CN115046499B - 一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统及方法 - Google Patents

一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，包括：可于待测管道内行走的环形激光扫描装置，其包括沿着行走方向依次设置的相机、锥形反射器和激光发射器，所述激光发射器发射出的环形光束经过所述锥形反射器反射以照射于待测管道的内壁上形成激光条纹，所述相机用于在环形激光扫描装置行走过程中连续获取所述激光条纹的图像；以及与所述相机连接的数据处理单元，所述数据处理单元用于根据所述激光条纹的图像数据建立待测管道内壁的三维模型。本发明的有益效果：基于激光三角测量原理的主动式光学三维测量方案，不同于传统的二维图像检测，基于三维模型的管道内壁检测具有较强的鲁棒性以及测量的准确性。

Description

一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统及方法
技术领域
本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统及方法。
背景技术
环形激光扫描是一种获得物体的空间三维坐标的非接触式测量技术。传统的接触式测量方法依靠各种仪器的测头与待测表面接触得到各项几何参数，这种方法测量效率低、依赖复杂的驱动定位装置、灵活性和通用性低。相对于接触式测量方法，非接触式激光测量方法具有无可比拟的测量效率高、量程灵活可调、不干涉被测物、方便进行标定和误差补偿等优点。利用环形激光扫描可以根据管道内壁点的三维坐标重构高精度的管道内表面三维形貌。
目前国内外管道内壁检测技术主要采用的是CCTV(Closed Circuit Television)管道闭路电视检测系统，但该系统在管道内采集图像及后期图像判读过程中都需要人工参与，其智能化程度底，主观性大。由于管道的特殊性性质，其内表面检测技术还存在许多困难。首先，有些管道内表面直径较小且待测表面是封闭的，要求检测设备结构紧凑直径小，因此像线结构光投影技术难以胜任。其次，所有接触式测量都因测量效率较低而不适用。因此，有必要设计一种环形激光管道检测系统测量装置尤为重要。
发明内容
有鉴于此，为了解决管道内壁表面检修智能化程度底、测量效率低的问题，本发明的实施例提供了一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统及方法。
本发明的实施例提供一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，包括：
可于待测管道内行走的环形激光扫描装置，其包括沿着行走方向依次设置的相机、锥形反射器和激光发射器，所述激光发射器发射出的环形光束经过所述锥形反射器反射以照射于待测管道的内壁上形成激光条纹，所述相机用于在环形激光扫描装置行走过程中连续获取所述激光条纹的图像；
以及与所述相机连接的数据处理单元，所述数据处理单元用于根据所述激光条纹的图像数据建立待测管道内壁的三维模型，建立方法如下：
根据相机坐标系到世界坐标系的变换关系，预先基于圆点标定板进行激光条纹标定，获取不同位置和不同姿态下圆点标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数；
对于所述相机获取的每一幅激光条纹图像，根据各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数，解算出每一幅激光条纹图像上激光条纹的高度信息，将连续扫描得到的多幅图像的高度信息进行拼接得到完整的待测管道内壁表面点云轮廓信息；
获取每一激光条纹幅图像对应的位置信息，并根据该位置信息、以及待测管道内壁表面点云轮廓信息建立三维模型。
进一步地，所述环形激光扫描装置还包括玻璃管，所述相机安装于所述玻璃管一端，所述锥形反射器和激光发射器安装于所述玻璃管另一端。
进一步地，所述环形激光扫描装置两端分别设有两行走机构；
每一所述行走机构包括导向杆、套设于所述导向杆上的滑套、套设于所述导向杆上的弹簧，以及环绕所述滑套设置的多个滚轮，所述弹簧一端与所述导向杆固定连接、另一端连接所述滑套，每一所述滚轮通过一活动连杆连接所述滑套，以使所述滑套可沿着所述导向杆滑动而调节所述滚轮的位置。
进一步地，所述活动连杆包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆一端与所述滑套铰接、另一端连接所述滚轮，所述第二连杆一端与所述第一连杆中部铰接、另一端与所述导向杆铰接。
进一步地，所述环形激光扫描装置还包括编码器，所述编码器安装于一所述滚轮上。
进一步地，每一所述行走机构包括至少三个所述滚轮，各所述滚轮环绕所述导向杆均匀分布。
进一步地，所述环形激光扫描装置前端设有牵拉件，以连接牵引设备。
