【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于测量，公开了一种用于管道内壁的测量装置及测量方法，具体涉及构件的管道内壁轮廓的测量装置和测量方法，该测量装置和测量方法适用于管道内壁、具有内部槽的构件尺寸、空间三维轮廓的测量，对构件内壁和内径测量可进行针对性的优化，且测量效率较高。
技术介绍
1、由于，通过管道内壁的高精度测量可以推算管道各位置的管壁厚度、管道制造过程中的圆度和直度、以及使用一段时间后废旧管内部的缺陷等数据，并且以此评估管道的制造精度、制造质量和管道状态等数据，因此，对于管道内壁的测量就显得尤为重要。
2、通常，管道内壁的测量主要体现在各种尺寸参数的测量，例如包括长度测量、圆测量、角度测量、弧度测量、面积测量等。
3、对于规则结构的测量，可以使用千分尺、游标卡尺、塞尺等工作并结合肉眼人工测量，但这样的测量方法测量精度低、速度慢，不能满足大规模自动化生产的需要。
4、对于不规则结构例如椭圆、弯曲内壁面等的测量，由于没有固定曲线方程，不能通过计算式重构，导致多次拼接测量时存在偏差，而采用一次性测量也存在较大的问题，例如，一方面，由于结构内部较大的测量范围角度(整个内壁360°)而无法进行一次性测量，需要多个设备进行多次测量后拼接形成完整的面，另一方面，由于不规则结构的测量曲面无法通过曲线拟合修正，导致只能凭借设备精度保证测量质量。
5、现有技术中，对于规则和不规则结构的测量均可采用双目视差、结构光、阵列激光、飞行时间等多种方式。但是，由于存在测量时间、测量精度等的差异，对于不同结构的具体测量方式会有所差异
技术实现思路
1、本专利技术提供一种用于管道内壁的测量装置及测量方法，通过将管道内部形成的平面激光线作为结构光参考，结合光学几何结构的方式进行计算得到管道内壁轮廓和尺寸，一次性地实现了管道内壁尤其是不规则管道内壁的三维结构数据的快速测量，不但有效避免了现有技术中管道内壁测量需要采用多个设备多次拼接所带来的测量速度慢、拼接误差、设备数量多、以及管径断面测量精度难以矫正和无闭环参考等的问题，而且大大提升了测量精度和测量速度，填补了管道内壁高精度测量技术的空白。
2、为实现上述目的，本专利技术实施例采用如下技术方案：
3、本专利技术的一个方面在于，提供一种用于管道内壁的测量装置，所述测量装置适于设置在管道内，其特征在于，包括激光器、摄像头以及依次位于所述激光器和所述摄像头之间的第一圆锥反光镜和第二圆锥反光镜；所述激光器适于产生环形光线；所述第一圆锥反光镜适于将所述激光器产生的环形光线反射至所述管道内壁并形成平面激光线；所述第二圆锥反光镜适于将所述平面激光线再次反射至所述摄像头以通过所述摄像头进行成像。
4、可选地，所述平面激光线的中心轴线与所述第一圆锥反光镜的中心轴线、所述第二圆锥反光镜的中心轴线以及所述摄像头的中心轴线重合。
5、可选地，所述第一圆锥反光镜的锥面面向所述激光器，以适于将所述环形激光器产生的环形光线反射至所述管道内壁并且形成所述平面激光线；所述第二圆锥反光镜的锥面面向所述摄像头，以适于将所述平面激光线反射至所述摄像头以通过所述摄像头进行成像。
6、可选地，所述摄像头包括cmos感光元件；所述cmos感光元件的类型与所述激光器的激光类型相适应；所述cmos感光元件适于在所述平面激光线反射至所述摄像头时形成cmos平面；所述cmos平面垂直于所述摄像头的轴线。
7、可选地，所述的测量装置还包括适于固定所述激光器、所述第一圆锥反光镜、所述第二圆锥反光镜、以及所述摄像头的壳体；所述壳体允许光线透过，以使所述第一圆锥反光镜反射的环形光线适于透过所述壳体到达所述管道内壁、以及使所述平面激光线透过所述壳体到达至所述第二圆锥反光镜。
8、可选地，所述的测量装置还包括移动平台；所述移动平台适于搭载所述壳体，并且带动所述壳体沿所述管道内壁的轴线方向移动。
9、本专利技术的另一个方面在于，提供一种所述的测量装置实现的测量方法，包括：获取360°范围内各个径向角度下所述测量装置的中心轴线与所述管道内壁之间的垂直距离r构成所述管道内壁的二维结构数据；沿所述管道内壁(1)的轴线移动所述测量装置获取各个轴向位置下的所述二维结构数据；基于各个轴向位置下的所述二维结构数据构成所述管道内壁的三维结构数据。
