CN117190919A - 一种管道直线度测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管道直线度测量方法及测量系统，涉及管道直线度测量领域，测量方法包括：自第一端口直至管道的第二端口，利用激光测距原理等间距依次获取管道的内壁的多个截面轮廓图片，提取截面轮廓；利用激光测距原理确定每个截面轮廓到第一端口的距离；采用结构光三角测量原理，形成管道的三维空间廓形向量；确定管道的内壁廓形的实际轴线向量；将第一端口的中心和第二端口的中心的连线作为管道的内壁廓形的基准轴线向量；将实际轴线向量内的轴心到基准轴线之间的最大距离作为管道的直线度。利用激光测距原理进行测量，采用结构光三角测量原理进行重构截面轮廓，得到高精度的直线度。

Description

一种管道直线度测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及管道直线度测量领域，尤其涉及一种管道直线度测量方法及测量系统。

背景技术

目前管道直线度测量方法主要有：1、机械接触式，例如量规法和杠杆法，缺点是精度不高，自动化程度较低。2、光轴法，例如准直望远镜法，激光束加面阵相机法等，光轴法的优点是测量原理符合直线度定义，精度较高，缺点是安装调整不方便，易引入人为误差，精度低。

发明内容

本发明为一种管道直线度测量方法及测量系统，能够解决现有技术中对管道的直线度进行测量时的精度低的技术问题。

为实现上述的目的，本发明第一方面提供了一种管道直线度测量方法，包括：

针对待检测的管道，自管道的第一端口开始直至管道的第二端口结束，自动利用激光测距原理等间距依次获取管道的内壁的多个截面轮廓图片，形成截面轮廓图片序列；其中，多个截面轮廓图片包括第一端口的截面轮廓图片和第二端口截面轮廓图片；

在每次获取截面轮廓图片的同时，自动利用激光测距原理确定每个截面轮廓图片对应的截面轮廓到第一端口的距离；

自每个截面轮廓图片内分别提取截面轮廓；

采用结构光三角测量原理，按照截面轮廓图片序列的顺序，根据每个截面轮廓图片对应的截面轮廓到第一端口的距离、每个截面轮廓，在截面轮廓坐标系内下对每个截面轮廓进行重构，形成管道的三维空间廓形向量；

基于三维空间廓形向量确定管道的内壁廓形的实际轴线向量；将第一端口的中心和第二端口的中心的连线对应的数据作为管道的内壁廓形的基准轴线向量；

基于实际轴线向量与基准轴线向量，自管道的第一端口开始，依次计算多个轴心到基准轴线之间距离，将实际轴线向量内的轴心到基准轴线之间的最大距离作为管道的直线度；其中，相邻的轴心等间距设置。

作为本发明的第二个方面，本发明提供了一种管道直线度测量系统，包括运行于管道内壁的行走机构以及驱动行走机构的动力装置，动力装置连接于行走控制器；

还包括：相机，相机固定于行走机构上；

还包括：用于向管道的内壁发射环形激光线9的圆环形激光器，圆环形激光器连接于行走机构且处于相机的镜头与管道的第一端口之间，圆环形激光器与镜头保持固定距离；

还包括：用于数据处理的计算机，计算机电连接于相机；行走控制器还连接于计算机；

还包括：激光测距仪，激光测距仪设于管道外，且对准第一端口。

本发明的优势效果：利用激光测距原理分别获取管道的内壁的多个截面轮廓图片，以及截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口的距离；采用结构光三角测量原理，按照所述截面轮廓图片序列的顺序，根据每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口的距离、每个所述截面轮廓，形成所述管道的三维空间廓形向量；根据三维空间廓形向量能够确定管道15的内壁廓形的实际轴线向量；基于实际轴线向量与基准轴线向量就能够确定轴心到所述基准轴线之间的最大距离作为所述管道的直线度。利用结构光三角测量原理进行测量，三维空间廓形向量的数值精度高，可达0.1mm，则最终的直线度精度也非常高，可达0.1mm。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了本发明实施例的一种管道直线度测量方法的流程图；

