一种用于隧道图像采集的车载式调节平台及其实施方法与流程

本发明属于公路检测技术领域，具体来说，涉及到一种用于隧道图像采集的车载式调节平台及其实施方法。

背景技术：

高速公路隧道由于地质灾害、运营年限等原因会产生裂缝，严重威胁着高速公路的运营安全。目前隧道裂缝检测手段和设备还相对落后，往往采用人工或人工仪器借助高空作业车的方式来完成检测任务。这种基于人工检测方法效率低、主观程度大，特别是我国目前新建了一批特长隧道，依靠人工更无法在短期内完成检测任务。

机器视觉技术的核心和关键是如何高质量的采集图像，这就要求被测物始终处于相机景深范围内。为了保证较高的裂缝识别精度，需选择分辨率较高的数字相机，这也导致景深较小，在采集过程中要严格保证相机与衬砌表面的距离。但是检测车高速行驶过程中受车流量、路面状况及驾驶员主观意识等影响不可避免的发生车辆振动、轨迹偏移，降低了相机采集效果，使采集的图像质量较低，严重影响裂缝识别精度和准确度。同时，公路隧道结构复杂、不同隧道结构尺寸会有较大差别，因而每次检测隧道前，必须根据隧道设计图纸对相机安装位置及焦距进行调节。一方面降低了系统的智能化程度，另一方面，车辆颠簸影响数字相机的调焦装置，对图像采集产生扰动。综上所述，现有技术条件限制了机器视觉技术在公路隧道智能检测中的应用，其根本原因在于缺乏一套图像稳定采集装置，致使采集到的图像质量较差，影响后续图像处理与特征识别。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种操作简便、稳定性好的用于隧道图像采集的车载式调节平台及其实施方法。

本发明所述的一种用于隧道图像采集的车载式调节平台，所述车载式调节平台包括安装平台、运动分支、基座、回转驱动及控制系统；所述安装平台自上而下由相机安装支架1、支撑板2、支撑桁架3及调姿平台4构成；所述支撑桁架3 固定端安装于调姿平台4中间位置处，其伸缩端安装于支撑板2底部；所述运动分支共有三个，其中两个为SPR结构形式，包括依次连接的上转动副5、分支移动副、伺服电动缸7和下球铰9，另一个为RPS结构形式，包括依次连接的上球铰6、分支移动副、伺服电动缸7和下转动副10；所述分支移动副在伺服电动缸7作用下产生沿伺服电动缸7轴线方向的伸缩运动；所述伺服电机8连接并驱动伺服电动缸7；所述上转动副5和上球铰6与调姿平台4连接；所述下球铰9和下转动副10与基座11连接；所述基座11通过回转平台13与车辆行李架14连接；所述回转平台13在步进电机12驱动作用下能绕其垂向轴线0～360°任意旋转；所述回转平台13由蜗轮蜗杆结构实现0～360°自由转动；所述控制系统包括与控制器连接的三向加速度计、陀螺仪、三维激光扫描仪、数据采集卡、多轴运动控制卡、伺服驱动器和编码器；所述编码器连接伺服电动缸7及伺服电机8；所述数据采集卡连接三向加速度计、陀螺仪和三维激光扫描仪；所述多轴运动控制卡连接各伺服电机8。

本发明所述的一种用于隧道图像采集的车载式调节平台，所述运动分支的运动副中心点分别构成两个正三角形；所述运动分支的三组转动副轴线互相平行；所述调姿平台4为航空铝合金材料。

本发明所述的一种用于隧道图像采集的车载式调节平台，所述上转动副5和下转动副10均包括阶梯轴、轴承和端盖；所述上球铰6和下球铰9均由轴线互相垂直且相交于一点的三个转动副复合构成。

本发明所述的一种用于隧道图像采集的车载式调节平台，所述调姿平台4外形为圆形或矩形，厚度为0.1～0.2m，上表面设有螺纹安装孔、下表面布置有运动副铰座，其外接圆直径为1.5～3.0m；所述基座11形状为圆形或矩形，厚度为0.1～0.2m，上表面布置有运动副铰座、下表面设有通孔，其对应的外接圆直径为调姿平台4外接圆直径的2倍。

