一种基于客车底盘的多功能隧道检测车

1.本发明属于道路隧道检测技术领域，涉及一种基于客车底盘的多功能隧道检测车。


背景技术：

2.据统计，现今铁路隧道和公路隧道均存在严重的渗漏水现象，某些城市地铁中也有30％左右的隧道存在渗漏水病害。由于隧道修建时间不同，设计标准和施工工艺水平不同，加之隧道沿线穿越地质条件的差异，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、空洞等。其中，衬砌渗漏水严重影响隧道的安全性，易导致隧道电路损坏、设备锈蚀、衬砌结构破坏、混凝土冻胀开裂等。随着隧道设施运营时间的不断增加，隧道病害还将逐渐增多。提高养护效率、降低养护成本，对我国的隧道事业至关重要。
3.传统人工检测方法即检测人员在隧道内部行走,观测记录裂缝的形状、位置，通过各种手持仪器检测病害位置和程度。这种方法效率低下、耗时、耗力，难以保证检测的周期性和及时性；难以在有限的时间里完成检测工作，需要封道进行，需要耗费大量的人员，且检测速度慢，不能满足高速公路检测快速性、准确性的要求。
4.目前，市面上现有的隧道检测车是基于卡车底盘改造的箱式结构，受到法规限制，车辆运行时，检测人员无法于工作间内对仪器进行操作。在相机采集时，相机支架需要突出车体两侧，还存在着整车体积大，不便检测车停放等诸多问题。除此之外，现有的隧道检测车技术主要针对双车道隧道的断面以及隧道衬砌检测，不能满足多车道隧道检测的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于客车底盘的多功能隧道检测车，能够快速安全的检测隧道的衬砌渗水、漏水、脱空问题。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种基于客车底盘的多功能隧道检测车，包括：前车车体操作室、可旋转弧形传感器支架、中间支架、道路环境相机、后车底盘、发电机、工控机柜、后车车体、同步控制电路装置、隧道断面图像采集系统和衬砌三维轮廓测量系统；
8.同步控制电路装置和工控机柜安装在前车车体操作室内；可旋转弧形传感器支架安装在后车底盘上，
9.隧道断面图像采集系统包括左右车道隧道断面图像采集装置和中间车道隧道断面图像采集装置；衬砌三维轮廓测量系统包括左右车道衬砌三维轮廓测量装置和中间车道衬砌三维轮廓测量装置；
10.中间支架安装在前车车体操作室车顶，用于搭载中间车道隧道断面图像采集装置和中间车道衬砌三维轮廓测量装置；
11.左右车道隧道断面图像采集装置和左右车道衬砌三维轮廓测量装置安装在可旋
转弧形传感器支架上；
12.同步控制电路装置为隧道断面图像采集系统和衬砌三维轮廓测量系统提供同步信号；隧道断面图像采集系统用于采集隧道断面图像；衬砌三维轮廓测量系统用于构建隧道衬砌三维轮廓；
13.后车底盘安装在后车车体上；道路环境相机安装在前车车体操作室的顶部；
14.发电机安装于后车底盘上，用于向工控机柜、隧道断面图像采集系统和隧道断面图像采集系统供电。
15.本发明的进一步改进在于：
16.还包括工作椅、工作台和gps定位天线；工作椅和工作台均安装在前车车体操作室内；gps定位天线安装在前车车体操作室的顶部。
17.道路环境相机包括第一道路环境相机、第二道路环境相机、第三道路环境相机和安全监测相机；第一道路环境相机、第二道路环境相机和第三道路环境相机用于监测车辆周围环境，gps定位天线用于定位车辆的位置信息；安全监测相机用于监测是否有人员、机动车近距离靠近的行为。
18.可旋转弧形传感器支架包括弧形支架和旋转圆盘；弧形支架与旋转圆盘相连，旋转圆盘通过中心旋转轴安装在客车后车底盘。
19.左右车道隧道断面图像采集装置包括第一照明阵列和第一面阵相机阵列；第一面阵相机阵列安装在第一面阵相机支架上，第一面阵相机支架安装在弧形支架中心凹槽处；第一照明阵列为led频闪照明阵列，并左右双排安装在弧形支架的上表面；第一照明阵列的安装面与水平面存在倾角，使得左右两排照明区域重合。
