本实用新型涉及一种便携式快速自动多功能隧道检测系统。
背景技术：
目前在隧道检测行业里，激光雷达扫描和相机图像成像为快速检测的主流技术。
激光雷达扫描在隧道检测上有越来越多的应用。从其应用来看，可以细分为两类：固定法和移动法。对于固定法，即在检测时将lidar装置固定在一个检测架上，测量结束后，再移动检测架到下一个位置。其优点是检测精度较高，可以达到1毫米，缺点也比较明显，即检测效率低下，一般约0.4公里/小时。对于移动法，在检测时，在一辆可移动的小车上(人工推行或自带动力)，在移动中获得三维隧道表面数据。相对于固定法，移动法的精度有所降低，速度可以达到1.2公里/小时或1-5公里/小时。目前，就应用而言，由瑞典amberg公司生产的grp系列应用较多。该设备主要可以用来生成三维隧道轮廓图从而监测结构变形。对于管壁破损如裂缝等，理论上可以检测一定程度以上的裂缝，但实际应用则不是很理想。该设备的另外一个局限是其检测速度较低，最高达5公里/小时，因此不能满足于较大规模以及快速检测的需求。
目前在研究和应用的隧道破损检测设备有些仍然侧重于面阵相机。一般的设置是在检测车上安装数量不等的相机，通过配套安装的照明系统，可以在车辆行驶中获得某一位置的衬砌图像。然后通过拼接获得整个扫描路径的图像。例如，日本fast公司开发的系统采用超过8组工业相机并配备照明可实现隧道全断面扫描。
加拿大的pavemetrics公司开发出了一套线扫描系统ltss，其装有6台cmos扫描系统，每次扫描可以覆盖半侧的隧道区域，其纵向和横向的精度可以达到1mm，检测时的车辆行驶速度可达30km/h。该系统已经在西班牙的guadarrama和regaja1隧道得到应用。英国剑桥大学的stent等设计了一个由5台相机组成的扫描系统，每次扫描可以覆盖大约180度左右的区域。韩国hanyang大学的研究人员比较了面阵相机和线扫描相机的优缺点，设计了一套线扫描和1000瓦卤灯为照明的检测系统，并且在实验室里进行了裂缝检测和识别试验，尚未达到实际工程应用的阶段。
国内的线扫描技术近年来也得到了较快的发展。比如一套多目相机图像采集系统，采用三套高速工业线阵cmos相机和两套最大功率50瓦的条状激光光源。该系统检测时的运营速度理论上可以达到20km/h，但目前还处于科研和实验室试验状态。还有设计了一套由9部cmos线阵相机和5组led光源组成的扫描系统，可以扫描270度的隧道截面范围。但这些技术方案中没有提及系统运作的速度。再比如一个基于cmos线阵相机的隧道检测系统。该系统包含9台12k的线阵相机及相应的激光光源，其系统性能在15公里/小时的运营速度时达到最佳。
目前在国内尚未研发成功便携式线激光扫描隧道检测系统，本发明将填补国内该项科技上的空白。
隧道检测主要分为两类，一是采用人工目测，二是借助设备。人工检测通过目测查看隧道衬砌或管壁表面的病害，这是目前比较常用的检测方法，其优点是相对比较简单，不需要投入设备成本等，但是其不足也是非常明显，主要包括：1)耗时以致效率非常低下；2)检测人员容易受隧道环境影响，包括潮湿、粉尘以及不安全等因素；3)检测的结果受检测人员主观性的影响比较大；4)由于隧道里通常照明不足，而导致病害检测遗漏或错判。考虑到这些原因，近年来不同的设备，主要侧重于非破损检测。主要有以下几类：
雷达激光扫描技术：其用于隧道轮廓检测可以提供相对高的精度数据以评估结构的变形；对于破损检测，在传感器固定或低速的状态下，能够部分满足检测的要求，但对于高速的检测，尚没有成熟的技术。
面阵相机技术：将若干个相机安装在一个伸出车尾的支架上以覆盖整幅车道的横向范围。车辆在行驶的时候，每一个固定的距离触发相机的快门获得某一小段检测物的图像。然后通过对多幅图像的拼接获得路面的连续图像。这些图像可以以数字的形式储存下来，用于进一步物体破损的识别处理。随着该技术的应用，业界认识到它主要有两方面的不足。首先是照明的问题，面阵相机需要配备强照明，一般强照明系统需要较大的电流，这就相应需要检测设备额外增加发电装置，提高了系统制造成本和维护的复杂性；第二，面照明设计难以避免在检测中遇到阴影的问题(周围车辆的阴影等)，图像识别容易出现误判。再次，是图像质量的问题，尽管使用强照明，一般都比较困难达到均匀照明，所以在图像边角会出现图像发黑等情况，从而影响图像质量。而且，图像拼接也是一个挑战，通常难以处理好相邻图像间的无缝拼接，而出现接缝或重叠的情况。
