后驱机构，用于驱动所述旋转测量机构向后移动；及

步进电机，用于驱动所述前驱机构和所述后驱机构移动。

8.根据权利要求1所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于：

所述处理器用于根据边缘相同的算法将所述轴向信息整合为一张图片。

9.根据权利要求8所述的自行智能管道3D成像及测量装置，其特征在于：

所述处理器还用于根据匹配算法在所述图片上记录测量位置，并用于控制所述测距传感器测量所述测量位置的径向信息；所述处理器还根据所述图片和所述径向信息，形成环形3D图像，并基于所述环形3D图像形成所述管壁的所述3D图像。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的自行智能管道3D成像及测量装置进行管壁测量的方法，其特征在于：

驱动自行机构向前或者向后移动；

获取所述管壁的轴向信息；

根据边缘相同的算法将所述轴向信息整合为一张图片；

根据匹配算法在所述图片上记录测量位置；

测量所述测量位置的径向信息；

根据所述图片和所述径向信息，形成环形3D图像；及

基于所述环形3D图像形成所述管壁的所述3D图像。

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