结构光扫描型管道探伤机器人及方法

摘要

本发明涉及结构光扫描型管道探伤机器人及方法，其中，探伤机器人包括机体、多个行进组件、调节组件以及拍摄组件，多个所述行进组件沿所述机体的行进方向周向均匀设置，每个所述行进组件的一侧均沿靠近或远离所述机体的方向与所述机体转动连接，每个所述行进组件的另一侧均为行进端；所述调节组件安装于所述机体上，每个所述调节组件具有与多个行进组件一一对应的多个调节端，多个所述调节端均与对应的所述行进组件连接，用以驱动所述行进端相对于所述机体转动以调节所述行进端到所述机体的距离；所述拍摄组件安装于所述机体上；解决现有的管道内探伤机器人遇到管道内的复杂的路况时，机器人行进不易，探伤工作受到极大的阻碍的问题。

权利要求

1.结构光扫描型管道探伤机器人，其特征在于，包括机体、多个行进组件、调节组件以及拍摄组件；

多个所述行进组件沿所述机体的行进方向周向均匀设置，每个所述行进组件的一侧均沿靠近或远离所述机体的方向与所述机体转动连接，每个所述行进组件的另一侧均为行进端；

所述调节组件安装于所述机体上，每个所述调节组件具有与多个行进组件一一对应的多个调节端，多个所述调节端均与对应的所述行进组件连接，用以驱动所述行进端相对于所述机体转动以调节所述行进端到所述机体的距离；

所述拍摄组件安装于所述机体上；

所述拍摄组件包括拍摄器以及旋转器，所述拍摄器的拍摄方向沿垂直于所述机体的行进方向设置，所述拍摄器经由所述旋转器与所述机体转动连接，所述拍摄器以所述机体的行进方向为转动轴线转动设置；

所述旋转器包括旋转轴以及驱动件，所述旋转轴与所述机体转动连接，所述旋转轴的一端与所述拍摄器连接，所述驱动件固定设于所述机体上，所述驱动件的输出端与所述旋转轴连接，用以驱动所述旋转轴转动；

所述驱动件包括两个第一锥齿轮、与两个第一锥齿轮一一对应的两个第二锥齿轮、电机、驱动直齿轮、两个从动直齿轮以及两个固定轴，所述电机与所述机体固定连接，两个所述固定轴均与所述机体转动连接，其中一所述固定轴与其中一所述第一锥齿轮以及其中一所述从动直齿轮连接，另一所述固定轴与另一所述第一锥齿轮以及另一所述从动直齿轮连接，所述电机的输出端与所述驱动直齿轮连接，所述驱动直齿轮与两个所述从动直齿轮啮合连接，用以驱动两个所述第一锥齿轮转动，两个所述第一锥齿轮的齿面均包括半环形锥形齿面以及半环形滑面，两个所述第二锥齿轮均与对应的所述第一锥齿轮的半环形锥形齿面啮合连接或半环形滑面滑动连接，当其中一所述第二锥齿轮与第一锥齿轮的半环形锥形齿面啮合连接时，另一所述第二锥齿轮与第一锥齿轮的半环形滑面滑动连接。

2.根据权利要求1所述的结构光扫描型管道探伤机器人，其特征在于，所述机体包括两个固定板以及多个滑杆，两个所述固定板之间平行设置，两个所述固定板之间经由多个所述滑杆连接，多个所述滑杆均沿所述机体的行进方向设置。

3.根据权利要求1所述的结构光扫描型管道探伤机器人，其特征在于，多个所述行进组件均包括支撑杆以及行进轮，所述支撑杆的一端与所述机体转动连接，所述支撑杆的另一端安装有行进轮，所述行进轮为所述行进端，所述调节端与所述支撑杆连接，用以驱动所述支撑杆转动。

4.根据权利要求1所述的结构光扫描型管道探伤机器人，其特征在于，多个所述行进组件均包括平行设置的两个支撑杆、两个行进轮以及连接杆，两个所述支撑杆沿所述机体的行进方向依次设置，两个所述支撑杆的一端均与所述机体转动连接，所述支撑杆的另一端分别安装有两个行进轮，所述连接杆的两端分别与两个所述支撑杆铰接，所述调节端与所述连接杆连接，用以驱动所述支撑杆转动。