图2示意性示出了本发明实施例的S101的具体步骤；

图 3 示意性示出了本发明实施例的 S104 的具体步骤；

图4示意性示出了本发明实施例的一种管道直线度测量系统的结构图；

图5示意性示出了本发明实施例的直线度的二维示意图。

附图标记表示为：

1、数据及电源线；2、行走机构；3、相机；4、镜头；5、支撑玻璃板；6、激光器电池；7、圆环形激光器；8、反射板；9、环形激光线；10、点激光线；11、点激光器；12、激光测距仪；13、倾角传感器；14、动力装置；15、管道；151、第一端口；152、第二端口；16、计算机；17、行走控制器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

如图1所示，结合本发明的实施例，提供一种管道直线度测量方法，包括：

S101：针对待检测的管道15，自所述管道15的第一端口151开始直至所述管道15的第二端口152结束，自动利用激光测距原理等间距依次获取所述管道15的内壁的多个截面轮廓图片，形成截面轮廓图片序列；其中，多个所述截面轮廓图片包括所述第一端口151的截面轮廓图片和所述第二端口152截面轮廓图片；

S102：在每次获取所述截面轮廓图片的同时，自动利用激光测距原理确定每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离；

S103：自每个所述截面轮廓图片内分别提取截面轮廓；

S104：采用结构光三角测量原理，按照所述截面轮廓图片序列的顺序，根据每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离、每个所述截面轮廓，在截面轮廓坐标系内下对每个所述截面轮廓进行重构，形成所述管道15的三维空间廓形向量；

S105：基于所述三维空间廓形向量确定所述管道15的内壁廓形的实际轴线向量；将所述第一端口151的中心和所述第二端口152的中心的连线对应的数据作为所述管道15的内壁廓形的基准轴线向量；

S106：基于所述实际轴线向量与所述基准轴线向量，自所述管道15的第一端口151开始，依次计算多个实际轴线向量内的轴心到基准轴线之间距离，将所述轴心到所述基准轴线之间的最大距离作为所述管道15的直线度；其中，相邻的所述轴心等间距设置，优选地，轴心为所获取的截面轮廓图片的截面轮廓中心。

利用激光测距原理分别获取管道15的内壁的多个截面轮廓图片，获取足够多的截面轮廓图片，以及截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离；采用结构光三角测量原理，按照所述截面轮廓图片序列的顺序，根据每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离、每个所述截面轮廓，在截面轮廓坐标系内下对每个所述截面轮廓进行重构，形成所述管道15的三维空间廓形向量；当截面轮廓图片做够多的时候，则可完全模拟得到管道15的内壁廓形，误差非常小。根据三维空间廓形向量能够确定管道15的内壁廓形的实际轴线向量；基于实际轴线向量与基准轴线向量就能够确定轴心到所述基准轴线之间的最大距离作为所述管道15的直线度。

利用结构光三角测量原理进行测量，三维空间廓形向量的数值精度高，可达0.1mm，则最终的直线度精度也非常高，可达0.1mm。

优选地，如图2所示，S101中，所述自所述管道15的第一端口151开始直至所述管道15的第二端口152结束，自动利用激光测距原理等间距依次获取所述管道15的内壁的多个截面轮廓图片，形成截面轮廓图片序列，具体包括：

S1011：在所述管道15内，将所述圆环形激光器7自所述第一端口151向所述第二端口152移动，利用计算机16的控制单元控制圆环形激光器7，通过所述圆环形激光器7向所述第一端口151方向上的所述管道15的内壁发射环形激光线9；

S1012：通过与所述圆环形激光器7距离固定的相机3等间距的自动拍摄所述环形激光线9，得到多张截面轮廓图片；

S1013：将多张所述截面轮廓图片按自所述第一端口151向所述第二端口152的顺序依次排列，形成截面轮廓图片序列。

通过行走机构2在管道15的内壁移动，行走机构2带动圆环形激光器7移动，采用计算机16的控制单元控制圆环形激光器7向第一端口151方向上的管道15的内壁发射环形激光线9，相机3自动完成截面轮廓图片的拍摄，结合截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离，截面轮廓图片序列能够描述管道15的内壁轮廓，利用结构光三角测量原理能够准确描述管道15的内壁轮廓，进一步能够准确描述管道15的实际轴线和管道15的基准轴线，提高管道15的直线度测量精度。

