本發(fā)明屬于公路檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及到一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)及其實(shí)施方法。

背景技術(shù)：

高速公路隧道由于地質(zhì)災(zāi)害、運(yùn)營(yíng)年限等原因會(huì)產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重威脅著高速公路的運(yùn)營(yíng)安全。目前隧道裂縫檢測(cè)手段和設(shè)備還相對(duì)落后，往往采用人工或人工儀器借助高空作業(yè)車的方式來完成檢測(cè)任務(wù)。這種基于人工檢測(cè)方法效率低、主觀程度大，特別是我國(guó)目前新建了一批特長(zhǎng)隧道，依靠人工更無(wú)法在短期內(nèi)完成檢測(cè)任務(wù)。

機(jī)器視覺技術(shù)的核心和關(guān)鍵是如何高質(zhì)量的采集圖像，這就要求被測(cè)物始終處于相機(jī)景深范圍內(nèi)。為了保證較高的裂縫識(shí)別精度，需選擇分辨率較高的數(shù)字相機(jī)，這也導(dǎo)致景深較小，在采集過程中要嚴(yán)格保證相機(jī)與襯砌表面的距離。但是檢測(cè)車高速行駛過程中受車流量、路面狀況及駕駛員主觀意識(shí)等影響不可避免的發(fā)生車輛振動(dòng)、軌跡偏移，降低了相機(jī)采集效果，使采集的圖像質(zhì)量較低，嚴(yán)重影響裂縫識(shí)別精度和準(zhǔn)確度。同時(shí)，公路隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不同隧道結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)有較大差別，因而每次檢測(cè)隧道前，必須根據(jù)隧道設(shè)計(jì)圖紙對(duì)相機(jī)安裝位置及焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)。一方面降低了系統(tǒng)的智能化程度，另一方面，車輛顛簸影響數(shù)字相機(jī)的調(diào)焦裝置，對(duì)圖像采集產(chǎn)生擾動(dòng)。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)條件限制了機(jī)器視覺技術(shù)在公路隧道智能檢測(cè)中的應(yīng)用，其根本原因在于缺乏一套圖像穩(wěn)定采集裝置，致使采集到的圖像質(zhì)量較差，影響后續(xù)圖像處理與特征識(shí)別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好的用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)及其實(shí)施方法。

本發(fā)明所述的一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)，所述車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)包括安裝平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)分支、基座、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)；所述安裝平臺(tái)自上而下由相機(jī)安裝支架1、支撐板2、支撐桁架3及調(diào)姿平臺(tái)4構(gòu)成；所述支撐桁架3 固定端安裝于調(diào)姿平臺(tái)4中間位置處，其伸縮端安裝于支撐板2底部；所述運(yùn)動(dòng)分支共有三個(gè)，其中兩個(gè)為SPR結(jié)構(gòu)形式，包括依次連接的上轉(zhuǎn)動(dòng)副5、分支移動(dòng)副、伺服電動(dòng)缸7和下球鉸9，另一個(gè)為RPS結(jié)構(gòu)形式，包括依次連接的上球鉸6、分支移動(dòng)副、伺服電動(dòng)缸7和下轉(zhuǎn)動(dòng)副10；所述分支移動(dòng)副在伺服電動(dòng)缸7作用下產(chǎn)生沿伺服電動(dòng)缸7軸線方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；所述伺服電機(jī)8連接并驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)缸7；所述上轉(zhuǎn)動(dòng)副5和上球鉸6與調(diào)姿平臺(tái)4連接；所述下球鉸9和下轉(zhuǎn)動(dòng)副10與基座11連接；所述基座11通過回轉(zhuǎn)平臺(tái)13與車輛行李架14連接；所述回轉(zhuǎn)平臺(tái)13在步進(jìn)電機(jī)12驅(qū)動(dòng)作用下能繞其垂向軸線0～360°任意旋轉(zhuǎn)；所述回轉(zhuǎn)平臺(tái)13由蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0～360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)；所述控制系統(tǒng)包括與控制器連接的三向加速度計(jì)、陀螺儀、三維激光掃描儀、數(shù)據(jù)采集卡、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器和編碼器；所述編碼器連接伺服電動(dòng)缸7及伺服電機(jī)8；所述數(shù)據(jù)采集卡連接三向加速度計(jì)、陀螺儀和三維激光掃描儀；所述多軸運(yùn)動(dòng)控制卡連接各伺服電機(jī)8。

本發(fā)明所述的一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)，所述運(yùn)動(dòng)分支的運(yùn)動(dòng)副中心點(diǎn)分別構(gòu)成兩個(gè)正三角形；所述運(yùn)動(dòng)分支的三組轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線互相平行；所述調(diào)姿平臺(tái)4為航空鋁合金材料。

