CN114136219A - 一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置及方法。本发明装置，包括线结构激光器、工业相机、图像采集系统以及图像处理系统。激光器将多条线结构光投射在隧道壁的喷浆区域，工业相机置于湿喷车车顶部用于采集结构光所照射区域的激光条信息，并通过图像采集系统将激光条信息实时传输给图像处理系统，图像处理系统对激光条信息进行实时处理，并获得激光条中心线的位置。当钢拱架及其之间的混凝土二者表面不在同一高度时，激光条将会发生偏折，偏折程度反映钢拱架与混凝土表面的高度差。通过计算激光条的偏折量来实时判断此区域喷浆厚度是否与钢拱架相平。本发明无需对隧道表面轮廓进行三维重建，方法简便，且具有实时性。

Description

一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置及 方法

技术领域

本发明涉及隧道喷浆施工自动化技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置。

背景技术

随着国家在基础设施建设上的稳步投入，隧道的施工量呈上升趋势，但是隧道施工存在着危险系数高、工作环境恶劣等特点，采用自动化施工设备与施工方法是大势所趋。隧道施工中普遍采用湿喷机进行喷射混凝土，喷射过程中不仅需要工人手持遥控器操纵机械臂，还需要其近距离在喷涂区域附近观察喷涂厚度与质量，进而才能凭经验判断此区域的喷涂工作是否完成，这种方法无疑极大增加了工人的工作量，工作环境恶劣、光照条件差、能见度低，因此不易长时间用人眼去识别；且尤其是工人人身安全也得不到切实保障。因此实现隧道湿喷自动化的前提条件是对隧道湿喷状态进行有效检测并实时感知隧道表面湿喷深度。

目前对于隧道表面湿喷深度的识别，除了上述通过人眼去判断的方法外，还有一种基于三维激光雷达的判别方法，此方法首先要对传感器设备经行标定，利用三维激光雷达采集在建隧道的表面的点云信息，然后对点云数据做预处理，最后建立隧道岩石表面湿喷厚度检测模型，并计算隧道表面每一点的待湿喷深度。该方法虽然能够实现整个过程无人干预，但是其重建过程，步骤繁琐，且需要提前对传感器等设备进行精密的标定准备。此外，点云数据处理周期很长，不具备实时性。

综上所述，随着隧道工程量的增加，以及施工方法与施工设备向着自动化方向的发展，现有的设备及传统工艺方法已经不能满足这种大趋势的需求。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置及方法。本发明无需对隧道表面轮廓进行三维重建，方法简便，且具有实时性。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，包括：线结构激光器、工业相机、图像采集系统以及图像处理系统，其中：

所述线结构激光器，设置在湿喷车后部，用于将多条线结构光投射在隧道壁的喷浆区域；

所述工业相机，设置在湿喷车车顶部，用于采集结构光所照射区域的激光条信息；

所述图像采集系统，用于实时接收所述工业相机采集的激光条信息，并实时传送至图像处理系统；

所述图像处理系统，用于实时接收所述图像采集系统传送的激光条信息，并对激光条信息进行处理，实时分析喷浆区域的混凝土厚度是否达标。

进一步地，所述喷浆区域位于两钢拱架之间处，激光条同时投射在两钢拱架与两钢拱架的中间喷浆区域。

进一步地，所述线结构激光器的光平面与所述工业相机的光轴线成一定的夹角。

进一步地，通过调整所述工业相机和线结构激光器的高度差，以及所述夹角的大小，来改变激光条的偏折量。

进一步地，所述线结构激光器和工业相机均设置在湿喷车上，与湿喷车构成一移动式的整体自动化喷浆系统，随湿喷车移动并进行实时检测。

进一步地，所述图像处理系统实时分析喷浆区域的混凝土厚度是否达标，具体为：

利用钢拱架处激光条拟合出的直线与喷浆区域激光条拟合出的直线进行距离比对，由二者距离值判定喷浆厚度是否达标。

本发明还提供了一种基于上述基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、检测时，调整所述线结构激光器的投射方向，使所述线结构激光器将多条平行的激光线投射在喷浆区域，激光条的投射区域覆盖喷浆区域的钢拱架和其之间的混凝土；

