隧道数据采集设备及方法与流程

本申请涉及轨道交通技术领域，具体而言，涉及一种隧道数据采集设备及方法。

背景技术：

在轨道交通建设过程中，常会在山体或者地下开设隧道供列车通行，特别是在城市地铁系统中，存在大量的地下隧道，隧道本身的安全性对列车的安全行驶十分重要。

为了确保隧道的安全性，需要时常对隧道进行检查，对于形变、裂缝、渗漏水等隧道病害问题做到及时发现及时处理。在一些现有技术中，常会在隧道检测车上设置相机等图像采集设备，在隧道检测车沿隧道行进的过程中，多个相机从不同的角度采集隧道内壁图像，然后将多个相机采集的图像拼接为隧道内部的全景图或局部全景图以用于进行安全问题分析。

为了保证采集的隧道内部图像的质量和可用性，需要对多个相机的设置位置进行调整。但是，当前隧道检测车上相机的设置方式十分单一，针对不同形状的隧道需要人工进行调整，调整动作十分繁杂，需要花费的调整时间较长，并且人工调整精度较低且容易出错。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种隧道数据采集设备，包括设置于检测车上的激光扫描装置、多个相机、第一相机位置调整装置及处理单元；

所述激光扫描装置与所述处理单元连接，用于采集隧道的隧道轮廓数据；

所述第一相机位置调整装置与所述处理单元连接，用于在所述处理单元的控制下调整所述多个相机与所述检测车的相对位置；

所述处理单元用于根据所述隧道轮廓数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，并根据所述隧道断面的中心点位置及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，控制所述第一相机位置调整装置调整所述多个相机与所述检测车的相对位置，使所述多个相机的图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合，进而采集所述隧道的隧道内壁图像数据。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述多个相机设置于一相机支架上，所述相机支架可相对所述检测车移动；

所述相机支架与所述第一相机位置调整装置机械连接，所述第一相机位置调整装置在所述处理单元的控制下调整所述相机支架与所述检测车的相对位置；

所述处理单元根据所述激光扫描装置采集的数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，调整所述相机支架与所述检测车的相对位置，使所述多个相机的图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述相机支架为圆形，所述多个相机的图像采集中心与所述相机支架的圆心重合，所述多个相机沿所述相机支架的圆形外沿等间距设置；

所述处理单元根据所述激光扫描装置采集的数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，调整所述相机支架与所述检测车的相对位置，使所述相机支架的圆心与所述隧道断面的中心点重合。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述隧道数据采集设备还包括分别与所述多个相机对应设置的多个第二相机位置调整装置，每个所述第二相机位置调整装置与所述处理单元连接，用于在所述处理单元的控制下调整对应相机与所述相机支架的相对位置；

所述处理单元还用于根据所述隧道轮廓数据及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，分别控制每个所述第二相机位置调整装置调整对应的相机在所述相机支架上的相对位置。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述多个相机还与所述处理单元连接；

所述处理单元还用于根据所述隧道轮廓数据及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，分别计算每个所述相机与所述隧道的内壁之间的距离；

根据每个所述相机与所述隧道的内壁之间的距离，调整该相机的镜头型号或镜头焦距。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述隧道数据采集设备还包括分别与所述多个相机对应设置的多个所述相机视角调整装置，每个所述相机视角调整装置与所述处理单元连接，用于在所述处理单元的控制下调整对应所述相机的拍摄角度；

所述处理单元还用于根据所述隧道轮廓数据及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，分别控制每个所述相机视角调整装置调整对应相机的拍摄角度。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述隧道数据采集设备还包括行驶里程获取装置，所述行驶里程获取装置与所述处理单元连接，用于获取所述隧道数据采集设备在隧道中的当前行驶里程；

所述处理单元还用于根据所述当前行驶里程对所述激光扫描装置当前采集的隧道轮廓数据和所述多个相机当前采集的隧道内壁图像数据进行标记。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述多个相机中，相邻两个相机的拍摄范围存在重叠部分。

可选地，在上述隧道数据采集设备中，所述隧道数据采集设备包括至少两个激光扫描装置，所述至少两个激光扫描装置中，相邻的两个激光扫描装置的扫描范围存在重叠部分。

本申请的另一目的在于提供一种隧道数据采集方法，应用于本申请提供的所述隧道数据采集设备；所述方法包括：

通过所述激光扫描装置采集隧道的隧道轮廓数据；

通过所述处理单元根据所述隧道轮廓数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，并根据所述隧道断面的中心点位置及所述检测车在所述隧道断面上的相对位置，控制所述第一相机位置调整装置调整所述多个相机与所述检测车的相对位置，使所述多个相机的图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合；

