一种基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法及检测仪与流程

本发明涉及一种隧道超欠挖检测方法及装置。

背景技术：

隧道超欠挖检测在隧道施工过程中至关重要。目前施工现场主要采用国外进口的3d激光扫描仪对隧道施工超欠挖进行测量。然而3d激光扫描仪价格昂贵，效率不高。

因此，为了更好地降低施工成本，并保证工程质量，有必要提出一种经济、简单且行之有效的隧道超欠挖检测方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术不足，提出一种基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，并提出一种基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，该检测方法及检测仪具有效率高、成本低等优点。

本发明采用的技术方案：

一种基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，包括步骤如下：

步骤s1：在施工隧道待检测区域前方，采用圆形激光器向待检测区域的隧道壁上打出圆形激光线，作为标记线3；

步骤s2：通过摄像头（与上述圆形激光器安装在一起）观测上述标记线3的形状，调整摄像头位置和姿态，使摄像头的位置位于隧道横截面的垂直中心线上；

步骤s3：采用线性激光器在隧道壁的一侧打出线性激光线2，使所述线性激光线2与标记线3之间保持垂直状态；

步骤s4：采用手动或者自动的方式，使线性激光线2沿隧道壁从一侧移动至另一侧，并使线性激光线2与标记线3之间保持垂直；

步骤s5：在线性激光线2移动的过程中，使用摄像头记录线性激光线2的轨迹，并根据这些线性激光线2绘制隧道壁的3d轮廓图；

步骤s6：将待检测区域隧道壁的3d结构数据与隧道设计图中的数据进行比对，得出隧道超欠挖情况，并采用不同色彩的标记向用户展示。

所述的基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，步骤s2中，对摄像头位置和姿态进行判断和调整的过程如下述：如果该标记线3的形状为左右对称的圆弧形，则说明摄像头的位置位于隧道横截面的垂直中心线上，否则需要采用人工或者自动的方式调节摄像头（和圆形激光器一起）的位置，直到圆形激光器在隧道壁上打出的标记线3呈左右对称的圆弧形。

所述的基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，步骤s3中，如果所述线性激光线2与标记线3之间不呈垂直状态，则通过手动或者自动的方式调整线性激光器的角度，使线性激光线2与标记线3之间保持垂直状态。

一种实现所述隧道超欠挖检测方法的基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，包括圆形激光器14、线性激光器18、摄像头13、处理器以及外围控制电路，所述处理器通过i/o口控制连接圆形激光器14和线性激光器18，并通过并行接口与摄像头13交互通讯连接；所述圆形激光器14、线性激光器18和摄像头13安装于设置于仪器底座10上的旋转载台7上，所述仪器底座10下部设有支架11。

所述线性激光器18通过微调电机17以及扫描电机16安装于旋转载台7上，所述旋转载台7设置于旋转驱动机构8上，所述微调电机17、扫描电机16以及转驱动机构8受控连接于所述处理器。

所述旋转载台7通过其旋转驱动机构8固定在平移载台9上，所述平移载台9通过平移机构12实现在仪器底座10上的平移微调；平移机构的平移电机控制电路的控制信号由处理器给出。

所述的基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，仪器底座10下部设有支架11，所述支架11采用自调节支架，检测仪的倾斜姿态通过自调节支架的三个线性电机进行调节，各个电机控制电路的控制信号由处理器给出。

发明有益效果：

1、本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，实现过程简单、经济，且效果好，能够有效降低施工成本。采用两个光线垂直交叉的线性激光器，使用摄像头记录移动线性激光线的轨迹，并根据这些线性激光线绘制隧道壁的3d轮廓图；然后将待检测区域隧道壁的3d结构数据与隧道设计图中的数据进行比对，得出隧道超欠挖情况，并采用不同色彩的标记向用户展示。生动、直观。

