【摘 要】
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为缓解城市土地资源紧张,改善城市环境,我国对于地下空间的开发日益重视,且开发能力越来越成熟。其中隧道占据地下空间开发的比重极大,据统计,到2020年底,我国投入运营的铁路隧道总长度约19630公里。隧道规模的日益庞大,伴随着安全问题的产生。由于现有的自动化检测设备成本高、效率较低,无法适应实际使用的要求。因此对于隧道的安全检测仍以人工检测为主。但是人工检测易受隧道天窗短、照明不足以及人工疏忽等因素
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为缓解城市土地资源紧张,改善城市环境,我国对于地下空间的开发日益重视,且开发能力越来越成熟。其中隧道占据地下空间开发的比重极大,据统计,到2020年底,我国投入运营的铁路隧道总长度约19630公里。隧道规模的日益庞大,伴随着安全问题的产生。由于现有的自动化检测设备成本高、效率较低,无法适应实际使用的要求。因此对于隧道的安全检测仍以人工检测为主。但是人工检测易受隧道天窗短、照明不足以及人工疏忽等因素带来误差。基于结构光的三维扫描技术是目前三维检测中研究的热点问题,其中基于单目线结构光的三维扫描技术具备精度高和速度快的优点,备受国内外研究者关注,但是在扫描后需要对点云数据进行点云配准。本文在对现有三维扫描模型进行分析的基础上,提出基于环形结构光的三维扫描检测模型对隧道内壁进行扫描检测,巧妙运用环形结构光的闭环特性,在扫描后不需要对其进行点云配准,单次扫描即可获取内部全貌点云数据,利用得到三维点云数据对隧道进行安全检测。具体工作内容如下:（1）环形结构光传感器三维扫描检测模型的建立。对当前常见的结构光视觉扫描模型的优劣性进行分析总结,结合隧道自身的特点提出基于环形结构光的隧道内壁三维扫描检测模型。该模型的扫描设备由摄像机、环形结构光和轨道小车组成;根据隧道本身的特征建立三维检测数学模型,并对其进行实验验证。实现了方便简捷、动态高效、高精度的三维扫描检测。（2）摄像机参数标定和结构光条纹中心提取。摄像机参数标定选用张正友摄像机标定算法。对常用的结构光条纹中心提取算法进行实验对比,最终根据环形结构光条纹的特点与实验结果选择使用Hessian矩阵法对环形结构光条纹进行光条纹中心提取。（3）环形结构光传感器扫描模型的标定。该部分的标定主要分为棋盘格平面方程参数(6,(7,(8,(9标定和环形结构光锥面方程参数(61,(62,(63,(64,(65,(66,(67,(68,(69标定两部分。将环形结构光投射到贴有标定靶的棋盘格平面上,计算出其棋盘格角点在摄像机坐标系下的三维坐标,使用这些角点坐标对标定靶平面进行标定。使用线面相交的方法计算出此时环形结构光在摄像机坐标系下的三维坐标,使用计算得到的环形结构光三维坐标对环形结构光参数进行标定。将实验系统进行搭建与标定完成后,对不同材质的实物模型进行扫描发现,塑料材质的花盆扫描点云数据与实际数据绝对误差在2.045mm,相对误差在0.314%;纸箱的扫描点云数据与实际数据绝对误差在2.804mm,相对误差在0.596%;走廊的扫描点云数据与实际数据绝对误差在17.892mm,相对误差在0.568%。在获取点云速率上达到20000p/s。实验表明该方法具有精度高、高效简洁、鲁棒性好等特点。对扫描得到的三维点云数据进行检测实验验证,其能够有效检测到内壁上的凸起,方法简单有效。该方法可用于管道或隧道内壁三维测量与检测中。
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