[发明专利]基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法，激光光源发射激光束在成像屏上成像，摄像机对激光光斑图像进行采集，运用灰度处理、自适应中值滤波、最大类间差法对光斑处理，得到光斑中心的位置坐标。在地下管线缓慢移动，即可得到一系列测量点的光斑中心的位置坐标，由霍尔里程计获得各个测量点之间的距离。结合所有测量的位置等信息，推算并重建管线轴心线的形状和方位。本发明不需破坏管线周围环境，不受到地下管线网交错密集和周围复杂电磁环境干扰，测量结果更加精确。

技术领域

本发明属于计量检测技术领域，特别是一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法。

背景技术

在城市地下管线探测普查中，由于当前城市地下管道网交错密集、相互叠加不一，如果在地表上使用地下管线检测仪进行管线位置检测，这就使得精确测量变得十分困难。这也对现有的地下管线探测技术提出了挑战，探测技术要求适应各种各样的探测环境、探测管径，并且高效精度的完成探测任务。

目前设备处于应用到实际工程中的探测仪器主要有两种：管线探测仪、探地雷达。管线检测仪和探地雷达都是外置式设备仪器，在地表直接进行探测普查。但现代城市的地下管线错综复杂而且埋设于地下的深度不一，各种地下管线相互交错、叠加在一起，如果在地表上使用管线检测仪或者探测雷达无法分辨出需要测量的管线，测量的结果精确性无法保证。而且探测环境复杂，有可能分布着电力线、城市强磁场等，在管线周围形成的电磁场就要受到强电磁信号的干扰，会严重影响了观测到的真实电磁场的空间分布，导致测量误差较大，严重时造成测量结果失真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统及方法，克服地下管线网交错密集和周围复杂电磁环境的干扰，精确度高。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光光斑位置的地下管道空间方位测量系统，包括霍尔里程计和图像采集模块和处理模块；

图像采集模块由两个定心结构组成，其中一个定心机构的一端固定激光发射器，另一个定心机构固定CMOS摄像机和成像屏，两个定心机构由万向节连接；利用摄像机采集成像屏上激光光斑，处理模块对激光光斑进行灰度变换、自适应中值滤波、阈值分割，通过圆拟合方法定位激光光斑坐标并计算曲率信息；

霍尔里程计用于获取各个测量点之间的距离，处理模块结合测量得到的管线轴心线上的测量点曲率信息、每个测量点间的轴向距离信息，确定测量点的三维坐标信息并重建管线轴心线的形状和方位。

一种地下管道空间方位测量方法，包括以下步骤：

步骤1、万向节连接左右两个定心结构，一个定心结构是用于固定激光发射器，另一个定心结构是用于固定成像屏和摄像机，激光发射器和成像屏相向设置；激光器射出的激光光束沿着管道轴心线的切线方向，摄像机镜头到成像屏的距离固定不变，且等于它的焦距，利用摄像机采集这一过程中的激光光斑图像；

步骤2、当测量系统在弯曲的管线中缓慢前进，两个定心结构随管道弯曲而相对运动，同样激光光斑位置也随管道的弯曲变化而相对移动，利用霍尔里程计获取地下管线轴心线上各个测量点之间的距离，获得一系列离散测量点的激光光斑和各个测量点之间的距离；

步骤3、对激光光斑图像处理，首先对图像进行灰度变换增强激光光斑和背景的对比度，然后对激光光斑的图像采取自适应中值滤波，采用最大类间方差法得到比较理想的激光光斑的边缘和轮廓；最后利用基于最小二乘法的圆拟合算法来提取激光光斑的中心位置坐标并计算曲率信息；

步骤4、在已知地下管线起始点的位置坐标的情况下，结合测量得到的管线轴心线上的离散点曲率信息、每个离散点间的轴向距离信息，确定离散点的三维坐标信息，并重建管线轴心线的形状和方位。