(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210737775.1 (22)申请日 2022.06.27 (71)申请人 长安大学 地址 710064 陕西省西安市雁塔区南 二环 路中段 (72)发明人 马建　吴学勤　王建锋　宋宏勋　 潘清云　刘水宙　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 范巍 (51)Int.Cl. G01N 21/88(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置及方 法 (57)摘要 本发明一种旋转式隧道衬砌的图像采集装 置及方法， 伺服电机与旋转平台转动连接， 旋转 平台安装角位移传感器， 伺服电机驱动器与控制 器连接， 角位移传感器、 伺服电机驱动器连接比 较器。 相机和照明灯沿弧形旋转支架方向固定， 相邻拍摄区域重叠， 两侧布置照明灯， 工控机通 过分频板与图像采集卡、 相机和照明灯连接， 图 像采集卡与相机、 图像处理系统连接。 采集图像 时， 控制器通过伺服电机驱动器驱动伺服电机， 旋转平台旋转， 角位移传感器输出脉冲信号， 通 过比较器判断是否到指定位置； 客车行驶， 光电 编码器发出脉冲信号， 相机、 照明灯、 图像采集卡 触发， 图像采集卡获取图像， 转换后图像处理系 统处理得到拼接后图像， 另一侧隧道衬砌按相同 过程采集。 权利要求书3页 说明书9页 附图7页 CN 115128084 A 2022.09.30 CN 115128084 A 1.一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 包括客车车体、 旋转装置、 图像 采集系统和图像处 理系统； 所述的旋转装置包括弧形旋转支架(3)、 伺服电机驱动 器和安装在客车车体的底盘(4) 上的旋转机构， 旋转机构包括旋转平台和伺服电机， 伺服电机的输出端与旋转平台转动连 接， 弧形旋转支架(3)的下端固定在旋转平台上， 旋转平台的上表面安装有角位移传感器， 伺服电机驱动器的输入端与控制器的输出端连接， 角位移传感器的输出端和 伺服电机驱动 器的输出端均连接在工控机的比较 器中； 所述图像采集系统包括光电编码器(16)、 图像采集卡(18)和CMOS面阵相机(6)和LED频 闪照明灯(5)， 光电编码 器(16)固定在客车车体的车轮轮轴上， 图像采集卡(18)安装在工控 机中， 若干个CM OS面阵相机(6)和若干个LED频闪照明灯(5)均沿弧形旋转支架(3)的圆周方 向均匀固定， 相邻两个CMOS面阵相机(6)的拍摄区域重叠设置， CMOS面阵相机(6)的两侧均 布置有一组LED频闪照明灯(5)， 工控机的输出端通过分频板(17)分别与图像采集卡(18)、 每个CMOS面阵相机(6)和LED频闪照明灯(5)的输入端连接， 图像采集卡(18)的输入端与每 个CMOS面阵相机(6)的输出端 连接， 图像采集卡(18)的输出端与图像处理系统连接， 图像处 理系统用于将图像采集 卡(18)获取的图片进行 预处理后得到拼接后的图像。 2.根据权利要求1所述的旋转式 隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 所述的客车车 体中布置有操作室(2)， 操作室(2)中放置有伺服电机驱动器、 控制器和工控机柜， 工控机柜 中安装有工控机 。 3.根据权利要求1所述的旋转式 隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 还包括安装在 底盘(4)上方的发电机(1)， 客车车体中的发动机通过传动带与发电机(1)连接， 发电机(1) 的输出端连接在工控机柜内的电源中， 所述电源与工控机连接 。 4.根据权利要求1所述的旋转式 隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 所述工控机中 同步控制电路 的输出端分别 连接到CMOS面阵相机总线上和LED频闪照明灯总线上， 若干个 LED灯串联形成一个LED频闪照明灯(5)， 若干个LED频闪照明灯(5)并联连接在LED频闪照明 灯总线上， 若干个C MOS面阵相机(6)并联 连接到CMOS面阵相机总线上。 5.