另外，在上述基于三角测量原理的环形激光管道检测系统的基础上，本发明的实施例还提供了一种基于三角测量原理的环形激光管道检测方法，包括以下步骤：
S1、牵引所述环形激光扫描装置使其沿着待测管道内部行走，控制所述激光发射器发射出的环形光束，且环形光束经过所述锥形反射器反射后照射于待测管道的内壁上形成激光条纹；
S2、在环形激光扫描装置行走过程中通过所述相机连续采集所述激光条纹的图像；
S3、通过所述数据处理单元对所述激光条纹的图像进行处理建立待测管道内壁的三维模型，所述三维模型的建立方法如下：
在待测管道检测之前预先进行相机标定和激光条纹图像标定，其中通过相机标定获取相机坐标系到世界坐标系的变换关系，激光条纹图像标定通过圆点标定板进行激光条纹标定，获取不同位置和不同姿态下圆点标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数；
对于所述相机获取的每一幅激光条纹图像，根据各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数，解算出每一幅激光条纹图像上激光条纹的高度信息，将连续扫描得到的多幅图像的高度信息进行拼接得到完整的待测管道内壁表面点云轮廓信息；
获取每一激光条纹幅图像对应的位置信息，并根据该位置信息、以及待测管道内壁表面点云轮廓信息建立三维模型。
进一步地，所述步骤S3中相机标定具体包括，采用基于二维圆标记点的标定板对相机系统进行标定，设定标定板所在靶标平面位于世界坐标系Z＝0的平面上，通过线性模型求出相机内外参数的优化解，再根据最大似然估计法对相机内外参数进行非线性优化，得到相机带有畸变系数的内外参数，从而得到单次标定像素的相机坐标系到世界坐标系的变换关系。
进一步地，所述步骤S3中激光条纹图像标定具体包括，使用圆点标定板与待标定的激光相交形成激光条纹标定图像，调整圆点标定板的位置和姿态，使用相机拍摄多幅包含圆标记点和激光条纹标定图像，对激光条纹标定图像中的激光条纹进行直线提取，并根据张正友平面模板标定法获取每幅激光条纹标定图像下圆点标定板平面在相机坐标系下的表达式，对每幅激光条纹标定图像进行最小二乘拟合得到不同位置和不同姿态下平面标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统及方法，提出了基于激光三角测量原理的主动式光学三维测量方案，不同于传统的二维图像检测，基于三维模型的管道内壁检测具有较强的鲁棒性以及测量的准确性；创新性的将线激光扫描的思路运用到管道检测中，采用了一种定制均匀的高亮度360°环形激光器作为视觉测量的主动光源，通过建立环形激光平面的空间物理模型进行传感器的标定，并分析其模型的误差。
附图说明
图1是本发明一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统的环形激光扫描装置的立体结构示意图；
图2是本发明一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统的环形激光扫描装置的主视图；
图3是图2中的A-A剖面示意图。
图中：1-相机、2-锥形反射器、3-激光发射器、4-玻璃管、5-行走机构、6-相机安装座、7-激光安装座、8-镜头、9-导向杆、10-弹簧、11-滑套、12-滚轮、13-活动连杆、14-牵拉件、15-第一连杆、16-第二连杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1，本发明的实施例提供了本发明的实施例提供一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，包括环形激光扫描装置和数据处理单元。
所述环形激光扫描装置主要包括沿着行走方向依次设置的相机1、锥形反射器2和激光发射器3，同时所述环形激光扫描装置还包括玻璃管4，所述相机1安装于所述玻璃管4一端，所述锥形反射器2和激光发射器3安装于所述玻璃管4另一端。
具体的，所述相机1为CCD相机，所述玻璃管4为高透的有机玻璃管，所述相机1安装于相机安装座6上，所述相机安装座6安装于所述玻璃管4一端，并且所述相机1的镜头8延伸入所述玻璃管4内。所述锥形反射器2设置于所述玻璃管4的另一端内部，所述激光发射器3安装于激光安装座7上，并且所述激光安装座7套设于所述玻璃管4的端部。所述激光发射器3发射出的环形光束经过所述锥形反射器2反射后照射于待测管道的内壁上形成激光条纹，所述相机1用于在环形激光扫描装置行走过程中连续获取所述激光条纹的图像。
所述环形激光扫描装置两端分别设有两行走机构5，使所述环形激光扫描装置能够在待测管道内行走。具体的，每一所述行走机构5包括导向杆9、套设于所述导向杆9上的滑套11、套设于所述导向杆9上的弹簧10，以及环绕所述滑套11设置的多个滚轮12。
如图2和3所示，所述弹簧10位于所述滑套11的外侧，所述滑套11套设于所述导向杆9上且可沿着所述导向杆9滑动。所述弹簧10一端与所述导向杆9固定连接、另一端连接所述滑套11，每一所述滚轮12通过一活动连杆13连接所述滑套11。所述行走机构5在待测管道内行走时，所述滚轮12与待测管道的内壁紧贴，所述滚轮12通过所述活动连杆13推动所述滑套11沿着所述导向杆9滑动，所述弹簧10根据待测管道的内径自适应调整，保持所述滚轮12贴合在待测管道内壁。
