CN112096454A - 隧道衬砌裂缝修复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧道衬砌裂缝修复装置，其包括：图像获取组件，包括摄像机和为摄像机提供光照的光源***；修复组件包括机械臂、置于机械臂前端的多种修复工具，机械臂携带有修复材料；控制***包括信号相连的数据传输单元、三维重构单元和控制指令决策单元，其中，三维重构单元根据摄像机所获取的图像测量数据，计算出待修复的裂缝检测信息；控制指令决策单元根据待修复的裂缝检测信息，从预设的裂缝修复知识库中匹配对应修复工艺，并且以工作指令的形式发送给机械臂，机械臂调用对应的修复工具和修复材料实施对隧道衬砌进行裂缝修复。本发明能实现自动化、一体化的隧道衬砌裂缝检测与即时修复工作。
Description
技术领域
本发明涉及隧道衬砌修复技术领域，特别是涉及一种隧道衬砌裂缝修复装置。
背景技术
衬砌作为隧道的重要组成部分，其质量对于隧道的安全运营至关重要。但由于外部环境和地质条件的不断变化，以及设计、施工、管理和周边其他建构筑物施工等多方面的影响，隧道衬砌在运营期中，常常会出现裂缝、渗漏水、变形、起层和剥落等病害现象，严重威胁到隧道的正常、安全使用。对于这些隧道衬砌病害，裂缝往往是其他病害的源头或开始阶段，因此高效精确地对隧道衬砌裂缝进行检测和修复尤为重要。
人工探查方法是现阶段国内隧道衬砌裂缝检测项目实施中应用最广泛，但也是准确度最低的办法，很多隧道衬砌裂缝是隧道暗环境下无法肉眼识别出来的，因此，会出现大量的漏检裂缝。
申请号为201811486490.5的中国专利公开了一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，通过三维激光扫描仪对隧道断面进行静态自检校采集，得到隧道断面点云数据，进一步识别裂缝数据。但现阶段精度足够的三维激光扫描仪成本较高，难以在广泛的项目时间中推广，且该发明未涉及隧道衬砌裂缝检测完成后的修复工作，未体现其检测结果的完整应用。
另外，人工方式进行隧道衬砌裂缝修复，工作强度大，工作效率较低，并且部分维护材料具有一定的毒性，危害工人身体健康。修复质量取决于工人的经验，不同工人的修复质量参差不齐，修复效果无法得到有效保证。
为了提高隧道衬砌裂缝检测和修复工作的效率，在一定程度上节约成本，急需一种高效、自动化的隧道衬砌裂缝修复装置，可以在隧道内对衬砌进行全方位的裂缝检测和即时修复工作，在节省人力的同时保证裂缝修复质量。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种隧道衬砌裂缝修复装置，用于解决现有技术中隧道衬砌裂缝检测成本高、人工修复效率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种隧道衬砌裂缝修复装置，其包括：
图像获取组件，包括摄像机和为摄像机提供光照的光源***，所述摄像机用于对待修复隧道衬砌区域进行图像测量；
修复组件，包括机械臂、置于机械臂前端的多种修复工具，所述机械臂携带有修复材料；
控制***，包括信号相连的数据传输单元、三维重构单元和控制指令决策单元，其中，
所述数据传输单元与所述机械臂、所述摄像机信号相连；
所述三维重构单元根据所述数据传输单元传输得摄像机所获取的图像测量数据，基于数字照相三维重构算法，计算得到待修复隧道衬砌区域点云三维坐标，根据点云数据计算出待修复的裂缝检测信息；
所述控制指令决策单元根据所述待修复的裂缝检测信息，从预设的裂缝修复知识库中匹配对应修复工艺，并且以工作指令的形式通过数据传输单元发送给所述机械臂，所述机械臂根据所述工作指令调用对应的修复工具和修复材料实施对隧道衬砌进行裂缝修复。
优选的，所述摄像机为双目数字相机，所述图像测量数据的获取过程为：所述控制指令决策单元发送双目照相指令至双目数字相机，所述双目数字相机根据双目照相指令对焦待修复隧道衬砌区域，在不同角度获取多张图像。
优选的，所述待修复隧道衬砌区域点云三维坐标的计算过程包括：
获取所述双目数字相机的内部参数以及所述图像测量数据；
对所述图像测量数据中的各图像进行特征点检测与匹配，计算双目数字相机中两个相机的相对位姿；
立体像对极线校正，通过稠密匹配获取视差图；
由视差图计算转换为点云图，获得待修复隧道衬砌区域的点云三维坐标。
优选的，所述待修复的裂缝检测信息包括裂缝位置、长度、宽度、深度、走向、性质以及填充程度。
优选的，所述图像获取组件固定设置在所述机械臂上。
优选的，所述控制***设置在服务器中，所述服务器与电源相连。
优选的，所述隧道衬砌裂缝修复装置还包括移动平台，所述机械臂、所述图像获取组件以及服务器、电源均置于所述移动平台上。
优选的，所述移动平台上设有升降座，所述机械臂和所述图像获取组件置于升降座上
优选的，所述控制***还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述隧道衬砌裂缝修复装置所到各个工作位置的裂缝检测信息及修复结果。
