考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法及系统

技术领域

本申请涉及桥梁裂缝测量技术领域，具体而言涉及一种考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法及系统。

背景技术

基于桥检车的测量成本高，耗费人力多。因此需要研发体积小、成本低、精度高、使用方便的便携式非接触测量装置，以便于桥梁维护时方便的对裂缝进行测量。

已有的桥梁缝隙测量手段可采用平行激光器光柱中心间距作为测量基准，将平行激光束对准被测目标进行拍照，在图像中提取激光光斑中心，将该中心距作为测量基准，图像像素作为测量刻度，以达到高精度、便携式的裂缝测量目标。

但是，现有测量手段下，当应用便携式裂缝测量装置进行裂缝测量时，为获得较高的测量精度，通常需要保证目标平面与拍照平面平行。但在实际测量中，由于缝隙所处位置复杂，难以架设调整激光设备安装位置，因而难以保证目标平面与拍照平面完全平行。现有技术中，一旦两者之间倾斜角度较大，则还需要考虑倾斜角度对测量精度的影响，对倾斜角度做造成的测量偏差进行修正。

发明内容

本申请针对现有技术的不足，提供一种考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法及系统，本申请通过对激光光斑的拟合获得光斑椭圆两轴之间比例进而获得激光器中心连线与被测平面的夹角，从而推算出拍摄视角、物距，准确计算出缝隙的实际宽度。本申请具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法，其步骤包括：分别对若干相互平行的激光束投射所形成的光斑进行椭圆拟合；确定拟合所得光斑椭圆的水平轴，记录其轴长L

可选的，如上任一所述的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法，其中，转动激光束发射终端并拍摄不同旋转角度下激光束投射所形成的光斑图像时，转动角度至少覆盖为激光束发射终端两端激光器中心连线与被测裂缝所在平面的夹角为0时的状态。

可选的，如上任一所述的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法，其中，激光束发射终端两端激光器中心连线与被测裂缝所在平面的夹角β＝arccos(L

可选的，如上任一所述的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法，其中，通过旋转的角度确定近端微型激光器及其对应的激光光斑的步骤包括：以被测平面为原点所在平面，以沿着激光束发射终端屏幕的水平方向从左向右为x轴，以沿着激光束发射终端屏幕的水平方向从下向上为z轴，以指向被测平面的方向为y轴建立坐标系，根据不同微型激光器与被测平面的距离，计算激光束发射终端绕z轴的旋转角度values[3]，通过旋转的角度确定近端微型激光器及其对应的激光光斑。

可选的，如上任一所述的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法，其中，被测平面上两端激光光斑中心点距离l

可选的，如上任一所述的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法，其中，根据两端激光光斑中心点在被测平面图像中的像素位置，确定成像参数，并由此计算被测平面图像中裂缝所占像素位置、数量所对应的裂缝宽度的具体步骤包括：根据两端激光光斑中心点在被测平面图像中的像素位置以及成像视角内响度总数2n，计算被测平面到成像中心的距离L，以及激光束发射终端两端激光器中心连线与被测裂缝所在平面的夹角β，并由此计算裂缝的实际宽度为

可选的，如上任一所述的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法，其中，根据两端激光光斑中心点在被测平面图像中的像素位置以及成像视角内响度总数2n，计算被测平面到成像中心的距离L，以及激光束发射终端两端激光器中心连线与被测裂缝所在平面的夹角β的具体步骤包括：根据

其中，l

同时，为实现上述目的，本申请还提供一种基于如上任一所述方法的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量系统，其包括：激光束发射终端，其上安装有微型激光器，用于向被测平面投射若干相互平行的激光束；旋转机构，其连接激光束发射终端，用于驱动激光束发射终端在与被测平面之间间距不变的状态下转动；相机，其实时采集激光束发射终端激光束在被测平面投射所形成的光斑；运算单元，其用于对各激光束投射所形成的光斑进行椭圆拟合，确定拟合所得光斑椭圆的水平轴，记录其轴长L

可选的，如上任一所述的所述的系统，其中，所述激光束发射终端中设置有至少三个投射角度相互平行的微型激光器，三个微型激光器在被测平面投射所形成的光斑无交叉或重叠。

有益效果

本申请所提供的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法及系统，其利用激光束发射终端在被测平面上投射形成光斑，通过对光斑的拟合以及对光斑不同旋转角度图像的分析计算出相机拍摄光斑及被测平面上缝隙时的成像参数。由此，本申请能够直接通过相机拍摄所得的被测平面上缝隙所占的像素位置和像素数量计算出对应的缝隙宽度，实现对缝隙尺寸的精准测量。本申请的相机在拍摄缝隙及光斑图像时无需对激光设备安装位置和安装角度进行校准，无需考虑倾斜角度对测量精度的影响，因而检测更为简便，所得数据更为准确。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本申请的考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法的步骤流程示意图；