继续如图1和3所示，所述活动连杆13近似为T形活动连杆，所述活动连杆13包括第一连杆15和第二连杆16，所述第一连杆15一端与所述滑套11铰接、另一端连接所述滚轮12，所述第二连杆16一端与所述第一连杆15中部铰接、另一端与所述导向杆9铰接。所述活动连杆13关联所述滚轮12、所述滑套11和所述弹簧10，使所述滚轮12的位置可自适应调整。
对于每一所述行走机构5而言，所述滚轮12的数量可以根据待测管道的内径灵活设置，一般至少设置为三个。如本实施例中设置为三个，各所述滚轮12环绕所述导向杆9均匀分布，使所述行走机构5可沿着待测管道内部稳定行走。
此外，所述环形激光扫描装置还包括编码器，所述编码器安装于一所述滚轮12上。所述编码器可安装于两所述行走机构5其中之一的一所述滚轮12上，所述编码器用于采集所述环形激光扫描装置的行走距离，进而可沿着待测管道间隔设定距离通过所述相机1采集所述激光条纹的图像。
同时，所述环形激光扫描装置前端设有牵拉件14，本实施例所述牵拉件14设置为拉环，通过所述拉环可以连接牵引设备，所述环形激光扫描装置通过牵引设备沿着待测管道进行轴向运动，扫描整个待测管道内壁。可以理解的是，所述牵拉件14还可以设置为其他各种形式的牵拉件，具体结构可以根据应用场景灵活选择，如拉钩等。
所述数据处理单元与所述相机1连接，进行数据传输，可以获取所述激光条纹的图像数据，进而根据所述激光条纹的图像数据建立待测管道内壁的三维模型。
另外，在上述基于三角测量原理的环形激光管道检测系统的基础上，本发明的实施例还提供了一种基于三角测量原理的环形激光管道检测方法，包括以下步骤：
S1、牵引所述环形激光扫描装置使其沿着待测管道内部行走，控制所述激光发射器3发射出的环形光束，且环形光束经过所述锥形反射器2反射后照射于待测管道的内壁上形成激光条纹；
S2、在环形激光扫描装置行走过程中通过所述相机1连续采集所述激光条纹的图像；
S3、通过所述数据处理单元对所述激光条纹的图像进行处理建立待测管道内壁的三维模型：所述三维模型的建立方法如下：
在待测管道检测之前预先进行相机标定和激光条纹图像标定。
相机标定主要是用于获取相机坐标系到世界坐标系的变换关系，具体采用基于二维圆标记点的标定板对相机1进行标定：设定标定板所在靶标平面位于世界坐标系Z＝0的平面上，通过线性模型求出相机1内外参数的优化解，再根据最大似然估计法对相机1内外参数进行非线性优化，得到相机1带有畸变系数的内外参数，从而得到单次标定像素的相机坐标系到世界坐标系的变换关系。
然后对所述锥形反射器2发射出的环形激光进行激光条纹图像标定，具体通过圆点标定板进行激光条纹标定：使用圆点标定板与待标定的激光相交形成激光条纹标定图像，调整圆点标定板的位置和姿态，使用相机1拍摄多幅包含圆标记点和激光条纹标定图像，对激光条纹标定图像中的激光条纹进行直线提取，并根据张正友平面模板标定法获取每幅激光条纹标定图像下圆点标定板平面在相机坐标系下的表达式，对每幅激光条纹标定图像进行最小二乘拟合得到不同位置和不同姿态下平面标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数。
由于已经获得不同位置和不同姿态下圆点标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数。对于所述相机1获取的每一幅激光条纹图像，可根据各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数，解算出每一幅激光条纹图像上激光条纹的高度信息，将连续扫描得到的多幅图像的高度信息进行拼接得到完整的待测管道内壁表面点云轮廓信息；
由所述编码器获取每一幅激光条纹图像对应的位置信息，并根据该位置信息、以及待测管道内壁表面点云轮廓信息建立三维模型。如通过C#利用Visual Studio进行开发的图像处理软件，根据每一激光条纹幅图的位置信息、以及待测管道内壁表面点云轮廓信息建立三维模型。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，其特征在于，包括：
可于待测管道内行走的环形激光扫描装置，其包括沿着行走方向依次设置的相机、锥形反射器和激光发射器，所述激光发射器发射出的环形光束经过所述锥形反射器反射以照射于待测管道的内壁上形成环形的激光条纹，所述相机用于在环形激光扫描装置行走过程中连续获取所述激光条纹的图像，所述环形激光扫描装置还包括玻璃管，所述相机安装于所述玻璃管一端，所述锥形反射器和激光发射器安装于所述玻璃管另一端；
以及与所述相机连接的数据处理单元，所述数据处理单元用于根据所述激光条纹的图像数据建立待测管道内壁的三维模型，建立方法如下：
