一种隧道检测车多传感器控制系统的制作方法

本发明属于传感器控制技术领域，具体而言，涉及一种隧道检测车多传感器控制系统，利用多种类型的传感器信息，提升对隧道病害的检测效果。

背景技术：

随着我国高速公路迅猛发展，其养护问题越来越凸显出来。庞大的养护基数及快速增长的养护需求使得我国高速公路养护任务繁重而迫切，养护工作呈现出养护面广、工作量大、养护周期缩短、养护资金需求增大的趋势。

由于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响，隧道在长期的使用过程中比普通道路更容易出现病害，如衬砌开裂、隧道渗漏水、隧道冻害、衬砌腐蚀等。这些病害既影响了隧道作为快速安全交通通道的功能，又严重危及行车安全。

目前，基于图像处理技术的路面检测车已经有大量的成熟应用，而由于隧道环境复杂、光照条件差等特点，隧道检测车还鲜有应用。当前国内对于隧道状况检测的工作，是以人工检测为主要方式。而这种传统的检测方法已越来越不能适应发展的要求，其主要问题在于：耗时、耗人力、效率低下，很难做到检测的周期性和及时性；工作条件十分恶劣、检测人员安全无法得到保证、影响交通正常运行；无法对检测结果进行重复判读，验证其准确性。因此，隧道检测技术要求从人工检测向智能自动化检测方向发展。

隧道检测车的基本原理是通过基于CCD图像传感器制作的工业相机拍摄隧道衬砌获取图像信息，经过数据釆集系统存储在计算机中，然后再通过软件对图像进行处理，获取病害尺寸、位置等信息，以便于进一步对隧道衬砌状况的监测以及对病害的防治。

车载设备检测法之所以能够作为一种有效动态的测量手段，是因为在于所拍摄的图片与实际物体中的尺寸的对应性。以4k分辨率的线阵相机为例，相机每一次拍摄获得的图片是一张4096×1像素的图像，信息都是隧道断面衬砌表面的一小部分，经过图像处理之后呈现出的是整体隧道衬砌表面图。因此为了获得连续的图片，要求线阵相机所拍的帧幅数与检测车的行进速度相匹配。在路面检测车的应用中，通常采用安装在汽车轮毂上的编码器来进行车速匹配。同时，由于人为驾驶原因，汽车时刻在隧道断面中的位置不能保持一致，可能导致相机镜头与隧道内壁的距离不一致，镜头与隧道内壁的夹角不一致。使得拍摄出的图片存在一定失真的情况，因此需要利用多种传感器实时记录相机拍照时的具体环境信息，以保证在后期的图像处理过程中有据可依，消除这些因素的干扰，使图像处理结果更加准确。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有隧道检测主要依靠人工手段，不能适应新的隧道养护发展的新需求。基于图像处理技术，利用线阵相机以及利用编码器触发线阵相机拍摄隧道衬砌图片，利用激光扫描仪、照度仪等多种传感器获取隧道内环境信息，利用陀螺仪记录汽车行驶姿态，辅助进行图像处理，实现隧道检测的智能化、自动化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道检测车多传感器控制系统，其特征在于，包括汽油发电机、UPS不间断电源、开关电源、线阵相机、激光光源、编码器、脉冲分配器、激光扫描仪、陀螺仪、照度仪、工控机。

可选的，本发明采用汽油发电机、UPS不间断电源、开关电源为整个系统供电；汽油发电机额定功率不小于1500W；UPS不间断电源与发电机连接，可在2000W功耗下提供不小于30分钟额外电力；开关电源与发电机连接，额定功率不小于480W，电压12V，并置于车内。

可选的，本发明所采用的线阵相机分辨率不小于4k，图片为黑白或彩色，数据接口为以太网或者Cameralink，供电电压12V，通过开关电源供电；相机通过数据线与工控机连接，可采用RS422或TTL信号作为拍摄触发信号。

可选的，本发明所采用的激光光源通过开关电源供电，功率不小于7W，并且可调节光源亮度。

可选的，本发明所采用的编码器为可编程增量型编码器，分辨率1-10000可调节，供电电压5-24V，输出信号为5V TTL信号。将其安装在汽车轮毂上，与轮毂同轴转动，通过开关电源供电，输出信号与脉冲分配器相连。

可选的，本发明所采用的脉冲分配器可将编码器信号分出4路以上的同步信号，信号时延小于700ns，并且不丢失脉冲信号。分出的信号分别与线阵相机、激光扫描仪相连，放置于车内。

可选的，本发明所采用的激光扫描仪，并将其固定与车顶上，通过网线与工控机连接，可测量隧道断面轮廓，扫描频率不小于25Hz，供电电压12V，精度大于15mm，数据接口为以太网。

可选的，本发明所采用的陀螺仪可给出三轴方向上的线加速度和姿态角，加速度线性度小于±50mg，方向分辨率小于0.1deg。陀螺仪固定于车顶上，通过RS232串口线与工控机连接，实时测量汽车行进姿态，以便于后期图像处理对由于汽车行进姿态引起的图片变形进行调整。同时结合方向角与激光扫描仪测得的隧道断面轮廓数据，可将隧道的实际三维轮廓描绘出来。

