CN116299522A - 基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于堤坝病害的监测技术领域，提供了基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置及工作方法，该装置包括检测装置主体，所述检测装置主体包括雷达俯仰扫描模块和安装臂，所述安装臂上设置至少一个相机；所述雷达俯仰扫描模块包括固定部分和活动部分，固定部分通过支撑轴与活动部分连接；所述固定部分包括扫描固定底座和摆动支撑板，所述扫描固定底座和安装臂固定连接，所述摆动支撑板固定安装于扫描固定底座两侧，所述活动部分为一箱体结构，箱体表面设置雷达固定座，所述雷达固定座用于抱紧激光雷达，箱体内部设置控制器；通过对激光雷达与相机进行融合使用，实现全天时、全天候的堤坝巡查作业和监测作业。

Description

基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置及工作方法

技术领域

本发明属于堤坝病害的监测技术领域，尤其涉及基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

渗流、滑坡等是影响水工、海工以及地下工程等中涉水结构物安全长效服役的重要因素和突出病害，尤其对于土石坝、堤坝等土石结构物，大量破坏甚至失事是由于程度不同的渗漏及渗漏衍生的各种问题所致。因此，对堤坝表观病害信息进行连续高效的日常巡检对确保水库等水利工程枢纽安全运行、建立数字化堤坝具有重要意义。

发明人发现，目前的堤坝巡检技术存在以下的技术短板：

(1)目前堤坝病险巡检多为人工或半自动化处理，过度依赖人工，存在工作强度大、耗时费力、汛期巡检危险性高、巡检信息记录不全面，容易贻误抢修时机；

(2)其次，现有的巡检技术仅能单点查看，未能融合巡检位置信息、三维堤坝模型及图像数据，导致数据管理可视化、智能化程度低；

(3)现有自动化或半自动化的堤坝巡检、堤坝病险区监测很难实现全天候作业，且受到天气环境的影响较大。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置及工作方法，其对激光雷达与相机进行融合使用，实现全天时、全天候的堤坝巡查作业和监测作业。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，包括检测装置主体，所述检测装置主体包括雷达俯仰扫描模块和安装臂部分，所述安装臂部分上设置至少一个相机；

所述雷达俯仰扫描模块包括固定部分和活动部分，固定部分通过支撑轴与活动部分连接；所述固定部分包括扫描固定底座和摆动支撑板，所述扫描固定底座和安装臂部分固定连接，所述摆动支撑板固定安装于扫描固定底座两侧，所述活动部分为一箱体结构，箱体表面设置雷达固定座，所述雷达固定座用于抱紧激光雷达，箱体内部设置控制器；

所述相机用于获取堤坝表观图像数据，所述激光雷达用于获取堤坝表观三维点云数据，所述控制器用于对堤坝表观图像数据和三维点云数据进行分析和处理得到堤坝表观病害检测结果。

上述技术方案的优点在于，通过激光雷达准确地反映出环境的空间三维信息，测量精度和测距能力受光照、气象、雾霾等条件影响较小，可以实现夜间监测作业，在细节及颜色描述方面，通过相机获取，通过对激光雷达与相机进行融合使用，实现全天时、全天候的堤坝巡查作业和监测作业。

作为一种实施方式，所述检测装置主体，还包括：高度调节杆和调节杆法兰座，所述安装臂部分通过螺纹连接安装在调节杆法兰座上，调节杆法兰座上有设置多个连接螺母，调节杆法兰座与高度调节杆之间通过螺纹连接，并由螺母紧固，通过螺纹和螺母的配合进行调节杆法兰座的高度调节。

作为一种实施方式，所述箱体结构，通过雷达固定座、第一安装板、第二安装板以及第三安装板围合而成，所述第一安装板预留走线孔，用于安装航空插头，所述第二安装板一侧设置电机固定筒，所述电机固定筒用于固定电机，所述第二安装板另一侧设置增量式编码器固定筒，所述增量式编码器固定筒用于固定增量式编码器。