5.根据权利要求4所述的结构光扫描型管道探伤机器人，其特征在于，所述调节组件包括调节板、与多个连接杆一一对应的多个驱动臂以及伸缩件，所述调节板沿所述机体的行进方向与所述机体滑动连接，多个所述驱动臂的一端均与所述调节板铰接，多个所述驱动臂的另一端均与对应的所述连接杆铰接，所述伸缩件固定设于所述机体上，所述伸缩件的输出端与所述调节板连接，用以驱动所述调节板滑动。

6.根据权利要求1所述的结构光扫描型管道探伤机器人，其特征在于，所述拍摄器包括摄像头、光机以及安装座，所述摄像头和所述光机的拍摄方向均沿垂直于所述机体的行进方向设置，所述摄像头和所述光机均安装于所述安装座上，所述安装座与所述旋转器连接。

7.结构光扫描型管道探伤方法，其特征在于，包括权利要求1‑6任一所述的结构光扫描型管道探伤机器人，还包括以下步骤：基于结构光获取管道内的曲面图像，并基于管道内的曲面图像，得到点云数据以及建立的三维模型；

基于建立的三维模型，判断管道内是否具有裂缝；

基于点云数据计算得到裂缝分布密度，基于裂缝分布密度判断裂缝种类。

说明书

结构光扫描型管道探伤机器人及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及管道探伤技术领域，尤其涉及结构光扫描型管道探伤机器人及方法。

背景技术

[0002] 管道作为常用气体和液体的重要传输手段，使用过程中管道内壁腐蚀破损、密闭胶圈脱落等缺陷对管道的安全运行有严重影响，因此，需要对管道内表面进行定期检测，通过获取其三维形貌信息来了解管道内壁腐蚀程度、缺陷大小、变形情况等。管道内壁缺陷的无损检测，对于尽早发现缺陷，减少事故和经济损失具有重要意义，结构光视觉检测技术是一种新型技术，近些年来得到了快速发展，而结构光视觉检测技术作为结构光视觉检测技术的一个重要研究方向，在管道内表面缺陷检测中得到了广泛应用。

[0003] 埋地管道作为油气的传输载体，地面工程的重要设施之一。是连接上游资源和下游用户的纽带，由于管道长期埋在地下，随着时间的推移，外界土壤特性及地形沉降等因素的影响，管道会发生腐蚀、穿孔、泄漏，带来严重的损失。管道损坏带来的工厂停工等间接损失远大于直接损失，且难以估计。管道腐蚀除了考虑造成的严重经济损失外，它还会引起有害物质的泄漏，对环境造成污染，甚至还会引起突发的灾难事故，危及人身安全。因此管道的定期检测至关重要。

[0004] 目前管道通常使用人工或者探伤机器人进行检测，专利申请号为202020320848 .3的实用新型专利公布了一种管道外探伤行走机器人，在位于前端的传感器检测到焊接点时，控制器控制前端环形支架上的气动滑块远离管道，另一端的驱动装置驱动转轮继续转动，从而带动机器人继续向前移动，待位于前端的环形支架带动转轮全部经过焊接点后，控制器驱动气动滑块推动转轮与管道接触，转轮驱动机器人移动；待位于后端的环形支架上的传感器检测到前方具有焊接的焊点时，控制器控制前端环形支架上的气动滑块远离管道，位于前端的转轮转动带动机器人在管道外移动，待位于后端的环形支架带动转轮全部经过焊接点后，控制器驱动气动滑块推动转轮与管道接触，转轮驱动机器人移动，从而实现了该实用新型的机器人在具有焊接点的管道外表面上的正常行走。但是上述技术机器人仅针对于管道焊缝等问题进行检测，很难实现管道的内壁裂痕，穿孔等问题的检测，且在遇到管道上的凸起时将无法继续行走。在对管道进行探伤时，管道上难免会有不规则凸起、安装的零部件，若每次遇到障碍都重新安装探伤装置，将大大降低效率。

