面陣固態(tài)激光雷達(dá)在排水管道檢測中應(yīng)用研究

王永濤，邵 春

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

近幾年全球氣候異常，暴雨頻發(fā)，城市內(nèi)澇時(shí)有發(fā)生。排水管道肩負(fù)著運(yùn)輸城市生活污水和雨水的功能，其是否通暢關(guān)系著人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此，排水管道完整性檢測具有重要的意義。

排水管道完整性檢測技術(shù)很多，激光掃描是其中一項(xiàng)重要技術(shù)，目前主要采用單點(diǎn)激光和機(jī)械圓周掃描式激光設(shè)備來檢測管道[1-3]。單點(diǎn)激光測量距離遠(yuǎn)、精度高，但只能檢測出管道某個(gè)點(diǎn)的位置，不能形成一個(gè)面[4-7]。機(jī)械式激光設(shè)備是在馬達(dá)的驅(qū)動下，激光頭繞著管道側(cè)壁四周旋轉(zhuǎn)掃描，能形成管道的二維縱切面輪廓圖，但掃描速度慢，縱向精度依賴于馬達(dá)角速度的穩(wěn)定性，并且體積大、功耗大、機(jī)械故障多、穩(wěn)定性差[8-10]，也只能形成一個(gè)二維圖，管道輪廓無法立體化。面陣固態(tài)激光雷達(dá)是近年發(fā)展起來的一種激光技術(shù)，它通過多個(gè)發(fā)射裝置和多個(gè)接收裝置同時(shí)工作，利用信號相位和強(qiáng)度信息區(qū)分空間定位，能一次檢測出一定角度內(nèi)整個(gè)面的管道內(nèi)壁完整性信息，從而形成管道真三維輪廓圖像[11]。本文設(shè)計(jì)一種基于面陣固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)的管道輪廓完整性檢測系統(tǒng)，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)通過電力線編解碼后，傳給主控制器形成三維圖像，供排水管道管理部門使用。

1 總體設(shè)計(jì)思路

排水管道面陣固態(tài)激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要用于檢測排水管道內(nèi)壁完整性信息，包括管道塌陷、管道變形、管道裂縫、泥沙堆積、樹根插入以及支管連接等影響污水排放的因素信息。整個(gè)系統(tǒng)由探頭、繞線盤、爬行器和主控制器組成。

圖1 面陣固態(tài)激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)示意圖

爬行器是動力裝置，負(fù)責(zé)在排水管道中行走，可以執(zhí)行各種運(yùn)動控制命令。

探頭搭載在爬行器上，其由控制電路和激光雷達(dá)傳感器兩部分組成，由于一個(gè)固態(tài)激光雷達(dá)傳感器照射的角度有限，采用多個(gè)傳感器均勻布置在探頭周圍，可以同時(shí)采集到管道周圍所有的內(nèi)壁信息，經(jīng)過軟件拼接處理后，生成管道內(nèi)壁三維圖像。

繞線盤一端連接主控制器，另一端連接爬行器和探頭，繞線盤的內(nèi)部集成了400脈沖的編碼器，可以計(jì)算爬行器的行進(jìn)距離，最小距離分辨率可達(dá)1 mm，其標(biāo)配是纏繞150 m電纜線。電纜線抗拉耐磨，為了減輕重量，便于現(xiàn)場實(shí)際操作儀器，電纜線只有2股線，采用電力線技術(shù)傳輸電源的同時(shí)，也傳輸控制命令和數(shù)據(jù)。

主控制器接收激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，電力線解碼后，生成管道內(nèi)壁三維點(diǎn)云圖或深度圖，工作人員根據(jù)圖形現(xiàn)場調(diào)整各種參數(shù)，發(fā)送參數(shù)命令給爬行器和探頭，采集到最好的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

排水管道面陣固態(tài)激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，主要由探頭和主控制器兩部分電路構(gòu)成。

