CN117705004B - 填筑土层压实高精度测量及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工程填筑压实质量测量技术领域，尤其为一种填筑土层压实高精度测量及标定方法，其中，用于压实高精度测量的测量设备包括压实机械、相机、激光器、车载工控机、GPS定位装置；在压实机械车轮一侧设置相机，在相机对应位置设置激光器，相机与激光器的射线在填筑土层面聚焦形成闭环的三角形；在压实机械上设置车载工控机和GPS定位装置。本发明，结合测量设备，设计填筑土层压实高精度测量及标定方法，实现三维表面测量技术；最终达到对10mm‑50mm等不同高度精确测量，且测量精度误差控制在0.1mm以下；通过对于激光线上不同位置相对变形的测量，实现精准检测工程填筑压实质量微小变形的优点。
Description
技术领域
本发明涉及工程填筑压实质量测量技术领域，具体为填筑土层压实高精度测量及标定方法。
背景技术
随着无人驾驶技术的快速发展，无人压路机开始在基础设施、能源、水利等工程实际中投入使用；压路机碾压变形量是压实质量的一个显著特征，其测量精度不仅影响其作业效率，而且影响着碾压作业的质量，更关系到工程安全问题；因此，对压路机的碾压变形特征测量和评估是保证其正常施工作业的关键。
在填筑压实变形量测量方面，目前传感器有声纳传感器和激光传感器等，二者测量原理相同；声纳传感器发射一声波并开始计时，声波向下传播碰到参考物反射一回波，接收器根据用间可计算出传感器至参考物之间的距离；这种方法用在无人压路机的碾压变形量测量中，受温度影响大，且压路机的工作场景有其特殊性，一般会存在因路面不平，作业振动等多种因素，导致声纳传感器会产生较大误差，无法满足控制精度的要求，难以达到有效测量；激光传感器也存在类似问题。
在工业检测、逆向工程、医学诊断、文物保护以及锻造焊接等领域，对物体三维表面微小变形的测量采用线结构光三维视觉检测技术，通过相机获取线型激光器投射在物体表面的条纹图像，基于三角测量原理进行空间尺度变换实现对物体表面微小变形进行检测；因其具有测量精度高、结构简单等优点，但前提是静止测量；如何将这种静止测量的方法运用到移动的工程施工设备上，对土层的实时变形进行测量，还是工程设备领域的一个空白，因此，针对上述问题提出填筑土层压实高精度测量及标定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供填筑土层压实高精度测量及标定方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
填筑土层压实高精度测量及标定方法，包括以下步骤：
测量设备的设置：测量设备包括压实机械、设置在压实机械车轮一侧的相机、位于相机对应位置的激光器以及车载工控机和GPS定位装置，车载工控机和GPS定位装置均设置在压实机械上，相机与激光器的射线在填筑土层面聚焦形成闭环的三角形；
相机结合激光器的标定：相机在同一位置拍摄两张照片，一张为标定相机平移旋转矩阵，另一张用来拍摄激光器提取中心线，并用提取的中心线坐标进行直线拟合，两条不相交直线用于平面拟合，用两组图片即四张图片完成平面方程的确定，查看标定稳定性并提高精度；提取激光线中心线坐标，利用标定好的平面方程参数以及相机的内参、外参，进行坐标转换2D转3D，得到中心线坐标即完成测量；
基于直角三角形标定板的相机标定：分析经典的张正友平面标定方法，并给出了基于直角三角形标定模板的相机标定动作，建立描述像点位置和空间物点位置的相互对应关系的标定函数，利用直线的投影不变性，构造优化函数，求解相机的畸变系数；
提取中心线：基于窗口的二维动态阈值灰度重心提取激光条纹中心线；