本發(fā)明所述的一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)，所述上轉(zhuǎn)動(dòng)副5和下轉(zhuǎn)動(dòng)副10均包括階梯軸、軸承和端蓋；所述上球鉸6和下球鉸9均由軸線互相垂直且相交于一點(diǎn)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副復(fù)合構(gòu)成。

本發(fā)明所述的一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)，所述調(diào)姿平臺(tái)4外形為圓形或矩形，厚度為0.1～0.2m，上表面設(shè)有螺紋安裝孔、下表面布置有運(yùn)動(dòng)副鉸座，其外接圓直徑為1.5～3.0m；所述基座11形狀為圓形或矩形，厚度為0.1～0.2m，上表面布置有運(yùn)動(dòng)副鉸座、下表面設(shè)有通孔，其對(duì)應(yīng)的外接圓直徑為調(diào)姿平臺(tái)4外接圓直徑的2倍。

本發(fā)明所述的一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)，所述車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)處于初始位姿時(shí)，調(diào)姿平臺(tái)4與基座11之間的距離為1.5m。

本發(fā)明所述的一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)，所述相機(jī)安裝支架1能同時(shí)安裝三組數(shù)字相機(jī)，相鄰兩組相機(jī)軸線夾角為60°

本發(fā)明所述的一種用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)，所述支撐桁架3為 伸縮桿結(jié)構(gòu)形式，可調(diào)高度為0.5～1.5m。

本發(fā)明所述的用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)的實(shí)施方法，所述實(shí)施方法具體步驟為：

a)首先利用三向加速度計(jì)及陀螺儀獲取車輛三維線加速度及角速度值，通過剛體運(yùn)動(dòng)變換公式及線性插值法建立車輛六維擾動(dòng)位姿與時(shí)間之間的函數(shù)表達(dá)式；

b)利用激光三維掃描儀獲取隧道內(nèi)部尺寸參數(shù)，通過空間坐標(biāo)變換法，將其變換到相機(jī)坐標(biāo)系中；

c)結(jié)合上述傳感器獲得的車輛擾動(dòng)參數(shù)及隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算數(shù)字相機(jī)需調(diào)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量；

d)利用并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型將調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)量映射為運(yùn)動(dòng)分支主動(dòng)輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為伺服電動(dòng)缸位移量變化值；

e)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性判斷后生成輸出信號(hào)，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制所述伺服電動(dòng)缸運(yùn)行。

本發(fā)明所述的用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)的實(shí)施方法，所述步驟d)中，將調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)分支主動(dòng)輸入量的算法為：令調(diào)姿平臺(tái)、基座各點(diǎn)在各自坐標(biāo)系中的描述分別為數(shù)字相機(jī)需要的調(diào)整量為(α y z)^T，對(duì)應(yīng)的位姿變換矩陣為：

調(diào)姿平臺(tái)各鉸鏈點(diǎn)在{o}系中的描述為：

式中：分別為鉸鏈點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；

結(jié)合式(1)、(2)及多軸調(diào)節(jié)平臺(tái)幾何尺寸，建立機(jī)構(gòu)的位姿解模型為：

式中：q_i分別為各運(yùn)動(dòng)分支驅(qū)動(dòng)位移；

對(duì)數(shù)字相機(jī)調(diào)整量分別求時(shí)間的一、二階導(dǎo)數(shù)，建立調(diào)姿平臺(tái)空間六維速度、加速度表達(dá)式分別為：

由并聯(lián)機(jī)器人相關(guān)理論，建立調(diào)姿平臺(tái)速度、加速度映射關(guān)系分別為：

式中：G、H分別為機(jī)構(gòu)的一、二階影響系數(shù)；分別為各運(yùn)動(dòng)分支的驅(qū)動(dòng)速度及加速度。

本發(fā)明所述的用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)的實(shí)施方法，所述步驟e)中，合理性判斷具體為：

A)利用編碼器檢測(cè)伺服電動(dòng)缸當(dāng)前實(shí)際位移量，并通過機(jī)構(gòu)學(xué)正解模型計(jì)算調(diào)姿平臺(tái)實(shí)際位姿參數(shù)；

B)將所述當(dāng)前實(shí)際位姿與車輛運(yùn)動(dòng)量、數(shù)字相機(jī)與隧道內(nèi)壁之間的距離作比較，計(jì)算當(dāng)前伺服周期內(nèi)需要補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)量；

C)將所述補(bǔ)償量與下一段運(yùn)行位移疊加，計(jì)算下一個(gè)伺服周期內(nèi)各伺服電動(dòng)缸及伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)量；