S2、图像采集系统向所述工业相机发出启动指令，所述工业相机启动并拍摄当前喷浆区域的喷涂状态，并将拍摄到的激光条图像传输给上位机的所述图像处理系统；

S3、所述图像处理系统接收所述图像采集系统传输来的图像信息，并对图像信息进行预处理；

S4、选择已经预处理后的良好图像，通过Steger算法对光条提取光条纹中心点，再利用最小二乘法拟合重新计算光条中心线及中心点；

S5、将条纹中心线图像作为模型训练样本，训练bp神经网络，当网络训练误差小于给定误差，或者训练次数达到最大训练值时，停止训练，得到最终光条中心及中心直线，记为L₁，L₁作为标准线，后续进行比对使用；

S6、利用所述图像处理系统再对两钢拱架之间喷浆区域的激光条进行处理，并拟合成直线，并记拟合后的直线为L₂；

S7、比对标准线L₁与拟合后的直线L₂之间的距离d，当d值小于设定的阈值时，即判定此区域喷浆完成，厚度接近钢拱架表面。

进一步地，所述预处理包括灰度处理、二值化处理以及高斯模糊处理。

进一步地，所述步骤S6中对两钢拱架之间喷浆区域的激光条进行处理，并拟合成直线的方式，与步骤S4中对预处理后的良好图像进行处理，并拟合成直线的方式相同。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置及方法，不需要对隧道轮廓进行三维重建，因此，省去了大量的复杂计算过程，处理周期短，且简便迅速，正因如此，所以本发明可以做到实时检测判定。

2、本发明提供的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置及方法，省去了工人肉眼观察喷浆区域的环节，大大降低了工人劳动量，同时，采用工业相机代替人去做危险工作，保障了工人人身安全。也为未来全自动化湿喷机的研发提供了部分可行方案。

基于上述理由本发明可在隧道喷浆施工自动化等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明检测装置示意图。

图2为本发明技术原理图。

图3为本发明技术实验实物图。

图中：1、工业相机；2、多线结构激光器；3、机械臂；4、相机光轴线；5、喷头；6、喷浆区域；7、钢拱架；8、光平面；9、激光条；10、湿喷车；L₁、L₂分别为钢拱架以及喷涂区域处激光条拟合的直线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，包括：线结构激光器2、工业相机1、图像采集系统以及图像处理系统，其中：

所述线结构激光器2，设置在湿喷车10后部，用于将多条线结构光投射在隧道壁的喷浆区域6；

所述工业相机1，为工业面阵相机，设置在湿喷车10车顶部，用于采集结构光所照射区域的激光条信息；

所述图像采集系统，用于实时接收所述工业相机1采集的激光条信息，并实时传送至图像处理系统；

所述图像处理系统，用于实时接收所述图像采集系统传送的激光条信息，并对激光条信息进行处理，实时分析喷浆区域6的混凝土厚度是否达标。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述喷浆区域6位于两钢拱架7之间处，激光条9同时投射在两钢拱架7与两钢拱架7的中间喷浆区域。其中，钢拱架表面实质上是作为所期望达到的喷浆厚度位置，并以此表面作为后续喷浆厚度的参考面。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述线结构激光器2的光平面8与所述工业相机1的光轴线4成一定的夹角。在本实施例中，夹角在15°左右即可，当场地条件允许的话，大于15°会使得检测判断效果更好，夹角不宜过小，否则将影响检测效果。同时，在本实施例中，如图1所示，将所述工业相机1设置在湿喷车车顶部，将所述线结构激光器2设置在湿喷车后部，以便于使所述线结构激光器2所产生的光平面8与相机光轴线4形成较大的夹角。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，通过调整所述工业相机1和线结构激光器2的高度差，以及所述夹角的大小，来改变激光条9的喷浆。在本实施例中，所述夹角大于15°时效果较好。实验证明在此角度姿态下，12m的检测距离可分辨出1mm的深度差，当然场地条件允许的话，夹角大于15°会使得检测判断效果更好，夹角不宜过小，否则将影响检测效果。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述图像处理系统实时分析喷浆区域6的混凝土厚度是否达标，具体为：