作为一种实施方式，所述安装臂部分，包括：安装座、安装臂法兰座、安装臂和防松迫紧螺帽；所述安装臂法兰座通过螺栓安装在所述安装座上，安装臂一端与安装臂法兰座通过插销紧固连接，另一端与调节杆法兰座连接，并通过防松迫紧螺帽旋紧固定；所述安装臂采用前探式弯曲形状。

作为一种实施方式，所述电机通过驱动器来进行控制，所述驱动器通过控制器进行控制，所述电机与增量式编码器进行连接，所述控制器还分别与激光雷达、相机和GPS模块连接。

作为一种实施方式，所述箱体内部还设置GPS模块，所述GPS模块用于记录巡查过的地点、路线和距离。

作为一种实施方式，所述检测装置支持三种作业方式，分别为背负作业、移动平台作业和架站作业；

处于背负作业方式时，将所述检测装置通过高度调节杆固定在背包上；

处于移动平台作业方式时，将所述检测装置通过高度调节杆固定在移动平台上；

处于架站作业方式时，将所述检测装置安装在堤坝病险区以及堤坝潜在病险区的监测作业的固定式平台上。

作为一种实施方式，所述背包内设置有刚性结构，用于固定高度调节杆。

作为一种实施方式，所述雷达俯仰扫描模块支持自动和手动两种运行模式，设备在离线的模式下，按照设定好的参数进行自动运行。

本发明的第二个方面提供基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置工作方法，包括如下步骤：

根据作业方式和作业环境，将所述调节杆法兰座通过高度调节杆调节到适应的作业高度；

根据工作人员或移动平台行进的方向，将安装臂底端螺纹选择和调节杆法兰座匹配的螺母进行连接；

将激光雷达安装在雷达俯仰扫描模块的雷达固定座上，设置激光雷达的扫描角度和动作速度条件，进行自动扫描；

将相机安装在安装臂的顶部，调整相机的拍摄角度；

通过激光雷达和相机的联合标定后，进行堤坝巡检作业。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过激光雷达准确地反映出环境的空间三维信息，测量精度和测距能力受光照、气象、雾霾等条件影响较小，可以实现夜间监测作业，在细节及颜色描述方面，通过相机获取，通过对激光雷达与相机进行融合使用，实现全天时、全天候的堤坝巡查作业和监测作业。

相机-雷达-传感-机械智能触发控制，定制采集方案，自动通电作业，实现无人化监测，可7×24全天候多气象作业，满足长期监控、短时监测两种监测需求，图像、点云、传感多源传感模块化接驳、集成化控制、多线程存储。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置整体结构示意图；

图2是本发明安装臂结构示意图；

图3是本发明雷达俯仰扫描模块侧视图；

图4是本发明雷达俯仰扫描模块结构A-A截面视图；

图5是本发明雷达座的结构示意图；

图6是本发明背负作业方式示意图；

图7是本发明移动平台作业方式示意图；

图8是本发明架站作业方式示意图；

图9是本发明控制器连接示意图；

图中，1-雷达俯仰扫描模块；1011-扫描固定底座；1012-摆动支撑板，2-安装臂部分；201-安装座；202-安装臂法兰座；203-安装臂；204-防松迫紧螺帽；3-相机；4-支撑轴；5-雷达固定座；6-激光雷达；7-控制器；8-高度调节杆；9-调节杆法兰座；10-第一安装板；11-第二安装板；12-第三安装板；13-电机固定筒；14-电机；15-增量式编码器固定筒；16-增量式编码器；17-GPS模块；18-背包；19-移动平台；20-固定式平台。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

在本发明中，术语如“上”、“侧”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固定连接”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术中提及的堤坝巡检技术存在的技术短板，本发明提供了基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置及工作方法，激光雷达的优势在于可以准确地反映出环境的空间三维信息，测量精度和测距能力受光照、气象、雾霾等条件影响较小，可以实现夜间监测作业，但却在细节描述方面有所欠缺，且在降雨情况下，扫描的数据质量严重下降，相机虽然无法反映出环境的空间三维信息，但却在细节及颜色描述方面具有突出的效果，因此通过对激光雷达与相机进行融合使用，实现全天时、全天候的堤坝巡查作业和监测作业。

