劉 曉

(山西省交通科學(xué)研究院山西省公路智能監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，山西太原 030006)

0 引言

基于視覺的隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)是獲取隧道病害信息的重要手段之一［1-4］，其核心任務(wù)是高質(zhì)量的獲取目標(biāo)區(qū)域的襯砌圖像。但是，由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光照強(qiáng)度要求較高［5-6］，各隧道斷面尺寸不同，并且在行車過程中，車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)、顛簸以及軌跡變化將導(dǎo)致相機(jī)CCD靶面偏離焦平面［7-9］，從而降低成像分辨率，影響圖像采集質(zhì)量。為了提高隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性，同時(shí)得到高質(zhì)量的隧道襯砌圖像［10］，需要在隧道視覺檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，以補(bǔ)償由于外界環(huán)境變化引起的離焦問題。

本文以提高隧道圖像采集質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，分析引起隧道成像離焦的主要因素，提出提升圖像采集質(zhì)量的措施，確定調(diào)焦方案，并設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于公路隧道視覺檢測(cè)的多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，分析該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理，并著重給出了主要零部件的設(shè)計(jì)方法。

1 調(diào)焦方案的確定

1.1 引起離焦的主要因素

公路隧道內(nèi)部光照強(qiáng)度有限，視覺采集系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性降低。由于隧道斷面尺寸不同、行車軌跡不確定、外界多維擾動(dòng)等原因，都會(huì)導(dǎo)致相機(jī)拍攝距離變化，使隧道襯砌面位于數(shù)字相機(jī)、激光光源等視覺采集設(shè)備最佳工作范圍之外。

1.1.1 隧道斷面尺寸對(duì)圖像采集質(zhì)量的影響

隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓斷面由起拱線高度、拱部圓弧半徑等參數(shù)描述，依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)，高速公路隧道以雙洞單向兩車道為主，設(shè)計(jì)時(shí)速有 60、80、100、120 km·h－1，分別對(duì)應(yīng)不同的建筑限界橫斷面。4種公路等級(jí)對(duì)應(yīng)的起拱線高度分別為 6.74、7.03、7.31、7.72 m，對(duì)應(yīng)的拱部圓弧半徑分別為 5.14、5.43、5.7、6.12 m。

以 60 km·h－1和 120 km·h－1的隧道為例，同一位置處拍攝距離相差1 m左右，特別是對(duì)于單向三車道的大斷面公路隧道，起拱線高度約8.9 m、拱部圓弧半徑約7.4 m，同一位置處的差距更大，達(dá)到2 m以上。

1.1.2 行車軌跡對(duì)圖像采集質(zhì)量的影響

車輛在隧道中按正常車速行駛時(shí)，速度約20 m·s－1。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明，受駕駛員駕駛習(xí)慣、路面顛簸、周圍車流量等影響［11-13］，車輛行駛過程中沿車道橫向偏移量為±0.5 m，這將導(dǎo)致拍攝距離最遠(yuǎn)相差±0.7 m。

由以上分析可知，多種因素導(dǎo)致數(shù)字相機(jī)、激光光源等視覺采集設(shè)備與被測(cè)物之間距離波動(dòng)范圍為±1 m，致使被測(cè)物處于光源最佳照射和相機(jī)焦距范圍外，從而降低成像分辨率，甚至無法獲取圖像，嚴(yán)重影響后期圖像自動(dòng)處理與病害識(shí)別。

1.2 提升圖像采集質(zhì)量的措施

隧道視覺采集系統(tǒng)的光學(xué)元器件主要有數(shù)字相機(jī)和激光光源，都通過光學(xué)方法進(jìn)行調(diào)焦提升圖像采集質(zhì)量。該方法的基本原理是通過移動(dòng)光學(xué)鏡頭中的透鏡改變焦距，或是通過調(diào)整遙感器焦面的位置進(jìn)行調(diào)焦，從而調(diào)整數(shù)字相機(jī)至最佳拍攝距離或激光光源至最佳照射距離。

本文所述的隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)用于斷面尺寸不同的隧道時(shí)，在檢測(cè)工作前需要根據(jù)斷面尺寸調(diào)整相機(jī)和激光光源的各光學(xué)參數(shù)。由于光學(xué)系統(tǒng)配套復(fù)雜的機(jī)械固定裝置，因此調(diào)整起來非常困難。特別是行車軌跡對(duì)圖像采集質(zhì)量的影響，這種影響是行車過程隨機(jī)產(chǎn)生的，通過調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)無法滿足實(shí)時(shí)性及功能性要求。綜合考慮上述原因，為使隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)更加合理，調(diào)焦方式更加方便，本系統(tǒng)采用一套多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)［14］，實(shí)時(shí)檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)與隧道襯砌之間的距離，通過機(jī)械方法間接調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，從而達(dá)到快速調(diào)焦的目的。