中心线拟合直线：根据提取的中心线坐标，采用随机一致性RANSAC算法拟和2D直线，通过直线拟合，最终每条中心线只用到拟合的两个点坐标代表直线进行平面方程参数标定；
将相机坐标系中测量值转为激光平面坐标系中表示，具体操作为：
首先，建立激光平面坐标系，x轴选为激光平面法线方向，即扫描前进方向；z轴与相机y坐标轴和激
光平面法线都正交，激光平面坐标系的y轴由z轴与x轴按右手法则确定；
其次，激光平面z轴向量；
第三，激光平面y轴向量；
激光平面坐标系向相机坐标系旋转的矩阵R（每一列都为单位向量）为：
,
其中c代表相机坐标系，l代表激光平面坐标系；
对于激光条上点的测量坐标，其中x分量为0，另两个分量为：
上述变换其实是激光平面上的点坐标从相机坐标系到激光平面坐标系；
其中，yz平面坐标系的z轴一般并不沿垂向；因此需要坐标系旋转，旋转角度，其中，其中、为两个坐标点分别在y轴方向、z
轴方向之间的距离，取直线上相距较远的两点坐标差；
将按光平面方程计算的测量点坐标，按下式变换后输出最终测量结果：
其中，y、z为变换完的坐标，、为变换前的激光平面坐标，为激光线夹角；
计算效率高的做法是变换激光平面方程系数：
然后测量时按下式输出结果：
其中，a，b，c为平面方程系数，、、为三个点位旋转后的平面方程系数；
完成标定操作。
优选的，RANSAC算法是随机参数估计迭代算法，从一组包含异常数据的样本数据集中，通过迭代的方式，估计已知数学模型的参数，并得到有效样本数据的算法。
优选的，直角三角形成像后三条线之间的像素距离所对应的空间距离等于三条边的实际距离。
优选的，基于直角三角形标定模板的相机标定动作具体操作为：
步骤一：打印制作长为6×8×10cm的直三角形标定板；
步骤二：固定需要进行标定的相机，之后将标定板放置在相机前的适当位置，进行平移或旋转并通过相机拍摄，保证在求取各个参数时的比例系数为一个常数，得到一组标定所需要的图像，图像数量应大于六幅；
步骤三：将标定图像导入计算机中，对图像进行预处理；
步骤四：当平行直线投影在相机平面上时，相交于一点，图像上的这一点被称为消隐点，每张直角三角形标定图有三个消隐点；通过Harris角点检测方法以及提取图像中的三角形的直线特征，求解正交消隐点坐标，建立描述空间物点位置和像点位置的相互对应关系，利用绝对IAC的性质构造正交消隐点坐标与相机内参数矩阵间的约束，一组正交消隐点只能提供 1 个独立约束，通过变换相机的姿态得到多组正交消隐点，求解出相机的内参数，内参数包括主点坐标、焦距，进而求解相机的外参数，外参数包括畸变系数。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的填筑土层压实高精度测量及标定方法，通过在压实机械车轮一侧设置相机，在相机对应位置设置激光器，相机与激光器的射线在填筑土层面聚焦形成闭环的三角形；来实现三维表面测量技术，有益效果是：
1、通过在压实机械车轮一侧设置相机，在相机对应位置设置激光器，相机与激光器的射线在填筑土层面聚焦形成闭环的三角形；来实现三维表面测量，通过相机和激光器标定、基于直角三角形标定板的相机标定、提取中心线、中心线拟合直线，最终达到对10mm-50mm等不同高度精确测量，且测量精度误差控制在0.1mm以下；
2、通过相机在同一位置拍摄两张照片，一张为标定相机平移旋转矩阵，另一张用来拍摄激光器提取中心线、用提取的中心线坐标进行直线拟合，两条不相交直线即可用于平面拟合，用两组图片即四张图片就可完成平面方程的确定，为提高标定精度采集六组数据，查看标定稳定性并提高精度；得到中心线坐标即完成测量，实现精准检测工程填筑压实质量微小变形的优点。
附图说明