20.左右车道衬砌三维轮廓测量装置包括若干组结构光系统；结构光系统包括第一线激光阵列和第一三维轮廓重构系统相机阵列；第一线激光阵列和第一三维轮廓重构系统相机阵列安装在第一三维轮廓重构系统弧形支架上，第一三维轮廓重构系统弧形支架安装在弧形支架侧面。
21.可旋转弧形传感器支架上还包括第一楔形支架，第一三维轮廓重构系统相机阵列布置在第一楔形支架上，使得第一三维轮廓重构系统相机阵列的光轴与第一线激光阵列之间形成相对夹角；第一线激光阵列安装在同一轴线上，发出的激光束打到同一直线上。
22.中间车道隧道断面图像采集装置包括第二照明阵列和第二面阵相机阵列；第二照明阵列为左右双排布置的led频闪照明灯，每排由若干个频闪照明灯珠矩形阵列组成；第二照明阵列安装在中间支架表面，第二照明阵列的安装面与水平面存在倾角，使得左右两排照明区域重合；
23.第二面阵相机阵列安装在第二面阵相机支架上，第二面阵相机支架安装在中间支架的中心凹槽处。
24.中间车道衬砌三维轮廓测量装置包括若干组结构光单元，结构光单元包括第二线激光阵列和第二三维轮廓重构系统相机阵列；第二线激光阵列和第二三维轮廓重构系统相机阵列安装在第二三维轮廓重构系统弧形支架上；第二三维轮廓重构系统弧形支架安装在中间支架的表面上；
25.还包括第二楔形支架，第二楔形支架位于第二三维轮廓重构系统弧形支架上，第二线激光阵列安装在第二楔形支架上。
26.同步控制电路装置包括：编码器、分频板、驱动板和开关电源；
27.编码器连接分频板，分频板同时连接第一照明阵列和驱动板，开关电源连接驱动板，用于向驱动板供电，驱动板连接第一面阵相机阵列。
28.工控机柜分别与道路环境相机、第二面阵相机阵列和第一面阵相机阵列相连接，用于存储道路环境相机、第二面阵相机阵列和第一面阵相机阵列拍摄的照片。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.本发明采用隧道断面图像采集系统和衬砌三维轮廓测量系统用于采集隧道断面图像和构建隧道衬砌三维轮廓，能够快速简便检测隧道的衬砌渗水、漏水、脱空问题，同时道路环境相机能够检测车辆周围的环境信息，保证检测车的安全。
附图说明
31.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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。
32.图1为该隧道检测车的具体实施方式的整体结构图；
33.图2为该隧道检测车的结构侧视图；
34.图3为该隧道检测车的内部侧向结构示意图；
35.图4为该隧道检测车的俯视向结构示意图；
36.图5为本发明的同步控制电路信号示意图；
37.图6为本发明的旋转弧形支架以及中间支架相机拍摄示意图；
38.图7为本发明的旋转弧形支架以及中间支架led照明角度示意图；
39.图8为本发明的旋转弧形支架左立体结构图；
40.图9为本发明的旋转弧形支架右向立体结构图；
41.图10为本发明的中间支架的装置位置安装结构图；
42.图11为本发明的中间支架的立体结构图；
43.图12为旋转弧形支架上光源与相机角度安装示意图；
44.图13为中间支架上光源与相机角度安装示意图；
45.图14为中间支架上光源覆盖区域示意图。
46.其中，1-发电机，2-前车车体操作室，3-可旋转弧形传感器支架，4-后车底盘，5-gps定位天线，6-道路环境相机，6a-第一道路环境相机，6b-第二道路环境相机，6c-第三道路环境相机，6d-安全监测相机，7-工作台，8-工作椅，9-工控机柜，10-后车车体，11-中间支架，3-1-旋转圆盘，3-2-弧形支架，3-3-第一面阵相机阵列，3-4-第一照明阵列，3-5-第一线激光阵列，3-6-第一三维轮廓重构系统相机阵列，3-7-第一三维轮廓重构系统弧形支架，3-8-第一楔形支架，3-9-第一面阵相机支架，11-1-第二照明阵列，11-2-第二面阵相机阵列，11-3-第二面阵相机支架，11-4-第二线激光阵列，11-5-第二三维轮廓重构系统相机阵列，11-6-第二三维轮廓重构系统弧形支架，11-7-第二楔形支架。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