[0005] 因此，现有的管道内探伤机器人遇到管道内的复杂的路况时，机器人行进不易，探伤工作受到极大的阻碍。

发明内容

[0006] 有鉴于此，有必要提供结构光扫描型管道探伤机器人及方法，用以解决现有的管道内探伤机器人遇到管道内的复杂的路况时，机器人行进不易，探伤工作受到极大的阻碍的问题。

[0007] 本发明提供结构光扫描型管道探伤机器人，包括机体、多个行进组件、调节组件以及拍摄组件，多个所述行进组件沿所述机体的行进方向周向均匀设置，每个所述行进组件的一侧均沿靠近或远离所述机体的方向与所述机体转动连接，每个所述行进组件的另一侧均为行进端；所述调节组件安装于所述机体上，每个所述调节组件具有与多个行进组件一一对应的多个调节端，多个所述调节端均与对应的所述行进组件连接，用以驱动所述行进端相对于所述机体转动以调节所述行进端到所述机体的距离；所述拍摄组件安装于所述机体上。

[0008] 在一些实施例中，所述机体包括两个固定板以及多个滑杆，两个所述固定板之间平行设置，两个所述固定板之间经由多个所述滑杆连接，多个所述滑杆均沿所述机体的行进方向设置。

[0009] 在一些实施例中，多个所述行进组件均包括支撑杆以及行进轮，所述支撑杆的一端与所述机体转动连接，所述支撑杆的另一端安装有行进轮，所述行进轮为所述行进端，所述调节端与所述支撑杆连接，用以驱动所述支撑杆转动。

[0010] 在一些实施例中，多个所述行进组件均包括平行设置的两个支撑杆、两个行进轮以及连接杆，两个所述支撑杆沿所述机体的行进方向依次设置，两个所述支撑杆的一端均与所述机体转动连接，所述支撑杆的另一端分别安装有两个行进轮，所述连接杆的两端分别与两个所述支撑杆铰接，所述调节端与所述连接杆连接，用以驱动所述支撑杆转动。

[0011] 在一些实施例中，所述调节组件包括调节板、与多个连接杆一一对应的多个驱动臂以及伸缩件，所述调节板沿所述机体的行进方向与所述机体滑动连接，多个所述驱动臂的一端均与所述调节板铰接，多个所述驱动臂的另一端均与对应的所述连接杆铰接，所述伸缩件固定设于所述机体上，所述伸缩件的输出端与所述调节板连接，用以驱动所述调节板滑动。

[0012] 在一些实施例中，所述拍摄组件包括拍摄器以及旋转器，所述拍摄器的拍摄方向沿垂直于所述机体的行进方向设置，所述拍摄器经由所述旋转器与所述机体转动连接，所述拍摄器以所述机体的行进方向为转动轴线转动设置。

[0013] 在一些实施例中，所述拍摄器包括摄像头、光机以及安装座，所述摄像头和所述光机的拍摄方向均沿垂直于所述机体的行进方向设置，所述摄像头和所述光机均安装于所述安装座上，所述安装座与所述旋转器连接。

[0014] 在一些实施例中，所述旋转器包括旋转轴以及驱动件，所述旋转轴与所述机体转动连接，所述旋转轴的一端与所述拍摄器连接，所述驱动件固定设于所述机体上，所述驱动件的输出端与所述旋转轴连接，用以驱动所述旋转轴转动。

[0015] 在一些实施例中，所述驱动件包括两个第一锥齿轮、与两个第一锥齿轮一一对应的两个第二锥齿轮、电机、驱动直齿轮、两个从动直齿轮以及两个固定轴，所述电机与所述机体固定连接，两个所述固定轴均与所述机体转动连接，其中一所述固定轴与其中一所述第一锥齿轮以及其中一所述从动直齿轮连接，另一所述固定轴与另一所述第一锥齿轮以及另一所述从动直齿轮连接，所述电机的输出端与所述驱动直齿轮连接，所述驱动直齿轮与两个所述从动直齿轮啮合连接，用以驱动两个所述第一锥齿轮转动，两个所述第一锥齿轮的齿面均包括半环形锥形齿面以及半环形滑面，两个所述第二锥齿轮均与对应的所述第一锥齿轮的半环形锥形齿面啮合连接或半环形滑面滑动连接，当其中一所述第二锥齿轮与第一锥齿轮的半环形锥形齿面啮合连接时，另一所述第二锥齿轮与第一锥齿轮的半环形滑面滑动连接。