如上所述，本发明的隧道衬砌裂缝修复装置，具有以下有益效果：其集成数字照相三维重构技术，取代了价格高昂的三维激光扫描仪来完成对隧道衬砌裂缝的精确检测，以此降低检测成本；本装置工作时能实现自动化、一体化的隧道衬砌裂缝检测与即时修复工作，一次性解决项目中遇到的问题，避免大量人工重复工作，节约时间；本装置可以在隧道内对衬砌进行全方位的修复工作，减少人工检测修复的视野盲区，修复过程速度快，精确度高。
附图说明
图1显示为本发明的隧道衬砌裂缝修复装置示意图。
图2显示为本发明的隧道衬砌裂缝修复装置的控制原理示意图。
图3显示为本发明的隧道衬砌裂缝修复装置的施工过程示意图。
元件标号说明
1 摄像机
2 修复工具
3 机械臂
4 数据传输线路
5 电源
6 服务器
7 移动小车
9 隧道
301 摇台
302 转台
303 大臂
304 小臂
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、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，故不具技术上的实质意义，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所能涵盖的范围内。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。
如图1所示，本发明提供一种隧道衬砌裂缝修复装置，其包括：
图像获取组件，包括摄像机1和为摄像机1提供光照的光源***，所述摄像机1用于对待修复隧道衬砌区域进行图像测量；
修复组件，包括机械臂3、置于机械臂3前端的多种修复工具2，所述机械臂3携带有修复材料；
控制***，包括信号相连的数据传输单元、三维重构单元和控制指令决策单元，其中，
所述数据传输单元与所述机械臂、所述摄像机信号相连；
所述三维重构单元根据所述数据传输单元传输得摄像机所获取的图像测量数据，基于数字照相三维重构算法，计算得到待修复隧道衬砌区域点云三维坐标，根据点云数据计算出待修复的裂缝检测信息；
所述控制指令决策单元根据所述待修复的裂缝检测信息，从预设的裂缝修复知识库中匹配对应修复工艺，并且以工作指令的形式通过数据传输单元发送给所述机械臂，所述机械臂根据所述工作指令调用对应的修复工具和修复材料实施对隧道衬砌进行裂缝修复。
本发明将图像获取组件和修复组件集成在一起，通过图像获取组件中的摄像机获取衬砌区域的图像数据，再通过三维重构单元利用数字照相三维重构算法，对图像数据进行计算处理，以此得到待修复隧道衬砌区域点云三维坐标，最终得出待修复的裂缝检测信息，以此控制机械臂动作，实现其调用对应的修复工具和修复材料实施对隧道衬砌进行裂缝修复。本发明集成数字照相三维重构技术，取代了价格高昂的三维激光扫描仪来完成对隧道衬砌裂缝的精确检测，节省了成本；且通过控制机械臂动作完成裂缝修复，实现了自动化、一体化的隧道衬砌裂缝检测与即时修复工作，一次性解决项目中遇到的问题，避免大量人工重复工作，节约时间；本装置可以在隧道内对衬砌进行全方位的修复工作，减少人工检测修复的视野盲区，修复过程速度快，精确度高。
为提高图像数据的采集精度，便于后续三维重构算法的计算，本实施例摄像机1为双目数字相机。上述光源***为摄像机1提供光照，以此提高图像采集质量。本实施例中上述图像测量数据的获取过程为：控制指令决策单元发送双目照相指令至双目数字相机，双目数字相机根据双目照相指令对焦待修复隧道衬砌区域，在不同角度获取多张图像。通过不同角度获取多张图像，以此来提高后续计算的精准度。
具体地，本实施例中控制***设置在服务器6中，该服务器6可为电脑终端，电源5向服务器6、光源***、摄像机1和机械臂3供电，上述数据传输单元通过数据传输线路4与上述摄像机1、机械臂3相连。为便于移动，本实施例中机械臂3、图像获取组件(即摄像机1和光源***)以及服务器6、电源5均置于移动平台上，可通过移动平台调整再隧道内的位置，本实施例的移动平台可为移动小车7。更优的，移动平台上设有升降座，机械臂3和图像获取组件置于升降座上，便于对隧道顶部区域进行修复。
本实施例的隧道衬砌裂缝修复装置，其在公路或铁路的隧道9中的工作过程具体如下：见图2所示，
ⅰ)检测人员可人工推行隧道衬砌裂缝修复装置(以下简称装置)到达隧道9内工作位置，或可通过移动平台上搭载动力及导航***，即移动小车7通过导航线路使装置自动到达隧道内工作位置。调整上述照相组件和机械臂3的高度及机械臂3的姿态，以对准待修复隧道衬砌区域。
ⅱ)通过控制指令开启双目数字相机；
该步骤中，对待修复隧道衬砌区域进行双目立体测量，具体包括：发送双目照相指令至双目数字相机，双目照相指令用于指示双目数字相机对焦待修复隧道衬砌区域，在不同角度获取多张双目相机采集图像，并通过数据传输线路4将图像数据发送至服务器6。
ⅲ)双目立体测量完成后，服务器6中内置三维重构单元和控制指令决策单元；三维重构单元根据所述数据传输单元传输得双目摄像机所获取的图像测量数据，基于数字照相三维重构算法，计算得到待修复隧道衬砌区域点云三维坐标，根据点云数据计算出待修复的裂缝检测信息；控制指令决策单元根据待修复的裂缝检测信息，从预设的裂缝修复知识库中匹配对应修复工艺，并且以工作指令的形式通过数据传输线路4发送给机械臂3，机械臂3根据所述工作指令调用对应的修复工具2和修复材料实施对隧道衬砌进行裂缝修复。