根据相机坐标系到世界坐标系的变换关系，预先基于圆点标定板进行激光条纹标定，获取不同位置和不同姿态下圆点标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数；
对于所述相机获取的每一幅激光条纹图像，根据各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数，解算出每一幅激光条纹图像上激光条纹的高度信息，将连续扫描得到的多幅图像的高度信息进行拼接得到完整的待测管道内壁表面点云轮廓信息；
获取每一激光条纹幅图像对应的位置信息，并根据该位置信息、以及待测管道内壁表面点云轮廓信息建立三维模型。
2.如权利要求1所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，其特征在于：所述环形激光扫描装置两端分别设有两行走机构；
每一所述行走机构包括导向杆、套设于所述导向杆上的滑套、套设于所述导向杆上的弹簧，以及环绕所述滑套设置的多个滚轮，所述弹簧一端与所述导向杆固定连接、另一端连接所述滑套，每一所述滚轮通过一活动连杆连接所述滑套，以使所述滑套可沿着所述导向杆滑动而调节所述滚轮的位置。
3.如权利要求2所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，其特征在于：所述活动连杆包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆一端与所述滑套铰接、另一端连接所述滚轮，所述第二连杆一端与所述第一连杆中部铰接、另一端与所述导向杆铰接。
4.如权利要求3所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，其特征在于：所述环形激光扫描装置还包括编码器，所述编码器安装于一所述滚轮上。
5.如权利要求3所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，其特征在于：每一所述行走机构包括至少三个所述滚轮，各所述滚轮环绕所述导向杆均匀分布。
6.如权利要求1所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，其特征在于：所述环形激光扫描装置前端设有牵拉件，以连接牵引设备。
7.一种基于三角测量原理的环形激光管道检测方法，其特征在于：使用如权利要求1～6任意一项所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测系统，且包括以下步骤：
S1、牵引所述环形激光扫描装置使其沿着待测管道内部行走，控制所述激光发射器发射出的环形光束，且环形光束经过所述锥形反射器反射后照射于待测管道的内壁上形成激光条纹；
S2、在环形激光扫描装置行走过程中通过所述相机连续采集所述激光条纹的图像；
S3、通过所述数据处理单元对所述激光条纹的图像进行处理建立待测管道内壁的三维模型，所述三维模型的建立方法如下：
在待测管道检测之前预先进行相机标定和激光条纹图像标定，其中通过相机标定获取相机坐标系到世界坐标系的变换关系，激光条纹图像标定通过圆点标定板进行激光条纹标定，获取不同位置和不同姿态下圆点标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数；
对于所述相机获取的每一幅激光条纹图像，根据各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数，解算出每一幅激光条纹图像上激光条纹的高度信息，将连续扫描得到的多幅图像的高度信息进行拼接得到完整的待测管道内壁表面点云轮廓信息；
获取每一激光条纹幅图像对应的位置信息，并根据该位置信息、以及待测管道内壁表面点云轮廓信息建立三维模型。
8.如权利要求7所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测方法，其特征在于：所述步骤S3中相机标定具体包括，采用基于二维圆标记点的标定板对相机系统进行标定，设定标定板所在靶标平面位于世界坐标系Z＝0的平面上，通过线性模型求出相机内外参数的优化解，再根据最大似然估计法对相机内外参数进行非线性优化，得到相机带有畸变系数的内外参数，从而得到单次标定像素的相机坐标系到世界坐标系的变换关系。
9.如权利要求8所述的一种基于三角测量原理的环形激光管道检测方法，其特征在于：所述步骤S3中激光条纹图像标定具体包括，使用圆点标定板与待标定的激光相交形成激光条纹标定图像，调整圆点标定板的位置和姿态，使用相机拍摄多幅包含圆标记点和激光条纹标定图像，对激光条纹标定图像中的激光条纹进行直线提取，并根据张正友平面模板标定法获取每幅激光条纹标定图像下圆点标定板平面在相机坐标系下的表达式，对每幅激光条纹标定图像进行最小二乘拟合得到不同位置和不同姿态下平面标定板上的各幅激光条纹标定图像对应的相机位置的平面参数。
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