[0016] 本发明还提供结构光扫描型管道探伤方法，包括如上所述的结构光扫描型管道探伤机器人，还包括以下步骤：

[0017] 基于结构光获取管道内的曲面图像，并基于管道内的曲面图像，得到点云数据以及建立的三维模型；

[0018] 基于建立的三维模型，判断管道内是否具有裂缝；

[0019] 基于点云数据计算得到裂缝分布密度，基于裂缝分布密度判断裂缝种类。

[0020] 与现有技术相比，本发明提供的结构光扫描型管道探伤机器人中，多个行进组件均可沿靠近或远离机体的方向与机体转动连接，通过多个调节端均与对应的行进组件连接，用以驱动行进端相对于机体转动以调节行进端到机体的距离，通过设置的多个行进端，可使每个行进端均与管道的内壁抵接，使整个机器人在管道内的行进过程更加稳定，同时，通过调节多个行进端到机体的距离，使该机器人能够适应不同直径管道的需求，在遇到管道内的复杂路况时，例如管道内由凸起或安装的零部件时，可调节其中行进端到机体的距离，即调节行进端到内壁的距离，来避免管道内的障碍物，管道内的行进工作顺畅，便于拍摄组件的探伤工作的进行。

[0021] 本发明所提供的结构光扫描型管道探伤方法中，通过结构光采集的管道内的曲面图像，可以得到点云数据以及建立三维模型，便于分析管道内的裂缝点以及裂缝种类。

附图说明

[0022] 图1为本发明提供的结构光扫描型管道探伤机器人一实施例中整体的结构示意图；

[0023] 图2为本发明提供的结构光扫描型管道探伤机器人第一实施例中行进组件与调节组件配合连接的示意图；

[0024] 图3为本发明提供的结构光扫描型管道探伤机器人第二实施例中行进组件与调节组件配合连接的示意图；

[0025] 图4为本发明提供的结构光扫描型管道探伤机器人一实施例中拍摄器的结构示意图；

[0026] 图5为本发明提供的结构光扫描型管道探伤机器人一实施例中旋转器的结构示意图；

[0027] 图6为本发明提供的结构光扫描型管道探伤方法的原理图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0029] 如图1所示，本实施例中的结构光扫描型管道探伤机器人，包括机体100、多个行进组件200、调节组件300以及拍摄组件400，多个行进组件200沿机体100的行进方向周向均匀设置，每个行进组件200的一侧均沿靠近或远离机体100的方向与机体100转动连接，每个行进组件200的另一侧均为行进端；调节组件300安装于机体100上，每个调节组件300具有与多个行进组件200一一对应的多个调节端，多个调节端均与对应的行进组件200连接，用以驱动行进端相对于机体100转动以调节行进端到机体100的距离；拍摄组件400安装于机体100上。

[0030] 其中，多个行进组件200均可沿靠近或远离机体100的方向与机体100转动连接，通过多个调节端均与对应的行进组件200连接，用以驱动行进端相对于机体100转动以调节行进端到机体100的距离，通过设置的多个行进端，可使每个行进端均与管道的内壁抵接，使整个机器人在管道内的行进过程更加稳定，同时，通过调节多个行进端到机体100的距离，使该机器人能够适应不同直径管道的需求，在遇到管道内的复杂路况时，例如管道内由凸起或安装的零部件时，可调节其中行进端到机体100的距离，即调节行进端到内壁的距离，来避免管道内的障碍物，管道内的行进工作顺畅，便于拍摄组件400的探伤工作的进行。