可选的，本发明所采用的照度仪，将其固定与车顶上，可以实时测量隧道内的光照条件，通过数据采集卡将数据传回工控机，并根据光强度随时通过RS485通讯调节激光光源亮度以保证相机拍摄正常曝光。供电电压12～30V，输出信号DC0～10V或DC4～20mA，量程0～10000W/m²。

可选的，本发明所采用的工控机处理器为Intel I5级别以上，配有不小于20TB的磁盘阵列，采用RAID0结构。并配有四通道网卡、编码计数卡与模拟量输入卡。

本发明采用可编程编码器，可调节编码器分辨率以适应不同的照片分辨率要求。同时，利用激光扫描仪、照度仪等多种传感器采集隧道内环境信息，利用陀螺仪记录汽车行驶姿态，辅助后期图像处理工作，使图像处理结果更加准确。采用了raid0结构的磁盘阵列工控机，提升了系统运行效率。

附图说明

附图1是本发明实施例中隧道检测车多传感器控制系统的控制原理结构示意性框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图1对本发明所述的隧道检测车多传感器控制系统做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

附图1是本发明实施例中隧道检测车多传感器控制系统的控制原理结构示意性框图。如图1中所示，所述隧道检测车多传感器控制系统，包括汽油发电机、UPS不间断电源、开关电源、线阵相机、激光光源、编码器、脉冲分配器、激光扫描仪、陀螺仪、照度仪、工控机。

发电机采用武藤汽油发电机额定电压230V，额定输出功率1600W，最大功率2000W。

发电机为UPS供电，UPS不间断电源采用山特C3KS 3KVA 2400W，后备延时30分钟。与UPS相连的开关电源采用明纬SP-480-12机壳式开关电源，输入电压230V，额定输出480W，直流电压12V。

线阵相机采用Dalsa公司的LA-GM-04K08A-00-R，分辨率4K，黑白照片，数据接口为以太网，供电电压12V，利用开关电源供电，可采用RS422或TTL信号作为拍摄触发信号。

激光光源采用Coherent公司的Magnum II Laser，供电电压12V，利用开关电源供电，功率7W，可通过RS485信号线与工控机相连，并以此调节光源亮度。

编码器采用Sick公司的DFS60B-BEPC10000可编程增量型编码器，分辨率1-10000可调节，供电电压5-24V，输出信号为5V TTL信号。将其安装在汽车轮毂上，与轮毂同轴转动，通过开关电源供电，输出信号与脉冲分配器相连。脉冲分配器采用西安同步电子科技有限公司的SYN5006型，可将编码器信号分出6路的同步信号，信号时延小于700ns，并且不丢失脉冲信号，适应于RS422、TTL、HTL等各类信号。编码器的输出信号与脉冲分配器的输入端口相连。

激光扫描仪采用Sick公司的LMS111-10100，并将其固定与车顶上，通过网线与工控机连接，可测量隧道内轮廓，扫描频率50Hz，供电电压12V，精度大于15mm，数据接口为以太网。可接入编码器信号，用于在隧道内定位。

陀螺仪采用陕西航天长城测控有限公司的IMU微型陀螺测量系统MIN-900-2。可给出三轴方向上的线加速度和姿态角，加速度线性度小于±40mg，方向分辨率小于0.1deg。将其固定与车顶上，实时测量汽车行进姿态，以便于后期图像处理对由于汽车行进姿态引起的图片变形进行调整。同时结合方向角与激光扫描仪测得的隧道断面轮廓数据，可将隧道的实际三维轮廓描绘出来。

照度仪采用西门子QLS60，供电电压12～30V，输出信号4～20mA，量程0～10000W/m²。通过数据采集卡将数据传回工控机，根据光强度随时通过RS485通讯调节激光光源亮度以保证相机拍摄正常曝光。

工控机具体配置为Intel I5CPU，配备20块2T组成的磁盘阵列，采用RAID0结构，实际大小36TB，硬盘读写速度达1000MB/s以上。主板配有多个PCI扩展插槽。另配有四口千兆网卡用于传输线阵相机与激光扫描仪的数据，研华PCI-1784U编码器计数卡用于记录编码器读数，以及研华PCI-1714模拟量输入卡用于读取照度仪的读数。

所述系统由汽油发电机、UPS不间断电源、开关电源进行供电。编码器安装在汽车轮毂上，在汽车行进过程中与轮毂同轴转动，根据不同车速提供与之适配的脉冲频率触发线阵相机进行拍照。通过激光扫描仪实时测量隧道内轮廓，根据照度仪读数实时调整激光光源亮度。通过陀螺仪记录汽车行驶姿态。本发明创新的采用可编程编码器，可调节编码器分辨率以适应不同的照片分辨率要求。同时，利用激光扫描仪、陀螺仪、照度仪等多种传感器采集隧道内环境信息以及汽车行驶姿态，辅助后期图像处理工作，使图像处理结果更加准确。采用了raid0结构的磁盘阵列工控机，提升了系统运行效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。