林　東，趙　妍，劉　恒，韓海韋

（1.西安公路研究院，西安　710075；2.長(zhǎng)安大學(xué)，西安　710054）

基于里程計(jì)和超聲測(cè)距的圖像掃描定位方法研究

林東1，趙妍1，劉恒2，韓海韋1

（1.西安公路研究院，西安710075；2.長(zhǎng)安大學(xué)，西安710054）

針對(duì)公路橋梁外觀病害的定位問題，基于霍爾里程計(jì)和超聲測(cè)距儀提出一種橋梁外觀圖像橫向和縱向攝像機(jī)掃描定位方法，并將其應(yīng)用于智能化橋檢車，可推算出圖像相對(duì)于橋梁起始位置的精確坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的縱向和橫向的掃描定位。

橋檢車；定位方法；超聲測(cè)距；里程計(jì)

隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展，公路橋梁建設(shè)數(shù)量也迅速增多。而在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中，橋梁會(huì)出現(xiàn)各種病害，主要包括分層、開裂、凍融損壞、鋼筋生銹或腐蝕等，這些病害的最終外在表現(xiàn)為橋梁裂縫［1］。因此，通過有效監(jiān)測(cè)橋梁表面裂縫及損傷，便能夠快速監(jiān)管和確保公路橋梁運(yùn)營(yíng)的安全性。目前，橋梁表面裂縫檢測(cè)方法主要是圖像采集與智能識(shí)別，其檢測(cè)過程是通過攝像機(jī)掃描橋梁外觀，并對(duì)橋梁病害進(jìn)行自動(dòng)圖像智能識(shí)別。智能化橋檢車是完成圖像采集與智能識(shí)別的重要手段，其圖像采集與智能識(shí)別功能由高性能工控計(jì)算機(jī)、高清攝像機(jī)、專業(yè)鏡頭、高速視頻采集卡、攝像機(jī)定位模塊等設(shè)備結(jié)合圖像智能分析算法共同完成。圖像分析處理的結(jié)果數(shù)據(jù)包括橋梁病害特征、病害程度評(píng)價(jià)和病害位置，該數(shù)據(jù)是橋梁維護(hù)與保養(yǎng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)。通過智能化橋檢車攝像機(jī)定位模塊可快速、便捷地定位橋梁外觀病害，并準(zhǔn)確定位病害位置［2］，便于修復(fù)橋梁病害。因此，攝像機(jī)定位是智能化橋檢車完成圖像采集與智能識(shí)別的關(guān)鍵。

1　圖像定位方法選擇

圖像定位是攝像機(jī)在掃描過程中對(duì)其所處位置的判斷，并將攝像機(jī)相對(duì)于橋梁橫向與縱向的位置換算成橋梁病害所在的位置。常用定位系統(tǒng)包括GPS定位、雷達(dá)定位、移動(dòng)基站定位等。

1）GPS定位［3］。

GPS定位是利用GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離（或距離差），根據(jù)已知衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)來(lái)確定用戶接收機(jī)所對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)（X，Y，Z），結(jié)果表現(xiàn)為經(jīng)度、緯度和高度。利用GPS定位僅能確定一個(gè)方向的位置X（橋梁縱向），而Y（橋梁橫向）無(wú)法獲得。

2）雷達(dá)定位［4］。

雷達(dá)無(wú)源定位是指利用偵察設(shè)備接收雷達(dá)輻射信號(hào)，并經(jīng)過處理來(lái)確定它的空間或地理位置的定位技術(shù)。通常采用二維平面測(cè)向定位方法進(jìn)行目標(biāo)定位，二維平面測(cè)向定位方法是在已知的2個(gè)或多個(gè)不同位置布設(shè)雷達(dá)接收設(shè)備，測(cè)量雷達(dá)輻射電磁波的方向時(shí)差數(shù)據(jù)，通過三角測(cè)量法交會(huì)計(jì)算雷達(dá)位置。雷達(dá)定位通常應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等行業(yè)，但其成本相對(duì)較高。

3）移動(dòng)基站定位［5］。

與GPS定位類似，利用GSM信號(hào)源與多個(gè)基站之間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM信號(hào)源的定位。其定位精度較差，誤差約為150 m，且在公路橋梁現(xiàn)場(chǎng)，通常少有多個(gè)基站同時(shí)覆蓋的情況，因此該方法不適用。

綜上所述，上述常用定位方法都存在一定不足。若采用智能化橋檢車，則由于公路橋梁的起始和終止樁號(hào)已知，僅需確定橋梁橫向和縱向的相對(duì)位置即可。本文所提出的橋檢車攝像機(jī)定位方法結(jié)合使用了里程計(jì)和超聲測(cè)距裝置，可分別完成橋梁縱向和橫向位置的精確定位。

