一種鐵路隧道裂縫寬度測量儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種鐵路隧道裂縫寬度測量儀，包括自上而下依次電連接的第一階梯系統、第二階梯系統、第三階梯系統、第四階梯系統；第一階梯系統包括光學鏡頭、設置在光學鏡頭一側的自動對焦模塊、設置在光學鏡頭另一側的激光測距模塊以及陣列分布在光學鏡頭周圍的均勻照明光源；第二階梯系統包括工業用CMOS相機和直流電源；第三階梯系統包括嵌入式處理模塊和數據存儲模塊；嵌入式處理模塊包括DSP和ARM；數據存儲模塊包括SDRAM、FLASH以及USB接口；第四階梯系統為液晶觸屏。本實用新型提供一種能夠集成所有光、機、電模塊在一起、采用均勻照明光源和工業相機，使其能夠攜帶方便，提高測量精度且穩定可靠的鐵路隧道裂縫寬度測量儀。
【專利說明】一種鐵路隧道裂縫寬度測量儀
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于光機電一體化測量【技術領域】，涉及一種鐵路測量儀，尤其涉及一種鐵路隧道裂縫寬度測量儀。
【背景技術】
[0002]當前鐵路隧道裂縫的寬度信息主要通過目測、使用鋼尺或讀數放大鏡等方法來測量，但是這種測量方法測量精度低，受人為因素影響比較大；對于拱頂、拱腰等距離軌面較高位置，受接觸網帶電、高度、照明等因素制約，測量人員很難完成操作。
[0003]現有的一項專利《一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法及裝置》(申請號:201010240543.2);該專利采用基于數字圖像處理的攝影測量技術對隧道裂縫進行觀測，但存在以下缺點:
[0004]1、該測量裝置包括數碼相機、激光測距儀、連接螺桿、測量計算機以及裂縫數據庫，硬件數量多，攜帶不方便，不適于野外操作；
[0005]2、該測量裝置未提及使用專業照明裝置，當隧道表面存在水潰或污物等情況下，圖像處理效果會有所下降，影響測量精度；
[0006]3、該測量裝置使用商業用數碼相機進行測量，其光學結構、機械結構和電子結構是否能穩定可靠，如果不能，將影響測量精度。
【發明內容】
[0007]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，本實用新型提供一種能夠集成所有光、機、電模塊在一起、采用均勻照明光源和工業相機，使其能夠攜帶方便，提高測量精度且穩定可靠的鐵路隧道裂縫寬度測量儀。
[0008]本實用新型的技術解決方案是:
[0009]本實用新型提供一種鐵路隧道裂縫寬度測量儀，其特殊之處在于:包括自上而下依次電連接的第一階梯系統、第二階梯系統、第三階梯系統、第四階梯系統；
[0010]所述第一階梯系統包括光學鏡頭、設置在光學鏡頭一側的自動對焦模塊、設置在光學鏡頭另一側的激光測距模塊以及陣列分布在光學鏡頭周圍的均勻照明光源；
[0011]所述第二階梯系統包括工業用CMOS相機和直流電源；所述直流電源為寬度測量儀整體供電；
[0012]所述第三階梯系統包括嵌入式處理模塊和數據存儲模塊；所述嵌入式處理模塊包括DSP和ARM ;所述DSP用于對數字圖像進行采集和處理，提取和識別裂縫信息；所述ARM用于進行操作控制；所述數據存儲模塊包括SDRAM、FLASH以及USB接口 ；所述SDRAM用于存儲數據傳輸和處理時的信息以及中間運算結果；所述FLASH用于存儲拍攝圖像和最終裂縫信息；所述USB接口用于FLASH中保存的信息的傳輸；
[0013]所述第四階梯系統為液晶觸屏；
[0014]所述嵌入式處理模塊通過數據線分別與自動對焦模塊、激光測距模塊、工業用CMOS相機、數據存儲模塊和液晶觸屏連接；
[0015]上述均勻照明光源至少設置一個；
[0016]上述均勻照明光源為白光LED ；
[0017]上述光學鏡頭為定焦鏡頭。
[0018]本實用新型的優點:
[0019]1、本實用新型克服現有技術之不足，提供一種光機電一體化設備，采用非接觸、高精度的攝影測量技術對隧道裂縫進行觀測，采用一體化技術增加設備的便攜性，并使用工業相機和均勻照明光源增強設備適應苛刻工作條件的能力；
[0020]2、本實用新型采用嵌入式軟件系統，所有光、機、電模塊集成在一起，攜帶方便；