根据权利要求1所述的旋转式 隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 所述的旋转平 台包括底座(15)、 第一交叉滚子轴承(11)、 第二交叉滚子轴承(13)、 第一齿轮(12)、 第二齿 轮(14)和旋转台面(8)； 所述的底座(15)包括圆形底板和固定在所述圆形底板上表面中心的第 一圆环， 第一圆 环的中心与圆形底板的中心重合， 第一圆环的直径小于圆形底板， 圆形底板固定在底盘(4) 上表面的中心， 第二交叉滚子轴承(13)外表面与第一圆环 内壁贴合， 第一齿轮(12)中心的 上表面和下表面对称固定有第二圆环和第三圆环， 第三圆环的外壁与第二交叉滚子轴承 (13)内表 面贴合， 第一交叉滚子轴承(11)套设在第二圆环的外壁上， 旋转台面(8)包括圆形 顶板和固定在所述圆形顶板下表面中心的第四圆环， 第四圆环的内壁贴合在第一交叉滚子 轴承(11)的外表面， 伺服电机的输出端与第一齿轮(12)转动连接 。 6.根据权利要求5所述的旋转式 隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 所述的伺服电 机位于底座(15)的一侧， 伺服电机通过一个支架固定在底盘(4)上， 第二齿轮(14)安装在伺 服电机的输出轴上， 第一齿轮(12)和第二齿轮(14)啮合设置 。 7.根据权利要求1所述的旋转式 隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 所述的弧形旋权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115128084 A 2转支架(3)所对应圆环的圆心与待采集隧道所对应的圆心重合， LED频闪照明灯(5)均安装 在第一支架上， CMOS面阵相机(6)均安装在第二支架上， 第一支架和第二支架均固定在弧形 旋转支架(3)上， CMOS面阵相机(6)两侧的LED频闪照明灯(5)所发出的光线与CMOS面阵相机 (6)到隧道衬砌表面(19)的垂线夹角均为5～8度。 8.根据权利要求1所述的旋转式 隧道衬砌的图像采集装置， 其特征在于， 还包括固定在 弧形旋转支架(3)上的激光传感器(7)， 激光传感器(7)为3～5个， 每个激光传感器(7)与LED 频闪照明灯(5)的一端贴合设置， 每个激光传感器(7)与相应的CMOS面阵相机(6)位置相对， 每个激光传感器(7)的输出端与工控机的输入端连接 。 9.一种旋转式隧道衬砌的图像采集方法， 其特征在于， 基于权利要求1～8中任意一项 所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置， 包括如下步骤： 步骤1， 客车进入隧道后， 控制器向伺服电机驱动器发出指令， 驱动伺服电机开始工作， 带动旋转平台旋转， 使弧形旋转支架(3)旋转至与客车长度方向垂 直， 角位移传感器将旋转 平台的位置变化输出为脉冲信号， 伺服电机驱动器产生的脉冲信号与角位移传感器输出的 脉冲信号在比较器中进 行比较， 若所述的两个脉冲信号相等， 控制器通过伺服电机驱动器， 使伺服电机停止工作； 若所述的两个脉冲信号不相等， 控制 器通过伺服电机驱动器驱动伺 服电机带动旋转平台旋转， 直至所述的两个脉冲信号相等， 再按相同的过程停止伺服电机 工作； 步骤2， 客车开始行驶， 光电编码器(16)发出脉冲信号给工控机， 工控机对信号进行变 换后经分频板(17)， 分别得到触发CMOS面阵相机(6)、 LED频闪照明灯(5)和图像采集卡(18) 的脉冲信号， 当CMOS面阵相机(6)接收到脉冲信号的上升沿开始触发， 之后LED频闪照明灯 (5)接收脉冲信号的上升沿触发LED频闪照明灯(5)， 图像采集卡(18)触发后， 获取CMOS面阵 相机(6)的图像信号， 经 过AD转换， 转换成图像处 理系统能够识别的数字信号； 步骤3， 图像处理系统依次对图像进行中值滤波去噪、 归一化和柱面投影， 然后求取所 得柱面全景图中参考区和待拼接区中每个像素点的方向梯度幅值， 计算参考区和待拼接区 中各子区域内每个像素点的方向梯度幅值总和占整体监测区域每个像素点的梯度幅值总 和的比重， 对占比最大 的子区域进行特征点提取， 之后匹配得到两个最大子区域的匹配点 对集合， 剔出误匹配特征点， 最后消除参考区和待拼接区拼接处的拼接缝， 完成一侧隧道衬 砌的图像采集； 步骤4， 按照步骤1～步骤3的过程对另一侧隧道衬砌的图像进行采集， 完成对隧道衬砌 的图像采集。 10.根据权利要求9所述的旋转式隧道衬砌的图像采集方法， 其特征在于， 步骤2中， 当 工控机计算到CM OS面阵相机(6)镜头到隧道衬砌表 面的最短直线H满足以下关系时， CMOS面 阵相机(6)在景深范围内拍照： H0‑ΔL1<H<H0+ΔL2； 其中H0为隧道口处激光传感器到隧道衬砌表面的垂直距离， ΔL1为前景深， ΔL2为后景 深， H按如下公式得到： 其中A为CMOS面阵相机(6)的视野， f为CMOS面阵相机(6)的镜头焦距， a为C  MOS面阵相权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115128084 A 3