CN116659453A - 一种实现多点快速检测的地基沉降检测装置、车辆及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多点快速检测的地基沉降检测装置、车辆及方法，其中检测装置包括快装底座、安装立柱、沿安装立柱的高度方向间隔设置的两个安装支架、对应安装支架设置的相机检测模块、与相机检测模块通信连接的双目立体摄影测量系统；两台相机构成标注物数字图像信息采集模块，对现场标注物进行实时拍摄，获取标注物数字图像信息；双目立体摄影测量系统根据标注物数字图像信息得到标注物的三维空间坐标信息，并计算得出测量系统与标注物的高度关系、测量面相对于标注物的相对高度信息、地基的沉降数据。本发明提高了测试精度，支持车载安装，可实现道路各个沉降测试点的快速、实时检测。

Description

一种实现多点快速检测的地基沉降检测装置、车辆及方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及地基沉降检测技术。

背景技术

现有技术的方案：1、水准测量法：利用水准仪的水平视线进行基准点和沉降监测点的高程测量，根据沉降监测点各周期的高程变化，分析建筑物的沉降变形情况。此法是一种传统而可靠的方法；2、全自动测量法：运用全站仪三角高程测量法测量地基沉降。

水准测量法测量沉降时需要悬挂钢尺，这种接触式的测量在某些施工环境具有效率低、不易操作以及易受干扰等缺陷；运用全站仪的全自动测量法，在光线较差的隧道等环境下需要安装具有固定反射标注的测点装置，装置的安装偏心会引起最终的测量误差。

现有技术的主要缺陷在于都需要把仪器依次安装到预设的固定测试点位后才能完成一系列测试。而且安装条件比较严格，三脚架每次都需要调整到水平位置，而仪器在三脚架上的每次安装和上一次安装的位置参数对比都有误差产生。即不方便在现场进行快速安装，另外，对于道路、隧道等环境，无法快速、实时地检测道路或者隧道上连续多个测试点位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种实现多点快速检测的地基沉降检测装置、车辆及方法，方便在现场进行快速车载安装，在检测装置车载安装的情况下实现多个沉降测试点的快速、实时检测。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种地基沉降检测装置，包括快装底座、安装立柱、沿安装立柱的高度方向间隔设置的两个安装支架、对应安装支架设置的相机检测模块、与相机检测模块通信连接的双目立体摄影测量系统；

所述快装底座设有车载快速固定结构；

所述快装底座与安装立柱之间设有第一快速拆装结构；

所述安装支架与安装立柱之间设有可实现安装支架与安装立柱固定以及调节安装支架高度的快速拆装与调节结构；

所述相机检测模块与安装支架之间设有第二快速拆装结构，所述相机检测模块包括相机；

两台相机构成标注物数字图像信息采集模块，对现场标注物进行实时拍摄，获取标注物数字图像信息；

所述双目立体摄影测量系统根据标注物数字图像信息得到标注物的三维空间坐标信息，并计算得出测量系统与标注物的高度关系、测量面相对于标注物的相对高度信息、地基的沉降数据。

优选的，所述快装底座包括凹槽底板和第一快装滑块，所述凹槽底板上设有第一凹槽，所述第一快装滑块与第一凹槽配合。

优选的，所述第一快速拆装结构包括设于第一快装滑块的插槽，所述插槽与安装立柱底部插接配合。

优选的，所述第一快速拆装结构还包括第一螺钉，所述第一快装滑块通过第一螺钉与安装立柱固定成一个整体。

优选的，所述快速拆装与调节结构包括连接安装立柱与安装支架的锁紧螺栓，所述安装立柱上设有与锁紧螺栓配合的长腰型孔，且长腰型孔沿安装立柱高度方向延伸。

优选的，所述相机检测模块还包括角度补偿机构和第二快装滑块，所述相机安装于角度补偿机构上，通过角度补偿机构调节相机的拍摄角度，所述角度补偿机构与第二快装滑块连接，所述第二快速拆装结构包括安装支架上设置的第二凹槽，所述第二快装滑块与第二凹槽配合。

