一种隧道内连续自动拍摄装置及其使用方法

技术领域

本申请涉及隧道巡检设备技术领域，特别是涉及一种隧道内连续自动拍摄装置及其使用方法。

背景技术

地铁运营里相当部分属于地下隧道形式，隧道巡检是非常重要的隧道日常安全保障工作之一，其主要作用是发现隧道表面的病害与缺陷，例如：裂缝、渗水、剥落、形变等。对病害进行建档登记，跟踪其发展变化情况，评估病害的严重程度、发展变化速度等；为病害的治理、修复等提供重要参考依据，为消除隧道安全隐患，避免事故发生，保障车辆安全通行提供了基础保障。

在现有的隧道巡检中，通过人工方式的巡检存在成本高、效率低、人员工作环境差、人员安全性低等问题，由于主要使用强光手电作为照明工具，很容易造成漏检，尤其对于隧道拱腰以上和拱顶的病害检测，需要借助高空升降平台车或脚手架，人员劳动强度大、速度慢、效率低、效果差、安全性不佳。因此出现了隧道自动巡检机器人，巡检机器人的底盘一般为具备在轨道或公路上运动的车辆。巡检时，该车辆以一定速度和给定方向在隧道内行驶，同时车辆上装备的一组照相机等图像获取装置会对隧道表面进行拍摄。由于一台相机每次拍摄只能获取一张一定幅面尺寸的隧道图像，因此照相机需要在主控系统的协调指挥下，随着车辆的行进，按照一定的间隔距离进行连续自动拍摄，才能获取隧道表面的连续、完整图像资料。在现有技术中，巡检机器人的成像方式一般有两种，分别为：一种是在巡检机器人上额外配备另一组拍摄视角朝向轨道和地面方向的下视照相机，其用于拍摄轨道上的固定装置一一扣件。如果各扣件之间的间隔距离是固定的和可知的，则可以通过人工智能等一定技术手段，对扣件进行识别和计数，就可以知道车辆向前移动的距离了；另一种是通过激光测距仪等手段对扣件与测距仪之间的距离进行一定频率的采样，当距离变短到一定阈值时，视为经过一个扣件，当识别的扣件数量达到设定数值时，也即车辆向前运动的距离达到设定的数值时，即可由主控系统协调，自动触发负责隧道表面拍摄的那组照相机进行下一张照片的拍摄，如此循环下巡检机器人即可完成对隧道的自动拍摄任务，获取隧道的连续、完整图像资料。

上述几种巡检机器人的方案存在几个关键问题：其一，公路隧道内无相应扣件，因此统计扣件数量的方法并不能适用于公路隧道；其二，扣件拍摄识别计数可能会出现错误，导致图像获取的连续性遭到破坏，或者拍摄效率受到影响；虽然下视照相机拍摄一张照片后，可以对照片中的扣件进行计数，但是下视照相机本身的下一次拍摄动作应该在什么时间完成？如果下一次拍摄过早，第二张照片中的扣件可能与第一张照片中的扣件重复，造成扣件计数比实际数量大；如果下一次拍摄过晚，两张照片之间可能有扣件没有被拍摄到，造成扣件计数比实际数量小；其三，为了对扣件进行计数，需要额外配备照相机和配套的人工智能算法等模块，增加了成本；其四，扣件识别的可靠性、可维护性等不同程度上存在问题，扣件本身有多种型号，虽然一条隧道中一般使用同一种型号，但多条隧道就无法保证一致性，因此系统需要对多种扣件进行识别，项目成本和实施周期不好保障，而且一旦出现新型号的扣件，系统的人工智能算法就需要重新进行训练、测试、升级、试用、验收等，对甲乙双方的资金、人力、时间方面都是负担，而且人工智能算法本身的识别成功率，理论上是一个概率。其五，隧道的工作环境比较恶劣，扣件难免会受到油渍、灰尘、锈蚀甚至螺丝断裂、异物覆盖，异物高度与扣件高度相近等干扰，会加剧相机拍照方案和激光测距方案的误判，导致识别和计数错误；其六，扣件之间的间距并非严格等距，允许有30～40mm水平调整量，因此用于病害定位的累计误差会比较大。

发明内容

本发明涉及到一种隧道内连续自动拍摄装置及其使用方法。巡检机器人的拍摄工作需要保证隧道表面资料的完整性，因此机器人所配照相机拍摄的两张相邻照片之间，不能出现间隔，而且还需要有一定重合，在巡检机器人拍下第一张照片后，下一张照片的拍摄时机就成为满足上述要求的关键，本发明解决该问题的具体实施方式如下：