优选地，S102：在每次获取所述截面轮廓图片的同时，自动利用激光测距原理确定每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离，具体包括：

在每次获取所述截面轮廓图片的同时，通过设于所述第一端口151外对准所述第一端口151的激光测距仪12自动测量所述环形激光线9所在平面到所述第一端口151的距离，将所述环形激光线9所在平面到所述第一端口151的距离作为所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离。

采用计算机16的控制单元控制激光测距仪12自动测量环形激光线9所在平面到所述第一端口151的距离，配合截面轮廓图片序列，采用结构光三角测量原理能够准确描述管道15的内壁轮廓，进一步能够准确描述管道15的实际轴线和管道15的基准轴线，提高管道15的直线度测量精度。

优先地，如图3所示，S104：采用结构光三角测量原理，按照所述截面轮廓图片序列的顺序，根据每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离、每个所述截面轮廓，在截面轮廓坐标系内对每个所述截面轮廓进行重构，形成所述管道15的三维空间廓形向量，具体包括：

S1041：针对每个所述截面轮廓图片，利用计算机16的计算单元采用结构光三角测量原理，根据所述相机3的位置、所述圆环形激光器7的位置、所述截面轮廓、所述激光测距仪12的位置以及所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离，在截面轮廓坐标系内对所述截面轮廓进行重构；

S1042：将重构的所述截面轮廓以及所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离进行拼接，形成截面轮廓的分向量；其中，在所述截面轮廓的分向量内还包括所述截面轮廓中心，截面轮廓中心在之前任一步骤中都可以根据截面轮廓进行提取；

S1043：按照所述截面轮廓图片序列的顺序，将每个所述截面轮廓的分向量进行排序，形成所述管道15的三维空间廓形向量。

在截面轮廓坐标系内形成管道15的三维空间廓形向量，则可以根据管道15的三维空间廓形向量分别确定管道15的内壁廓形的实际轴线向量，以及确定管道15的内壁廓形的基准轴线向量，从而能够根据实际轴线向量和基准轴线向量确定出轴心到基准轴线的距离。

优选地，S1041- S1043均可通过计算机16的计算单元自动完成。

优选地，本发明实施例的管道直线度测量方法，还包括：

S107：通过设于所述第一端口151外对准所述第一端口151的点激光器11自所述第一端口151向所述管道15内发射点激光线10，所述点激光线10在所述相机3与所述第一端口151之间的反射板8上形成激光点；

S108：在每次获取所述截面轮廓图片的同时，通过所述相机3自动拍摄反射板8上的所述激光点，得到激光点图片；

S109：采用灰度重心法自各所述激光点图片内分别提取各自的激光点中心；

本发明实施例的管道直线度测量方法，还包括：

S110：将所述激光点中心加入同时拍摄的所述截面轮廓图片的截面轮廓的分向量内。

在每次获取所述截面轮廓图片的同时，通过所述相机3自动拍摄反射板8上的所述激光点，得到激光点图片，并提取各自的激光点中心；因为管道15的内壁存在弯曲，所以相机运动并不是直线，所以相机坐标系的指向也是变化的。但是自第一端口151外的点激光器11向管道15内发射点激光线10是直线，通过点激光线10上的多个点将管道15的三维空间廓形向量自相机坐标系最终转换到一个稳定不变的自定义的标准坐标系内，则可直接计算轴心到基准轴线的距离，不需计算一次进行一次坐标转换。

优选地，S109和 S110均可通过计算机16的计算单元自动完成。

优选地，本发明实施例的管道直线度测量方法，还包括：

S120：在每次获取所述截面轮廓图片的同时，利用倾角传感器13自动获取每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓的法线的滚转角；

