[發明專利]基于激光光斑位置的地下管道空間方位測量系統及方法

在審

• 申請號: 201810605931.2
• 申請日: 2018-06-12
• 公開（公告）號: CN108844463A
• 公開（公告）日: 2018-11-20
• 發明（設計）人: 汪貴華;楊栩;徐元;王珂
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/24;G01B11/255
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

1.一種基于激光光斑位置的地下管道空間方位測量系統，其特征在于，包括霍爾里程計、圖像采集模塊和處理模塊；

圖像采集模塊由兩個定心結構組成，其中一個定心結構的一端固定激光發射器，另一個定心結構固定CMOS攝像機和成像屏，兩個定心結構由萬向節連接；利用攝像機采集成像屏上激光光斑，處理模塊對激光光斑進行灰度變換、自適應中值濾波、閾值分割，通過圓擬合方法定位激光光斑坐標并計算曲率信息；

霍爾里程計用于獲取各個測量點之間的距離，處理模塊結合測量得到的管線軸心線上的測量點曲率信息、每個測量點間的軸向距離信息，確定測量點的三維坐標信息并重建管線軸心線的形狀和方位。

2.根據權利要求1所述的基于激光光斑位置的地下管道空間方位測量系統，其特征在于，攝像機鏡頭到成像屏的距離固定不變，且距離等于它的焦距。

3.根據權利要求1所述的基于激光光斑位置的地下管道空間方位測量系統，其特征在于，每個定心結構包括四個滾輪，其中一個滾輪上設置霍爾里程計，霍爾里程計包括第一磁條(9)、第二磁條(10)和霍爾開關(8)，兩個磁條嵌入在滾輪上，霍爾開關(8)位于定心結構的靠近滾輪一側的扶正臂末端；當儀器在地下管線運動時，磁條跟滾輪一起作圓周運動，當滾輪的某個磁條轉動到霍爾開關的位置時，霍爾開關會在霍爾效應的作用輸出一個高電平信號；當滾輪上的磁條沒有與霍爾開關對準，則會輸出低電平信號。

4.一種基于權利要求1所述地下管道空間方位測量系統的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、萬向節連接兩個定心結構，一個定心結構用于固定激光發射器，另一個定心結構用于固定成像屏和攝像機，激光發射器和成像屏相向設置；激光發射器射出的激光光束沿著管道軸心線的切線方向，攝像機鏡頭到成像屏的距離固定不變，且等于它的焦距，利用攝像機采集這一過程中的激光光斑圖像；

步驟2、當測量系統在彎曲的管線中前進，兩個定心結構隨管道彎曲而相對運動，同樣激光光斑位置也隨管道的彎曲變化而相對移動，利用霍爾里程計獲取地下管線軸心線上各個測量點之間的距離，獲得一系列離散測量點的激光光斑和各個測量點之間的距離；

步驟3、對激光光斑圖像處理，首先對圖像進行灰度變換增強激光光斑和背景的對比度，然后對激光光斑的圖像采取自適應中值濾波，采用最大類間方差法得到激光光斑的邊緣和輪廓；最后利用基于最小二乘法的圓擬合算法來提取激光光斑的中心位置坐標并計算曲率信息；

步驟4、在已知地下管線起始點的位置坐標的情況下，結合測量得到的管線軸心線上的離散點曲率信息、每個離散點間的軸向距離信息，確定離散點的三維坐標信息，并重建管線軸心線的形狀和方位。

5.根據權利要求4所述的地下管道空間方位測量方法，其特征在于，自適應中值濾波的具體過程為：

設定自適應中值濾波的濾波窗口為S_xy，濾波窗口的中心位置坐標(x，y)；Z_min是在S_xy濾波窗內灰度的最小值，Z_xy是坐標(x，y)處的灰度值，Z_max是在S_xy濾波窗內灰度的最大值；Z_med是在S_xy濾波窗內灰度的中值；S_max指定S_xy所允許的最大值，自適應中值濾波主要由兩個部分組成：A層和B層，算法描述如下：

Level A：

若A₁＞0且A₂＜0，跳轉到Level B層；否則，增大濾波窗口S_xy的尺寸；若濾波窗口的尺寸S_xy達到S_max，則重新執行Level A，否則將Z_xy作為輸出值；

Level B：

若B₁＞0且B₂＜0，則輸出Z_xy不變；否則輸出Z_xy＝Z_med。