D)通過控制器生成輸出信號(hào)，并控制所述伺服電動(dòng)缸和伺服電機(jī)運(yùn)行。

目前的檢測(cè)車行駛過程中發(fā)生左右搖擺，造成相機(jī)與襯砌內(nèi)壁之間的距離發(fā)生變化，而且數(shù)字相機(jī)與隧道頂部的距離較大、不同隧道結(jié)構(gòu)尺寸差異較大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)具備沿隧道縱向移動(dòng)的能力，可使數(shù)字相機(jī)與隧道襯砌表面之間始終保持在相機(jī)景深范圍內(nèi)；可實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)字相機(jī)垂向高度。另外，將并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于公路隧道圖像采集領(lǐng)域中，避免了采集過程中車輛軌跡偏離對(duì)圖像采集設(shè)備的影響，同時(shí)可根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)數(shù)字相機(jī)的空間位置，解決了現(xiàn)有圖像采集系統(tǒng)在公路隧道應(yīng)用時(shí)的諸多技術(shù)難題。

附圖說明

圖1為車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)三維圖；圖2為安裝平臺(tái)三維圖；圖3為運(yùn)動(dòng)分支結(jié) 構(gòu)示意圖；圖4為調(diào)姿平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)分布示意圖；圖5為基座鉸鏈點(diǎn)分布示意圖。相機(jī)安裝支架-1、支撐板-2、支撐桁架-3、調(diào)姿平臺(tái)-4、上轉(zhuǎn)動(dòng)副-5、上球鉸-6、伺服電動(dòng)缸-7、伺服電機(jī)-8、下球鉸-9、下轉(zhuǎn)動(dòng)副-10、基座-11、步進(jìn)電機(jī)-12、回轉(zhuǎn)平臺(tái)-13、車輛行李架-14。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)及其實(shí)施方法做進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

實(shí)施例1

圖1為用于公路隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)三維造型。車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)使用時(shí)的三維造型，包括安裝平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)分支、基座11、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)13及控制系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括與控制器連接的三向加速度計(jì)、陀螺儀、三維激光掃描儀、數(shù)據(jù)采集卡、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器和編碼器；所述編碼器連接伺服電動(dòng)缸7及伺服電機(jī)8；所述數(shù)據(jù)采集卡連接三向加速度計(jì)、陀螺儀和三維激光掃描儀；所述多軸運(yùn)動(dòng)控制卡連接各伺服電機(jī)8。三向加速度計(jì)、陀螺儀主要用于獲取車輛運(yùn)行過程中的振動(dòng)參數(shù)；三維激光掃描儀可獲取隧道斷面尺寸；編碼器用于獲取伺服電動(dòng)缸及電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)量；數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)值；多軸運(yùn)動(dòng)控制卡可用于同步控制各伺服電機(jī)運(yùn)行。

圖2為安裝平臺(tái)三維造型，由相機(jī)安裝支架1、支撐板2、支撐桁架3及調(diào)姿平臺(tái)4構(gòu)成。相機(jī)安裝支架1用于安裝三組數(shù)字相機(jī)，其結(jié)構(gòu)尺寸為0.045m×0.045m×0.15m，相鄰兩組相機(jī)間的夾角為60°；調(diào)姿平臺(tái)4為航空鋁合金材料，其外接圓直徑為0.700m、厚度為0.012m；支撐桁架3固定端安裝于調(diào)姿平臺(tái)4中間位置處、伸縮端安裝于支撐板2底部，可調(diào)整的豎向高度范圍為0.5～1.5m。

圖3為運(yùn)動(dòng)分支結(jié)構(gòu)，第1、3運(yùn)動(dòng)分支結(jié)構(gòu)形式為SPR、第2運(yùn)動(dòng)分支結(jié)構(gòu)形式為RPS，通過上轉(zhuǎn)動(dòng)副5或上球鉸6與調(diào)姿平臺(tái)4連接，對(duì)應(yīng)鉸鏈點(diǎn)布置如圖4所示，圖中a₁～a₃為鉸鏈中心點(diǎn)，各鉸鏈點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)正三角形，對(duì)應(yīng)的外接圓直徑為1m；通過下球鉸9或下轉(zhuǎn)動(dòng)副10與基座11連接，對(duì)應(yīng)鉸鏈點(diǎn)布置如圖5所示，圖中b₁～b₃為鉸鏈中心點(diǎn)，各鉸鏈點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)正三角形，對(duì)應(yīng)的外接圓直徑為1.2m。所述各轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線互相平行，分支移動(dòng)副由伺服電動(dòng)缸7及伺服電機(jī)8實(shí)現(xiàn)，選取伺服電動(dòng)缸7型號(hào)為SGM7J-02AFC6S、總行程為1.2m；伺服電機(jī)8 額定功率為200W、額定轉(zhuǎn)速為3000r/min、額定扭矩為0.64Nm；配套的編碼器采集精度為131072pulses/rev。

