一种铁路隧道裂缝宽度测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种铁路隧道裂缝宽度测量仪，包括自上而下依次电连接的第一阶梯系统、第二阶梯系统、第三阶梯系统、第四阶梯系统；第一阶梯系统包括光学镜头、设置在光学镜头一侧的自动对焦模块、设置在光学镜头另一侧的激光测距模块以及阵列分布在光学镜头周围的均匀照明光源；第二阶梯系统包括工业用CMOS相机和直流电源；第三阶梯系统包括嵌入式处理模块和数据存储模块；嵌入式处理模块包括DSP和ARM；数据存储模块包括SDRAM、FLASH以及USB接口；第四阶梯系统为液晶触屏。本实用新型提供一种能够集成所有光、机、电模块在一起、采用均匀照明光源和工业相机，使其能够携带方便，提高测量精度且稳定可靠的铁路隧道裂缝宽度测量仪。
【专利说明】一种铁路隧道裂缝宽度测量仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光机电一体化测量【技术领域】，涉及一种铁路测量仪，尤其涉及一种铁路隧道裂缝宽度测量仪。
【背景技术】
[0002]当前铁路隧道裂缝的宽度信息主要通过目测、使用钢尺或读数放大镜等方法来测量，但是这种测量方法测量精度低，受人为因素影响比较大；对于拱顶、拱腰等距离轨面较高位置，受接触网带电、高度、照明等因素制约，测量人员很难完成操作。
[0003]现有的一项专利《一种隧道衬砌裂缝宽度的测量方法及装置》(申请号:201010240543.2);该专利采用基于数字图像处理的摄影测量技术对隧道裂缝进行观测，但存在以下缺点:
[0004]1、该测量装置包括数码相机、激光测距仪、连接螺杆、测量计算机以及裂缝数据库，硬件数量多，携带不方便，不适于野外操作；
[0005]2、该测量装置未提及使用专业照明装置，当隧道表面存在水溃或污物等情况下，图像处理效果会有所下降，影响测量精度；
[0006]3、该测量装置使用商业用数码相机进行测量，其光学结构、机械结构和电子结构是否能稳定可靠，如果不能，将影响测量精度。
【发明内容】
[0007]为了解决【背景技术】中所存在的技术问题，本实用新型提供一种能够集成所有光、机、电模块在一起、采用均匀照明光源和工业相机，使其能够携带方便，提高测量精度且稳定可靠的铁路隧道裂缝宽度测量仪。
[0008]本实用新型的技术解决方案是:
[0009]本实用新型提供一种铁路隧道裂缝宽度测量仪，其特殊之处在于:包括自上而下依次电连接的第一阶梯系统、第二阶梯系统、第三阶梯系统、第四阶梯系统；
[0010]所述第一阶梯系统包括光学镜头、设置在光学镜头一侧的自动对焦模块、设置在光学镜头另一侧的激光测距模块以及阵列分布在光学镜头周围的均匀照明光源；
[0011]所述第二阶梯系统包括工业用CMOS相机和直流电源；所述直流电源为宽度测量仪整体供电；
[0012]所述第三阶梯系统包括嵌入式处理模块和数据存储模块；所述嵌入式处理模块包括DSP和ARM ;所述DSP用于对数字图像进行采集和处理，提取和识别裂缝信息；所述ARM用于进行操作控制；所述数据存储模块包括SDRAM、FLASH以及USB接口 ；所述SDRAM用于存储数据传输和处理时的信息以及中间运算结果；所述FLASH用于存储拍摄图像和最终裂缝信息；所述USB接口用于FLASH中保存的信息的传输；
[0013]所述第四阶梯系统为液晶触屏；
[0014]所述嵌入式处理模块通过数据线分别与自动对焦模块、激光测距模块、工业用CMOS相机、数据存储模块和液晶触屏连接；
[0015]上述均匀照明光源至少设置一个；
[0016]上述均匀照明光源为白光LED ；
[0017]上述光学镜头为定焦镜头。
[0018]本实用新型的优点:
[0019]1、本实用新型克服现有技术之不足，提供一种光机电一体化设备，采用非接触、高精度的摄影测量技术对隧道裂缝进行观测，采用一体化技术增加设备的便携性，并使用工业相机和均匀照明光源增强设备适应苛刻工作条件的能力；
[0020]2、本实用新型采用嵌入式软件系统，所有光、机、电模块集成在一起，携带方便；
[0021]3、本实用新型采用均匀照明光源。在拍摄图像中，裂缝信息可被准确、清晰地识别；