[0021]3、本實用新型采用均勻照明光源。在拍攝圖像中，裂縫信息可被準確、清晰地識別；
[0022]4、本實用新型采用工業相機，其光、機、電結構穩定可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型結構示意圖；
[0024]圖2為本實用新型的工作流程圖；
[0025]其中:1_光學鏡頭，2-自動對焦模塊，3-激光測距模塊，4-均勻照明光源，5-工業用CMOS相機，6-直流電源，7-嵌入式處理模塊，8-數據存儲模塊，9-液晶觸屏。
【具體實施方式】
[0026]本實用新型提供一種鐵路隧道裂縫寬度測量儀，包括自上而下依次電連接的第一階梯系統、第二階梯系統、第三階梯系統、第四階梯系統；
[0027]第一階梯系統包括光學鏡頭1、設置在光學鏡頭I 一側的自動對焦模塊2、設置在光學鏡頭I另一側的激光測距模塊3以及陣列分布在光學鏡頭I周圍的均勻照明光源4 ；
[0028]第二階梯系統包括工業用CMOS相機5和直流電源6 ;直流電源6為整體系統供電；
[0029]第三階梯系統包括嵌入式處理模塊和7數據存儲模塊8 ;嵌入式處理模塊包括DSP和ARM ；DSP用于對數字圖像進行采集和處理，提取和識別裂縫信息；ARM用于進行操作控制；數據存儲模塊包括SDRAM、FLASH以及USB接口 ；SDRAM用于存儲數據傳輸和處理時的信息以及中間運算結果；FLASH用于存儲拍攝圖像和最終裂縫信息；USB接口用于FLASH中保存的信息的傳輸；
[0030]第四階梯系統為液晶觸屏9 ；
[0031]嵌入式處理模塊通過數據線分別與自動對焦模塊2、激光測距模塊3、工業用CMOS相機5、數據存儲模塊8和液晶觸屏9連接；
[0032]上述均勻照明光源4至少設置一個；
[0033]上述均勻照明光源4為白光LED ;
[0034]上述光學鏡頭I為定焦鏡頭。
[0035]參見圖1，本實用新型由均勻照明光源4、工業用CMOS相機5、光學鏡頭1、自動對焦模塊2、激光測距模塊3、嵌入式處理模塊7和液晶觸屏9等組成，根據現場使用需要，使用云臺和支撐腳架等輔助設備。
[0036]1、技術方案:
[0037]a) 一體化結構分層設計
[0038]設備由前到后共分為四層，包括:
[0039](I)第一層，包括光學鏡頭1、自動對焦模塊2、激光測距模塊3和均勻照明光源4 ；光學鏡頭I位于中心，自動對焦模塊2位于光學鏡頭I左側。均勻照明光源4對稱分布于光學鏡頭I，激光測距模塊3位于右側；
[0040](2 )第二層，包括工業用CMOS相機5和直流電源6。直流電源6用于給設備供電；
[0041](3)第三層，包括嵌入式處理模塊7和數據存儲模塊8 ；
[0042](4)第四層，包括液晶觸屏9 ；
[0043]在設備測量范圍內，光學鏡頭I的光軸與激光測距模塊3的激光同軸，并且工業用CMOS相機5的視場始終位于均勻照明光源4的照明范圍內；
[0044]b)自動控制設計
[0045]嵌入式處理模塊7為設備核心部件，其自動控制內容包括:
[0046]( I)控制激光測距模塊3進行測距，并接收距離信息；
[0047](2)控制自動對焦模塊2，使光學鏡頭I開始對焦，當對焦完成后，停止對焦；
[0048](3)控制工業用CMOS相機5，使其拍照，并接收圖像信息；
[0049](4)處理圖像信息，最終得到裂縫寬度數據后，將裂縫圖像和裂縫寬度數據顯示在液晶觸屏9，保存在數據存儲模塊8 ；
[0050]液晶觸屏9為人機交互設備，可通過控制按鈕，一鍵完成測距、對焦、拍攝、處理、顯示和保存最終測量結果；
[0051]c)圖像處理技術
[0052]( I)根據裂縫邊緣顏色較深的特性，采用邊緣檢測算法和亞像素定位技術，精確定位裂縫邊緣；
[0053](2)通過基于連通域之間的相關特性，將裂縫邊緣信息進行連接，形成完整裂縫；
[0054]d)相機標定技術
[0055]設備測量范圍為I?20m，在此范圍內，通過試驗法，求得各拍攝距離下每個像素對應的實際尺寸，并通過最小二乘法進行擬合，得到設備測量范圍內的標定曲線；
[0056]2、實施方式:
[0057]a)光學鏡頭I使用定焦鏡頭，鏡頭的光學畸變需要精確標定；在光學鏡頭I視場范圍內某一平面上，安放一定數量的靶標，各靶標之間距離已知；使用工業用CMOS相機5和光學鏡頭I拍攝此平面圖像，精確測定拍攝距離，就可以標定鏡頭的光學畸變。