实施例一

如图1所示，本实施例提供基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，包括检测装置主体，所述检测装置主体包括雷达俯仰扫描模块1和安装臂部分2，所述安装臂部分2上设置至少一个相机3；

如图4所示，所述雷达俯仰扫描模块1包括固定部分和活动部分，固定部分通过支撑轴4与活动部分连接；所述固定部分包括扫描固定底座1011和摆动支撑板1012，所述扫描固定底座1011和安装臂部分2固定连接，所述摆动支撑板1012固定安装于扫描固定底座1011两侧，所述活动部分为一箱体结构，箱体表面设置雷达固定座5，所述雷达固定座5用于抱紧激光雷达6，箱体内部设置控制器7；

所述相机3用于获取堤坝表观图像数据，所述激光雷达6用于获取堤坝表观三维点云数据，所述控制器7用于对堤坝表观图像数据和三维点云数据进行分析和处理得到堤坝表观病害检测结果。

本实施例中，相机的数量和安装位姿可根据作业要求做出调整；

在其他的实施例中，所述控制器7也就是开发板可以采用单片机，如51单片机、ARM开发板等，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。

所述激光雷达，用于获取堤坝表观高精度三维点云数据，相机，用于获取堤坝表观高分辨率全景影像，后期对堤坝点云数据和图像数据进行处理和分析，可以获取堤坝形状参数和表观病害特征参数信息，堤坝表观病害包括但不限于渗流、滑坡、管涌以及因渗导致的草木生长异常等。

上述技术方案的优点在于，通过激光雷达准确地反映出环境的空间三维信息，测量精度和测距能力受光照、气象、雾霾等条件影响较小，可以实现夜间监测作业，在细节及颜色描述方面，通过相机获取，通过对激光雷达与相机进行融合使用，实现全天时、全天候的堤坝巡查作业和监测作业。

进一步地，所述检测装置，还包括：高度调节杆8和调节杆法兰座9，所述安装臂部分2通过螺纹连接安装在调节杆法兰座9上，调节杆法兰座9上有设置多个连接螺母，调节杆法兰座9与高度调节杆8之间通过螺纹连接，并由螺母紧固，通过螺纹和螺母的配合进行调节杆法兰座9的高度调节。

上述技术方案的优点在于增加装置在高度方向的自由度，通过调节调节杆法兰座9的在高度调节杆8上的位置，实现检测装置的高度调节，适应不同检测方式和不同检测场景。

进一步地，如图2所示，所述安装臂部分2，包括：安装座201、安装臂法兰座202、安装臂203和防松迫紧螺帽204；所述安装臂法兰座202通过螺栓安装在所述安装座201上，安装臂203一端与安装臂法兰座202通过插销紧固连接，另一端与调节杆法兰座9连接，并通过防松迫紧螺帽204旋紧固定。

进一步地，如图3所示，所述箱体结构，通过雷达固定座5、第一安装板10、第二安装板11以及第三安装板12围合而成，所述第一安装板10预留走线孔，用于安装航空插头，所述第二安装板11一侧设置电机固定筒13，所述电机固定筒13用于固定电机14，所述第二安装板11另一侧设置增量式编码器固定筒15，所述增量式编码器固定筒15用于固定增量式编码器16。

为了尽量减小该设备的体积，在满足扭矩的情况下，电机选择了驱控一体式电机。该电机自身带有1000线的增量式的编码器，可以进行闭环控制。

进一步地，如图9所示，所述电机14通过驱动器来进行控制，所述驱动器通过控制器7进行控制，所述电机与增量式编码器16进行连接，所述控制器7还分别与激光雷达、相机和GPS模块17连接。

控制器7和驱动器之间采用RS485Mobus-RTU协议通信，可以实时从驱动器里面，读取当前电机的电流，位置等信息。因为电机带有的是增量式的编码器，无法获取开机时，电机的位置。经过多次实际的测试，实时读取电机的电流参数，把电机堵转的时候的位置作为起点。

