面向隧道視覺檢測的多軸調焦機構設計

劉 曉

(山西省交通科學研究院山西省公路智能監(jiān)測工程技術研究中心，山西太原 030006)

0 引言

基于視覺的隧道快速檢測系統(tǒng)是獲取隧道病害信息的重要手段之一［1-4］，其核心任務是高質量的獲取目標區(qū)域的襯砌圖像。但是，由于光學系統(tǒng)對光照強度要求較高［5-6］，各隧道斷面尺寸不同，并且在行車過程中，車輛運動產(chǎn)生的振動、顛簸以及軌跡變化將導致相機CCD靶面偏離焦平面［7-9］，從而降低成像分辨率，影響圖像采集質量。為了提高隧道快速檢測系統(tǒng)的適應性，同時得到高質量的隧道襯砌圖像［10］，需要在隧道視覺檢測系統(tǒng)中設計調焦機構，以補償由于外界環(huán)境變化引起的離焦問題。

本文以提高隧道圖像采集質量為出發(fā)點，分析引起隧道成像離焦的主要因素，提出提升圖像采集質量的措施，確定調焦方案，并設計一種應用于公路隧道視覺檢測的多自由度調節(jié)機構。在此基礎上，分析該調節(jié)機構工作原理，并著重給出了主要零部件的設計方法。

1 調焦方案的確定

1.1 引起離焦的主要因素

公路隧道內(nèi)部光照強度有限，視覺采集系統(tǒng)對外界環(huán)境的適應性降低。由于隧道斷面尺寸不同、行車軌跡不確定、外界多維擾動等原因，都會導致相機拍攝距離變化，使隧道襯砌面位于數(shù)字相機、激光光源等視覺采集設備最佳工作范圍之外。

1.1.1 隧道斷面尺寸對圖像采集質量的影響

隧道標準內(nèi)輪廓斷面由起拱線高度、拱部圓弧半徑等參數(shù)描述，依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70—2004)，高速公路隧道以雙洞單向兩車道為主，設計時速有 60、80、100、120 km·h－1，分別對應不同的建筑限界橫斷面。4種公路等級對應的起拱線高度分別為 6.74、7.03、7.31、7.72 m，對應的拱部圓弧半徑分別為 5.14、5.43、5.7、6.12 m。

以 60 km·h－1和 120 km·h－1的隧道為例，同一位置處拍攝距離相差1 m左右，特別是對于單向三車道的大斷面公路隧道，起拱線高度約8.9 m、拱部圓弧半徑約7.4 m，同一位置處的差距更大，達到2 m以上。

1.1.2 行車軌跡對圖像采集質量的影響

車輛在隧道中按正常車速行駛時，速度約20 m·s－1。經(jīng)試驗測試表明，受駕駛員駕駛習慣、路面顛簸、周圍車流量等影響［11-13］，車輛行駛過程中沿車道橫向偏移量為±0.5 m，這將導致拍攝距離最遠相差±0.7 m。

由以上分析可知，多種因素導致數(shù)字相機、激光光源等視覺采集設備與被測物之間距離波動范圍為±1 m，致使被測物處于光源最佳照射和相機焦距范圍外，從而降低成像分辨率，甚至無法獲取圖像，嚴重影響后期圖像自動處理與病害識別。

1.2 提升圖像采集質量的措施

隧道視覺采集系統(tǒng)的光學元器件主要有數(shù)字相機和激光光源，都通過光學方法進行調焦提升圖像采集質量。該方法的基本原理是通過移動光學鏡頭中的透鏡改變焦距，或是通過調整遙感器焦面的位置進行調焦，從而調整數(shù)字相機至最佳拍攝距離或激光光源至最佳照射距離。

本文所述的隧道快速檢測系統(tǒng)，當應用于斷面尺寸不同的隧道時，在檢測工作前需要根據(jù)斷面尺寸調整相機和激光光源的各光學參數(shù)。由于光學系統(tǒng)配套復雜的機械固定裝置，因此調整起來非常困難。特別是行車軌跡對圖像采集質量的影響，這種影響是行車過程隨機產(chǎn)生的，通過調節(jié)光學系統(tǒng)參數(shù)無法滿足實時性及功能性要求。綜合考慮上述原因，為使隧道快速檢測系統(tǒng)總體結構更加合理，調焦方式更加方便，本系統(tǒng)采用一套多自由度調節(jié)機構［14］，實時檢測光學系統(tǒng)與隧道襯砌之間的距離，通過機械方法間接調整光學系統(tǒng)參數(shù)，從而達到快速調焦的目的。