10、可选地，所述垂直距离r包括所述测量装置的中心轴线与所述第二圆锥反光镜的反射点之间的第一垂直距离r1、和所述第二圆锥反光镜的反射点与所述管道内壁之间的第二垂直距离r2，且
11、r＝r1+r2 (1)。
12、可选地，获取360°范围内各个径向角度下所述测量装置的中心轴线与所述管道内壁之间的垂直距离r包括通过360°范围内各个径向角度下所述激光器、所述第一圆锥反光镜、所述第二圆锥反光镜、所述摄像头及其各自的中心轴线之间的几何关系得到所述第一垂直距离r1和所述第二垂直距离r2；
13、所述第一垂直距离r1通过以下几何关系得到：
14、
15、
16、式(2)和式(3)联合计算得到：
17、
18、所述第一垂直距离r2通过以下几何关系得到：
19、
20、c＝a-b (6)
21、d＝a+c (7)
22、dl1＝dl-dl2 (8)
23、r2＝dl1×tan(d) (9)
24、式(5)至式(9)联合计算得到：
25、
26、其中，cdr为所述摄像头的像素距离，f为所述摄像头的焦距长度，df为所述第二圆锥反光镜的反光中心与所述摄像头的焦距中心的距离，dl为所述第二圆锥反光镜的反光中心与所述平面激光线之间的垂直距离，dl1为所述第二圆锥反光镜的入射光线与所述平面激光线之间的垂直距离、dl2为所述第二圆锥反光镜的入射光线与所述第二圆锥反光镜的反光中心之间的垂直距离，a为所述第二圆锥反光镜的圆锥角；b为所述第二圆锥反光镜的反射光线与其中心轴线之间的夹角，c为所述第二圆锥反光镜的反射光线在所述第二圆锥反光镜上的反射角，d为所述第二圆锥反光镜的入射光线与其中心轴线之间的夹角。
27、可选地，基于各个轴向位置下的所述二维结构数据构成所述管道内壁的三维结构数据包括：将各个轴向位置下的所述二维结构数据在所述测量装置的移动平台与大地坐标系的变换矩阵t下形成所述三维结构数据：
28、(x,y,z)＝(r(θ)×cos(θ),r(θ)×sin(θ),0)×t 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于管道内壁(1)的测量装置，所述测量装置适于设置在管道内，其特征在于，包括激光器(2)、摄像头(8)以及依次位于所述激光器(2)和所述摄像头(8)之间的第一圆锥反光镜(5)和第二圆锥反光镜(6)；所述激光器(2)适于产生环形光线(3)；所述第一圆锥反光镜(5)适于将所述激光器(2)产生的环形光线(3)反射至所述管道内壁(1)并形成平面激光线(4)；所述第二圆锥反光镜(6)适于将所述平面激光线(4)再次反射至所述摄像头(8)以通过所述摄像头(8)进行成像。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述平面激光线(4)的中心轴线与所述第一圆锥反光镜(5)的中心轴线、所述第二圆锥反光镜(6)的中心轴线以及所述摄像头(8)的中心轴线重合。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一圆锥反光镜(5)的锥面面向所述激光器(2)，以适于将所述环形激光器(2)产生的环形光线(3)反射至所述管道内壁(1)并且形成所述平面激光线(4)；所述第二圆锥反光镜(6)的锥面面向所述摄像头(8)，以适于将所述平面激光线(4)反射至所述摄像头(8)以通过所述摄
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述摄像头(8)包括CMOS感光元件(9)；所述CMOS感光元件(9)的类型与所述激光器(2)的激光类型相适应；所述CMOS感光元件(9)适于在所述平面激光线(4)反射至所述摄像头(8)时形成CMOS平面；所述CMOS平面垂直于所述摄像头(8)的轴线。