圖2 儀器硬件電路設(shè)計(jì)框圖

探頭硬件電路以MCU芯片PIC32MZ2048EFH144為核心，通過串口與5路激光雷達(dá)傳感器通信，接收激光雷達(dá)深度和空間位置信息。高速數(shù)據(jù)緩存在QSPI接口存儲器SST26VF064B中，數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)收發(fā)器LAN8740A傳輸給電力線模塊，編碼后數(shù)據(jù)加載在48 V直流電壓線上，通過雙絞線傳輸給主控制器。當(dāng)一幀圓周輪廓數(shù)據(jù)采集完后，驅(qū)動爬行器前進(jìn)，再采集下一幀的管道圓周數(shù)據(jù)。

主控制器通過雙絞線接收到數(shù)據(jù)后，同樣經(jīng)過電力線模塊解碼，以太網(wǎng)收發(fā)器轉(zhuǎn)換后傳輸給控制器芯片，內(nèi)部緩存后整理成每包512 B，通過USB接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)。同時(shí)編碼器模塊計(jì)數(shù)值換算成距離值，此距離值即為探頭在管道中距離檢查井的距離，距離值占5 B，隨數(shù)據(jù)包傳輸給計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)場技術(shù)人員發(fā)布的命令，按上面描述的相反方向傳輸給探頭，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置和控制。

2.1 面陣固態(tài)激光雷達(dá)傳感器

面陣固態(tài)激光雷達(dá)傳感器采用海伯森科技的HPS3D160模塊，采用850 nm波長的紅外光，檢測最大距離可達(dá)8 m，檢測盲區(qū)為0.25 m，距離精度為厘米級，每幀輸出數(shù)據(jù)包括深度值、平均距離、信號強(qiáng)度、弱信號像素?cái)?shù)量、飽和像素?cái)?shù)量、最大距離和最小距離等[12]。工業(yè)級IP67防水防塵設(shè)計(jì)適用于排水管道的惡劣環(huán)境，模塊不需要額外加工，直接安裝在探頭上即可使用。單個(gè)傳感器管道軸向視場角為32°，60個(gè)距離分辨點(diǎn)；管道圓周縱向視場角為76°，160個(gè)距離分辨點(diǎn)，對應(yīng)的距離分辨率表示為：

式中：d1，d2分別為管道軸向距離分辨率和縱向距離分辨率；l是視場角對應(yīng)的圓弧長度；h是激光測量的距離。由式（1）和式（2）中可以計(jì)算出在距離1 m處的管道軸向分辨率約為0.93 cm，縱向分辨率約為0.83 cm。由此可以得出縱向分辨率優(yōu)于軸向分辨率，并且隨著距離的增加，分辨率逐漸降低。傳感器模塊內(nèi)部集成濾波和補(bǔ)償算法，可以利用軟件算法提高分辨率。

激光傳感器數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖3所示，5路傳感器通過串口和MCU連接，此處注意TTL電平轉(zhuǎn)換。由于MCU是3.3 V電平，RXD線路通過電阻上拉到5 V電源增強(qiáng)驅(qū)動能力，同時(shí)TXD線路上使用外設(shè)引腳選擇功能，選擇可承受5 V電壓的引腳。每幀面陣固態(tài)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)有76 896 B，先存儲在緩存器SST26VF064B中，然后再打包通過以太網(wǎng)發(fā)送給主控制器。

圖3 激光傳感器電路原理圖

2.2 以太網(wǎng)收發(fā)器電路

以太網(wǎng)收發(fā)器采用MICROCHIP公司的LAN8740A芯片，其與MCU連接電路圖如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)收發(fā)器電路原理圖

引腳9上拉至電源設(shè)置芯片工作在簡化的MII接口模式，從CLKIN引腳輸入50 MHz信號，作為收發(fā)總線上的時(shí)鐘，時(shí)鐘信號線上串接33Ω電阻抑制反射電流。MODE[2：0]引腳邏輯默認(rèn)為“111”，設(shè)置芯片工作在自動協(xié)商機(jī)制的100M全雙工模式。