利用钢拱架7处激光条9拟合出的直线与喷浆区域6的激光条9拟合出的直线进行距离比对，由二者距离值判定喷浆厚度是否达标。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述线结构激光器2和工业相机1均设置在湿喷车10上，与湿喷车10构成一移动式的整体自动化喷浆系统，随湿喷车移动并进行实时检测。

本发明还提供了一种基于上述基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、检测时，调整所述线结构激光器的投射方向，使所述线结构激光器将多条平行的激光线投射在喷浆区域，激光条的投射区域覆盖喷浆区域的钢拱架和其之间的混凝土；

S2、图像采集系统向所述工业相机发出启动指令，所述工业相机启动并拍摄当前喷浆区域的喷涂状态，并将拍摄到的激光条图像传输给上位机的所述图像处理系统；

S3、所述图像处理系统接收所述图像采集系统传输来的图像信息，并对图像信息进行预处理；

S4、选择已经预处理后的良好图像，通过Steger算法对光条提取光条纹中心点，再利用最小二乘法拟合重新计算光条中心线及中心点；

S5、将条纹中心线图像作为模型训练样本，训练bp神经网络，当网络训练误差小于给定误差，或者训练次数达到最大训练值时，停止训练，得到最终光条中心及中心直线，记为L₁，L₁作为标准线，后续进行比对使用；

S6、利用所述图像处理系统再对两钢拱架之间喷浆区域的激光条进行处理，并拟合成直线，并记拟合后的直线为L₂；

S7、比对标准线L₁与拟合后的直线L₂之间的距离d，当d值小于设定的阈值时，即判定此区域喷浆完成，厚度接近钢拱架表面。进而控制移动机械臂3或者移动湿喷车10到下一工作区域，重复上述操作。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，调整好多线结构激光器2的投射方向后，进而调节工业面阵相机1的焦距与曝光度，直至其所拍摄到的喷浆区域6的图像以及激光条9清晰，且激光线9外缘有较少量毛刺即可。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，完成工业相机1与多线结构激光器2的调整与布置后，还包括打开图像采集系统，并设置好工业相机1的拍照频率、图像保存路径等参数的步骤。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，在湿喷机10开始喷涂之前，运行图像采集系统并命令工业相机1进行拍照测试。打开上位机的图像处理系统进行测试，使其处理几张工业相机1测试过程所拍摄的图像，若处理结果无误，湿喷车10即可开始喷浆。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述预处理包括灰度处理、二值化处理以及高斯模糊处理。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S6中对两钢拱架之间喷浆区域的激光条进行处理，并拟合成直线的方式，与步骤S4中对预处理后的良好图像进行处理，并拟合成直线的方式相同。

为了进一步说明本发明的技术方案，以下对本发明的技术原理进行介绍，本发明采用的技术原理如下：

如图3所示，将被测物放在桌面上，被测物上表面高出桌面3cm，当相机光轴线4与激光平面呈一定角度时，可见由于物体与桌面存在的高度差，投射在物体表面上的激光线发生偏移。

其具体原理如图2所示，被测物放在桌面上时，激光照射在桌面上的O点，由于高度差的存在，激光则照射在被测物的A点。激光面与竖直方向的夹角为θ，点A与点O水平方向的距离为L，则当高度差H减小时，相应的L也会随之减小；H为0时，A与O点重合，机激光线偏移量L为零。