一种隧道内连续自动拍摄装置及其使用方法，包括：

行走部，行走部匀速行进用于在弧形隧道内沿其长度方向行进；

若干个采集单元，其沿弧形隧道的弧向等距均匀布设于行走部周侧，各采集单元均由进行图像采集的拍摄组件和进行成像测距的测距组件组成，相邻拍摄组件的图像扫描区域之间设有横向图像重叠部，横向图像重叠部用于后期图像拼接融合后对弧形隧道内壁单一点位的全面覆盖；

拍摄触发组件，拍摄触发组件内置有用于检测单次运动距离的位移检测结构，同一拍摄组件沿弧形隧道长度方向连续拍摄的两照片之间设置有纵向图像重叠部，纵向图像重叠部用于后期周向图像拼接融合后对弧形隧道内壁连续点位的全面覆盖；

控制器，其信号输入端电性接于拍摄组件、测距组件和车体内的驱动部件，其信号输出端通过通信模块无线接于远端总控台，拍摄触发组件以较低精度要求的单次运动距离作为检测目标，控制器通过统计单次运动距离内纵向图像重叠部的个数或拍摄组件的拍摄次数来保障拍摄图像的连续性和完整性。

基于以上技术方案，通过高可靠、低成本的设备，以较低精度要求的运动距离作为检测目标，实现向主控系统反馈拍照“达标”信号的目的，用以保障拍摄图像的连续性和完整性。

优选的，单一拍摄组件包括摄像机和设于摄像机周侧的补光照明灯组成，各摄像机的拍摄按键集成于一体，且其摄像端整体上覆盖于整个弧形隧道的内壁，所有摄像机同步完成弧形隧道内壁一组照片的拍摄。

优选的，行走部包括负责承载控制器、采集单元和拍摄触发组件的车体，以及与车体相接的底盘，底盘基于公路或铁路系统。

优选的，位移检测结构具有三种设置方式，分别为：

其一，位移检测结构包括一个测距轮，测距轮接有旋转编码器，且旋转编码器电性接于控制器。

基于以上技术方案，测距轮一种用于测量距离的工具。它由一个轮子和一个旋转编码器组成。使用测距轮时将轮子放在地面上，当轮子滚动时，测量装置会记录每个轮子的完整旋转，并将其转化为经过的距离。测距轮通常具有高精度的测量装置，可以提供准确的距离测量结果；同时使用测距轮也非常简单，只需将轮子放在地面上并推行即可完成距离测量。

旋转编码器是一种传感器，用于测量物体的旋转运动和位置。旋转编码器由光电传感器和旋转编码盘组成，光电传感器通常位于测距轮的中心轴上，通过检测旋转编码盘上的光学标记，来感知旋转角度和速度。当旋转编码盘旋转时，光电传感器会产生脉冲信号；旋转编码盘与测距轮轴相连，并随着轮子的滚动而旋转。旋转编码盘上的光学标记会反射光电传感器的光束，从而触发光电传感器生成脉冲信号。测距轮内部的电路会记录和处理这些脉冲信号，并将其转换为线性距离。

其二，位移检测结构包括奇数个测距轮，且测距轮的数量大于1，控制器收到各旋转编码器的输入值并根据投票机制确认最终运动距离的输入值。

基于以上技术方案，通过投票机制决定采信哪个数据作为最终测距值，大幅提高可靠性。因测距轮精度要求不高，这种方案的成本也仅会稍有增加。

其三，位移检测结构包括惯性传感器，且惯性传感器电性接于控制器，惯性传感器是一种能够测量物体加速度和角速度的传感器设备。它利用物体的惯性原理来感知和测量运动状态和变化。