通过所述多个相机采集所述隧道的隧道内壁图像数据。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请提供的隧道数据采集设备及方法，通过根据激光扫描装置采集的隧道轮廓数据计算隧道的纵截面中心点位置，并自动地控制第一相机位置调整装置调整多个相机的位置，使多个相机的图像采集中心与隧道断面的中心点重合。如此，实现了多个相机的智能化自动调整，相较于现有技术人工调整的方式，调整速度更快，调整精度更高，且不容易出错。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的隧道数据采集装置的示意图；

图2为本申请实施例提供的激光扫描装置采集范围的示意图；

图3为本申请实施例提供的相机采集范围的示意图；

图4为本申请实施例提供的圆形隧道调整示例的示意图；

图5为本申请实施例提供的马蹄形隧道调整示例的示意图；

图6为本申请实施例提供的矩形隧道调整示例的示意图；

图7为本申请实施例提供的隧道数据采集方法的流程示意图。

图标：100-隧道数据采集设备；110-激光扫描装置；120-相机；130-第一相机位置调整装置；140-处理单元；150-相机支架；160-第二相机位置调整装置；170-相机视角调整装置；180-行驶里程获取装置；200-检测车。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参见图1，图1为本实施例提供的一种隧道数据采集设备100的示意图，该隧道数据采集设备100主要包括设置于检测车200上的激光扫描装置110、多个相机120、第一相机位置调整装置130及处理单元140。

所述检测车200为所述隧道数据采集设备100的主要承载部分，其中，所述检测车200可以是现有技术已有的工程车或检车车上，所述检测车200也可以为所述隧道数据采集设备100的一部分。

所述检测车200上可以设置有行驶滚轮及驱动组件，用于驱动所述隧道数据采集设备100在轨道上沿隧道延伸方向行进。所述检测车200内还可以设置有供电系统、减震稳定系统等为隧道数据采集动作服务的多个功能性系统。所述检测车200上还可以设置有防水防尘等组件以保护所述隧道数据采集设备100的信号处理部件或供电部件等。所述检测车200可以是自走式的如图1所示，或者所述检测车200也可以由人工推动或其他动力车带动。

所述激光扫描装置110设置与所述检测车200上，用于通过激光扫描的方式获得待测隧道的隧道轮廓数据。可选地，在本实施例中，为了保证隧道轮廓数据的完整性，所述隧道数据采集设备100包括至少两个激光扫描装置110，所述至少两个激光扫描装置110中，相邻的两个激光扫描装置110的扫描范围存在重叠部分。

例如，请参照图2，在一个例子中，可以在检测车200中间位置的两侧安装两个激光扫描装置110，每个激光扫描装置110扫描隧道断面上大致180度的隧道轮廓数据，由于通常进行隧道问题分析不需要对钢轨和隧道底部做过多分析，因此在本实施例中两个激光扫描装置110拼接后的扫描覆盖范围可以不是360度的圆周。同时，为了保证对需要重点监测的隧道顶部不漏测，在本实施例中，可以将两个激光扫描装置110在隧道顶部的扫描重合区域设置为0.5米到1米。

在另一个例子中，也可以设置只一个激光扫描装置110对隧道断面进行扫描，该激光扫描装置110可以具有更大的扫描范围或者可变的扫描范围，从而使其能扫描更大的隧道断面区域。

在其他例子中，还可以设置一个或者更多个的激光扫描装置110，多个激光扫描装置110设置于所述检测车200四周，多个激光扫描装置110各自覆盖不同的隧道断面区域，且相邻的两个激光扫描装置110的扫描范围存在重叠部分。

所述多个相机120用于从不同的角度采集隧道内壁图像。在本实施例中，所述多个相机120中，相邻两个相机120的拍摄范围存在重叠部分，例如，请参照图3，每两个相机120之间采集图像需要0.1-0.3米区域重合，保证不漏拍图像，后续可以利用拼接算法删除重复区域图像。在本实施例中，所述多个相机120可以为多目面阵相机或线阵相机等。所述多个相机120可以设置在距离所述激光扫描装置110的0.5米的距离内，且不遮挡激光扫描装置110的扫描范围。

所述多个相机120通过所述第一相机位置调整装置130设置与所述检测车200上，所述多个第一相机位置调整装置130与所述处理单元140连接，用于在所述处理单元140的控制下调整所述多个相机120与所述检测车200的相对位置。

所述处理单元140用于根据所述隧道轮廓数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，并根据所述隧道断面的中心点位置及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，控制所述第一相机位置调整装置130调整所述多个相机120与所述检测车200的相对位置，使所述多个相机120的图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合。其中，所述多个相机120的图像采集中心为所述多个相机120采集的图像拼接为全景图或局部全景图后，该全景图或局部全景图的观察视点。