2、本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，结构设计合理，安装、调试和操作程序简单，便于恶劣环境中的快速部署和使用。成本低，容易实现，能够有效检测出隧道超欠挖检测。经济实惠，有利于推广普及，以节约工程开支。

附图说明

图1为本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法检测原理示意图；

图2为本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪硬件电路结构组成；

图3～图5分别为本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪主视图及左、右两侧视图；

图6为本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪工作流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明技术方案做进一步的详细描述。以下各实施例仅用于说明本发明，不应当构成对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在现有技术范围内，采用惯用技术手段的置换以及和现有技术进行简单组合，均不脱离本发明保护范围。

实施例1

参见图1，本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，实现步骤如下：

步骤s1：在施工隧道待检测区域前方，采用圆形激光器向待检测区域的隧道壁1上打出圆形激光线，作为标记线3；

步骤s2：通过摄像头（与上述圆形激光器安装在一起）观测标记线3的形状，调整摄像头位置和姿态，使摄像头的位置位于隧道横截面的垂直中心线上；

步骤s3：采用线性激光器在隧道壁的一侧打出线性激光线2，使所述线性激光线2与标记线3之间保持垂直状态；

步骤s4：采用手动或者自动的方式，使线性激光线2沿隧道壁从一侧移动至另一侧，并使线性激光线2与标记线3之间保持垂直；

步骤s5：在线性激光线2移动的过程中，使用摄像头记录线性激光线2的轨迹，并根据这些线性激光线2绘制隧道壁的3d轮廓图；

步骤s6：将待检测区域隧道壁的3d结构数据与隧道设计图中的数据进行比对，得出隧道超欠挖情况，并采用不同色彩的标记向用户展示。

实施例2

参见图1，本实施例基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，和实施例1的不同之处在于：步骤s2中，对摄像头位置和姿态进行判断和调整的过程如下述：如果该标记线3的形状为左右对称的圆弧形，则说明摄像头的位置位于隧道横截面的垂直中心线上，否则需要采用人工或者自动的方式调节摄像头（和圆形激光器一起）的位置，直到圆形激光器在隧道壁上打出的标记线3呈左右对称的圆弧形。

实施例3

参见图1，本实施例的基于机器视觉的隧道超欠挖检测方法，和实施例1或实施例2的不同之处在于：步骤s3中，如果所述线性激光线2与标记线3之间不呈垂直状态，则通过手动或者自动的方式调整线性激光器的角度，使线性激光线2与标记线3之间保持垂直状态。

实施例4

参见图2～图5，本实施例为实现前述隧道超欠挖检测方法的基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，包括圆形激光器14、线性激光器18、摄像头13以及处理器以及外围控制电路，所述处理器通过i/o口控制连接圆形激光器14和线性激光器18，并通过并行接口与摄像头13交互通讯连接；所述圆形激光器14、线性激光器18和摄像头13安装于设置于仪器底座10上的旋转载台7上，所述仪器底座10下部设有支架11。

实施例5

参见图2～图5，本实施例基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，与实施例4不同的是：进一步的，所述线性激光器18通过微调电机17以及扫描电机16安装于旋转载台7上，所述旋转载台7设置于旋转驱动机构8上，所述微调电机17和扫描电机16以及旋转驱动机构8受控连接于所述处理器。

实施例6

参见图2～图5，本实施例基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，与实施例4或5不同的是：所述旋转载台7通过其旋转驱动机构8固定在平移载台9上，平移载台9通过平移机构12实现在仪器底座10上的平移微调；平移机构的电机控制电路的控制信号由处理器给出。

实施例7

参见图2～图5，本实施例基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，与前述各实施例不同的是：仪器底座10下部设有支架11，所述支架11采用自调节支架，检测仪的倾斜姿态通过自调节支架的三个线性电机进行调节，各个电机控制电路的控制信号由处理器给出。