48.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.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。
50.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
51.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
52.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
54.参见图1、图2、图3和图4，本发明为一种基于客车底盘的多功能隧道检测车，包括：可旋转弧形传感器支架3、中间支架11、道路环境相机6、后车底盘4、发电机1、工控机柜9、后车车体10、同步控制电路装置、隧道断面图像采集系统和衬砌三维轮廓测量系统。
55.同步控制电路装置和工控机柜9安装在前车车体操作室2内；工控机柜9布置在前车操作室2的后部，车内各种设备集中安装保护并统一安装在工控机柜9中。可旋转弧形传感器支架3安装在后车底盘4上，隧道断面图像采集系统包括左右车道隧道断面图像采集装置和中间车道隧道断面图像采集装置；衬砌三维轮廓测量系统包括左右车道衬砌三维轮廓测量装置和中间车道衬砌三维轮廓测量装置；
56.中间支架11安装在前车车体操作室2车顶，用于搭载中间车道衬砌三维轮廓测量装置，中间车道衬砌三维轮廓测量装置采集中间车道的隧道衬砌表面图像；左右车道隧道断面图像采集装置和左右车道衬砌三维轮廓测量装置安装在可旋转弧形传感器支架3上；同步控制电路装置为隧道断面图像采集系统和衬砌三维轮廓测量系统提供同步信号；隧道断面图像采集系统用于采集隧道断面图像；衬砌三维轮廓测量系统用于构建隧道衬砌三维轮廓；后车底盘4安装在后车车体10上；道路环境相机6安装在前车车体操作室2的顶部；发
电机1安装于后车底盘4上，紧靠前车车体操作室2，用于向工控机柜9、隧道断面图像采集系统和隧道断面图像采集系统供电。
57.还包括工作椅8、工作台7和gps定位天线5；工作椅8和工作台7均安装在前车车体操作室2内；gps定位天线5安装在前车车体操作室2的顶部。
58.道路环境相机6包括第一道路环境相机6a、第二道路环境相机6b、第三道路环境相机6c和安全监测相机6d；第一道路环境相机6a、第二道路环境相机6b和第三道路环境相机6c用于监测车辆周围环境，其中，第一道路环境相机6a、第二道路环境相机6b和第三道路环境相机6c分别拍摄车体左前方、正前方和右前方环境；gps定位天线5用于定位车辆的位置信息；安全监测相机6d用于监测是否有人员、机动车近距离靠近的行为。
59.可旋转弧形传感器支架3包括弧形支架3-2和旋转圆盘3-1；弧形支架3-2与旋转圆盘3-1相连，旋转圆盘3-1通过中心旋转轴安装在客车后车底盘4。
60.工控机柜9分别与道路环境相机6、第二面阵相机阵列11-2和第一面阵相机阵列3-3相连接，用于存储道路环境相机6、第二面阵相机阵列11-2和第一面阵相机阵列3-3拍摄的照片。
61.双排led频闪照明阵列3-4分别安装在弧形支架3-2上表面左右两侧，面阵相机阵列3-3安装在弧形支架3-1中心凹槽的相机支架3-9上，相机支架3-9安装在弧形支架3-2上。同步控制电路装置安装在前车车体操作室2的工控机柜9内，该装置为双排led频闪照明阵列以及面阵相机阵列提供同步触发信号，面阵相机阵列3-3采集隧道断面图像数据，双排led频闪照明阵列3-4为面阵相机阵列提供辅助照明。