例如，在本实施例中，所述处理单元140记录有所述多个相机120相对所述检测车200的初始相对位置，所述处理单元140在计算出所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置后，可以控制所述第一相机位置调整装置130改变所述多个相机120与所述检测车200的相对位置，使所述多个相机120的图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合。

需要说明的是，本申请中所述的“重合”应当理解为两个点基本重合，而非绝对重合，即当所述图像采集中心位于所述隧道断面的中心点附近可接受的误差范围内时，均可认为所述图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合。其中，所述可接受的误差范围的大小，可以为定值，也可以是由当前测量的隧道的断面大小决定的可变参数，例如，根据实际场景需要，所述可接受的误差范围可以为10厘米，或者更小。

基于上述设计，在本实施例中，所述隧道数据采集设备100可以根据通过激光扫描装置110采集的隧道轮廓数据，自动地调整所述多个相机120的位置以适应不同形状的隧道。如此，相较于现有技术中人工调整相机位置的方式，本实施例提供的隧道数据采集设备100的相机位置调整动作可以更加准确和迅速，并且可以根据隧道的形状进行动态调整。

可选地，在本实施例中，所述多个相机120可以设置于一相机支架150上，所述相机支架150可相对所述检测车200移动。例如，所述相机支架150可以相对所述检测车200在隧道形截面上沿左右或上下方向进行移动，进而带动所述多个相机120一起相对所述检测车200移动。在本实施例中，所述相机支架150上还可以设置多个用于为所述相机120的拍摄提供照明的光源。

所述相机支架150与所述第一相机位置调整装置130机械连接，所述第一相机位置调整装置130在所述处理单元140的控制下调整所述相机支架150与所述检测车200的相对位置。

所述处理单元140根据所述激光扫描装置110采集的数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，调整所述相机支架150与所述检测车200的相对位置，使所述多个相机120的图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合。

例如，在一个例子中，所述相机支架150可以为圆形，所述多个相机120的图像采集中心与所述相机支架150的圆心重合，所述多个相机120沿所述相机支架150的圆形外沿等间距设置。所述处理单元140根据所述激光扫描装置110采集的数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，调整所述相机支架150与所述检测车200的相对位置，使所述相机支架150的圆心与所述隧道断面的中心点重合。

在另一个例子中，相机支架150也可以设置为其他形状，例如，矩形、马蹄形、椭圆形等。可选地，相机支架150的形状可以根据待测隧道的隧道断面形状进行选择，使所述多个相机120设置于所述相机支架150后，分布排列形状与隧道断面形状相符。

在其他例子中，相机支架150还可以是任意形状，所述多个相机120在上述支架上分布排列成圆形、矩形、马蹄形等，以适具体地隧道断面形状。

可选地，在本实施例中，所述隧道数据采集设备100还可以包括分别与所述多个相机120对应设置的多个第二相机位置调整装置160，每个所述第二相机位置调整装置160与所述处理单元140连接，用于在所述处理单元140的控制下调整对应相机120与所述相机支架150的相对位置。

所述处理单元140还用于根据所述隧道轮廓数据及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，分别控制每个所述第二相机位置调整装置160调整对应的相机120在所述相机支架150上的相对位置。

如此，所述处理单元140可以根据所述激光扫描装置110采集的所述隧道轮廓数据，调整所述多个相机120在上述相机支架150上的位置，使所述多个相机120的相对位置分布与所述隧道的纵截面形状相符。

需要说明的是，在本实施例的其他例子中，也已针对所述多个相机120分别对应设置多个相对独立的第一相机位置调整装置130，从而使得所述处理单元140可以单独地针对每个相机120调整相机与所述检测车200的相对位置。

可选地，在本实施例中，所述多个相机120还可以与所述处理单元140连接。所述处理单元140还用于根据所述隧道轮廓数据及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，分别计算每个所述相机120与所述隧道的内壁之间的距离。根据每个所述相机120与所述隧道的内壁之间的距离，调整该相机120的镜头型号或镜头焦距。

可选地，在本实施例中，所述隧道数据采集设备100还可以包括分别与所述多个相机120对应设置的多个所述相机视角调整装置170，每个所述相机视角调整装置170与所述处理单元140连接，用于在所述处理单元140的控制下调整对应相机120的拍摄角度。

所述处理单元140还用于根据所述隧道轮廓数据及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，分别控制每个所述相机视角调整装置170调整对应相机120的拍摄角度。