本发明实施例的管道直线度测量方法，还包括：

S130：利用所述计算机16的计算单元，根据与每个所述截面轮廓图片同时获取的截面轮廓的法线的滚转角，将各所述截面轮廓的分向量内的所述截面轮廓中心、所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离和激光点中心自所述截面轮廓坐标系内旋转到自定义的标准坐标系内，得到所述截面轮廓的过程分向量；其中，所述标准坐标系为三维坐标系，所述标准坐标系的竖轴为重力方向，第一横轴处于所述第一端口151的截面轮廓内的水平方向，第三横轴根据右手定责确定；

S140：自所述截面轮廓的过程分向量内，选取一所述激光点中心作为基准激光点，在所述标准坐标系内将其他所述激光点中心的位置数据分别与所述基准激光点的位置数据对齐；

S150：同时，将与其他所述激光点中心所在所述截面轮廓的过程分向量内的所述截面轮廓中心和所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离进行同步平移，在所述标准坐标系内形成截面轮廓的最终分向量；

S160：按照所述截面轮廓图片序列的顺序，将每个所述截面轮廓的最终分向量进行排序，形成在所述标准坐标系内的所述管道15的三维空间廓形向量；所述标准坐标系内的所述管道15的三维空间廓形向量用于确定所述管道15的内壁廓形的实际轴线向量。

首先根据每个截面轮廓图片对应的截面轮廓的法线的滚转角，将截面轮廓数组和激光点中心自截面轮廓坐标系内旋转到自定义的标准坐标系内，然后采用激光点对其的方式同步将截面轮廓的分向量内的与实际轴线相关的数据进行同步平移，完成了将三维空间廓形向量自截面轮廓坐标系转换到一个稳定不变的标准坐标系的操作，采用标准坐标系内的管道15的三维空间廓形向量，则可直接计算实际轴线上的轴心（包括截面轮廓中心）到基准轴线的距离，不需每计算一次就进行一次坐标转换。

优选地，S130和 S160均可通过计算机16的计算单元自动完成。

如图4所示，结合本发明的实施例，提供一种管道直线度测量系统，包括运行于管道15内壁的行走机构2以及驱动所述行走机构2的动力装置14（可以为电机），所述动力装置14连接于行走控制器17；

还包括：相机3，所述相机3固定于所述行走机构2上；

还包括：用于向所述管道15的内壁发射环形激光线9的圆环形激光器7，所述圆环形激光器7连接于所述行走机构2且处于所述相机3的镜头4与所述管道15的第一端口151之间，所述圆环形激光器7与所述镜头4保持固定距离；

还包括：用于数据处理的计算机16，所述计算机16电连接于所述相机3；所述行走控制器17还通过数据及电源线1连接于所述计算机16；

还包括：激光测距仪12，所述激光测距仪12设于所述管道15外，且对准所述第一端口151。

在对管道15进行直线度测量时，动力装置14驱动行走机构2自第一端口151向第二端口152移动，带动圆环形激光器7移动，通过圆环形激光器7向管道15的内壁发射环形激光线9，从而等间距依次获取所述管道15的内壁的足够多的截面轮廓图片。在每次获取所述截面轮廓图片的同时，通过设于管道15外的激光测距仪12，自动获取每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离。计算机16自动获取上述数据，计算机16的计算单元自动采用结构光三角测量原理，按照所述截面轮廓图片序列的顺序，根据每个截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离、每个所述截面轮廓在截面轮廓坐标系内下对每个所述截面轮廓进行重构，形成所述管道15的三维空间廓形向量；根据三维空间廓形向量能够确定管道15的内壁廓形的实际轴线向量；基于实际轴线向量与基准轴线向量就能够确定实际轴线的轴心（包括截面轮廓中心）到所述基准轴线之间的最大距离作为所述管道15的直线度。利用结构光三角测量原理进行测量，三维空间廓形向量的数值精度高，可达0.1mm，则最终的直线度精度也非常高，可达0.1mm。