优选的，所述角度补偿机构包括可转动的上转动平台和下转动平台，且上转动平台和下转动平台的转动方向垂直，相机安装于上转动平台上，下转动平台第二快装滑块连接。

优选的，所述下转动平台包括第一下转向架、第一上转向架、第一齿轮转轴以及第一电机，第一下转向架和第一上转向架通过第一齿轮转轴连接，第一电机安装于第一下转向架上，第一电机的电机输出轴上设有第一输出齿轮，所述第一输出齿轮和第一齿轮轴上的齿轮相互啮合，以实现第一上转向架沿x轴旋转；所述上转动平台包括第二下转向架、第二上转向架、第二齿轮转轴以及第二电机，第二下转向架和第二上转向架通过第二齿轮转轴连接，第二电机安装于第二下转向架上，第二电机的电机输出轴上设有第二输出齿轮，所述第二输出齿轮和第二齿轮轴上的齿轮相互啮合，以实现第二上转向架沿y轴旋转。

另外一方面，提供了一种地基沉降检测车辆，安装有所述的地基沉降检测装置，所述地基沉降检测装置通过车载快速固定结构与检测车辆固定。

还提供了一种地基沉降检测方法，采用所述的地基沉降检测车辆进行地基沉降检测，包括如下步骤：

根据现场标注物的高度调整上下两台相机的高度和角度，并且两台相机完成标定参数设置；

地基沉降检测车辆以预设速度行驶，地基沉降检测装置对行驶路线经过的现场标注物进行实时拍摄，获取数字图像信息；

通过双目立体摄影测量系统对得到标注物的三维空间坐标信息，然后依次计算得出测量系统与标注物的高度关系、钢轨面与标注物的相对高度信息、地基的沉降数据。

本发明采用的技术方案，具有如下有益效果：

采用双目成像原理，选用双线阵相机立体摄影测量技术，测量精度高；相机检测模块设有角度补偿机构，可快速动态地补偿偏移量，提高了测试精度。

快装底座、安装立柱、安装支架、相机检测模块，均设有快速拆装结构，支持快速拆装，拆卸后，体积小，重量轻，方便携带，在现场进行快速安装，并且相机高度可以调节，因而可以适应多种检测环境。

支持车载安装，快装底座可以快速安装于检测车上，沿道路行进过程中，可以实时进行检测，因此可以实现道路各个沉降测试点的快速、实时检测，大大提高检测效率。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是地基沉降检测装置的整体结构示意图；

图2是图1中A处局部放大图；

图3是相机检测模块的整体示意图；

图4是相机检测模块的分解示意图；

图5是快装底座的整体示意图；

图6是凹槽底板的结构示意图；

图7是第一快装滑块的结构示意图；

图8是角度补偿机构的整体结构示意图；

图9是图8中A向示意图；

图10是图8中B向示意图；

图11是快装过程示意图一；

图12是快装过程示意图二；

图13是光轴汇聚式结构原理图；

图14是使用场景示意图；

图15是使用场景示意图；

图中：安装立柱1，长腰型孔101，安装支架2，锁紧螺栓21，相机检测模块3，快装底座4，第二快装滑块5，角度补偿机构6，相机7，凹槽底板8，第一凹槽81，固定螺栓82，第一快装滑块9，插槽91，第一下转向架10，第一上转向架11，第二齿轮转轴12，第二电机13，第一齿轮转轴14，第一电机15，第二下转向架16，第二上转向架17，第二滑块锁紧螺钉18，第一滑块锁紧螺钉19，装载车20，标注物21，双轴动态倾角传感器22，钢轨23。

具体实施方式

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作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。

双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。如果地基发生沉降，标注物的位置会发生变化，反之根据标注物的位置变化，也可以获得地基的沉降值，因此，本发明基于双目立体视觉技术对地基沉降进行检测。

如图1至13所示，一种地基沉降检测装置，包括快装底座4、安装于快装底座的安装立柱1、沿安装立柱的高度方向间隔设置的两个安装支架2、安装于安装支架的相机检测模块3。