基于上述设计，所述处理单元140可以根据激光扫描装置110采集的数据自动地调整工作的相机的个数、相机的图像分辨率尺寸、相对位置、镜头型号、镜头焦距或拍摄角度等，从而使各个相机120获得最佳的拍摄效果。

例如，请参照图4，针对隧道断面为圆形的隧道，隧道尺寸一般有5.2米直径和5.4米直径两种，所述隧道数据采集设备100可以通过所述激光扫描装置110获得隧道轮廓数据，并实时计算相机支架150中心与隧道断面中心(即隧道几何中心)的偏差，并控制所述第一相机位置调整装置130调整所述相机支架150的位置，使所述多个相机支架150的中心与隧道断面的中心点重合。对于圆形隧道，相机支架150为圆形可以保证相机120距离隧道表面距离一致，所述处理单元140还可以根据物距数值和成像视角，确定相机120的镜头参数值。

请参照图5，针对隧道断面为马蹄形的隧道，马蹄形隧道的隧道断面形状为多个曲率圆弧的拼接断面，形状不规则但对称。所述隧道数据采集设备100可以通过所述激光扫描装置110获得隧道轮廓数据，并实时计算相机支架150的中心与隧道断面中心的偏差，并控制所述第一相机位置调整装置130调整所述相机支架150的位置，使所述相机支架150的中心与隧道断面的中心点重合。对于马蹄形隧道，若相机支架150为圆形，不能保证相机120距离隧道表面距离一致，所以所述处理单元140还可以根据不同位置相机120的物距数值和成像视角，确定相机120的镜头参数值。对于相机120距离隧道表面较远的情况，还所述处理单元140还可以控制所述第二相机位置调整装置160调整所述多个相机120相对所述相机支架150的位置，以进一步控制相机120与隧道表面的距离。

请参照图6，针对隧道断面为矩形的隧道，此类隧道通常为老旧隧道或者明挖式隧道，矩形隧道断面尺寸为规则对称分布。所述隧道数据采集设备100可以通过所述激光扫描装置110获得隧道轮廓数据，并实时计算相机支架150的中心与隧道断面中心的偏差，并控制所述第一相机位置调整装置130调整所述相机支架150的位置，使所述相机支架150的中心与隧道断面的中心点重合。对于矩形隧道，若相机支架150为圆形，不能保证相机120距离隧道表面距离一致，所以所述处理单元140还可以根据不同位置相机120的物距数值和成像视角，确定各相机120的镜头参数值，或控制所述第二相机位置调整装置160进一步调整各相机120的位置。另外，对于隧道断面为矩形断面隧道，所述相机支架150也可以设置为矩形支架结构，以适应矩形断面隧道表面图像的采集。

可选地，在本实施例中，所述隧道数据采集设备100还包括行驶里程获取装置180，所述行驶里程获取装置180与所述处理单元140连接，用于获取所述隧道数据采集设备100在隧道中的当前行驶里程。例如，所述行驶里程获取装置180可以为设置在在车轮轴头的速度编码器，所述处理单元140通过所述速度编码器和车轮直径尺寸计算出所述隧道数据采集设备100的当前行驶里程。

所述处理单元140还用于根据所述当前行驶里程对所述激光扫描装置110当前采集的隧道轮廓数据和所述多个相机120当前采集的隧道内壁图像数据进行标记。与当前行驶里程关联的二维隧道轮廓数据可以生成隧道的三维点云数据，进而用于生成隧道的三维模型。与当前行驶里程关联的隧道内壁图像数据可以拼接成沿隧道延伸方向连续的隧道内部图像，用于进行隧道的病害分析。

请参照图7，本实施例还提供一种应用于上述隧道数据采集设备100的隧道数据采集方法，该方法可以包括以下步骤。

步骤s710，通过所述激光扫描装置110采集隧道的隧道轮廓数据。

步骤s720，通过所述处理单元140根据所述隧道轮廓数据确定隧道断面的中心点位置及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置，并根据所述隧道断面的中心点位置及所述检测车200在所述隧道断面上的相对位置。

步骤s730，通过所述第一相机位置调整装置130调整所述多个相机120与所述检测车200的相对位置，使所述多个相机120的图像采集中心与所述隧道断面的中心点重合。

步骤s740，通过所述多个相机120采集所述隧道的隧道内壁图像数据。

综上所述，本申请提供的隧道数据采集设备及方法，通过根据激光扫描装置采集的隧道轮廓数据计算隧道的纵截面中心点位置，并自动地控制第一相机位置调整装置调整多个相机的位置，使多个相机的图像采集中心与隧道断面的中心点重合。如此，实现了多个相机的智能化自动调整，相较于现有技术人工调整的方式，调整速度更快，调整精度更高，且不容易出错。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。