该机构工作过程描述如下：

第一次开机，通过上位机，把运行的速度、旋转的角度、停留的时间等参数，写入控制器的FLASH；

控制器每次开机，首先从FLASH中读取各个参数；然后按照指定的方向旋转电机，同时实时的采集电机的参数，当电流超过设定的阈值时，把电机的当前位置设为零点；然后电机按照设定的参数开始旋转。

上述技术方案的优点在于，该机构具有体积小、大扭矩、精度高、使用简单等特点。采用了先进的控制算法，让电机运转起来平滑高效，两级闭环控制，保证了设备的高精度和静态时的稳定。

进一步地，所述箱体结构内部还设置GPS模块17，所述GPS模块17用于记录巡查过的地点、路线和距离。

进一步地，所述检测装置支持三种作业方式，分别为背负作业、移动平台作业和架站作业；

如图6所示，当处于背负作业方式时，将所述检测装置通过高度调节杆固定在背包18上；具有轻量化便携特点，由工作人员配备所述巡检装置进行堤坝巡查；

背负作业方式的背包18包括装置作业所用电池等，背包内设置有刚性结构，用于固定高度调节杆。

如图7所示，当处于移动平台作业方式时，将所述检测装置通过高度调节杆固定在移动平台19上，由激光雷达和相机实时记录堤坝表观信息，由GPS模块记录巡查过的地点、路线和距离，形成详细的巡视记录。同样地，移动平台作业方式的移动平台包括但不限于巡检机器人如AGV小车、汽车等。

如图8所示，当处于架站作业方式时，将所述检测装置安装在堤坝病险区以及堤坝潜在病险区的监测作业的固定式平台20上；

架站作业方式的固定式平台20内包括装置所需电源、可根据现场需求加装太阳能板等；堤坝表观病害检测方法，对于背负作业和移动平台作业方式用于日常堤坝巡查作业。

上述技术方案的优点在于在路况较好的情况下实现借助移动平台检测替代人工巡检，高效可靠。

进一步地，所述安装臂2采用前探式弯曲形状，保障在背负作业方式下，激光雷达在摆动扫描过程中因扫描到工作人员而导致扫描后的点云数据出现“鬼影”等杂乱点云。

如图5所示，所述雷达固定座5为对夹双瓣式。以市面常见的圆柱状激光雷达为例，为固定安装激光雷达，特采对夹双瓣式。

上述技术方案的优点在于既能牢靠固定激光雷达又方便拆卸。

所述雷达俯仰扫描模块1具有自动和手动两种运行模式，可以通过上位机软件进行速度、角度等信息的设定，并保存到设备的存储器，让设备在离线的模式下，可以按照设定好的参数进行自动运行。

实施例二

本实施例提供基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置工作方法，包括如下步骤：

步骤(201)：根据作业方式和作业环境，将所述调节杆法兰座在高度调节杆上调节到设定作业高度，作业高度根据作业方式和作业环境不同而进行调整；

步骤(202)：将安装臂底端螺纹选择调节杆法兰座对应的螺母进行连接，根据工作人员或移动平台行进方向选择对应的螺母，如果需要采集前进方向前方的堤坝表观数据，则将安装臂连接到中间螺母，如果移动平台或工作人员沿堤坝坝体前进，则将安装臂连接到两侧螺母，方便扫描采集堤坝边坡表观信息；

步骤(203)：将激光雷达安装在雷达俯仰扫描模块的雷达固定座上，并通过扫描固定底座固定安装在安装臂的顶部，通过上位机，进行速度、角度信息的设定，并保存到设备的存储器，实现激光雷达在雷达俯仰扫描模块设定的扫描角度和动作速度条件下自动扫描；