其中，根据每个截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离、每个所述截面轮廓在截面轮廓坐标系内下对每个所述截面轮廓进行重构，形成所述管道15的三维空间廓形向量，具体包括：针对每个所述截面轮廓，利用计算机16的计算单元采用结构光三角测量原理，根据所述相机3的位置、所述圆环形激光器7的位置、所述截面轮廓、所述激光测距仪12的位置以及所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离，在截面轮廓坐标系内对所述截面轮廓进行重构；将重构的所述截面轮廓以及所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离进行拼接，形成截面轮廓的分向量；其中，在所述截面轮廓的分向量内还包括所述截面轮廓中心，截面轮廓中心在之前任一步骤中都可以根据截面轮廓进行提取；按照所述截面轮廓图片序列的顺序，将每个所述截面轮廓的分向量进行排序，形成所述管道15的三维空间廓形向量。

优选地，本发明实施例的管道直线度测量系统，还包括点激光器11和反射所述点激光器11发射的点激光线10的半透明的反射板8，所述点激光器11设于所述管道15外，且所述点激光器11对准所述第一端口151；所述反射板8设于所述镜头4与发射在所述管道15内壁上的所述环形激光线9之间。

点激光器11发射的激光不能直射相机3，否则会烧坏相机靶面，所以将激光打在半透明的直线度量反射板8上，还能被相机观测。

在每次获取截面轮廓图片的同时，通过相机3自动拍摄反射板8上的所述激光点，得到激光点图片，并采用灰度重心法自激光点图片内提取相应的激光点中心；所述激光点中心加入同时拍摄的所述截面轮廓图片的截面轮廓的分向量内。因为管道15的内壁存在弯曲，所以相机运动并不是直线，所以相机坐标系的指向也是变化的，首先通过在截面轮廓坐标系内下对每个所述截面轮廓进行重构。然后在后续步骤中，再从截面轮廓坐标系最终转换到一个稳定不变的标准坐标系内，利用了第一端口151外的点激光器11向管道15内发射点激光线10是直线的特性，采用激光点进行对齐来实现截面轮廓的同步对齐，实现将管道15的三维空间廓形向量自截面轮廓坐标系最终转换到一个稳定不变的标准坐标系内，则可直接计算轴心到基准轴线的距离，不需计算一次距离就进行一次坐标转换。

优选地，本发明实施例的管道直线度测量系统，还包括倾角传感器13，所述倾角传感器13固定于所述行走机构2上，在获取所述环形激光线9在所述管道15的内壁的截面轮廓图片的同时，所述倾角传感器13用于测量所述截面轮廓图片对应的截面轮廓的法线的滚转角。

首先根据每个截面轮廓图片对应的截面轮廓的法线的滚转角，各所述截面轮廓的分向量内的所述截面轮廓中心、所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离和激光点中心自所述截面轮廓坐标系内旋转到自定义的标准坐标系内，得到所述截面轮廓的过程分向量。然后，自所述截面轮廓的过程分向量内，选取一所述激光点中心作为基准激光点，在所述标准坐标系内将其他所述激光点中心的位置数据分别与所述基准激光点的位置数据对齐；同时，将与其他所述激光点中心所在所述截面轮廓的过程分向量内的所述截面轮廓中心和所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离进行同步平移，在所述标准坐标系内形成截面轮廓的最终分向量；按照所述截面轮廓图片序列的顺序，将每个所述截面轮廓的最终分向量进行排序，形成在所述标准坐标系内的所述管道15的三维空间廓形向量；所述标准坐标系内的所述管道15的三维空间廓形向量用于确定所述管道15的内壁廓形的实际轴线向量。

通过采用结构光三角测量原理在截面轮廓坐标系内下对每个所述截面轮廓进行重构，到采用滚转角旋转、采用激光点对齐，完成了将三维空间廓形向量自相机坐标系转换到截面轮廓坐标系再转换到一个稳定不变的标准坐标系的操作，采用标准坐标系内的管道15的三维空间廓形向量，则可直接计算轴心到基准轴线的距离，不需每计算一次就进行一次坐标转换。

优选地，本发明实施例的管道直线度测量系统，还包括沿所述管道15轴向设置的支撑玻璃板5，所述支撑玻璃板5连接于所述行走机构2，所述圆环形激光器7和所述反射板8分别支撑于所述支撑玻璃板5上，间接将圆环形激光器7和所述反射板8固定在行走机构2上。