图1为本发明相机与激光器装置主视图；
图2为本发明相机与激光器装置工作原理示意图；
图3为本发明直角三角形标定板示意图；
图4为本发明相机标定流程图；
图5为本发明中心线提取流程图；
图中：1、相机；2、激光器；3、压实机械；4、车载工控机；5、GPS定位装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供填筑土层压实高精度测量设备，包括压实机械3、相机1、激光器2、车载工控机4、GPS定位装置5；在压实机械3车轮一侧设置相机1，在相机1对应位置设置激光器2；在压实机械3上设置有车载工控机4和GPS定位装置5；
进一步，如图2所示，相机1与激光器2的射线在填筑土层面聚焦形成闭环的三角形。
基于上述的填筑土层压实高精度测量设备实现填筑土层压实高精度标定方法，包括以下步骤：
相机1结合激光器2的标定：相机1在同一位置拍摄两张照片，一张为标定相机1平移旋转矩阵，另一张用来拍摄激光器2提取中心线，并用提取的中心线坐标进行直线拟合，两条不相交直线用于平面拟合，用两组图片即四张图片完成平面方程的确定，查看标定稳定性并提高精度；提取激光线中心线坐标，利用标定好的平面方程参数以及相机1的内参、外参，进行坐标转换2D转3D，得到中心线坐标即完成测量；
基于直角三角形标定板的相机1标定：分析经典的张正友平面标定方法，并给出了基于直角三角形标定模板的相机标定动作，建立描述像点位置和空间物点位置的相互对应关系的标定函数，利用直线的投影不变性，构造优化函数，求解相机1的畸变系数；
提取中心线：基于窗口的二维动态阈值灰度重心提取激光条纹中心线；
中心线拟合直线：根据提取的中心线坐标，采用随机一致性RANSAC算法拟和2D直线，通过直线拟合，最终每条中心线只用到拟合的两个点坐标代表直线进行平面方程参数标定；
将相机坐标系中测量值转为激光平面坐标系中表示，具体操作为：
首先，建立激光平面坐标系，x轴选为激光平面法线方向，即扫描前进方向；z轴与相机1y坐标轴和
激光平面法线都正交，激光平面坐标系的y轴由z轴与x轴按右手法则确定；
其次，激光平面z轴向量；
第三，激光平面y轴向量；
激光平面坐标系向相机1坐标系旋转的矩阵R（每一列都为单位向量）为：
,
其中c代表相机坐标系，l代表激光平面坐标系；
对于激光条上点的测量坐标，其中x分量为0，另两个分量为：
上述变换其实是激光平面上的点坐标从相机1坐标系到激光平面坐标系；
其中，yz平面坐标系的z轴一般并不沿垂向；因此需要坐标系旋转，旋转角度，其中，其中、为两个坐标点分别在y轴方向、z
轴方向之间的距离，取直线上相距较远的两点坐标差；
将按光平面方程计算的测量点坐标，按下式变换后输出最终测量结果：
其中，y、z为变换完的坐标，、为变换前的激光平面坐标，为激光线夹角；
计算效率高的做法是变换激光平面方程系数：
然后测量时按下式输出结果：
其中，a，b，c为三个点位的平面方程系数，、、为三个点位旋转后的平面方程系
数；
完成标定操作。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述：
请参阅图1-5，填筑土层压实高精度测量设备，包括压实机械3、相机1、激光器2、车载工控机4、GPS定位装置5（如图1所示）；在压实机械3车轮一侧设置相机1，在相机1对应位置设置激光器2，相机1与激光器2的射线在填筑土层面聚焦形成闭环的三角形（如图2所示）；在压实机械3上设置有车载工控机4和GPS定位装置5。
填筑土层压实高精度测量及标定方法，包括利用相机1和激光器2进行标定、基于直角三角形标定板的相机1标定、提取中心线、中心线拟合直线、将相机1坐标系中测量值转为激光平面坐标系中表示，具体的：