图2是本申请的裂缝宽度测量系统中激光束发射终端与被测平面上光斑投射方式结构示意图；

图3是本申请系统中相机成像原理的示意图；

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

图1为本申请所提供的一种考虑平行激光束倾斜角度的裂缝宽度测量方法的步骤流程图，其利用图2，所示的激光束发射终端向被测平面投射若干相互平行的激光束，然后根据相机所采集的激光束发射终端激光束在被测平面投射所形成的光斑进行分析计算，通过如下步骤计算获得被测平面图像中裂缝的实际宽度：

分别对若干相互平行的激光束投射所形成的光斑进行椭圆拟合；

确定拟合所得光斑椭圆的水平轴，记录其轴长L

保持激光束发射终端与被测平面之间间距，转动激光束发射终端并拍摄不同旋转角度下激光束投射所形成的光斑图像；

根据不同旋转角度下激光束投射所形成的光斑图像找出所有激光光斑拟合所得光斑椭圆中最短的轴长L

根据水平轴轴长L

通过旋转的角度确定近端微型激光器及其对应的激光光斑；

根据激光束发射终端两端激光器中心之间的实际距离l

根据两端激光光斑中心点在被测平面图像中的像素位置，确定成像参数，并由此计算被测平面图像中裂缝所占像素位置、数量所对应的裂缝宽度。

其具体计算原理说明如下：

(1)对检测终端上两个平行激光束照射到被测平面的光斑进行椭圆拟合的过程中：

假设两束激光处于理想的平行状态，且所照射处为同一平面，则由于激光的短距离发散程度较低，可知当存在影响裂缝测量精度的倾斜角度时，两束激光在被测平面上的光斑可拟合成椭圆，两束激光光斑的椭圆长轴、短轴及长轴倾斜角可认为接近相同，因此，分别计算拟合出的两个椭圆各点数据和光斑边缘原始数据对应误差平方和的均值，计算公式如下：

从计算结果中，找到两个椭圆中MSE最小的一个，设为m，则设置：

由于A

(2)确定所拟合出椭圆的水平轴：首先连接两个椭圆的圆心，根据该连线与两轴之间的夹角来确定两轴中哪一个为水平轴，选择与连线夹角较小的轴作为水平轴，记录其轴长L

(3)在移动终端距离测量平面距离基本不变的前提下，转动移动终端，使移动终端上的激光束所在平面与被测量平面的夹角发生变化，变化过程至少覆盖为夹角为0时的状态，并在旋转时拍摄各角度时的被测平面(含激光光斑)图片。

(4)对拍摄的各张被测平面图片进行图像处理分析，采用椭圆拟合等方法对图片中的激光光斑进行拟合，计算各个激光光斑所拟合出椭圆的长轴及短轴长度，找出所有激光光斑所拟合椭圆中最短的轴长L

(5)通过L

(6)根据移动终端上两激光束距离，计算被测平面激光光斑中心点间的距离。首先确定距离被测平面较近的激光器发出的激光光斑，确定方法如下：设置坐标系如下图所示，假设以纸面作为被测平面，移动终端与被测平面平行且微型激光器连线保持水平，则x轴的方向是沿着移动终端屏幕的水平方向从左向右，z轴的方向是沿着移动终端屏幕的水平方向从下向上，y轴的方向是从手机垂直指向被测平面。则坐标系中y轴是表征移动终端中不同微型激光器与被测平面距离的坐标轴，若两个微型激光器与被测平面的距离不同，则移动终端应是绕z轴有旋转角度，因此，利用移动终端中的方向传感器获取移动终端沿着z轴的旋转角度values[3]，通过旋转的角度可确定近端微型激光器及其对应的激光光斑。

(7)已知两端微型激光器中心点的实际距离为l

l

(8)根据裂缝所占像素的位置及数量计算裂缝宽度如下：

参考图3，设A、B分别为两端的激光光斑中心在被测平面上的实际位置，则AB＝l

上式中，l

其中d为片幅的对角线长度，f为焦距，w为被摄对象的成像宽度，W为被测对象的实际宽度，在本方法中，W＝l

则假设CD为实际的被测裂缝宽度，P

通过式(7)即可计算得到裂缝实际宽度。

以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。