62.如图5所示，编码器连接分频板，分频板同时连接照明装置，和驱动板，开关电源连接驱动板，用于向驱动板供电，驱动板连接拍摄相机。其中，拍摄相机为第一面阵相机阵列3-3；照明装置为第一照明阵列3-4；
63.脉冲信号由安装在客车后车车轮上的测速装置编码器产生，编码器产生的脉冲信号通过分频板一部分输入led灯驱动板，控制第一照明阵列3-4的通断，从而达到频闪照明的效果，还有一部分触发第一面阵相机阵列3-3拍照，等第一面阵相机阵列3-3拍完照后，再关闭第一照明阵列3-4，其中开关电源给led驱动板供电，驱动板利用脉冲信号的小电压控制第一照明阵列3-4的电流通断，达到第一照明阵列3-4频闪的效果。
64.如图6和图7所示，为了实现左、中、右三车道隧道图像的拼接，进行三车道实际拍摄时，相机拍摄区域和led照明区域在左中车道以及右中车道有一定重叠区域。其中，在可旋转弧形传感器支架3上安装相机与照明装置，可旋转弧形传感器支架3可绕旋转轴水平旋转180
°
，实际三车道隧道断面检测工作中，可旋转弧形传感器支架3旋转至所需方向，可旋转弧形传感器支架3无需突出车体，从而解决行车安全问题，同时检测车不用逆向行驶来采集隧道左右断面图像，不用封路检测，大大提高检测效率。当检测右车道隧道时，可旋转弧形传感器支架3旋转至右侧，采集右半隧道衬砌表面图像；当检测左车道隧道时，可旋转弧形传感器支架3旋转至左侧，采集左半隧道衬砌表面图像；当检测中间车道隧道时，利用中间支架11采集中间隧道衬砌表面图像。最后根据左中右车道拍摄重叠区域进行图像拼接，实现隧道全断面的采集。
65.隧道断面图像采集系统包括左右车道隧道断面图像采集装置以及中间车道隧道断面图像采集装置。如图8和图9所示，左右车道隧道断面图像采集系统包括第一照明阵列
3-4和第一面阵相机阵列3-3，用于采集隧道断面图像，结合编码器的数据信息能够精确定位隧道病害的位置信息，整个隧道断面图像采集系统安装在弧形支架3-2上。其中，第一照明阵列3-4为led频闪照明阵列，并左右双排布置，每排由若干个频闪照明灯阵列组成，用于为面阵相机拍摄过程辅助照明；第一照明阵列3-4安装在弧形支架3-2上表面，特别地，第一照明阵列3-4的安装面与水平面存在5～8
°
倾角，第一照明阵列3-4左右两排照明区域重合，形成高亮度光面，满足拍摄要求；其中，第一面阵相机阵列3-3安装在第一面阵相机支架3-9上，第一面阵相机支架3-9安装在弧形支架3-2中心凹槽处。
66.如图10所示，中间支架11用于搭载中间车道隧道断面图像采集装置，用于采集中间车道的隧道衬砌表面图像。其中，第二照明阵列11-1为左右双排布置的led频闪照明灯，每排由若干个频闪照明灯珠阵列组成，用于为面阵相机拍摄过程辅助照明；第二照明阵列11-1安装在中间支架11表面，特别地，第二照明阵列11-1的安装面与水平面存在4～4.5
°
倾角，左右两排照明区域重合，形成高亮度光面，满足拍摄要求；其中，第二面阵相机阵列11-2安装在第二面阵相机支架11-3上，第二面阵相机支架11-3安装在中间支架11中心凹槽处；为了得到左、中、右车道隧道的完整图像，隧道断面图像采集系统每个相机拍摄区域应有一定重叠部分，为了达到图像最小分辨率的要求，拍摄左右车道的相机最宜数量为27个，在弧形支架3-2上排列，拍摄中间车道的相机最宜数量为21个，在第二面阵相机支架11-3上均匀排列。在弧形支架3-2底部的相机拍摄物距小，越往弧形支架顶部拍摄物距越大，对于不同物距要求选用合适的相机。采集完成后，先对27台相机图像数据根据重叠区域进行拼接，得到的左右车道隧道断面图像，再对中间车道21台相机进行拼接，得到中间车道隧道断面图像，然后会根据左中右车道隧道断面图像重叠图像进行拼接，从而得到完整的隧道衬砌表面图像。