相机1结合激光器2的标定：相机1在同一位置拍摄两张照片，一张为标定相机1平移旋转矩阵，另一张用来拍摄激光器2提取中心线，并用提取的中心线坐标进行直线拟合，两条不相交直线用于平面拟合，用两组图片即四张图片完成平面方程的确定，查看标定稳定性并提高精度；提取激光线中心线坐标，利用标定好的平面方程参数以及相机1的内参、外参，进行坐标转换2D转3D，得到中心线坐标即完成测量；
基于直角三角形标定板的相机1标定：分析经典的张正友平面标定方法，并给出了基于直角三角形标定模板的相机标定动作，建立描述像点位置和空间物点位置的相互对应关系的标定函数，利用直线的投影不变性，构造优化函数，求解相机1的畸变系数；
提取中心线：基于窗口的二维动态阈值灰度重心提取激光条纹中心线；
中心线拟合直线：根据提取的中心线坐标，采用随机一致性RANSAC算法拟和2D直线，通过直线拟合，最终每条中心线只用到拟合的两个点坐标代表直线进行平面方程参数标定；
将相机坐标系中测量值转为激光平面坐标系中表示，具体操作为：
首先，建立激光平面坐标系，x轴选为激光平面法线方向，即扫描前进方向；z轴与相机1y坐标轴和
激光平面法线都正交，激光平面坐标系的y轴由z轴与x轴按右手法则确定；
其次，激光平面z轴向量；
第三，激光平面y轴向量；
激光平面坐标系向相机1坐标系旋转的矩阵R（每一列都为单位向量）为：
,
其中，c代表相机坐标系，l代表激光平面坐标系；
对于激光条上点的测量坐标，其中x分量为0，另两个分量为：
上述变换其实是激光平面上的点坐标从相机1坐标系到激光平面坐标系；
其中，yz平面坐标系的z轴一般并不沿垂向；因此需要坐标系旋转，旋转角度，其中，其中、为两个坐标点分别在y轴方向、z
轴方向之间的距离，取直线上相距较远的两点坐标差；
将按光平面方程计算的测量点坐标，按下式变换后输出最终测量结果：
其中，y、z为变换完的坐标，、为变换前的激光平面坐标，为激光线夹角；
计算效率高的做法是变换激光平面方程系数：
然后测量时按下式输出结果：
其中，a，b，c为三个点位的平面方程系数，、、为三个点位旋转后的平面方程系
数；
完成标定操作。
结构光三角测量微小变形的应用示例：
1、激光平面的标定
标定过程：先进行相机标定得到内参矩阵以及畸变矩阵，再采集平面标定图像（一组数据包含两个平面的两条激光线图像），利用solvePnP()函数求解每个平面图像的旋转矩阵、平移向量，最后利用平面标定程序提取激光线中心线坐标、2D转3D坐标、平面参数拟合；
1.1材料准备
1）软件方面：windows下visualstudio2017结合opencv3.4.0；
2）相机1结合激光器2：相机1选用华谷动力WP-10M0814-C、分辨率2000万，激光器波长660nm、光斑大小1mm-4cm；安装：通过固定支架将相机1与激光器2水平放置（间距15cm），激光器2垂直地面放置，相机1倾斜角度朝向激光线（图像包含激光线），支架距离地面50-60cm；
3）标定板：采用的是6×8×10cm的直角三角形标定板，A4纸打印即可；
1.2标定数据采集
1）首先是相机1内参标定，录制标定包，利用ros中的针对标定板改变修改后的kalib软件进行标定；
2）采集平面标定图像；需要采集的数据：最少用一组数据进行标定，一组数据包括两个平面的四张图像，每个平面需要采集一张包含标定板用于参数标定的图像和一张包含中心线的图像；最好采集5组数据进行共同标定，确保结果稳定性、准确性；
注意事项：
①激光线与标定板不要重叠；
②采集标定板图像调至自动曝光、目标光亮度80，采集激光线图像时调整曝光10ms左右、能够达到图像中基本只能看到激光线的效果；③采集不同平面，通过抬高、左右倾斜、前后倾斜相机结合激光装置的方式改变平面，改变的幅度不能小；