[0022]4、本实用新型采用工业相机，其光、机、电结构稳定可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型结构示意图；
[0024]图2为本实用新型的工作流程图；
[0025]其中:1_光学镜头，2-自动对焦模块，3-激光测距模块，4-均匀照明光源，5-工业用CMOS相机，6-直流电源，7-嵌入式处理模块，8-数据存储模块，9-液晶触屏。
【具体实施方式】
[0026]本实用新型提供一种铁路隧道裂缝宽度测量仪，包括自上而下依次电连接的第一阶梯系统、第二阶梯系统、第三阶梯系统、第四阶梯系统；
[0027]第一阶梯系统包括光学镜头1、设置在光学镜头I 一侧的自动对焦模块2、设置在光学镜头I另一侧的激光测距模块3以及阵列分布在光学镜头I周围的均匀照明光源4 ；
[0028]第二阶梯系统包括工业用CMOS相机5和直流电源6 ;直流电源6为整体系统供电；
[0029]第三阶梯系统包括嵌入式处理模块和7数据存储模块8 ;嵌入式处理模块包括DSP和ARM ；DSP用于对数字图像进行采集和处理，提取和识别裂缝信息；ARM用于进行操作控制；数据存储模块包括SDRAM、FLASH以及USB接口 ；SDRAM用于存储数据传输和处理时的信息以及中间运算结果；FLASH用于存储拍摄图像和最终裂缝信息；USB接口用于FLASH中保存的信息的传输；
[0030]第四阶梯系统为液晶触屏9 ；
[0031]嵌入式处理模块通过数据线分别与自动对焦模块2、激光测距模块3、工业用CMOS相机5、数据存储模块8和液晶触屏9连接；
[0032]上述均匀照明光源4至少设置一个；
[0033]上述均匀照明光源4为白光LED ;
[0034]上述光学镜头I为定焦镜头。
[0035]参见图1，本实用新型由均匀照明光源4、工业用CMOS相机5、光学镜头1、自动对焦模块2、激光测距模块3、嵌入式处理模块7和液晶触屏9等组成，根据现场使用需要，使用云台和支撑脚架等辅助设备。
[0036]1、技术方案:
[0037]a) 一体化结构分层设计
[0038]设备由前到后共分为四层，包括:
[0039](I)第一层，包括光学镜头1、自动对焦模块2、激光测距模块3和均匀照明光源4 ；光学镜头I位于中心，自动对焦模块2位于光学镜头I左侧。均匀照明光源4对称分布于光学镜头I，激光测距模块3位于右侧；
[0040](2 )第二层，包括工业用CMOS相机5和直流电源6。直流电源6用于给设备供电；
[0041](3)第三层，包括嵌入式处理模块7和数据存储模块8 ；
[0042](4)第四层，包括液晶触屏9 ；
[0043]在设备测量范围内，光学镜头I的光轴与激光测距模块3的激光同轴，并且工业用CMOS相机5的视场始终位于均匀照明光源4的照明范围内；
[0044]b)自动控制设计
[0045]嵌入式处理模块7为设备核心部件，其自动控制内容包括:
[0046]( I)控制激光测距模块3进行测距，并接收距离信息；
[0047](2)控制自动对焦模块2，使光学镜头I开始对焦，当对焦完成后，停止对焦；
[0048](3)控制工业用CMOS相机5，使其拍照，并接收图像信息；
[0049](4)处理图像信息，最终得到裂缝宽度数据后，将裂缝图像和裂缝宽度数据显示在液晶触屏9，保存在数据存储模块8 ；
[0050]液晶触屏9为人机交互设备，可通过控制按钮，一键完成测距、对焦、拍摄、处理、显示和保存最终测量结果；
[0051]c)图像处理技术
[0052]( I)根据裂缝边缘颜色较深的特性，采用边缘检测算法和亚像素定位技术，精确定位裂缝边缘；
[0053](2)通过基于连通域之间的相关特性，将裂缝边缘信息进行连接，形成完整裂缝；
[0054]d)相机标定技术
[0055]设备测量范围为I?20m，在此范围内，通过试验法，求得各拍摄距离下每个像素对应的实际尺寸，并通过最小二乘法进行拟合，得到设备测量范围内的标定曲线；
[0056]2、实施方式:
[0057]a)光学镜头I使用定焦镜头，镜头的光学畸变需要精确标定；在光学镜头I视场范围内某一平面上，安放一定数量的靶标，各靶标之间距离已知；使用工业用CMOS相机5和光学镜头I拍摄此平面图像，精确测定拍摄距离，就可以标定镜头的光学畸变。