1.3 調(diào)焦方案的確定

通過機(jī)械方法調(diào)焦的原理為，通過一套多軸調(diào)整機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各相機(jī)與隧道襯砌間的距離，同時(shí)為了保證相機(jī)調(diào)整距離后，能夠采用最佳姿態(tài)拍攝斷面，因此還需要設(shè)計(jì)可調(diào)整各相機(jī)姿態(tài)角的裝置?？紤]到檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)該調(diào)整機(jī)構(gòu)占用空間進(jìn)行了嚴(yán)格約束，因此擬采用伺服電機(jī)、電動(dòng)缸方案實(shí)現(xiàn)單組相機(jī)、光源沿隧道襯砌方向的位移調(diào)節(jié);采用電機(jī)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)單組相機(jī)、光源的轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)，使其軸線始終與拍攝面法線平行。圖1為所述多軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三維示意，該機(jī)構(gòu)具有一個(gè)十自由度的機(jī)械手，以電動(dòng)缸及回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)處電機(jī)作為系統(tǒng)輸入，多組視覺采集設(shè)備沿其導(dǎo)軌方向移動(dòng)和繞其安裝面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為系統(tǒng)輸出，在伺服電機(jī)作用下，視覺采集設(shè)備運(yùn)動(dòng)至指定的空間位置和姿態(tài)。

圖1 多軸調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2 調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

以設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km·h－1的雙車道隧道為基準(zhǔn)，確定各組相機(jī)及激光光源的視場(chǎng)角、焦距、景深和擴(kuò)散角等參數(shù)。車輛行駛過程中，激光三維掃描儀實(shí)時(shí)采集隧道斷面尺寸，獲得關(guān)于隧道斷面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)激光三維掃描儀中心點(diǎn)所在位置獲得車輛偏移數(shù)據(jù)。在上述數(shù)據(jù)采集、計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，依據(jù)數(shù)字相機(jī)視場(chǎng)角、待檢隧道圓弧長(zhǎng)以及相鄰兩組相機(jī)拍攝圖片的重疊率這3個(gè)參數(shù)，獲得每組相機(jī)調(diào)姿角，即回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。判斷各組視覺采集設(shè)備與待檢隧道襯砌表面之間的距離，并與數(shù)字相機(jī)的景深作對(duì)比，如果在數(shù)字相機(jī)和激光光源景深范圍內(nèi)，就無需調(diào)整視覺采集設(shè)備的移動(dòng)量;如果上述距離值超過景深，則將該差值作為各組視覺采集設(shè)備的調(diào)整量，即滑動(dòng)導(dǎo)軌的移動(dòng)位移。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

多軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)各部件組成如圖2所示，主要包括支撐平臺(tái)、移動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中移動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、滑塊、移動(dòng)平臺(tái)、絲杠和伺服電機(jī)構(gòu)成;轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、調(diào)姿平臺(tái)和伺服電機(jī)組成。

圖2 多軸調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件組成

支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖3所示。支撐平臺(tái)需具備重量輕、剛度大等特點(diǎn)，宜選用鎂鋁合金板材。其設(shè)計(jì)半徑為700 mm、厚度為20 mm。圖3中點(diǎn)O為圓心點(diǎn)，L1～L5分別為5組移動(dòng)副中心線，其與水平方向夾角分別為 0°、45°、90°、135°、180°;S1～S5 為導(dǎo)軌定位槽，定位槽是420 mm×200 mm的矩形，深度均為2 mm，其長(zhǎng)邊與移動(dòng)副中心線平行。螺紋孔位于定位槽內(nèi)，螺紋孔尺寸為M6、相鄰孔間隔為60 mm，與移動(dòng)副中心線的距離為75 mm。導(dǎo)軌型號(hào)為SEG-GD14NA，長(zhǎng)度為2 200 mm;絲杠長(zhǎng)度為2 000 mm，直徑為16 mm，導(dǎo)程為2 mm，其中絲杠軸線與對(duì)應(yīng)移動(dòng)副中心線平行。移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖4所示，采用鎂鋁合金板材，下端面通過螺紋孔k1與對(duì)應(yīng)滑塊連接，上端面通過螺紋孔k2、k3與絲杠、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)固定環(huán)連接，其中螺紋孔k1、k2、k3的尺寸分別為 Ф6.5、Ф6.5、Ф8.5 mm，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型號(hào)為 SE3。

圖3 支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖4 移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖5 調(diào)姿平臺(tái)設(shè)計(jì)

調(diào)姿平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖5所示，采用鎂鋁合金板材，上端面通過螺紋孔k4與視覺采集設(shè)備連接，下端面通過螺紋孔k5與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)連接，其中螺紋孔k4、k5的尺寸分別為Ф5.5、Ф6.5 mm。

回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)處的伺服電機(jī)型號(hào)為安川SGM7J-02AFC6S，額定功率為200 W、額定扭矩為0.64 Nm、額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm;絲杠處伺服電機(jī)型號(hào)為SGM7J-02AFC7B，額定功率為500 W、額定扭矩為1.32 Nm、額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm。

3 結(jié) 語

本文在分析隧道視覺檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)上，提出了一種利用機(jī)械方式解決視覺采集設(shè)備離焦問題的方法。設(shè)計(jì)了一種空間多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，由彼此獨(dú)立的5組運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)各組視覺采集設(shè)備的獨(dú)立、實(shí)時(shí)調(diào)整，使待采集的目標(biāo)區(qū)域始終位于數(shù)字相機(jī)和激光光源的最佳拍攝和最佳照射范圍內(nèi)，從而達(dá)到高質(zhì)量圖像采集的目標(biāo)，相關(guān)成果為下一步基于機(jī)器視覺的公路隧道檢測(cè)車的研制和設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

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