步骤(204)：将相机安装在安装臂的顶部，相机带有相机云台，用于调整相机的拍摄角度；相机与激光雷达的采集视野应具有重合部分，用于进行相机与激光雷达的联合标定；

步骤(205)：进行激光雷达于相机的联合标定后，通过工作人员或移动平台实行堤坝巡检作业；对于堤坝病险区或者潜在病险区，则选择架站式作业方式。

上述技术方案的优点在于，通过激光雷达准确地反映出环境的空间三维信息，测量精度和测距能力受光照、气象、雾霾等条件影响较小，可以实现夜间监测作业，在细节及颜色描述方面，通过相机获取，通过对激光雷达与相机进行融合使用，实现全天时、全天候的堤坝巡查作业和监测作业。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，包括检测装置主体，所述检测装置主体包括雷达俯仰扫描模块和安装臂部分，所述安装臂部分上设置至少一个相机；

所述雷达俯仰扫描模块包括固定部分和活动部分，固定部分通过支撑轴与活动部分连接；所述固定部分包括扫描固定底座和摆动支撑板，所述扫描固定底座和安装臂部分固定连接，所述摆动支撑板固定安装于扫描固定底座两侧，所述活动部分为一箱体结构，箱体表面设置雷达固定座，所述雷达固定座用于抱紧激光雷达，箱体内部设置控制器；

所述相机用于获取堤坝表观图像数据，所述激光雷达用于获取堤坝表观三维点云数据，所述控制器用于对堤坝表观图像数据和三维点云数据进行分析和处理得到堤坝表观病害检测结果。

2.如权利要求1所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述检测装置主体，还包括：高度调节杆和调节杆法兰座，所述安装臂部分通过螺纹连接安装在调节杆法兰座上，调节杆法兰座上有设置多个连接螺母，调节杆法兰座与高度调节杆之间通过螺纹连接，并由螺母紧固，通过螺纹和螺母的配合进行调节杆法兰座的高度调节。

3.如权利要求1所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述箱体结构，通过雷达固定座、第一安装板、第二安装板以及第三安装板围合而成，所述第一安装板预留走线孔，用于安装航空插头，所述第二安装板一侧设置电机固定筒，所述电机固定筒用于固定电机，所述第二安装板另一侧设置增量式编码器固定筒，所述增量式编码器固定筒用于固定增量式编码器。

4.如权利要求1所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述安装臂部分，包括：安装座、安装臂法兰座、安装臂和防松迫紧螺帽；所述安装臂法兰座通过螺栓安装在所述安装座上，安装臂一端与安装臂法兰座通过插销紧固连接，另一端与调节杆法兰座连接，并通过防松迫紧螺帽旋紧固定；所述安装臂采用前探式弯曲形状。

5.如权利要求3所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述电机通过驱动器来进行控制，所述驱动器通过控制器进行控制，所述电机与增量式编码器进行连接，所述控制器还分别与激光雷达、相机和GPS模块连接。

6.如权利要求1所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述箱体内部还设置GPS模块，所述GPS模块用于记录巡查过的地点、路线和距离。

7.如权利要求1所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述检测装置支持三种作业方式，分别为背负作业、移动平台作业和架站作业；

处于背负作业方式时，将所述检测装置通过高度调节杆固定在背包上；

处于移动平台作业方式时，将所述检测装置通过高度调节杆固定在移动平台上；

处于架站作业方式时，将所述检测装置安装在堤坝病险区以及堤坝潜在病险区的监测作业的固定式平台上。

8.如权利要求7所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述背包内设置有刚性结构，用于固定高度调节杆。

9.如权利要求1所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置，其特征是，所述雷达俯仰扫描模块支持自动和手动两种运行模式，设备在离线的模式下，按照设定好的参数进行自动运行。

10.如权利要求2所述的基于激光雷达和相机的堤坝表观病害检测装置的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

根据作业方式和作业环境，将所述调节杆法兰座通过高度调节杆调节到适应的作业高度；

根据工作人员或移动平台行进的方向，将安装臂底端螺纹选择和调节杆法兰座匹配的螺母进行连接；

将激光雷达安装在雷达俯仰扫描模块的雷达固定座上，设置激光雷达的扫描角度和动作速度条件，进行自动扫描；

将相机安装在安装臂的顶部，调整相机的拍摄角度；

通过激光雷达和相机的联合标定后，进行堤坝巡检作业。

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