2　定位掃描方法及結(jié)構(gòu)

智能化橋檢車圖像掃描采用單攝像機(jī)掃描模式，通過里程計(jì)記錄橋檢車自身移動(dòng)的位移量以實(shí)現(xiàn)橋梁縱向掃描（X方向），同時(shí)利用超聲測(cè)距模式記錄攝像機(jī)滑動(dòng)位移以實(shí)現(xiàn)垂直橋梁方向掃描（Y方向）。橋檢車的X方向行駛與攝像機(jī)的Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的掃描過程如圖1所示。

圖1　橋檢車行駛時(shí)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)掃描過程示意

2.1橋梁縱向（X方向）

X坐標(biāo)定位采用霍爾傳感器?；魻杺鞲衅髟趹?yīng)用于汽車時(shí)常常用于測(cè)量速度、里程等。橋檢車攝像機(jī)定位模塊利用霍爾傳感器計(jì)數(shù)，從而可以換算出里程值［6］。

霍爾里程計(jì)的安裝方式是：在車輪上固定一個(gè)圓盤，圓盤上按極性交替方式安裝2圈磁鐵，分別固定2個(gè)傳感器，其位置剛好分別對(duì)準(zhǔn)2圈磁鐵，如圖2所示。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，2個(gè)傳感器的磁場(chǎng)交替變化，且相位相差90度，即傳感器交替輸出相位相差90度的方波。車輛前進(jìn)時(shí)，外圈比內(nèi)圈相位超前90度；車輛倒退時(shí)，內(nèi)圈比外圈超前90度，如圖3所示。

圖2　磁盤與傳感器固定示意

圖3　車輛移動(dòng)時(shí)傳感器輸出

利用上述車輛前進(jìn)、后退時(shí)傳感器的輸出波形，控制器可以進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，然后通過RS232總線把數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)車輪直徑和圓盤磁鐵數(shù)量計(jì)算車輛行駛里程S。里程計(jì)算公式為：

式中：N為當(dāng)前計(jì)數(shù)值；D為車輪直徑；M為每圈磁鐵數(shù)量。

2.2橋梁橫向（Y方向）

Y方向定位采用無(wú)接觸測(cè)量式超聲波測(cè)距法測(cè)量相機(jī)與滑竿一端的距離并將其作為運(yùn)動(dòng)中攝像機(jī)的Y坐標(biāo)。其測(cè)距量程上能達(dá)到100 m，精度能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)，完全滿足橋梁橫向定位要求。攝像機(jī)定位模塊通過測(cè)量超聲波的發(fā)射與接收時(shí)間差來(lái)計(jì)算攝像機(jī)到滑竿一端的距離，該測(cè)量方式檢測(cè)目標(biāo)物體的反射波信號(hào)［7-9］，稱為反射式超聲波測(cè)量方法。測(cè)距示意如圖4所示。

圖4　反射式超聲測(cè)距

測(cè)距公式為：

式中：L為被測(cè)距離的長(zhǎng)度；c為超聲波在空氣中的傳播速度；T為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差。

實(shí)際上，超聲波傳輸路徑上都存在障礙物，且障礙物的反射波很有可能比目標(biāo)物體的反射波更快到達(dá)接收器，從而導(dǎo)致接收器誤把障礙物的距離當(dāng)成目標(biāo)物體的距離。含障礙物的反射式超聲波測(cè)量示意如圖5所示。

圖5　含障礙物的反射式超聲波測(cè)量示意

為了解決障礙物的干擾問題，采用對(duì)射式超聲波測(cè)量方式來(lái)測(cè)量目標(biāo)物體的距離，布局如圖6所示。

圖6　對(duì)射式超聲波測(cè)量示意

要測(cè)量超聲波發(fā)射器到目標(biāo)物體的距離，需把超聲波接收器安裝在目標(biāo)物體上，由于超聲波發(fā)射器和接收器安裝在同一個(gè)水平線上，2點(diǎn)之間直線距離最短，因此即使發(fā)射器和目標(biāo)物體之間有障礙物，也不會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量造成干擾。超聲波對(duì)射式測(cè)距模塊如圖7所示。

圖7　超聲波對(duì)射式測(cè)距模塊示意

發(fā)射傳感器固定在一端，接收傳感器固定在攝像機(jī)旁邊，其隨攝像機(jī)一起運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置，即Y坐標(biāo)?？刂破魍ㄟ^RS232總線與計(jì)算機(jī)通信。