5.根据权利要求1至4任一项所述的测量装置，其特征在于，包括适于固定所述激光器(2)、所述第一圆锥反光镜(5)、所述第二圆锥反光镜(6)、以及所述摄像头(8)的壳体(10)；所述壳体(10)允许光线透过，以使所述第一圆锥反光镜(5)反射的环形光线(3)适于透过所述壳体(10)到达所述管道内壁(1)、以及使所述平面激光线(4)透过所述壳体(10)到达至所述第二圆锥反光镜(6)。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，包括移动平台(12、13)；所述移动平台(12、13)适于搭载所述壳体(10)，并且带动所述壳体(10)沿所述管道内壁(10)的轴线方向移动。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述的测量装置实现的测量方法，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述垂直距离R包括所述测量装置的中心轴线与所述第二圆锥反光镜(6)的反射点之间的第一垂直距离R1、和所述第二圆锥反光镜(6)的反射点与所述管道内壁(1)之间的第二垂直距离R2，且
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，获取360°范围内各个径向角度下所述测量装置的中心轴线与所述管道内壁(1)之间的垂直距离R包括通过360°范围内各个径向角度下所述激光器(2)、所述第一圆锥反光镜(5)、所述第二圆锥反光镜(6)、所述摄像头(8)及其各自的中心轴线之间的几何关系得到所述第一垂直距离R1和所述第二垂直距离R2；
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，基于各个轴向位置下的所述二维结构数据构成所述管道内壁(1)的三维结构数据包括：将各个轴向位置下的所述二维结构数据在所述测量装置的移动平台(12、13)与大地坐标系的变换矩阵T下形成所述三维结构数据：
...【技术特征摘要】
1.一种用于管道内壁(1)的测量装置，所述测量装置适于设置在管道内，其特征在于，包括激光器(2)、摄像头(8)以及依次位于所述激光器(2)和所述摄像头(8)之间的第一圆锥反光镜(5)和第二圆锥反光镜(6)；所述激光器(2)适于产生环形光线(3)；所述第一圆锥反光镜(5)适于将所述激光器(2)产生的环形光线(3)反射至所述管道内壁(1)并形成平面激光线(4)；所述第二圆锥反光镜(6)适于将所述平面激光线(4)再次反射至所述摄像头(8)以通过所述摄像头(8)进行成像。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述平面激光线(4)的中心轴线与所述第一圆锥反光镜(5)的中心轴线、所述第二圆锥反光镜(6)的中心轴线以及所述摄像头(8)的中心轴线重合。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一圆锥反光镜(5)的锥面面向所述激光器(2)，以适于将所述环形激光器(2)产生的环形光线(3)反射至所述管道内壁(1)并且形成所述平面激光线(4)；所述第二圆锥反光镜(6)的锥面面向所述摄像头(8)，以适于将所述平面激光线(4)反射至所述摄像头(8)以通过所述摄像头(8)进行成像。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述摄像头(8)包括cmos感光元件(9)；所述cmos感光元件(9)的类型与所述激光器(2)的激光类型相适应；所述cmos感光元件(9)适于在所述平面激光线(4)反射至所述摄像头(8)时形成cmos平面；所述cmos平面垂直于所述摄像头(8)的轴线。
5.根据权利要求1至4任一项所述的测量装置，其特征在于，包括适于固定所述激光器(2)、所述第一...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏争志，陶润礼，袁超哲，骆佳成，杨锡刚，徐尧，林挺，朱平，李海儒，王盛，
申请(专利权)人：中交疏浚集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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