[0058]b)嵌入式处理模块7是设备核心部件，由DSP和ARM组成；DSP用于对数字图像进行采集和处理，提取和识别裂缝信息；ARM用于进行操作控制。嵌入式处理模块7通过数据线分别与自动对焦模块2、激光测距模块3、工业用CMOS相机5、数据存储模块8和液晶触屏9连接；通过ARM内部存储的控制软件，可实现自动对焦、激光测距、相机拍摄、数据存储及显示等功能。
[0059]c )数据存储模块8，包括SDRAM和FLASH，以及USB接口 ；SDRAM用于存储数据传输和处理时的信息，以及中间运算结果。FLASH用于存储拍摄图像和最终裂缝信息；USB接口用于将FLASH中保存的信息传输至其它设备如计算机。
[0060]d)相机标定技术的实现
[0061]在光学镜头I的视场范围内，距离I米、2米、…、19米、20米等20个平面内，分别安放一定数量的靶标，各靶标之间距离已知；使用工业用CMOS相机5和光学镜头I拍摄此平面图像，根据靶标之间的实际距离Li,以及靶标图像的像素距离Ii,计算出各距离的放大系数:
[0062]β i =—-
[0063]最后，使用最小二乘法，对各距离的β i进行拟合，设备标定完成。
[0064]3、使用流程
[0065]参见图2，本实用新型的使用流程为:
[0066]I)启动设备；嵌入式处理模块7将自动检测自动对焦模块2、激光测距模块3、工业用CMOS相机5和数据存储模块8是否正常；如果不正常，在液晶触屏9给出提示；如果正常，嵌入式处理模块7启动均匀照明光源4，开始照明；
[0067]2)启动监控画面；嵌入式处理模块7启动工业用CMOS相机5，在液晶触屏9显示监控画面；
[0068]3)调整位置；操作者根据监控画面，调整设备位置，对准裂缝；然后启动拍摄；
[0069]4)嵌入式处理模块7启动 激光测距模块3，测量拍摄距离并保存；
[0070]5 )嵌入式处理模块7启动自动对焦模块2，获得清晰像；
[0071]6)嵌入式处理模块7启动工业用CMOS相机5，拍摄含裂缝图像；
[0072]7)裂缝图像传输并保存至数据存储模块8 ；
[0073]8)使用图像处理技术和相机标定技术，提取裂缝图像中的裂缝信息；
[0074]9)裂缝信息显示在液晶触屏9，并保存在数据存储模块8。
[0075]本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种光机电一体化设备，采用非接触、高精度的摄影测量技术对隧道裂缝进行观测，采用一体化技术增加设备的便携性，并使用工业用CMOS相机5和均匀照明光源4增强设备适应苛刻工作条件的能力。
【权利要求】
1.一种铁路隧道裂缝宽度测量仪，其特征在于:包括自上而下依次电连接的第一阶梯系统、第二阶梯系统、第三阶梯系统、第四阶梯系统； 所述第一阶梯系统包括光学镜头、设置在光学镜头一侧的自动对焦模块、设置在光学镜头另一侧的激光测距模块以及阵列分布在光学镜头周围的均匀照明光源； 所述第二阶梯系统包括工业用CMOS相机和直流电源；所述直流电源(6)为整体系统供电； 所述第三阶梯系统包括嵌入式处理模块和数据存储模块；所述嵌入式处理模块包括DSP和ARM ;所述DSP用于对数字图像进行采集和处理，提取和识别裂缝信息；所述ARM用于进行操作控制；所述数据存储模块包括SDRAM、FLASH以及USB接口 ；所述SDRAM用于存储数据传输和处理时的信息以及中间运算结果；所述FLASH用于存储拍摄图像和最终裂缝信息；所述USB接口用于FLASH中保存的信息的传输； 所述第四阶梯系统为液晶触屏； 所述嵌入式处理模块通过数据线分别与自动对焦模块、激光测距模块、工业用CMOS相机、数据存储模块和液晶触屏连接。
2.根据权利要求1所述的铁路隧道裂缝宽度测量仪，其特征在于:所述均匀照明光源至少设置一个。
3.根据权利要求2所述的铁路隧道裂缝宽度测量仪，其特征在于:所述均匀照明光源为白光LED。
4.根据权利要求1所述的铁路隧道裂缝宽度测量仪，其特征在于:所述光学镜头为定焦镜头。
【文档编号】G01B11/02GK203479260SQ201320539467
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】常何民, 李华, 朱辉 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所