其中，所述快装底座设有车载快速固定结构，例如螺栓，不仅可以实现快速车载安装，也可以安装于其他装置上。所述快装底座与安装立柱之间设有第一快速拆装结构。所述安装支架与安装立柱之间设有可实现安装支架与安装立柱固定以及调节安装支架高度的快速拆装与调节结构。所述相机检测模块与安装支架之间设有第二快速拆装结构。

作为一种实施方式，所述快速拆装与调节结构包括连接安装立柱与安装支架的锁紧螺栓21，所述安装立柱上设有与锁紧螺栓配合的长腰型孔101，且长腰型孔沿安装立柱高度方向延伸，锁紧螺栓21穿过长腰型孔101，因此在锁紧螺栓松动状态下，可以调整安装支架高度，高度调整到位后，安装立柱1与安装支架2之间通过锁紧螺栓21锁紧固定。

相机检测模块3通过安装支架2固定在安装立柱3上，可随安装支架2在安装立柱3上实现高度调整。快装底座4与安装立柱1的底部连接，起到对整体的支撑作用。

作为一种实施方式，如图3和图4所示，所述相机检测模块包括角度补偿机构6以及相机7，所述相机安装于角度补偿机构上，通过角度补偿机构调节相机的拍摄角度。设有两台相机，两台相机上下布置，采用双目成像原理，选用双线阵相机立体摄影测量技术，测量精度高。角度补偿机构可快速动态地补偿偏移量，提高了测试精度。

为了实现相机检测模块与安装支架之间的快速拆装，所述相机检测模块还包括第二快装滑块5，所述角度补偿机构与第二快装滑块连接，所述第二快速拆装结构包括安装支架上设置的第二凹槽，所述第二快装滑块与第二凹槽配合。第二凹槽可以为T形槽，第二快装滑块5设有T形部与T形槽配合。两台相机分别通过一角度补偿机构对应安装于一个第二快装滑块上，通过角度补偿机构调节相应相机的拍摄角度，两个第二快装滑块对应固定于两个安装支架上。角度补偿机构6上部与相机7相互连接，第二快装滑块5与角度补偿机构6下部相互连接在一起。安装支架连接有第二滑块锁紧螺钉18，将第二快装滑块与安装支架锁紧固定。第二快装滑块5的端部都设有大倒角，可实现与第二凹槽快速对插，使整个相机检测模块实现快速拆装到安装立柱1上。

如图5至图7所示，所述快装底座4包括凹槽底板8和第一快装滑块9，所述凹槽底板8上设有第一凹槽81，所述第一快装滑块9与第一凹槽81配合，且凹槽底板8连接有第一滑块锁紧螺钉19，将第一快装滑块与凹槽底板锁紧固定。第一凹槽81可以为T形槽，第一快装滑块9设有T形部与T形槽配合。凹槽底板8连接有固定螺栓82，用于将快装底座固定于检测设备安装基座上，并且支持车载安装，快装底座可以快速安装于检测车上，沿道路行进过程中，可以实时进行检测，因此可以实现道路各个沉降测试点的快速、实时检测，大大提高检测效率。

作为一种实施方式，所述第一快速拆装结构包括所述第一快装滑块上部设置的插槽91。所述插槽与安装立柱底部插接配合，所述第一快装滑块通过螺钉与安装立柱固定成一个整体。

如图9和图10所示，所述角度补偿机构包括可转动的上转动平台和下转动平台，且上转动平台和下转动平台的转动方向垂直，相机安装于上转动平台上。其中，所述下转动平台包括第一下转向架10、第一上转向架11、第一齿轮转轴14以及第一电机15，第一下转向架和第一上转向架通过第一齿轮转轴连接，第一电机安装于第一下转向架上，第一电机的电机输出轴上设有第一输出齿轮，所述第一输出齿轮和第一齿轮轴上的齿轮相互啮合，以实现第一上转向架沿x轴旋转。所述上转动平台包括第二下转向架16、第二上转向架17、第二齿轮转轴12以及第二电机13，第二下转向架和第二上转向架通过第二齿轮转轴连接，第二电机安装于第二下转向架上，第二电机的电机输出轴上设有第二输出齿轮，所述第二输出齿轮和第二齿轮轴上的齿轮相互啮合，以实现第二上转向架沿y轴旋转。