基于以上技术方案，惯性传感器由加速度计和陀螺仪两部分组成，加速度计用于检测行走部的运动状态，陀螺仪用于感知物体的角度变化和旋转速度，包括偏航、俯仰和横滚等方向。

优选的，还包括与远端总控台电性相接的图像处理单元，图像处理单元包含有图像拼接融合、病害智能识别、统计分析和病害修复管理功能。

基于以上技术方案，图像拼接融合、病害智能识别、统计分析和病害修复管理功能均为对现有技术的应用，针对每个输入图像，首先需要提取特征点或特征区域，常用的特征提取算法包括SIFT、SURF、0RB等，这些算法能够在不同图像中检测到类似的关键点或特征区域；通过对特征点或区域进行匹配，找到在不同图像中相对应的特征点或区域。特征匹配可以使用诸如FLANN、RANSAC等算法来实现；根据特征匹配的结果，计算得到不同图像之间的相对位置和变换关系，进而实现对病害的智能识别。拼接可以简单地通过对图像进行叠加或混合来实现，也可以利用图像融合算法进行优化，以消除拼接处的不连续性和视觉差异。常用的图像融合方法包括线性混合、多频段混合、拉普拉斯金字塔混合等。当检测到病害信息后，图像内还会采集隧道中为了标识距离信息每隔一定距离给出的里程标识，如百米标、里程标等，通过对这些标识信息的智能识别与解读，可以粗略定位病害位置范围(如YDK15+300，代表右线15公里又300米处等)。

优选的，一种隧道内连续自动拍摄装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤S100、行走部将装置行驶和停靠到待巡检隧道的指定地点，由控制器负责标记当前位置，并作为起始位置。

步骤S200、测距组件具体为激光测距仪，各激光测距仪检测其与弧形隧道内壁之间的距离，致使行走部的初始位置优选放置于弧形隧道的中心位置处。

步骤S300、基于步骤S100，行走部启动在控制器的安排下，沿弧形隧道的长度方向进行向前运动；

同时，拍摄触发组件开始记录向前运动的距离。

步骤S400、在拍摄触发组件记录的距离达到事先设定好的长度阈值后，向控制器发出“达标”信号，同时重置测距距离为零，并重新进行测距，重复此过程，直至控制器发出暂停或停止测距的指令；

阈值的大小取决于纵向图像重叠部的尺寸大小及阈值范围内纵向图像重叠部的期望个数，且弧形隧道的总长度为阈值的整数倍。

步骤S500、控制器在收到拍摄触发组件反馈的“达标”信号后，同时向采集单元发出拍摄和测距指令，控制拍摄与测距同步进行。

步骤S600、采集单元中的各拍摄组件和其配套的测距组件完成同步拍照和测距，测距值与拍摄的照片存在一一对应关系；

拍摄系统将照片暂存在本地存储器中，本地存储器集成于车体内，且其电性接于控制器，控制器将采集单元暂存的照片和配套的拍照距离信息异步传输到控制器内的暂存区中，两份照片数据可互为备份。

步骤S700、控制器将持续接收来自拍摄触发组件的“达标”信号，并重复上述步骤S500和步骤S600，直至行走部到达事先标定好的停止位置。

步骤S800、建立控制器与远端总控台之间的连接，控制器中暂存的照片数据及相关参数传输到远端总控台中，远端总控台负责对照片进行拼接融合、病害数据识别标记工作。

综上，本申请包括以下有益技术效果：

1.本发明的可靠性高，与传统的使用扣件图像识别、扣件距离采样检测等方式触发拍照的方式相比，本发明采用统计单次运动距离内拍摄组件的拍摄次数来保障拍摄图像的连续性和完整性。

2、本发明的完整性更高，解决了因传统触发方式导致隧道图像采集遗漏的问题，通过控制各横向图像重叠部的尺寸，一次巡视检查就可以获得隧道的完整图像信息。

3、本发明的成本更低，相比传统的纯人工巡检，本系统可以有效减少在巡检方面的人力投入，将这部分节约下的人力资源，投入到病害治理和隧道健康恢复方面，降低了巡检的成本，同时使用结构简单、价格低廉、精度不高的测距轮方式，实现了稳定可靠的拍照触发方式。

附图说明

图1是本发明的电气原理图；

图2是本发明应用过程中横截面结构的示意图；

图3是本发明中纵向采集过程中俯视结构的剖面图；

图4是本发明中横向采集过程中俯视结构的剖面图。

附图标记说明：

1、控制器，2、采集单元，3、通信模块，4、行走部，5、拍摄触发组件，6、远端总控台，7、弧形隧道，201、拍摄组件，202、测距组件，203、横向图像重叠部，204、纵向图像重叠部，401、底盘，402、车体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种隧道内连续自动拍摄装置及其使用方法。