综上，本发明实施例的管道直线度测量方法的工作原理具体如下：

一、将点激光器11、激光测距仪12固定在管道15的第一端口151之外，且均对准第一端口151，相机3、镜头4和倾角传感器13安装在行走机构2上；支撑玻璃板5是镜头4前的一块玻璃，用来支撑圆环形激光器7（通过激光器电池6提供能量）和反射板8，因为要透过相机3的视线，所以需要透明的玻璃板。点激光器11发射的激光不能直射相机3，否则会烧坏相机靶面，所以将点激光打在半透明的反射板8上，还能被相机观测；可将反射板8视为点激光的投影板。在行走机构2行走过程中，相机3、镜头4、倾角传感器13、支撑玻璃板5、圆环形激光器7、反射板8都是跟随行走的。行走机构2从第一端口151走到第二端口152，在行走过程中等间距同步采集数据并保存，所采集的数据包括：

1、相机3的镜头4拍摄圆环形激光器7发出的环形激光线9；其中，圆环形激光器7是圆锥形，环形激光线9打在管道15上形成激光线截面轮廓。

2、通过相机3的镜头4拍摄点激光器11发出打在反射板8上的激光点图片，激光点用于点激光空间直线对齐。

3、激光测距仪12记录截面轮廓到第一端口151的距离，即环形激光线9所在平面到第一端口151的距离；

4、倾角传感器13记录面轮廓图片对应的截面轮廓的法线的滚转角，滚转角的绕轴是截面廓形的法线。

二、对环形激光线9和激光点图像进行处理，分别采用steger算法提取环形激光线9的条纹中心作为截面轮廓，灰度重心法自激光点图片内提取激光点中心。

三、对环形激光线9相应的截面轮廓和激光点中心，采用结构光三角测量原理重构出管道15的内壁的截面轮廓和激光点，且从相机坐标系重构在截面轮廓坐标系内；其中，截面轮廓二维坐标系的x轴为水平、且处于截面轮廓内，y 轴为重力方向。

采用结构光三角测量原理重构出截面廓形和点激光时，在相机坐标系内，结合截面廓形的x轴坐标、y 轴坐标，以及截面轮廓到第一端口151的距离，在截面轮廓坐标系内重构形成管道15的三维空间廓形向量，同时将激光点也重构在管道15的三维空间廓形向量内。但是之后则自相机的三维坐标系下截取截面的二维，即截面轮廓的二维坐标系。

四、转换到标准坐标系

首先根据滚转角读数，将截面廓形和点激光旋转到自定义的标准坐标系，标准坐标系的竖轴为重力方向，标准坐标系的横轴为水平，且横轴处于截面轮廓内。取1个激光点作为基准激光点（比如第一端口151），其他激光点都均进行平移，平移后使得所有激光点对齐，同步平移截面轮廓（截面轮廓中心和所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口151的距离），实现截面轮廓空间对齐，得到标准坐标系内的管道15的三维空间廓形向量。设P₁为转换后的标准坐标系内的二维坐标，p₂为转换前的二维坐标（轮廓坐标内）， 坐标系变换关系为：

；

；

其中，R为旋转矩阵；R₂₁表示p₂到P₁的旋转；a为滚转角，T₂₁表示平移；T为平移向量，由旋转后的其他激光点和基准激光点平移量计算得到；tx表示平移x分量，ty表示平移y分量。

五、根据标准坐标系内的管道15的三维空间廓形向量计算管道15的形心，作为管道15的截面廓形的轴心，形成实际轴线向量，取管道15的2个端口轴心的连线作为基准轴线，形成基准轴线向量，将轴心和基准轴线的距离中的最大距离d作为管道15的直线度，示例如图5所示。

本发明实施例所取得的有益技术效果如下：

1、利用激光测距原理进行测量，采用结构光三角测量原理对轮廓截面和激光点中心进行重构，使得三维空间廓形向量的数值和激光点中心的位置精度高，可达0.1mm，则最终的直线度精度也非常高，可达0.1mm。

2、行走机构2的晃动通过倾角传感器13修正，使得行走机构2没有严格的姿态稳定要求，所以行走机构2自第一端口151向第二端口152行走1次即可完成自动测量， 自动化程度较高。