如图11和图12所示，地基沉降检测装置的整体快装过程说明如下：凹槽底板8和安装支架2分别预先固定在检测设备安装基座和安装立柱1上面；第二快装滑块5、角度补偿机构6以及相机7也是预先组装在一起；第一快装滑块9与安装立柱1提前安装成一整体。第一步将第一快装滑块9与凹槽底板8上第一凹槽对插组装到位，由于滑块与凹槽端口位置均设有导向倒角，相互对插时简单方便。拧紧第一滑块锁紧螺钉19后可防止第一快装滑块9从凹槽底板8中脱离出来。第二步将相机检测模块3中的第二快装滑块5与安装支架2上第二凹槽对插组装到位，同时拧紧第二滑块锁紧螺钉18，防止第二快装滑块5从安装支架2的凹槽中脱离出来。由于快装底座、安装立柱、安装支架、相机检测模块，均设有快速拆装结构，支持快速拆装，拆卸后，体积小，重量轻，方便携带，在现场进行快速安装，并且相机高度可以调节，因而可以适应多种检测环境。

根据双目成像原理，两台相机在同一时刻从不同角度获得被测物的两幅数字图像，可以求解出二维图像中的深度信息。首先建立结构模型，通常使用光轴平行式结构模型，光轴平行式结构模型是一种标准的视觉模型，该结构模型采用两个内参相同的相机平行放置，结构原理图如图13所示。

先建立了相机三维坐标系，U轴的方向为两相机连线的方向，V轴的方向为与图像平面平行的方向，W轴的方向为与图像平面垂直的方向。为了使模型更清晰明了，将两台相机的成像平面放在了一起，即图中的左图像和右图像在一个平面上，基线距B代表的是两台相机投影中心连线之间的距离。P(U_c，V_c，W_c)为两台相机所要拍摄的目标点。其在两台相机拍摄图像中的位置坐标分别为P_left＝(U_left，V_left)和P_right＝(U_right，V_right)，由于两成像平面重合，且相机和目标点构成的平面于图像平面垂直，因此两者对应的V值相等，通过三角几何关系可以得到

则视差可以表示为：D＝X_left-x_right。由此可计算出图中特征点P在相机坐标系下的三维坐标为

因此，只要找到目标点在两台相机成像平面上的位置坐标就可以计算出该点在空间中的三维坐标。

本发明支持车载快速安装，可根据装载车的不同适应多种检测环境。如图14和图15所示，采用装载车20作为检测车，地基沉降检测装置通过快速安装方式组装在装载车20两侧，根据现场标注物23的高度调整上下两个检测相机模块3的高度和角度。相机7完成标定参数设置，可以理解为完成参照物的选定。装载车20在钢轨23上以预设速度行驶，装载车20两侧检测装置对钢轨23两侧的标注物21进行实时拍摄获取数字图像信息，通过双目立体摄影测量系统得到标注物21的三维空间坐标信息，然后得出测量系统与标注物21的高度关系，最后得出钢轨面相对于标注物21的相对高度信息，从而确定钢轨面的沉降数据。

地基沉降检测装置在装载车沿路行驶帮助下，可对沿途路面的沉降数据实时抓取，大大提高了检测效率。支持在线标定，故对车载安装要求不高，操作简便，可实现道路各个沉降测试点的快速、实时检测。

进一步的，装载车20上安装有双轴动态倾角传感器22，当由于地面倾斜而导致装载车20安装面倾斜时，双轴动态倾角传感器22将检测到的倾斜数据传递给控制器，控制器输出脉冲驱动角度补偿机构6的电机往反方向运行，角度补偿机构6快速动态补偿偏移量，使相机7始终保持在标定参数时的姿态，从而保证测试数据的准确性。

可以理解的是，此方法的应用不局限于在铁路钢轨路基的沉降测试，只要对装载车20做相应的改制，同样可以适用在普通路面、建筑物等测试环境。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种地基沉降检测装置，与现场的标注物配合进行地基沉降检测，其特征在于：包括快装底座、安装立柱、沿安装立柱的高度方向间隔设置的两个安装支架、对应安装支架设置的相机检测模块、与相机检测模块通信连接的双目立体摄影测量系统；