[0058]b)嵌入式處理模塊7是設備核心部件，由DSP和ARM組成；DSP用于對數字圖像進行采集和處理，提取和識別裂縫信息；ARM用于進行操作控制。嵌入式處理模塊7通過數據線分別與自動對焦模塊2、激光測距模塊3、工業用CMOS相機5、數據存儲模塊8和液晶觸屏9連接；通過ARM內部存儲的控制軟件，可實現自動對焦、激光測距、相機拍攝、數據存儲及顯示等功能。
[0059]c )數據存儲模塊8，包括SDRAM和FLASH，以及USB接口 ；SDRAM用于存儲數據傳輸和處理時的信息，以及中間運算結果。FLASH用于存儲拍攝圖像和最終裂縫信息；USB接口用于將FLASH中保存的信息傳輸至其它設備如計算機。
[0060]d)相機標定技術的實現
[0061]在光學鏡頭I的視場范圍內，距離I米、2米、…、19米、20米等20個平面內，分別安放一定數量的靶標，各靶標之間距離已知；使用工業用CMOS相機5和光學鏡頭I拍攝此平面圖像，根據靶標之間的實際距離Li,以及靶標圖像的像素距離Ii,計算出各距離的放大系數:
[0062]β i =—-
[0063]最后，使用最小二乘法，對各距離的β i進行擬合，設備標定完成。
[0064]3、使用流程
[0065]參見圖2，本實用新型的使用流程為:
[0066]I)啟動設備；嵌入式處理模塊7將自動檢測自動對焦模塊2、激光測距模塊3、工業用CMOS相機5和數據存儲模塊8是否正常；如果不正常，在液晶觸屏9給出提示；如果正常，嵌入式處理模塊7啟動均勻照明光源4，開始照明；
[0067]2)啟動監控畫面；嵌入式處理模塊7啟動工業用CMOS相機5，在液晶觸屏9顯示監控畫面；
[0068]3)調整位置；操作者根據監控畫面，調整設備位置，對準裂縫；然后啟動拍攝；
[0069]4)嵌入式處理模塊7啟動 激光測距模塊3，測量拍攝距離并保存；
[0070]5 )嵌入式處理模塊7啟動自動對焦模塊2，獲得清晰像；
[0071]6)嵌入式處理模塊7啟動工業用CMOS相機5，拍攝含裂縫圖像；
[0072]7)裂縫圖像傳輸并保存至數據存儲模塊8 ；
[0073]8)使用圖像處理技術和相機標定技術，提取裂縫圖像中的裂縫信息；
[0074]9)裂縫信息顯示在液晶觸屏9，并保存在數據存儲模塊8。
[0075]本實用新型的目的在于克服現有技術之不足，提供一種光機電一體化設備，采用非接觸、高精度的攝影測量技術對隧道裂縫進行觀測，采用一體化技術增加設備的便攜性，并使用工業用CMOS相機5和均勻照明光源4增強設備適應苛刻工作條件的能力。
【權利要求】
1.一種鐵路隧道裂縫寬度測量儀，其特征在于:包括自上而下依次電連接的第一階梯系統、第二階梯系統、第三階梯系統、第四階梯系統； 所述第一階梯系統包括光學鏡頭、設置在光學鏡頭一側的自動對焦模塊、設置在光學鏡頭另一側的激光測距模塊以及陣列分布在光學鏡頭周圍的均勻照明光源； 所述第二階梯系統包括工業用CMOS相機和直流電源；所述直流電源(6)為整體系統供電； 所述第三階梯系統包括嵌入式處理模塊和數據存儲模塊；所述嵌入式處理模塊包括DSP和ARM ;所述DSP用于對數字圖像進行采集和處理，提取和識別裂縫信息；所述ARM用于進行操作控制；所述數據存儲模塊包括SDRAM、FLASH以及USB接口 ；所述SDRAM用于存儲數據傳輸和處理時的信息以及中間運算結果；所述FLASH用于存儲拍攝圖像和最終裂縫信息；所述USB接口用于FLASH中保存的信息的傳輸； 所述第四階梯系統為液晶觸屏； 所述嵌入式處理模塊通過數據線分別與自動對焦模塊、激光測距模塊、工業用CMOS相機、數據存儲模塊和液晶觸屏連接。
2.根據權利要求1所述的鐵路隧道裂縫寬度測量儀，其特征在于:所述均勻照明光源至少設置一個。
3.根據權利要求2所述的鐵路隧道裂縫寬度測量儀，其特征在于:所述均勻照明光源為白光LED。
4.根據權利要求1所述的鐵路隧道裂縫寬度測量儀，其特征在于:所述光學鏡頭為定焦鏡頭。
【文檔編號】G01B11/02GK203479260SQ201320539467
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】常何民, 李華, 朱輝 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所