3、将截面轮廓数组向自定义的标准坐标系转化时，通过激光点中心进行直线对齐，使得管道直线度测量系统的姿态没有严格的截面定中要求。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。

以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施例。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (9)

1.一种管道直线度测量方法，其特征在于，包括：

针对待检测的管道（15），自所述管道（15）的第一端口（151）开始直至所述管道（15）的第二端口（152）结束，自动利用激光测距原理等间距依次获取所述管道（15）的内壁的多个截面轮廓图片，形成截面轮廓图片序列；其中，多个所述截面轮廓图片包括所述第一端口（151）的截面轮廓图片和所述第二端口（152）截面轮廓图片；

在每次获取所述截面轮廓图片的同时，自动利用光照原理确定每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离；

自每个所述截面轮廓图片内分别提取截面轮廓；

采用结构光三角测量原理，按照所述截面轮廓图片序列的顺序，根据每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离、每个所述截面轮廓，在截面轮廓坐标系内下对每个所述截面轮廓进行重构，形成所述管道（15）的三维空间廓形向量；

基于所述三维空间廓形向量确定所述管道（15）的内壁廓形的实际轴线向量；将所述第一端口（151）的中心和所述第二端口（152）的中心的连线对应的数据作为所述管道（15）的内壁廓形的基准轴线向量；

基于所述实际轴线向量与所述基准轴线向量，自所述管道（15）的第一端口（151）开始，依次计算多个轴线向量内的轴心到基准轴线之间距离，将所述轴心到所述基准轴线之间的最大距离作为所述管道（15）的直线度；其中，相邻的所述轴心等间距设置。

2.根据权利要求1所述的管道直线度测量方法，其特征在于，所述自所述管道（15）的第一端口（151）开始直至所述管道（15）的第二端口（152）结束，自动利用激光测距原理等间距依次获取所述管道（15）的内壁的多个截面轮廓图片，形成截面轮廓图片序列，具体包括：

在所述管道（15）内，将圆环形激光器（7）自所述第一端口（151）向所述第二端口（152）移动，利用计算机（16）的控制单元控制所述圆环形激光器（7），通过所述圆环形激光器（7）向所述第一端口（151）方向上的所述管道（15）的内壁发射环形激光线（9）；

通过与所述圆环形激光器（7）距离固定的相机（3）等间距的自动拍摄所述环形激光线（9），得到多张截面轮廓图片；

将多张所述截面轮廓图片按自所述第一端口（151）向所述第二端口（152）的顺序依次排列，形成截面轮廓图片序列。

3.根据权利要求2所述的管道直线度测量方法，其特征在于，所述在每次获取所述截面轮廓图片的同时，自动利用激光测距原理确定每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离，具体包括：

在每次获取所述截面轮廓图片的同时，通过设于所述第一端口（151）外对准所述第一端口（151）的激光测距仪（12）自动测量所述环形激光线（9）所在平面到所述第一端口（151）的距离，将所述环形激光线（9）所在平面到所述第一端口（151）的距离作为所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离。

4.根据权利要求3所述的管道直线度测量方法，其特征在于，所述采用结构光三角测量原理，按照所述截面轮廓图片序列的顺序，根据每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离、每个所述截面轮廓，在截面轮廓坐标系内对每个所述截面轮廓进行重构，形成所述管道（15）的三维空间廓形向量，具体包括：

针对每个所述截面轮廓，利用计算机（16）的计算单元采用结构光三角测量原理，根据所述相机（3）的位置、所述圆环形激光器（7）的位置、所述截面轮廓、所述激光测距仪（12）的位置以及所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离，在截面轮廓坐标系内对所述截面轮廓进行重构；

将重构的所述截面轮廓以及所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离进行拼接，形成所述截面轮廓的分向量；其中，在所述截面轮廓的分向量还包括所述截面轮廓中心；

按照所述截面轮廓图片序列的顺序，将每个所述截面轮廓的分向量进行排序，形成所述管道（15）的三维空间廓形向量。

5.根据权利要求4所述的管道直线度测量方法，其特征在于，还包括：

通过设于所述第一端口（151）外对准所述第一端口（151）的点激光器（11）自所述第一端口（151）向所述管道（15）内发射点激光线（10），所述点激光线（10）在所述相机（3）与所述第一端口（151）之间的反射板（8）上形成激光点；