本发明所述的一种用于隧道图像采集的车载式调节平台，所述车载式调节平台处于初始位姿时，调姿平台4与基座11之间的距离为1.5m。

本发明所述的一种用于隧道图像采集的车载式调节平台，所述相机安装支架1能同时安装三组数字相机，相邻两组相机轴线夹角为60°

本发明所述的一种用于隧道图像采集的车载式调节平台，所述支撑桁架3为 伸缩杆结构形式，可调高度为0.5～1.5m。

本发明所述的用于隧道图像采集的车载式调节平台的实施方法，所述实施方法具体步骤为：

a)首先利用三向加速度计及陀螺仪获取车辆三维线加速度及角速度值，通过刚体运动变换公式及线性插值法建立车辆六维扰动位姿与时间之间的函数表达式；

b)利用激光三维扫描仪获取隧道内部尺寸参数，通过空间坐标变换法，将其变换到相机坐标系中；

c)结合上述传感器获得的车辆扰动参数及隧道结构参数，计算数字相机需调节的运动量；

d)利用并联机器人运动学模型将调节运动量映射为运动分支主动输入量，并将其转换为伺服电动缸位移量变化值；

e)通过多轴运动控制卡对上述计算结果进行合理性判断后生成输出信号，通过伺服驱动器控制所述伺服电动缸运行。

本发明所述的用于隧道图像采集的车载式调节平台的实施方法，所述步骤d)中，将调节运动量转换为运动分支主动输入量的算法为：令调姿平台、基座各点在各自坐标系中的描述分别为数字相机需要的调整量为(α y z)^T，对应的位姿变换矩阵为：

调姿平台各铰链点在{o}系中的描述为：

式中：分别为铰链点的齐次坐标；

结合式(1)、(2)及多轴调节平台几何尺寸，建立机构的位姿解模型为：

式中：q_i分别为各运动分支驱动位移；

对数字相机调整量分别求时间的一、二阶导数，建立调姿平台空间六维速度、加速度表达式分别为：

由并联机器人相关理论，建立调姿平台速度、加速度映射关系分别为：

式中：G、H分别为机构的一、二阶影响系数；分别为各运动分支的驱动速度及加速度。

本发明所述的用于隧道图像采集的车载式调节平台的实施方法，所述步骤e)中，合理性判断具体为：

A)利用编码器检测伺服电动缸当前实际位移量，并通过机构学正解模型计算调姿平台实际位姿参数；

B)将所述当前实际位姿与车辆运动量、数字相机与隧道内壁之间的距离作比较，计算当前伺服周期内需要补偿的运动量；

C)将所述补偿量与下一段运行位移叠加，计算下一个伺服周期内各伺服电动缸及伺服电机的运动量；

D)通过控制器生成输出信号，并控制所述伺服电动缸和伺服电机运行。

目前的检测车行驶过程中发生左右摇摆，造成相机与衬砌内壁之间的距离发生变化，而且数字相机与隧道顶部的距离较大、不同隧道结构尺寸差异较大。与现有技术相比，本发明所述的用于隧道图像采集的车载式调节平台具备沿隧道纵向移动的能力，可使数字相机与隧道衬砌表面之间始终保持在相机景深范围内；可实时调整数字相机垂向高度。另外，将并联机器人应用于公路隧道图像采集领域中，避免了采集过程中车辆轨迹偏离对图像采集设备的影响，同时可根据隧道结构尺寸实现调节数字相机的空间位置，解决了现有图像采集系统在公路隧道应用时的诸多技术难题。

附图说明

图1为车载式调节平台三维图；图2为安装平台三维图；图3为运动分支结 构示意图；图4为调姿平台铰链点分布示意图；图5为基座铰链点分布示意图。相机安装支架-1、支撑板-2、支撑桁架-3、调姿平台-4、上转动副-5、上球铰-6、伺服电动缸-7、伺服电机-8、下球铰-9、下转动副-10、基座-11、步进电机-12、回转平台-13、车辆行李架-14。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的用于隧道图像采集的车载式调节平台及其实施方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

图1为用于公路隧道图像采集的车载式调节平台三维造型。车载式调节平台使用时的三维造型，包括安装平台、运动分支、基座11、回转驱动13及控制系统。所述控制系统包括与控制器连接的三向加速度计、陀螺仪、三维激光扫描仪、数据采集卡、多轴运动控制卡、伺服驱动器和编码器；所述编码器连接伺服电动缸7及伺服电机8；所述数据采集卡连接三向加速度计、陀螺仪和三维激光扫描仪；所述多轴运动控制卡连接各伺服电机8。三向加速度计、陀螺仪主要用于获取车辆运行过程中的振动参数；三维激光扫描仪可获取隧道断面尺寸；编码器用于获取伺服电动缸及电机实时运动量；数据采集卡可实时采集各传感器数值；多轴运动控制卡可用于同步控制各伺服电机运行。