PHYAD[2：0]引腳邏輯默認(rèn)為“000”，用于設(shè)置以太網(wǎng)端口物理層地址。9根信號線與MCU通信，包括收發(fā)數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線和控制信號線。

兩組差分信號線TXP、TXN和RXP、RXN通過網(wǎng)絡(luò)變壓器連接到電力線模塊，把信號加載到電源線上傳輸，每根信號線上拉4.99Ω電阻到電源，下拉12 pF電容到地，保證信號的穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

面陣固態(tài)激光雷達(dá)傳感器HPS3D160模塊每一幀采集9 600個(gè)點(diǎn)深度數(shù)據(jù)，點(diǎn)陣分布圖如圖5所示，管道圓周縱向每一行160個(gè)點(diǎn)，管道軸向每一列60個(gè)點(diǎn)，從左到右，從上到下依次排列。每個(gè)點(diǎn)深度數(shù)據(jù)占2 B，加上24 B全局信息數(shù)據(jù)，每一幀測量數(shù)據(jù)包共19 224 B。

圖5 一幀激光雷達(dá)點(diǎn)陣分布圖

探頭中MCU芯片PIC32MZ2048EFH144與5路激光雷達(dá)傳感器連接，并采集數(shù)據(jù)發(fā)送出去，主程序流程如圖6所示。

圖6 探頭主程序流程

軟件實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）系統(tǒng)初始化

MCU芯片上電后，首先配置內(nèi)部時(shí)鐘，讓處理器工作在高速運(yùn)行狀態(tài)。通過外設(shè)引腳選擇功能配置引腳端口，使其與外圍芯片正確連接，例如設(shè)置U1RXR[3：0]寄存器邏輯為“0011”，數(shù)據(jù)方向選擇寄存器TRISD相應(yīng)位邏輯為“1”，使第98引腳RPD10擔(dān)負(fù)起串口1數(shù)據(jù)接收功能，與激光雷達(dá)傳感器U7的數(shù)據(jù)輸出引腳TXD1連接，建立通信通道。配置5個(gè)串口模式和波特率后，發(fā)送命令設(shè)置5個(gè)激光雷達(dá)傳感器位于不同的地址，后續(xù)按設(shè)備地址讀取數(shù)據(jù)。清空緩存器SST26VF064B，為存儲數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。設(shè)置全局變量n為“1”，表示從第1個(gè)傳感器開始采集數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)采集階段

激光雷達(dá)傳感器有三種模式，分別為待機(jī)模式、單次測量模式和連續(xù)測量模式。由于連續(xù)測量模式數(shù)據(jù)量太大，本文系統(tǒng)設(shè)置為單次測量模式。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，MCU通過串口1讀取傳感器1的19 224 B數(shù)據(jù)，并存儲到緩存器中。全局變量n增加1，讀取下一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，直到5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)讀完。除了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)外，還要采集探頭的姿態(tài)信息，包括探頭的傾角、轉(zhuǎn)角和方位角等[13]，后續(xù)在成像時(shí)，姿態(tài)信息用于校準(zhǔn)管道三維圖，使其更接近真實(shí)管道。

3）數(shù)據(jù)傳輸階段

當(dāng)激光雷達(dá)傳感器深度數(shù)據(jù)和探頭姿態(tài)信息采集完后，打成一個(gè)符合以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)幀包，通過電力線模塊傳輸給主控制器。

4）爬行器移動

當(dāng)上一幀激光雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)后，爬行器需要移動一段距離，為下一幀的數(shù)據(jù)采集做準(zhǔn)備。移動的距離不是固定的，是由激光雷達(dá)傳感器管道軸向視場角32°和排水管道的管徑共同決定，目的是使連續(xù)兩幀數(shù)據(jù)中間不能有管道圓周斷層，同時(shí)也不能重疊太多，影響排水管道檢測效率。