1.3平面标定
1）先用kalib软件标定录制好的标定包，得到内参矩阵以及畸变矩阵并将参数输入平面标定程序中；
2）将采集的图像编号带有标定板的图像在前，激光线图像在后，如有四组数据，1-4.jpg为标定板图像，5-8.jpg为激光线图像；因为每次需要先提取该平面的旋转、平移向量，然后才能提取中心线坐标、坐标转换、拟合平面；
3）运行程序，得到平面方程参数；查看运行过程中得到的中心线点坐标以及拟合出的直线是否与原直线相符，剔除不相符的数据组；
结果检验：
1）按照标定过程，多采集几组数据，进行多次交叉、多组共同标定，查看所得结果是否均相近，判断正确性及稳定性；
2）激光三角3D测量应用，将标定的相机内参以及标定的平面方程参数输入测量程序，采集图像信息，运行程序测量；
运行结果，通过查看激光中心线上的3D点坐标，测量被测物体的高度；通过测量也可以反验证激光平面标定是否准确；如下图所示，两张图所代表的是同一位置，不放测量物与放测量物的结果对比，通过比较第三列数据即高度差，发现15.15mm的被测物平均测量误差在0.1mm以下。
在一种实施例中，直线成像原理，空间上一条直线，在理想无畸变摄像头成像后，仍然是一条直线；即在直线上任取三个点A，B，C，满足AB//AC；像素点的摄像头成像过程经历三个坐标系变换：参考坐标系—相机1坐标系—图像坐标系—像素坐标系；经过三次坐标变换后，得到的A",B",C"三个点仍然满足A"B"//A"C"关系，说明直线在摄像头成像后仍是一条直线；基于直线成像特征，直角三角形成像后三条线之间的像素距离所对应的空间距离等于三条边的实际距离。
在一种实施例中，基于直角三角形标定板的相机1标定：
第一、打印制作长为6×8×10cm的直三角形标定板（如图3所示）；
第二、固定需要进行标定的相机，之后将标定板放置在相机前的适当位置，进行平移或旋转并通过相机拍摄，注意标定板相对相机1的前后位移不应过大，这样可以保证在求取各个参数时的比例系数为一个常数，最后得到一组标定所需要的图像，图像数量应大于六幅；
第三、将标定图像导入计算机中，对图像进行去噪等预处理；
第四、当平行直线投影在相机1平面上时，相交于一点，图像上的这一点被称为消隐点，每张直角三角形标定图有三个消隐点；通过Harris角点检测方法以及提取图像中的三角形的直线特征，求解正交消隐点坐标，建立描述空间物点位置和像点位置的相互对应关系，利用绝对IAC的性质构造正交消隐点坐标（uv、vv）与相机1内参数矩阵间的约束，一组正交消隐点只能提供 1 个独立约束，通过变换相机1的姿态得到多组正交消隐点，求解出相机1的内参数，内参数包括主点坐标（u0、v0）、焦距fx、fy，进而求解相机1的外参数，外参数包括畸变系数kc1、kc2。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.填筑土层压实高精度测量及标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
测量设备的设置：所述测量设备包括压实机械（3）、设置在压实机械（3）车轮一侧的相机（1）、位于相机（1）对应位置的激光器（2）以及车载工控机（4）和GPS定位装置（5），所述车载工控机（4）和GPS定位装置（5）均设置在压实机械（3）上，所述相机（1）与激光器（2）的射线在填筑土层面聚焦形成闭环的三角形；
相机（1）结合激光器（2）的标定：相机（1）在同一位置拍摄两张照片，一张为标定相机（1）平移旋转矩阵，另一张用来拍摄激光器（2）提取中心线，并用提取的中心线坐标进行直线拟合，两条不相交直线用于平面拟合，用两组图片即四张图片完成平面方程的确定，查看标定稳定性并提高精度；提取激光线中心线坐标，利用标定好的平面方程参数以及相机（1）的内参、外参，进行坐标转换2D转3D，得到中心线坐标即完成测量；