基座11通過回轉(zhuǎn)平臺(tái)13與車輛行李架14連接，在步進(jìn)電機(jī)12驅(qū)動(dòng)作用下，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)平臺(tái)繞垂向軸線0～360°任意旋轉(zhuǎn)。選取回轉(zhuǎn)平臺(tái)13型號(hào)為SE9-61-H-25R、承載力為260Kg，配套步進(jìn)電機(jī)12型號(hào)為SM3-960、額定轉(zhuǎn)速為3000r/min、額定扭矩為6N·m。選取調(diào)姿平臺(tái)4與基座11之間的距離為1mm時(shí)的位置為調(diào)節(jié)平臺(tái)的工作位。

用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)的實(shí)施方法，所述實(shí)施方法具體步驟為：

a)首先利用三向加速度計(jì)及陀螺儀獲取車輛三維線加速度及角速度值，通過剛體運(yùn)動(dòng)變換公式及線性插值法建立車輛六維擾動(dòng)位姿與時(shí)間之間的函數(shù)表達(dá)式；

b)利用激光三維掃描儀獲取隧道內(nèi)部尺寸參數(shù)，通過空間坐標(biāo)變換法，將其變換到相機(jī)坐標(biāo)系中；

c)結(jié)合上述傳感器獲得的車輛擾動(dòng)參數(shù)及隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算數(shù)字相機(jī)需調(diào)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量；

d)利用并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型將調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)量映射為運(yùn)動(dòng)分支主動(dòng)輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為伺服電動(dòng)缸位移量變化值；

e)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性判斷后生成輸出信號(hào)，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制所述伺服電動(dòng)缸運(yùn)行。

用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)的實(shí)施方法，所述步驟d)中，將調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)分支主動(dòng)輸入量的算法為：令調(diào)姿平臺(tái)、基座各點(diǎn)在各自坐標(biāo)系中的描述分別為數(shù)字相機(jī)需要的調(diào)整量為(α y z)^T，對(duì)應(yīng)的位姿變換矩陣為：

調(diào)姿平臺(tái)各鉸鏈點(diǎn)在{o}系中的描述為：

式中：分別為鉸鏈點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；

結(jié)合式(1)、(2)及多軸調(diào)節(jié)平臺(tái)幾何尺寸，建立機(jī)構(gòu)的位姿解模型為：

式中：q_i分別為各運(yùn)動(dòng)分支驅(qū)動(dòng)位移；

對(duì)數(shù)字相機(jī)調(diào)整量分別求時(shí)間的一、二階導(dǎo)數(shù)，建立調(diào)姿平臺(tái)空間六維速度、加速度表達(dá)式分別為：

由并聯(lián)機(jī)器人相關(guān)理論，建立調(diào)姿平臺(tái)速度、加速度映射關(guān)系分別為：

式中：G、H分別為機(jī)構(gòu)的一、二階影響系數(shù)；分別為各運(yùn)動(dòng)分支的驅(qū)動(dòng)速度及加速度。

用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)的實(shí)施方法，所述步驟e)中，合理性判斷具體為：

A)利用編碼器檢測(cè)伺服電動(dòng)缸當(dāng)前實(shí)際位移量，并通過機(jī)構(gòu)學(xué)正解模型計(jì)算調(diào)姿平臺(tái)實(shí)際位姿參數(shù)；

B)將所述當(dāng)前實(shí)際位姿與車輛運(yùn)動(dòng)量、數(shù)字相機(jī)與隧道內(nèi)壁之間的距離作比較，計(jì)算當(dāng)前伺服周期內(nèi)需要補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)量；

C)將所述補(bǔ)償量與下一段運(yùn)行位移疊加，計(jì)算下一個(gè)伺服周期內(nèi)各伺服電動(dòng)缸及電機(jī)的運(yùn)動(dòng)量；

D)通過控制器生成輸出信號(hào)，并控制所述伺服電動(dòng)缸和電機(jī)運(yùn)行。

目前的檢測(cè)車行駛過程中發(fā)生左右搖擺，造成相機(jī)與襯砌內(nèi)壁之間的距離發(fā)生變化，而且數(shù)字相機(jī)與隧道頂部的距離較大、不同隧道結(jié)構(gòu)尺寸差異較大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的用于隧道圖像采集的車載式調(diào)節(jié)平臺(tái)具備沿隧道縱向移動(dòng)的能力，可使數(shù)字相機(jī)與隧道襯砌表面之間始終保持在相機(jī)景深范圍內(nèi)； 可實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)字相機(jī)垂向高度。另外，將并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于公路隧道圖像采集領(lǐng)域中，避免了采集過程中車輛軌跡偏離對(duì)圖像采集設(shè)備的影響，同時(shí)可根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)數(shù)字相機(jī)的空間位置，解決了現(xiàn)有圖像采集系統(tǒng)在公路隧道應(yīng)用時(shí)的諸多技術(shù)難題。