[0031] 本实施方案中的机体100为承载拍摄组件400的结构，其上安装有行进组件200，可在管道内移动。

[0032] 在一些实施例中，机体100包括两个固定板110以及多个滑杆120，两个固定板110之间平行设置，两个固定板110之间经由多个滑杆120连接，多个滑杆120均沿机体100的行进方向设置。

[0033] 当然，在其它优选的实施例中，机体100还可以采用其他形式的结构代替，本发明实施例对此不做限定。

[0034] 本实施方案中的行进组件200是用于带动机体100移动的结构，需要说明的是，本发明实施例中的行进组件200到机体100的距离可调，从而可适应不同直径的管道以及复杂路况的管道，下面进行更加详细的阐述和说明。

[0035] 在一些实施例中，多个行进组件200均包括支撑杆210以及行进轮220，支撑杆210的一端与机体100转动连接，支撑杆210的另一端安装有行进轮220，行进轮220为行进端，调节端与支撑杆210连接，用以驱动支撑杆210转动。

[0036] 由于单轮行进机体100的稳定性不佳，除非将行进轮220的尺寸设计的较大，为了在小尺寸行进轮220的前提下使机体100的行进过程更加稳定，在一些实施例中，多个行进组件200均包括平行设置的两个支撑杆210、两个行进轮220以及连接杆230，两个支撑杆210沿机体100的行进方向依次设置，两个支撑杆210的一端均与机体100转动连接，支撑杆210的另一端分别安装有两个行进轮220，连接杆230的两端分别与两个支撑杆210铰接，调节端与连接杆230连接，用以驱动支撑杆210转动。上述双轮式的行进结构可使机体100与管道内的接触点更多，行进过程更加稳定。

[0037] 可以理解的是，本发明实施例中的行进轮220自带动力源，可自发转动使机体100在管道内行进。

[0038] 本实施方案中的调节组件300是用于调节行进端到机体100的距离的结构。

[0039] 在一些实施例中，调节组件300包括调节板310、与多个连接杆230一一对应的多个驱动臂320以及伸缩件330，调节板310沿机体100的行进方向与机体100滑动连接，多个驱动臂320的一端均与调节板310铰接，多个驱动臂320的另一端均与对应的连接杆230铰接，伸缩件330固定设于机体100上，伸缩件330的输出端与调节板310连接，用以驱动调节板310滑动。

[0040] 为了便于理解上述调节的过程，下面以多个实施例进行说明。在第一实施例中，如图2所示，调节板310位于两个固定板110中的中间处，此时，驱动臂320的倾斜程度较小，行进轮220距离远，适用于管径较大的管道。在第二实施例中，如图3所示，调节板310较靠近其中一固定板110中，此时，驱动臂320的倾斜程度较大，行进轮220距离机体100较近，适用于管径较小的管道、以及管道内有障碍物的情况。

[0041] 需要说明的是，上述伸缩件330可以采用气缸、电动推杆等可驱动调节板310滑动的结构。

[0042] 同时，通过上述调节组件300能够带动多个行进轮220同步移动，调节速度更快。当然，调节组件300还可以采用其他形式的结构代替，本发明实施例对此不做限定。

[0043] 本实施方案中的拍摄组件400是用于拍摄管道内部结构，将管道的内部拍摄成所需的图像信息。

[0044] 为了能够实施采集管道内部的整个图像，在一些实施例中，拍摄组件400包括拍摄器410以及旋转器420，拍摄器410的拍摄方向沿垂直于机体100的行进方向设置，拍摄器410经由旋转器420与机体100转动连接，拍摄器410以机体100的行进方向为转动轴线转动设置。通过旋转器420带动拍摄器410转动，可采集管道内部的完整图像。

[0045] 需要说明的是，在上述采集图像的过程中，应当控制好机体100的行进速度以及旋转器420的旋转速度，避免出现漏拍的现象。

[0046] 在一些实施例中，拍摄器410包括摄像头411、光机412以及安装座413，摄像头411和光机412的拍摄方向均沿垂直于机体100的行进方向设置，摄像头411和光机412均安装于安装座413上，安装座413与旋转器420连接。实施时，通过光机412（即光栅）弹出的数百万条投射光线（即结构光）至管道的内壁，再由摄像头411拍摄得到图像，并且可经由计算机处理后形成三维立体图像，能够更精确的识别管道存在的问题。