该步骤中，三维重构单元所用的数字照相三维重构算法，具体包括：获取相机内部参数以及图像测量数据；对区域内图像进行特征点检测与匹配，计算双目摄像机中左右相机相对位姿；采用立体像对极线校正，通过稠密匹配获取视差图；由视差图计算转换为点云图，获得点云三维坐标，完成数字照相三维重构。
该步骤中，根据点云数据计算裂缝检测信息，具体包括：由点云三维坐标变化关系确定点云数据中对应存在裂缝的区域，计算得到的裂缝检测信息包括裂缝位置、长度、宽度、深度、走向、性质以及填充程度；裂缝检测信息计算完毕后以可被控制指令决策单元所调用的格式存储于所述服务器6中。
ⅳ)机械臂3接收到工作指令后开始隧道衬砌裂缝修复工作，机械臂3带有多种修复工具和修复材料，可以根据控制***发出的工作指令调用对应的修复工具2和修复材料对隧道衬砌裂缝进行修复。本实施例中机械臂3其为现有技术，对此不进行详细描述，其一般包括转台302、摇台301、大臂303和小臂304，上述修复工具2置于小臂304的前端，通过工作指令可完成自身的回转、伸缩等动作，实现多方位修复衬砌裂缝。
如图3，在隧道9中通过上述步骤完成当前区域隧道衬砌裂缝检测及修复工作后，可以操作移动小车7进一步对当前工作位置的隧道衬砌其他区域或移动工作位置继续进行上述裂缝检测及修复工作，直至完成整个隧道内衬砌裂缝的修复。
在完成当前隧道段的衬砌裂缝检测及修复工作过程中，服务器6中具有存储单元，其将自动以数据和图片形式记录各个工作位置的裂缝检测信息及修复结果以形成数据库，并可部分以人工方式录入备注信息及修复结果。在完成高效、准确的全方位隧道衬砌裂缝检测和即时修复工作的同时，有效减少人工重复机械工作，有效提高隧道衬砌结构维护的工作效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于，包括：
图像获取组件，包括摄像机和为摄像机提供光照的光源***，所述摄像机用于对待修复隧道衬砌区域进行图像测量；
修复组件，包括机械臂、置于机械臂前端的多种修复工具，所述机械臂携带有修复材料；控制***，包括信号相连的数据传输单元、三维重构单元和控制指令决策单元，其中，
所述数据传输单元与所述机械臂、所述摄像机信号相连；
所述三维重构单元根据所述数据传输单元传输得摄像机所获取的图像测量数据，基于数字照相三维重构算法，计算得到待修复隧道衬砌区域点云三维坐标，根据点云数据计算出待修复的裂缝检测信息；
所述控制指令决策单元根据所述待修复的裂缝检测信息，从预设的裂缝修复知识库中匹配对应修复工艺，并且以工作指令的形式通过数据传输单元发送给所述机械臂，所述机械臂根据所述工作指令调用对应的修复工具和修复材料实施对隧道衬砌进行裂缝修复。
2.根据权利要求1所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述摄像机为双目数字相机，所述图像测量数据的获取过程为：所述控制指令决策单元发送双目照相指令至双目数字相机，所述双目数字相机根据双目照相指令对焦待修复隧道衬砌区域，在不同角度获取多张图像。
3.根据权利要求2所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述待修复隧道衬砌区域点云三维坐标的计算过程包括：
获取所述双目数字相机的内部参数以及所述图像测量数据；
对所述图像测量数据中的各图像进行特征点检测与匹配，计算双目数字相机中两个相机的相对位姿；
立体像对极线校正，通过稠密匹配获取视差图；
由视差图计算转换为点云图，获得待修复隧道衬砌区域的点云三维坐标。
4.根据权利要求1所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述待修复的裂缝检测信息包括裂缝位置、长度、宽度、深度、走向、性质以及填充程度。
5.根据权利要求1所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述图像获取组件固定设置在所述机械臂上。
6.根据权利要求1所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述控制***设置在服务器中，所述服务器与电源相连。
7.根据权利要求6所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述隧道衬砌裂缝修复装置还包括移动平台，所述机械臂、所述图像获取组件以及服务器、电源均置于所述移动平台上。
8.根据权利要求7所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述移动平台上设有升降座，所述所述机械臂和所述图像获取组件置于升降座上。
9.根据权利要求1所述的隧道衬砌裂缝修复装置，其特征在于：所述控制***还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述隧道衬砌裂缝修复装置所到各个工作位置的裂缝检测信息及修复结果。
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