在每次获取所述截面轮廓图片的同时，通过所述相机（3）自动拍摄反射板（8）上的所述激光点，得到激光点图片；

采用灰度重心法自各所述激光点图片内分别提取各自的激光点中心；

所述的管道直线度测量方法，还包括：

将所述激光点中心加入同时拍摄的所述截面轮廓图片的截面轮廓的分向量内。

6.根据权利要求5所述的管道直线度测量方法，其特征在于，还包括：

在每次获取所述截面轮廓图片的同时，利用倾角传感器（13）自动获取每个所述截面轮廓图片对应的截面轮廓的法线的滚转角；

所述的管道直线度测量方法，还包括：

利用所述计算机（16）的计算单元，根据与每个所述截面轮廓图片同时获取的截面轮廓的法线的滚转角，将各所述截面轮廓的分向量内的所述截面轮廓中心、所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离和所述激光点中心自所述截面轮廓坐标系内旋转到自定义的标准坐标系内，得到所述截面轮廓的过程分向量；其中，所述标准坐标系为三维坐标系，所述标准坐标系的竖轴为重力方向，第一横轴处于所述第一端口（151）的截面轮廓内的水平方向，第三横轴根据右手定责确定；

自所述截面轮廓的过程分向量内，选取一所述激光点中心作为基准激光点，在所述标准坐标系内将其他所述激光点中心分别与所述基准激光点对齐；

同时，将与其他所述激光点中心所在所述截面轮廓的过程分向量内的所述截面轮廓中心和所述截面轮廓图片对应的截面轮廓到所述第一端口（151）的距离进行同步平移，在所述标准坐标系内形成所述截面轮廓的最终分向量；

按照所述截面轮廓图片序列的顺序，将每个所述截面轮廓的最终分向量进行排序，形成在所述标准坐标系内的所述管道（15）的三维空间廓形向量，所述标准坐标系内的所述管道（15）的三维空间廓形向量用于确定所述管道（15）的内壁廓形的实际轴线向量。

7.一种管道直线度测量系统，其特征在于，包括运行于管道（15）内壁的行走机构（2）以及驱动所述行走机构（2）的动力装置（14），所述动力装置（14）连接于行走控制器（17）；

还包括：相机（3），所述相机（3）固定于所述行走机构（2）上；

还包括：用于向所述管道（15）的内壁发射环形激光线（9）的圆环形激光器（7），所述圆环形激光器（7）连接于所述行走机构（2）且处于所述相机（3）的镜头（4）与所述管道（15）的第一端口（151）之间，所述圆环形激光器（7）与所述镜头（4）保持固定距离；

还包括：用于数据处理的计算机（16），所述计算机（16）电连接于所述相机（3）；所述行走控制器（17）还连接于所述计算机（16）；

还包括：激光测距仪（12），所述激光测距仪（12）设于所述管道（15）外，且对准所述第一端口（151）；

还包括：倾角传感器（13），所述倾角传感器（13）固定于所述行走机构（2）上，在获取所述环形激光线（9）在所述管道（15）的内壁的截面轮廓图片的同时，所述倾角传感器（13）用于测量所述截面轮廓图片对应的截面轮廓的法线的滚转角。

8.根据权利要求7所述的管道直线度测量系统，其特征在于，还包括点激光器（11）和反射所述点激光器（11）发射的点激光线（10）的半透明的反射板（8），所述点激光器（11）设于所述管道（15）外，且所述点激光器（11）对准所述第一端口（151）；所述反射板（8）设于所述镜头（4）与发射在所述管道（15）内壁上的所述环形激光线（9）之间。

9.根据权利要求8所述的管道直线度测量系统，其特征在于，还包括沿所述管道（15）轴向设置的支撑玻璃板（5），所述支撑玻璃板（5）连接于所述行走机构（2），所述圆环形激光器（7）和所述反射板（8）分别支撑于所述支撑玻璃板（5）上。