图2为安装平台三维造型，由相机安装支架1、支撑板2、支撑桁架3及调姿平台4构成。相机安装支架1用于安装三组数字相机，其结构尺寸为0.045m×0.045m×0.15m，相邻两组相机间的夹角为60°；调姿平台4为航空铝合金材料，其外接圆直径为0.700m、厚度为0.012m；支撑桁架3固定端安装于调姿平台4中间位置处、伸缩端安装于支撑板2底部，可调整的竖向高度范围为0.5～1.5m。

图3为运动分支结构，第1、3运动分支结构形式为SPR、第2运动分支结构形式为RPS，通过上转动副5或上球铰6与调姿平台4连接，对应铰链点布置如图4所示，图中a₁～a₃为铰链中心点，各铰链点构成一个正三角形，对应的外接圆直径为1m；通过下球铰9或下转动副10与基座11连接，对应铰链点布置如图5所示，图中b₁～b₃为铰链中心点，各铰链点构成一个正三角形，对应的外接圆直径为1.2m。所述各转动副轴线互相平行，分支移动副由伺服电动缸7及伺服电机8实现，选取伺服电动缸7型号为SGM7J-02AFC6S、总行程为1.2m；伺服电机8 额定功率为200W、额定转速为3000r/min、额定扭矩为0.64Nm；配套的编码器采集精度为131072pulses/rev。

基座11通过回转平台13与车辆行李架14连接，在步进电机12驱动作用下，实现调节平台绕垂向轴线0～360°任意旋转。选取回转平台13型号为SE9-61-H-25R、承载力为260Kg，配套步进电机12型号为SM3-960、额定转速为3000r/min、额定扭矩为6N·m。选取调姿平台4与基座11之间的距离为1mm时的位置为调节平台的工作位。

用于隧道图像采集的车载式调节平台的实施方法，所述实施方法具体步骤为：

a)首先利用三向加速度计及陀螺仪获取车辆三维线加速度及角速度值，通过刚体运动变换公式及线性插值法建立车辆六维扰动位姿与时间之间的函数表达式；

b)利用激光三维扫描仪获取隧道内部尺寸参数，通过空间坐标变换法，将其变换到相机坐标系中；

c)结合上述传感器获得的车辆扰动参数及隧道结构参数，计算数字相机需调节的运动量；

d)利用并联机器人运动学模型将调节运动量映射为运动分支主动输入量，并将其转换为伺服电动缸位移量变化值；

e)通过多轴运动控制卡对上述计算结果进行合理性判断后生成输出信号，通过伺服驱动器控制所述伺服电动缸运行。

用于隧道图像采集的车载式调节平台的实施方法，所述步骤d)中，将调节运动量转换为运动分支主动输入量的算法为：令调姿平台、基座各点在各自坐标系中的描述分别为数字相机需要的调整量为(α y z)^T，对应的位姿变换矩阵为：

调姿平台各铰链点在{o}系中的描述为：

式中：分别为铰链点的齐次坐标；

结合式(1)、(2)及多轴调节平台几何尺寸，建立机构的位姿解模型为：

式中：q_i分别为各运动分支驱动位移；

对数字相机调整量分别求时间的一、二阶导数，建立调姿平台空间六维速度、加速度表达式分别为：

由并联机器人相关理论，建立调姿平台速度、加速度映射关系分别为：

式中：G、H分别为机构的一、二阶影响系数；分别为各运动分支的驱动速度及加速度。

用于隧道图像采集的车载式调节平台的实施方法，所述步骤e)中，合理性判断具体为：

A)利用编码器检测伺服电动缸当前实际位移量，并通过机构学正解模型计算调姿平台实际位姿参数；

B)将所述当前实际位姿与车辆运动量、数字相机与隧道内壁之间的距离作比较，计算当前伺服周期内需要补偿的运动量；

C)将所述补偿量与下一段运行位移叠加，计算下一个伺服周期内各伺服电动缸及电机的运动量；

D)通过控制器生成输出信号，并控制所述伺服电动缸和电机运行。

目前的检测车行驶过程中发生左右摇摆，造成相机与衬砌内壁之间的距离发生变化，而且数字相机与隧道顶部的距离较大、不同隧道结构尺寸差异较大。与现有技术相比，本发明所述的用于隧道图像采集的车载式调节平台具备沿隧道纵向移动的能力，可使数字相机与隧道衬砌表面之间始终保持在相机景深范围内； 可实时调整数字相机垂向高度。另外，将并联机器人应用于公路隧道图像采集领域中，避免了采集过程中车辆轨迹偏离对图像采集设备的影响，同时可根据隧道结构尺寸实现调节数字相机的空间位置，解决了现有图像采集系统在公路隧道应用时的诸多技术难题。