线扫描相机技术。目前，线扫描相机用于隧道破损检测技术在国内外逐渐成为主流的研究应用方向。该系统通常由两个主要部件构成，扫描相机和照明。扫描相机按照传感器的不同分为ccd(charge-coupleddevice)和cmos(complementarymetal-0xide-semiconductor)。在国内，这方面的技术尚处于实验室研究阶段。在国外，现有技术是将多台线扫描相机整合安装在一台专用检测车上，制造成本相当高。国内外尚未有便携式高速隧道检测系统问世。
需要指出的是，以上的各个检测设备都是单独使用，即它们或侧重在通过雷达激光扫描隧道的轮廓，或侧重在通过面阵相机或线扫描的相机技术获得结构物表面破损图像。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是一种能够解决上述问题的便携式快速自动多功能隧道检测系统。
本实用新型是通过以下技术方案来实现的：一种便携式快速自动多功能隧道检测系统，包括传感器系统和总控系统，传感器系统连接总控系统并受控于总控系统，传感器系统包括线扫描相机、照明激光、激光电源、三维相机、激光雷达。
作为优选的技术方案，还包括有安装盒，传感器系统安装在安装盒内；安装盒由支架和前后护板制成，护板的一侧安装固定有激光雷达。
作为优选的技术方案，还包括有和编码器连接的线扫描相机，线扫描相机为千兆网线扫描相机，线扫描相机的像素为4k，其扫描频率为80khz，线扫描相机高速数据传输；线扫描相机的扫描方式包括有定时扫描和触发扫描，线扫描相机内设置有定时模块，定时扫描由定时器控制，触发扫描由编码器脉冲控制；当编码器转动时，编码器输出脉冲并控制线扫描相机抓拍图像。
作为优选的技术方案，传感器系统还包括有用于距离测量的距离测量仪或轴编码器。
作为优选的技术方案，三维相机用于提供1280x720像素的距离图像和伪红外图像、惯性陀螺数据和三维坐标加速度数据。
作为优选的技术方案，激光雷达为旋转激光雷达。
本实用新型的有益效果是：
1.便携式，方便运输，便于安装。不需要配备专门的大型检测车辆进行现场检测，尤其适用于地铁隧道不适合外部车辆进入的情况。
2.低成本，和目前市场现有的大型检测装备相比，本系统所需的成本大大降低。
3.高速度和高效率，本系统能够以高速、高精度进行隧道检测，大大提高了检测的效率。
4.自动检测，通过集成的检测模块和主控系统，本发明可以实现基本不需要人工干涉的自动检测。
5.高分辨率，本发明能够在高速的检测条件下达到毫米级的图像分辨率，其足够满足隧道管壁破损的检测技术要求。
6.多功能指标整合的目标，本技术方案克服现有检测设备侧重于某一各方面指标的检测，从而实现隧道各项指标的多功能一体化检测。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1为本实用新型的结构图1；
图2为本实用新型的结构图2；
图3为本实用新型的结构图3；
图4为本实用新型的系统图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本实用新型使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。
如图1至图4所示，包括传感器系统和总控系统，传感器系统连接总控系统并受控于总控系统，传感器系统包括线扫描相机3、照明激光5、激光电源4、三维相机6、激光雷达2。
其中，还包括有安装盒，传感器系统安装在安装盒内；安装盒由支架和前后护板1制成，护板1的一侧安装固定有激光雷达2。
其中，还包括有和编码器连接的线扫描相机，线扫描相机为千兆网线扫描相机，线扫描相机的像素为4k，其扫描频率为80khz，线扫描相机高速数据传输；线扫描相机的扫描方式包括有定时扫描和触发扫描，线扫描相机内设置有定时模块，定时扫描由定时器控制，触发扫描由编码器脉冲控制；当编码器转动时，编码器输出脉冲并控制线扫描相机抓拍图像。
其中，传感器系统还包括有用于距离测量的距离测量仪或轴编码器。
其中，三维相机用于提供1280x720像素的距离图像和伪红外图像、惯性陀螺数据和三维坐标加速度数据。
其中，激光雷达为旋转激光雷达