1.3 調焦方案的確定

通過機械方法調焦的原理為，通過一套多軸調整機構，實時調節(jié)各相機與隧道襯砌間的距離，同時為了保證相機調整距離后，能夠采用最佳姿態(tài)拍攝斷面，因此還需要設計可調整各相機姿態(tài)角的裝置?？紤]到檢測系統(tǒng)對該調整機構占用空間進行了嚴格約束，因此擬采用伺服電機、電動缸方案實現(xiàn)單組相機、光源沿隧道襯砌方向的位移調節(jié);采用電機、回轉驅動方案實現(xiàn)單組相機、光源的轉角調節(jié)，使其軸線始終與拍攝面法線平行。圖1為所述多軸調節(jié)機構三維示意，該機構具有一個十自由度的機械手，以電動缸及回轉驅動處電機作為系統(tǒng)輸入，多組視覺采集設備沿其導軌方向移動和繞其安裝面旋轉運動為系統(tǒng)輸出，在伺服電機作用下，視覺采集設備運動至指定的空間位置和姿態(tài)。

圖1 多軸調節(jié)執(zhí)行機構

2 調整機構設計

2.1 工作原理

以設計時速為80 km·h－1的雙車道隧道為基準，確定各組相機及激光光源的視場角、焦距、景深和擴散角等參數(shù)。車輛行駛過程中，激光三維掃描儀實時采集隧道斷面尺寸，獲得關于隧道斷面的三維點云數(shù)據(jù)，同時根據(jù)激光三維掃描儀中心點所在位置獲得車輛偏移數(shù)據(jù)。在上述數(shù)據(jù)采集、計算結果的基礎上，依據(jù)數(shù)字相機視場角、待檢隧道圓弧長以及相鄰兩組相機拍攝圖片的重疊率這3個參數(shù)，獲得每組相機調姿角，即回轉驅動的轉動角度。判斷各組視覺采集設備與待檢隧道襯砌表面之間的距離，并與數(shù)字相機的景深作對比，如果在數(shù)字相機和激光光源景深范圍內(nèi)，就無需調整視覺采集設備的移動量;如果上述距離值超過景深，則將該差值作為各組視覺采集設備的調整量，即滑動導軌的移動位移。

2.2 設計實例

多軸調節(jié)機構各部件組成如圖2所示，主要包括支撐平臺、移動執(zhí)行機構和轉動執(zhí)行機構。其中移動執(zhí)行機構由導軌、滑塊、移動平臺、絲杠和伺服電機構成;轉動執(zhí)行機構由回轉驅動、調姿平臺和伺服電機組成。

圖2 多軸調節(jié)執(zhí)行機構各部件組成

支撐平臺設計如圖3所示。支撐平臺需具備重量輕、剛度大等特點，宜選用鎂鋁合金板材。其設計半徑為700 mm、厚度為20 mm。圖3中點O為圓心點，L1～L5分別為5組移動副中心線，其與水平方向夾角分別為 0°、45°、90°、135°、180°;S1～S5 為導軌定位槽，定位槽是420 mm×200 mm的矩形，深度均為2 mm，其長邊與移動副中心線平行。螺紋孔位于定位槽內(nèi)，螺紋孔尺寸為M6、相鄰孔間隔為60 mm，與移動副中心線的距離為75 mm。導軌型號為SEG-GD14NA，長度為2 200 mm;絲杠長度為2 000 mm，直徑為16 mm，導程為2 mm，其中絲杠軸線與對應移動副中心線平行。移動平臺設計如圖4所示，采用鎂鋁合金板材，下端面通過螺紋孔k1與對應滑塊連接，上端面通過螺紋孔k2、k3與絲杠、回轉驅動固定環(huán)連接，其中螺紋孔k1、k2、k3的尺寸分別為 Ф6.5、Ф6.5、Ф8.5 mm，回轉驅動型號為 SE3。

圖3 支撐平臺設計

圖4 移動平臺設計

圖5 調姿平臺設計

調姿平臺設計如圖5所示，采用鎂鋁合金板材，上端面通過螺紋孔k4與視覺采集設備連接，下端面通過螺紋孔k5與回轉驅動轉動環(huán)連接，其中螺紋孔k4、k5的尺寸分別為Ф5.5、Ф6.5 mm。

回轉驅動處的伺服電機型號為安川SGM7J-02AFC6S，額定功率為200 W、額定扭矩為0.64 Nm、額定轉速為3 000 rpm;絲杠處伺服電機型號為SGM7J-02AFC7B，額定功率為500 W、額定扭矩為1.32 Nm、額定轉速為3 000 rpm。

3 結 語

本文在分析隧道視覺檢測系統(tǒng)現(xiàn)有問題的基礎上，提出了一種利用機械方式解決視覺采集設備離焦問題的方法。設計了一種空間多自由度調節(jié)機構，由彼此獨立的5組運動執(zhí)行機構構成，可實現(xiàn)各組視覺采集設備的獨立、實時調整，使待采集的目標區(qū)域始終位于數(shù)字相機和激光光源的最佳拍攝和最佳照射范圍內(nèi)，從而達到高質量圖像采集的目標，相關成果為下一步基于機器視覺的公路隧道檢測車的研制和設計奠定了理論基礎。

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