本发明依据此原理，并结合图像处理技术，来解决上述判断喷浆厚度是否达标的技术问题。喷浆过程中，混凝土浆持续填充进两钢拱架之间，此时钢拱架7之间喷浆区域6与钢拱架表面的高度差会逐渐缩小，即上述原理中H值会缩小，故其所引起的激光条偏移量L也会相应减小。某一时刻，喷浆区域6的高度接近钢拱架表面高度时，此时L值已足够小，即激光条的偏移量足够小，故以此偏移量的值判定喷浆是否完成。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，其特征在于，包括：线结构激光器、工业相机、图像采集系统以及图像处理系统，其中：

所述线结构激光器，设置在湿喷车后部，用于将多条线结构光投射在隧道壁的喷浆区域；

所述工业相机，设置在湿喷车车顶部，用于采集结构光所照射区域的激光条信息；

所述图像采集系统，用于实时接收所述工业相机采集的激光条信息，并实时传送至图像处理系统；

所述图像处理系统，用于实时接收所述图像采集系统传送的激光条信息，并对激光条信息进行处理，实时分析喷浆区域的混凝土厚度是否达标。

2.根据权利要求1所述的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，其特征在于，激光条同时投射在两钢拱架与两钢拱架的中间喷浆区域。

3.根据权利要求1所述的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，其特征在于，所述线结构激光器的光平面与所述工业相机的光轴线成一定的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，其特征在于，通过调整所述工业相机和线结构激光器的高度差，以及所述夹角的大小，来改变激光条的偏折量。

5.根据权利要求1所述的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，其特征在于，所述线结构激光器和工业相机均设置在湿喷车上，与湿喷车构成一移动式的整体自动化喷浆系统，随湿喷车移动并进行实时检测。

6.根据权利要求1所述的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置，其特征在于，所述图像处理系统实时分析喷浆区域的混凝土厚度是否达标，具体为：

利用钢拱架处激光条拟合出的直线与喷浆区域激光条拟合出的直线进行距离比对，由二者距离值判定喷浆厚度是否达标。

7.一种基于权利要求1-6中任意一项权利要求所述基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、检测时，调整所述线结构激光器的投射方向，使所述线结构激光器将多条平行的激光线投射在喷浆区域，激光条的投射区域覆盖喷浆区域的钢拱架和其之间的混凝土；

S2、图像采集系统向所述工业相机发出启动指令，所述工业相机启动并拍摄当前喷浆区域的喷涂状态，并将拍摄到的激光条图像传输给上位机的所述图像处理系统；

S3、所述图像处理系统接收所述图像采集系统传输来的图像信息，并对图像信息进行预处理；

S4、选择已经预处理后的良好图像，通过Steger算法对光条提取光条纹中心点，再利用最小二乘法拟合重新计算光条中心线及中心点；

S5、将条纹中心线图像作为模型训练样本，训练bp神经网络，当网络训练误差小于给定误差，或者训练次数达到最大训练值时，停止训练，得到最终光条中心及中心直线，记为L₁，L₁作为标准线，后续进行比对使用；

S6、利用所述图像处理系统再对两钢拱架之间喷浆区域的激光条进行处理，并拟合成直线，并记拟合后的直线为L₂；

S7、比对标准线L₁与拟合后的直线L₂之间的距离d，当d值小于设定的阈值时，即判定此区域喷浆完成，厚度接近钢拱架表面。

8.根据权利要求7所述的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测方法，其特征在于，所述预处理包括灰度处理、二值化处理以及高斯模糊处理。

9.根据权利要求7所述的基于线结构光的隧道湿喷车喷浆厚度实时检测方法，其特征在于，所述步骤S6中对两钢拱架之间喷浆区域的激光条进行处理，并拟合成直线的方式，与步骤S4中对预处理后的良好图像进行处理，并拟合成直线的方式相同。

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