基于直角三角形标定板的相机（1）标定：分析经典的张正友平面标定方法，并给出基于直角三角形标定模板的相机标定动作，建立描述像点位置和空间物点位置的相互对应关系的标定函数，利用直线的投影不变性，构造优化函数，求解相机（1）的畸变系数；
提取中心线：基于窗口的二维动态阈值灰度重心提取激光条纹中心线；
中心线拟合直线：根据提取的中心线坐标，采用随机一致性RANSAC算法拟和2D直线，通过直线拟合，最终每条中心线只用到拟合的两个点坐标代表直线进行平面方程参数标定；
将相机坐标系中测量值转为激光平面坐标系中表示，具体操作为：
首先，建立激光平面坐标系，x轴选为激光平面法线方向，即扫描前进方向；z轴与相机（1）y坐标轴/>和激光平面法线都正交，激光平面坐标系的y轴由z轴与x轴按右手法则确定；
其次，激光平面z轴向量；
第三，激光平面y轴向量；
激光平面坐标系向相机（1）坐标系旋转的矩阵R为：
；
,/>；
其中c代表相机坐标系，l代表激光平面坐标系；
对于激光条上点的测量坐标，其中x分量为0，另两个分量为：
；
；
上述变换其实是激光平面上的点坐标从相机（1）坐标系到激光平面坐标系；
其中，yz平面坐标系的z轴一般并不沿垂向；因此需要坐标系旋转，旋转角度，其中/>，其中/>、/>为两个坐标点分别在y轴方向、z轴方向之间的距离，取直线上相距较远的两点坐标差；
将按光平面方程计算的测量点坐标，按下式变换后输出最终测量结果：
；
其中，y、z为变换完的坐标，、/>为变换前的激光平面坐标，/>为激光线夹角；
计算效率高的做法是变换激光平面方程系数：
；
；
；
然后测量时按下式输出结果：
；
；
其中，a，b，c为三个点位的平面方程系数，、/>、/>为三个点位旋转后的平面方程系数；
完成标定操作。
2.根据权利要求1所述的填筑土层压实高精度测量及标定方法，其特征在于：所述中心线拟合直线中，RANSAC算法是随机参数估计迭代算法，从一组包含异常数据的样本数据集中，通过迭代的方式，估计已知数学模型的参数，并得到有效样本数据的算法。
3.根据权利要求1所述的填筑土层压实高精度测量及标定方法，其特征在于：所述基于直角三角形标定板的相机标定中，直角三角形成像后三条线之间的像素距离所对应的空间距离等于三条边的实际距离。
4.根据权利要求1所述的填筑土层压实高精度测量及标定方法，其特征在于：所述基于直角三角形标定模板的相机标定具体操作为：
步骤一：打印制作长为6×8×10cm的直三角形标定板；
步骤二：固定需要进行标定的相机（1），之后将标定板放置在相机（1）前的适当位置，进行平移或旋转并通过相机（1）拍摄，保证在求取各个参数时的比例系数为一个常数，得到一组标定所需要的图像，图像数量应大于六幅；
步骤三：将标定图像导入计算机中，对图像进行预处理；
步骤四：当平行直线投影在相机（1）平面上时，相交于一点，图像上的这一点被称为消隐点，每张直角三角形标定图有三个消隐点；通过Harris角点检测方法以及提取图像中的三角形的直线特征，求解正交消隐点坐标，建立描述空间物点位置和像点位置的相互对应关系，利用绝对IAC的性质构造正交消隐点坐标与相机（1）内参数矩阵间的约束，一组正交消隐点只能提供 1 个独立约束，通过变换相机（1）的姿态得到多组正交消隐点，求解出相机（1）的内参数，内参数包括主点坐标、焦距，进而求解相机（1）的外参数，外参数包括畸变系数。
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