如图1所示，基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪位于隧道左右的中心。首先检测仪向隧道壁1打出圆形激光，形成标记线3。同时，检测仪根据标记线3的对称情况，调整检测仪的姿态直至到达最佳姿态。然后，检测仪打出一条垂直于标记线的线性激光线2。检测仪通过摄像头记录激光线的形状并估计隧道壁1的超欠挖情况。仪器驱动激光线2至左向右移动（移动过程中通过微调保持线性激光线2与标记线3呈垂直状态），检测仪通过摄像头依次记录每条激光线的形状，并对整个隧道壁1的超欠挖情况进行估计和展示。

本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，外观如图3、图4、图5所示。其中圆形激光器14负责打出标记线3；线性激光器18负责打出线性激光线2；摄像头13负责记录数据。圆形激光器14，线性激光器18和摄像头13安装在旋转载台7上。旋转载台7由旋转驱动机构8驱动进行旋转运动，从而实现旋转载台的位置控制。旋转驱动机构8固定在平移载台9上。平移载台9通过平移机构12实现在底座10上的平移微调。检测仪的倾斜姿态通过自调节支架11的三个线性电机进行调节。上述的旋转驱动机构8、平移机构12和自调节支架11实现对整个检测仪的姿态调整。姿态调整的反馈信号由摄像头采集并获取。

线性激光器18的扫描动作有扫描电机16进行驱动。在线性激光器18扫描过程中，通过微调电机17对线性激光器18打出的线性激光线2进行微调，使得线性激光线2与标记线3保持垂直。旋转机构8、平移机构12和自调节支架11实现对整个检测仪的姿态调整。姿态调整（包括微调过程）的反馈信号由摄像头采集并获取。

检测仪顶盖4采用硬质材料（金属或者塑料）。检测仪前盖15采用透光玻璃材料，即保证了线性激光的顺利通过，又保证了整个仪器的安全防护。操作人员通过触摸显示器5实现与检测仪的交互。整个检测仪外部设置一个开关按钮，该开关按钮安装于安装扣盖6中。

检测仪硬件电路组成如图2所示。其中处理器完成整个仪器的协调控制。扫描电机、微调电机、旋转电机、平移电机和支架电机控制电路分别完成各个电机的驱动。各个电机控制电路的控制信号由处理器给出。处理器通过i/o口，控制激光器的开关。处理器通过uart接口控制触摸显示器。处理器通过spi1接口分别与存储器和wifi通信模块进行数据交互。处理器通过spi2与电池管理模块和时钟电路进行数据交互。处理器通过并行接口与摄像头进行高速的数据交互。

本发明基于机器视觉的隧道超欠挖检测仪，软件设计如图6所示。检测仪开机后首先进行自检（包括各个部件的状态和电池的电量信息）。各个部件自检无错误后，仪器进入空闲状态。用户通过触摸显示器操作仪器完成参数设定、姿态自校准、隧道壁扫描、联网和上传数据等操作。参数设定包括隧道的设计尺寸等信息；姿态自校准指的是检测仪根据摄像头对标记线3的信息，对整个检测仪的姿态进行校准（驱动旋转电机、平移电机12和支架电机11）；检测仪可以通过联网功能连接网络上的计算机节点；检测仪可以通过上传数据实现扫描数据的共享和多元化展示。

隧道壁扫描是检测仪的核心功能。首先处理器通过扫描电机16将线性激光器18调整到最左侧，并控制线性激光器18打出线性激光线2。处理器通过微调电机17，调整线性激光线2与标记激光线3保持垂直。处理器通过摄像头记录激光线2的信息并处理。处理器驱动扫描电机运动，使激光线2至左向右移动，并且在激光线2移动过程中，通过微调电机保证线性激光线2与标记线3保持垂直。线性激光线2在移动过程中，处理器驱动摄像头对数据进行记录并处理。线性激光线2沿隧道壁扫描一周，检测仪完成对隧道壁的三维模型的构建，并对超欠挖情况进行估计。该估计结果通过触摸显示器展示给操作员。