67.衬砌三维轮廓测量系统包括左右车道衬砌三维轮廓测量装置和中间车道衬砌三维轮廓测量装置。如图8所示，左右车道衬砌三维轮廓测量装置包括若干组由第一线激光阵列3-5和分布在两侧的第一三维轮廓重构系统相机阵列3-6组成的结构光系统，用于构建左右车道隧道衬砌三维轮廓。其中，第一线激光阵列3-5和第一三维轮廓重构系统相机阵列3-6安装在第一三维轮廓重构系统弧形支架3-7上，第一三维轮廓重构系统弧形支架3-7安装在弧形支架3-2侧面。第一线激光阵列3-5安装在同一轴线，使发出的激光束打到同一直线上，第一三维轮廓重构系统相机阵列3-6布置在第一楔形支架3-8上，使得第一三维轮廓重构系统相机阵列3-6的光轴与第一线激光阵列3-5之间有一定相对夹角。
68.如图11所示，中间车道衬砌三维轮廓测量装置包括：若干组由第二线激光阵列11-4与分布两侧的2个第二三维轮廓重构系统相机阵列11-5构成的结构光单元，第二三维轮廓重构系统弧形支架11-6上面布置若干组结构光单元。第二三维轮廓重构系统弧形支架11-6安装在中间支架11的表面上；中间车道11的第二线激光阵列11-4，第二三维轮廓重构系统相机阵列11-5安装方法及位置和左右车道的类似。中间车道衬砌三维轮廓测量装置还包括第二楔形支架11-7，第二楔形支架11-7位于第二三维轮廓重构系统弧形支架11-6上，第二线激光阵列11-4安装在第二楔形支架11-7上。
69.由于结构光具有精度高、光条图像信息易于提取等特点，本发明采用红外线激光器搭配面阵相机的数据实时采集技术，实现所检测隧道断面三维轮廓信息的快速采集。多组第二线激光阵列11-4发出的激光光束经透镜扩束后以直线照射在半个隧道衬砌表面上
形成一条激光线，衬砌表面的高低起伏使激光线发生变形，该激光条纹图像由分布在激光器两侧的第二三维轮廓重构系统相机阵列11-5拍摄。条纹的变形程度取决于第二线激光阵列11-4与第二三维轮廓重构系统相机阵列11-5安装的相对位置以及被测衬砌表面的形廓。对每组第二线激光阵列11-4和第二三维轮廓重构系统相机阵列11-5的组成的结构光单元采集得到的条纹图像进行拼接，依据激光三角法对拼接后的条纹图像进行计算分析后就可以得到对应车道隧道衬砌表面的三维轮廓信息，然后将左中右车道隧道衬砌表面拼接起来就可以得到完整衬砌表面的三维轮廓信息。
70.如图12所示，从前车视角看旋转弧形支架，3-4为第一照明阵列，3-3为第一面阵相机阵列。其中p点为第一面阵相机阵列3-3的光轴和第一照明阵列3-4的光轴的交点，三者相交于隧道弧面上，第一面阵相机阵列3-3安装在弧形支架3-2上，最优的安装平面与水平面夹角为5～8
°
，第一面阵相机阵列3-3中的相机与第一照明阵列3-4的距离一般为35cm，记为lc；相机离隧道弧面为250～350cm，记为ls，由此得安装平面与水平面夹角为：
[0071][0072]
如图13所示，11-1为第二照明阵列，11-2为第二面阵相机阵列。其中o点为第二面阵相机阵列11-2的光轴和第二照明阵列11-1的光轴的交点，三者相交于隧道弧面上，由于隧道较高，所以安装平面要重新选取，第二面阵相机阵列11-2中的相机与第二照明阵列11-1距离一般为35cm，此时第二面阵相机阵列11-2中的相机离隧道弧面为400～500cm，由公式(1)得安装平面与水平面夹角为4～4.5
°
。
[0073]
如图14所示，单片led矩形阵列在隧道内壁上的打光类似于一个椭圆区域，同时打开左右两排led矩形阵列，并且让它们打在隧道内壁的光面高度重合，这样就会形成一个更加明亮的照明光带，利于相机采集图像数据。多个led灯珠组成led矩形阵列，每排led频闪照明系统由多片led矩形阵列组成，这些led矩形阵列安装在倾角为5～8
°
的旋转弧形支架上表面，主要是考虑让左右两排的led矩形阵列打出的光面重合，起到聚光作用；又考虑到这个照明光带区域亮度不均匀，有中心向四周衰减，为了得到一整条较均匀的明亮照明光带，每排相邻两片led矩形阵列照明区域应有一定的重合区域，以弥补单片led矩形区域照明区域四周的衰减，从而得到一个较为均匀且明亮的照明光带，最终相机拍摄区域为亮度较为均匀的矩形照明光带。以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。