所述快装底座设有车载快速固定结构；

所述快装底座与安装立柱之间设有第一快速拆装结构；

所述安装支架与安装立柱之间设有可实现安装支架与安装立柱固定以及调节安装支架高度的快速拆装与调节结构；

所述相机检测模块与安装支架之间设有第二快速拆装结构，所述相机检测模块包括相机；

两台相机构成标注物数字图像信息采集模块，对现场标注物进行实时拍摄，获取标注物数字图像信息；

所述双目立体摄影测量系统根据标注物数字图像信息得到标注物的三维空间坐标信息，并计算得出测量系统与标注物的高度关系、测量面相对于标注物的相对高度信息、地基的沉降数据。

2.根据权利要求1所述的一种地基沉降检测装置，其特征在于，所述快装底座包括凹槽底板和第一快装滑块，所述凹槽底板上设有第一凹槽，所述第一快装滑块与第一凹槽配合。

3.根据权利要求2所述的一种地基沉降检测装置，其特征在于，所述第一快速拆装结构包括设于第一快装滑块的插槽，所述插槽与安装立柱底部插接配合。

4.根据权利要求3所述的一种地基沉降检测装置，其特征在于，所述第一快速拆装结构还包括第一螺钉，所述第一快装滑块通过第一螺钉与安装立柱固定成一个整体。

5.根据权利要求1所述的一种地基沉降检测装置，其特征在于，所述快速拆装与调节结构包括连接安装立柱与安装支架的锁紧螺栓，所述安装立柱上设有与锁紧螺栓配合的长腰型孔，且长腰型孔沿安装立柱高度方向延伸。

6.根据权利要求1所述的一种地基沉降检测装置，其特征在于，所述相机检测模块还包括角度补偿机构和第二快装滑块，所述相机安装于角度补偿机构上，通过角度补偿机构调节相机的拍摄角度，所述角度补偿机构与第二快装滑块连接，所述第二快速拆装结构包括安装支架上设置的第二凹槽，所述第二快装滑块与第二凹槽配合。

7.根据权利要求6所述的一种地基沉降检测装置，其特征在于，所述角度补偿机构包括可转动的上转动平台和下转动平台，且上转动平台和下转动平台的转动方向垂直，相机安装于上转动平台上，下转动平台第二快装滑块连接。

8.根据权利要求7所述的一种地基沉降检测装置，其特征在于，所述下转动平台包括第一下转向架、第一上转向架、第一齿轮转轴以及第一电机，第一下转向架和第一上转向架通过第一齿轮转轴连接，第一电机安装于第一下转向架上，第一电机的电机输出轴上设有第一输出齿轮，所述第一输出齿轮和第一齿轮轴上的齿轮相互啮合，以实现第一上转向架沿x轴旋转；所述上转动平台包括第二下转向架、第二上转向架、第二齿轮转轴以及第二电机，第二下转向架和第二上转向架通过第二齿轮转轴连接，第二电机安装于第二下转向架上，第二电机的电机输出轴上设有第二输出齿轮，所述第二输出齿轮和第二齿轮轴上的齿轮相互啮合，以实现第二上转向架沿y轴旋转。

9.一种地基沉降检测车辆，其特征在于，安装有权利要求1～8中任意一项所述的地基沉降检测装置，所述地基沉降检测装置通过车载快速固定结构与检测车辆固定。

10.一种地基沉降检测方法，其特征在于，采用权利要求9所述的地基沉降检测车辆进行地基沉降检测，包括如下步骤：

根据现场标注物的高度调整上下两台相机的高度和角度，并且两台相机完成标定参数设置；

地基沉降检测车辆以预设速度行驶，地基沉降检测装置对行驶路线经过的现场标注物进行实时拍摄，获取数字图像信息；

通过双目立体摄影测量系统对得到标注物的三维空间坐标信息，然后依次计算得出测量系统与标注物的高度关系、钢轨面与标注物的相对高度信息、地基的沉降数据。