5）主控制器數(shù)據(jù)處理階段

主控制器根據(jù)編碼器計(jì)數(shù)模塊得到探頭在管道中距離檢查井的距離，接收到探頭的幀數(shù)據(jù)包后，根據(jù)5個(gè)激光雷達(dá)傳感器的安裝方位，按照圖5的點(diǎn)陣分布用姿態(tài)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，重組48 000個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，把空間坐標(biāo)與激光雷達(dá)點(diǎn)對應(yīng)[14]。數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口傳輸給計(jì)算機(jī)顯示三維圖像，清晰的三維輪廓圖像可以分析出排水管道內(nèi)壁的完整性信息。

4 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，選取實(shí)驗(yàn)室頂棚作為實(shí)驗(yàn)場景，用已知尺寸的物品作為實(shí)驗(yàn)對象。圖7是某一幀面陣固態(tài)激光雷達(dá)測試數(shù)據(jù)和相機(jī)照片的對比圖。從圖中可以看出，激光雷達(dá)點(diǎn)云圖和深度圖中日光燈、吊扇、頂棚大梁等物品都清晰可見，位置和輪廓信息與相機(jī)照片都是對應(yīng)的。

圖7 面陣固態(tài)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和照片對比圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，用標(biāo)準(zhǔn)工具測量了日光燈、吊扇、頂棚大梁的實(shí)際尺寸和距離，根據(jù)固態(tài)激光雷達(dá)傳感器的原理，依據(jù)式（1）和式（2）并加入插值濾波算法[15]，在實(shí)測深度圖中用軟件計(jì)算出了對應(yīng)的檢測值，對比結(jié)果如表1所示。

表1 檢測量和實(shí)際量對比

經(jīng)過對圖7和表1的數(shù)值進(jìn)行分析，得出以下結(jié)果：

1）不管是實(shí)驗(yàn)物品尺寸，還是實(shí)驗(yàn)物品檢測距離，面陣固態(tài)激光雷達(dá)檢測量與實(shí)際量都相差不大，最大的誤差率為1.94%，說明面陣固態(tài)激光雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)是可信的。

2）從固態(tài)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和照片對比圖中可以看出，吊扇支柱是可以分辨出來的，而日光燈支柱是分辨不出來的。實(shí)測吊扇支柱直徑為1.8 cm，日光燈支柱直徑為1.0 cm，得出固態(tài)激光雷達(dá)測量精度在1.8 cm左右。

3）隨著檢測距離的增加，面陣固態(tài)激光雷達(dá)的檢測精度逐漸降低。通過多個(gè)模擬場地多次實(shí)驗(yàn)對比，此技術(shù)適用于測量距離5 m以內(nèi)的圓形管道或方形管涵。

儀器實(shí)物現(xiàn)場測試圖如圖8a）所示，繞線盤纏繞150 m電纜線，電纜線一端連接探頭，另一端連接主控制器，主控制器通過USB口連接計(jì)算機(jī)，組成一個(gè)完整的面陣固態(tài)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照方位把空間坐標(biāo)與激光雷達(dá)點(diǎn)對應(yīng)，對5個(gè)激光雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成排水管道一段內(nèi)壁圓周深度圖。按照管道行進(jìn)深度把每小段拼接起來，構(gòu)成一條排水管道激光雷達(dá)三維深度圖，如圖8b）所示。從三維深度圖中可以明顯分辨出這條波紋管基本完好，沒有管道塌陷、管道變形的情況，但管道底部有泥沙堆積，管道頂部有污垢凝結(jié)，需對這條排水管道進(jìn)行清淤除垢處理。

圖8 儀器現(xiàn)場測試照片和數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文對排水管道中面陣固態(tài)激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，面陣固態(tài)激光雷達(dá)能快速檢測出排水管道中絕大部分缺陷，其檢測精度能滿足要求。在實(shí)際應(yīng)用中，本文系統(tǒng)可以和管道視頻機(jī)器人一起使用，把管道內(nèi)壁深度信息疊加到視頻圖像中，形成三維全景圖像，便于后續(xù)對管道輪廓進(jìn)行量化分析。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)用性高、檢測速度快，具有良好的市場應(yīng)用前景。