1.线扫描相机：现装配了两台千兆网(gige)线扫描相机。每台相机像素为4k，扫描频率为80khz，并且支持高速数据传输。每台相机在进行线扫描时，其照明各有一台线激光提供，它们适用于在没有外界照明的环境中(这里主要指隧道内部)工作。该相机可以在两种触发模式下工作：分为定时和触发两种。定时扫描由相机内部定时器控制，按照设置的扫描频率连续抓图。触发扫描由外部编码器脉冲控制。只有编码器转动，输出触发脉冲，控制相机抓图。在定时或览模式下，由内部时钟定时，可在没有触发信号情况下，按照用户设置的频率扫描图像，主要用于车辆静止时的调试实验。在触发或检测模式下，由编码器输出的距离脉冲触发抓图，即一个触发信号，抓取图片的一行。触发距离可以由用户按照纵向图像分辨率的要求设置。如果编码器脉冲设置为1mm，每幅图为4096x1024像素，则每幅图代表1.024米行车距离。该距离不受车速影响。相机内部的触发计数器被用来作记录检测距离。当检测项目开始时，该计数器被清零，然后任何时候读取该计数器的值，即可换算出精确的行驶距离。每台相机覆盖的角度为100度，两台相机在一侧可以覆盖200度的范围。两台相机的图会有软件自动拼接成一幅8192x1024像素的图片，然后可以以bmp或jpeg格式存储。在两侧各配备两台相机的设置下，整个系统可以实现全断面扫描，包括隧道管壁和路面或道床。
2.激光雷达：配置一台简易，低成本，高精度的旋转激光雷达(lidar)。该激光雷达设置为每秒钟采数8000点，每秒钟扫描22个隧道断面。单独开发了的一个控制软件负责控制激光雷达，并通过内部网络送出扫描数据。主控软件收到雷达数据后，根据线扫描相机提供的距离参考，计算每一个雷达扫描点对应的检测距离，然后把雷达点云数据存储到一个数据文件中。
3.三维相机：三维相机提供1280x720像素的距离图像和伪红外图像(与物体亮度和温度都有关系)。其主要用于隧道中管线和其他结构探测，为自动裂纹处理时排除非隧道壁物体提供参考。其三维距离/深度信息也用于管壁接缝处错台的测量。三维相机每秒钟最高可获取15幅图像，这些图像抓取不受触发信号控制，但会存储相应的图像抓取时间和距离。三维相机同时提供惯性陀螺数据和三维坐标加速度数据，用于判断检测仪在某一时间点的空间姿态(pitch，roll，andyaw)以及轨道车辆行驶在轨道上的平整度响应。
4.除了以上三个检测模块，检测系统配备用于精确距离测量的距离测量仪(dmi)或轴编码器。轴编码器转轴每转输出的脉冲数是可以编程改变，然后永久保存的。编码器每转输出的脉冲数取决于安装编码器的车轮半径(周长)和系统运行需要每个触发脉冲所代表的行驶距离毫米数。比如车轮直径为150mm，则车轮周长为471.24mm。如果需要触发线扫描相机纵向分辨率为2mm，则要求编码器每2mm送出一个触发脉冲。此时应该将编码器的每转输出脉冲个数设置为235或236。由此获得的真实脉冲距离当量为2.00527mm或1.99675mm。
以上各个模块由一个总控系统协调工作。总控系统由一台高性能工业级手提电脑组成。通过专门开发的程序，该总控系统具有以下各功能：
1.设置各个传感器的控制参数；
2.控制各个传感器的运行，包括启动，显示和停止；
3.图像处理和生成；
4.项目数据离线浏览；
5.设置数据存储路径和文件名；
6.数据传输，包括输入和输出。文件的每一个记录包含了检测距离，行驶速度，时间，线扫描图像文件，激光雷达文件，三维图像文件。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
1.一种便携式快速自动多功能隧道检测系统，其特征在于：包括传感器系统和总控系统，传感器系统连接总控系统并受控于总控系统，传感器系统包括线扫描相机、照明激光、激光电源、三维相机、激光雷达。
2.根据权利要求1所述的便携式快速自动多功能隧道检测系统，其特征在于：还包括有安装盒，传感器系统安装在安装盒内；安装盒由支架和设置在支架前后的护板组成，护板的一侧安装固定有激光雷达。
3.根据权利要求1所述的便携式快速自动多功能隧道检测系统，其特征在于：还包括有和线扫描相机连接的编码器，线扫描相机为千兆网线扫描相机，线扫描相机的像素为4k，其扫描频率为80khz，线扫描相机高速数据传输；线扫描相机的扫描方式包括有定时扫描和触发扫描，线扫描相机内设置有定时模块，定时扫描由定时器控制，触发扫描由编码器脉冲控制；当编码器转动时，编码器输出脉冲并控制线扫描相机抓拍图像。
4.根据权利要求1所述的便携式快速自动多功能隧道检测系统，其特征在于：传感器系统还包括有用于距离测量的距离测量仪或轴编码器。
5.根据权利要求1所述的便携式快速自动多功能隧道检测系统，其特征在于：三维相机用于提供1280x720像素的距离图像和伪红外图像、惯性陀螺数据和三维坐标加速度数据。
6.根据权利要求1所述的便携式快速自动多功能隧道检测系统，其特征在于：激光雷达为旋转激光雷达。
技术总结