對(duì)射式超聲測(cè)距公式為：

3　控制過程

3.1里程計(jì)控制過程

控制器與計(jì)算機(jī)通信協(xié)議定義如下。

計(jì)算機(jī)命令：“AF”啟動(dòng)命令；“5F”停止命令。

計(jì)算機(jī)向控制器發(fā)送“AF”命令，控制器便開始測(cè)量，并回傳結(jié)果數(shù)據(jù)。若計(jì)算機(jī)發(fā)送“5F”命令，控制器便停止測(cè)量。

控制器回傳數(shù)據(jù)格式為：

其中：FF是數(shù)據(jù)起始標(biāo)志符；high是數(shù)據(jù)的高8位；low是數(shù)據(jù)的低8位。數(shù)據(jù)內(nèi)容為公式（1）計(jì)算后的里程數(shù)值結(jié)果。

3.2超聲測(cè)距控制過程

計(jì)算機(jī)與控制器之間的控制命令與里程控制器一致。

超聲傳感器通電3 ms后，超聲傳感器和控制器處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后給傳感器一個(gè)初始化信號(hào)，傳感器就開始以49.4 kHz的頻率發(fā)射16個(gè)脈沖串。同時(shí)，傳感器內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)2.38 ms的內(nèi)部消隱信號(hào)，以防止該脈沖串產(chǎn)生超聲信號(hào)回聲，導(dǎo)致接收錯(cuò)誤。因此，即使目標(biāo)物體距離非常近，也至少要等2.38 ms后才會(huì)接收到回聲。傳感器發(fā)送時(shí)序如圖8所示。

圖8　超聲傳感器發(fā)射時(shí)序

常溫下超聲波傳播平均速度c=344 m/s，因此由內(nèi)部消隱信號(hào)產(chǎn)生的測(cè)量盲區(qū)距離為2.38 ms× 344 m/s≈0.8 m，攝像機(jī)橫向定位不允許有如此大的測(cè)量盲區(qū)。為消除測(cè)量盲區(qū)，控制器需先初始化接收傳感器3 ms。整個(gè)超聲波測(cè)距時(shí)序如圖9所示。

圖9　超聲傳感器測(cè)距接收時(shí)序

4　測(cè)量誤差計(jì)算與分析

4.1霍爾里程計(jì)

根據(jù)里程計(jì)算公式（1），相鄰2個(gè)磁片之間的距離為最小測(cè)量單元，當(dāng)要求誤差小于0.1 m時(shí)，可推導(dǎo)出內(nèi)外圈磁片數(shù)量計(jì)算公式：

4.2超聲測(cè)距

根據(jù)超聲波測(cè)距公式（3），可知超聲波速度和測(cè)量時(shí)間均可能影響距離測(cè)量誤差。

1）超聲波傳播速度。

超聲波的傳播速度與空氣的密度密切相關(guān)，密度越高則傳播速度越快。在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下該參數(shù)無(wú)法人為干預(yù)，故該誤差無(wú)法消除，屬于系統(tǒng)固有誤差。

2）測(cè)量時(shí)間誤差。

當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1 mm時(shí)，假定忽略傳播誤差。根據(jù)公式（3），測(cè)距誤差△t=L/c= （0.001/344）≈0.000 002 907 s，即2.907 us。

因此，忽略系統(tǒng)固有誤差，且時(shí)間值測(cè)量精度達(dá)到微秒級(jí)，就能保證智能化橋檢車攝像機(jī)Y方向定位測(cè)距誤差小于1 mm。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文基于霍爾里程計(jì)和超聲測(cè)距儀提出了智能化檢車攝像機(jī)定位掃描方法，介紹了該方法的硬件組成、測(cè)量控制邏輯與處理過程，并分析了定位模塊的測(cè)量誤差。利用該方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁縱向和橫向的掃描定位，定位結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)多次掃描成像的圖像融合與分析提供位移坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并可準(zhǔn)確確定圖像與橋梁起始的相對(duì)位置，便于及時(shí)根據(jù)橋梁病害位置對(duì)橋梁進(jìn)行修復(fù)。

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Study on Image Scan Positioning Method Based on Mileage and Ultrasonic Range Finder

LIN Dong1，ZHAO Yan1，LIU Heng2，HAN Haiwei1

Targeting at positioning of exterior defect of road bridges，This paper suggests a bridge image horizontal/vertical camera scan positioning method based on Holzer mileage meter and ultrasonic range finder，and we apply this method to intelligent bridge inspection vehicle，it can reckon precise coordination of image from the start/end position of bridge，so to realize horizontal/vertical scan positioning of bridge.

bridge inspection vehicle；positioning method；ultrasonic range finder；mileage meter

1009-6477（2016）04-0092-04

U442.4

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.021

國(guó)家自然科學(xué)基金（20120930，211000120307）

2016-02-25

林東（1984-），男，福建省建甌市人，碩士，工程師。