实施例1

参照图1至图4，一种隧道内连续自动拍摄装置，包括行走部4、六个采集单元2、拍摄触发组件5和控制器1，行走部4匀速行进用于在弧形隧道7内沿其长度方向行进，采集单元2沿弧形隧道7的弧向等距均匀布设于行走部4周侧，各采集单元2均由进行图像采集的拍摄组件201和进行成像测距的测距组件202组成，相邻拍摄组件201的图像扫描区域之间设有横向图像重叠部203，拍摄触发组件5内置有用于检测单次运动距离的位移检测结构，弧形隧道7总长度是单次运动距离的数倍，同一拍摄组件201沿弧形隧道7长度方向连续拍摄的两照片之间设置有纵向图像重叠部204，本结构中纵向图像重叠部204和横向图像重叠部203的尺寸设置在20cm左右。

控制器1信号输入端电性接于拍摄组件201、测距组件202和行走部4内的驱动部件，其信号输出端通过通信模块3无线接于远端总控台6，拍摄触发组件5以较低精度要求的单次运动距离作为检测目标，控制器1通过统计单次运动距离内纵向图像重叠部204的个数或拍摄组件201的拍摄次数来保障拍摄图像的连续性和完整性。

单一拍摄组件201包括摄像机和设于摄像机周侧的补光照明灯组成，各摄像机的拍摄按键集成于一体，且其摄像端整体上覆盖于整个弧形隧道7的内壁，所有摄像机同步完成弧形隧道7内壁一组照片的拍摄。

行走部4包括负责承载控制器1、采集单元2和拍摄触发组件5的车体402，以及与车体402相接的底盘401，底盘401基于公路或铁路系统，本结构中行走部4可以是有人驾驶的，也可以是自动驾驶的。行走部4的动力装置可以是基于新能源的，也可以是基于传统化石燃料的。

位移检测结构可以包括一个测距轮，测距轮接有旋转编码器，且旋转编码器电性接于控制器1。

位移检测结构也可以包括3个测距轮，控制器1收到各旋转编码器的输入值并根据投票机制确认最终运动距离的输入值，投票机制为少数服从多数原则。

位移检测结构也可以仅包括惯性传感器，且惯性传感器电性接于控制器1。

实施例2

参照图1至图4，基于上述实施例的内容，本实施例提供了一种隧道内连续自动拍摄装置的使用方法，具体包括以下步骤：

步骤S100、行走部4将装置行驶和停靠到待巡检隧道的指定地点，由控制器1负责标记当前位置，并作为起始位置。

步骤S200、测距组件202具体为激光测距仪，各激光测距仪检测其与弧形隧道7内壁之间的距离，致使行走部4的初始位置优选放置于弧形隧道7的中心位置处。

步骤S300、基于步骤S100，行走部4启动在控制器1的安排下，沿弧形隧道7的长度方向进行向前运动；

同时，拍摄触发组件5开始记录向前运动的距离。

步骤S400、在拍摄触发组件5记录的距离达到事先设定好的长度阈值后，向控制器1发出“达标”信号，同时重置测距距离为零，并重新进行测距，重复此过程，直至控制器1发出暂停或停止测距的指令；

阈值的大小取决于纵向图像重叠部204的尺寸大小及阈值范围内纵向图像重叠部204的期望个数，纵向图像重叠部204一般需要20cm左右，阈值为2米左右，其与拍摄距离有关，但一般在1.5米至3米之间。

特别注意：拍摄触发组件5的任务并非是进行长距离精准测距，而是在2米左右的短距离范围内完成精度±5CM的测距任务即可。而每次测距前都进行距离重置清零，所以不存在累计测距误差问题，保证了系统对测距精度的低要求，而因为精度要求低，可以大幅降低此系统的成本。

步骤S500、控制器1在收到拍摄触发组件5反馈的“达标”信号后，同时向采集单元2发出拍摄和测距指令，控制拍摄与测距同步进行。

步骤S600、采集单元2中的各拍摄组件201和其配套的测距组件202完成同步拍照和测距，测距值与拍摄的照片存在一一对应关系；

拍摄系统将照片暂存在本地存储器中，本地存储器集成于车体402内，且其电性接于控制器1，控制器1将采集单元2暂存的照片和配套的拍照距离信息异步传输到控制器1内的暂存区中，两份照片数据可互为备份。

步骤S700、控制器1将持续接收来自拍摄触发组件5的“达标”信号，并重复上述步骤S500和步骤S600，直至行走部4到达事先标定好的停止位置。

步骤S800、上述工作完成后，建立控制器1与远端总控台6之间的连接；

将控制器1中暂存的照片数据及相关参数如拍摄顺序、拍摄距离等传输到远端总控台6中，远端总控台6负责对照片进行拼接融合、病害数据识别标记工作。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。