[0047] 在一些实施例中，旋转器420包括旋转轴421以及驱动件422，旋转轴421与机体100转动连接，旋转轴421的一端与拍摄器410连接，驱动件422固定设于机体100上，驱动件422的输出端与旋转轴421连接，用以驱动旋转轴421转动。实施时，通过驱动件422带动旋转轴421转动，使拍摄器410随之转动。

[0048] 其中，旋转轴421的一端经由一连接座421a与安装座413固定连接，同时，旋转轴421的两端分别经由两个轴承421b与两个固定板110转动连接。

[0049] 为了避免旋转轴421在转动的过程中，拍摄器410的连接线缠绕至旋转轴421上，本发明实施例中的旋转轴421正转一圈后，再反转一圈，重复上述步骤即可解决上述问题。

[0050] 在一个优选的实施例中，驱动件422包括两个第一锥齿轮422a、与两个第一锥齿轮422a一一对应的两个第二锥齿轮422b、电机422c、驱动直齿轮422d、两个从动直齿轮422e以及两个固定轴422f，电机422c与机体100固定连接，两个固定轴422f均与机体100转动连接，其中，电机422c和两个固定轴422f均可经由一固定座430与机体100连接，其中一固定轴
422f与其中一第一锥齿轮422a以及其中一从动直齿轮422e连接，另一固定轴422f与另一第一锥齿轮422a以及另一从动直齿轮422e连接，电机422c的输出端与驱动直齿轮422d连接，驱动直齿轮422d与两个从动直齿轮422e啮合连接，用以驱动两个第一锥齿轮422a转动，两个第一锥齿轮422a的齿面均包括半环形锥形齿面以及半环形滑面，两个第二锥齿轮422b均与对应的第一锥齿轮422a的半环形锥形齿面啮合连接或半环形滑面滑动连接，当其中一第二锥齿轮422b与第一锥齿轮422a的半环形锥形齿面啮合连接时，另一第二锥齿轮422b与第一锥齿轮422a的半环形滑面滑动连接。

[0051] 实施时，首先，其中一第二锥齿轮422b与第一锥齿轮422a的半环形锥形齿面啮合连接时，该第一锥齿轮422a转动，另一第二锥齿轮422b与第一锥齿轮422a的半环形滑面滑动连接，该第一锥齿轮422a不转动，此时，旋转轴421正转一圈，其中一第二锥齿轮422b与第一锥齿轮422a的半环形滑面滑动连接，该第一锥齿轮422a不转动，另一第二锥齿轮422b与第一锥齿轮422a的半环形锥形齿面啮合连接时，该第一锥齿轮422a转动，此时，旋转轴421正转一圈，从而可以实现旋转轴421的往复转动过程。

[0052] 与现有技术相比：多个行进组件200均可沿靠近或远离机体100的方向与机体100转动连接，通过多个调节端均与对应的行进组件200连接，用以驱动行进端相对于机体100转动以调节行进端到机体100的距离，通过设置的多个行进端，可使每个行进端均与管道的内壁抵接，使整个机器人在管道内的行进过程更加稳定，同时，通过调节多个行进端到机体100的距离，使该机器人能够适应不同直径管道的需求，在遇到管道内的复杂路况时，例如管道内由凸起或安装的零部件时，可调节其中行进端到机体100的距离，即调节行进端到内壁的距离，来避免管道内的障碍物，管道内的行进工作顺畅，便于拍摄组件400的探伤工作的进行。

[0053] 本发明还提供结构光扫描型管道探伤方法，如图6所示，包括如上所述的结构光扫描型管道探伤机器人，还包括以下步骤：

[0054] S100、基于结构光获取管道内的曲面图像，并基于管道内的曲面图像，得到点云数据以及建立的三维模型；

[0055] S200、基于建立的三维模型，判断管道内是否具有裂缝；

[0056] S300、基于点云数据计算得到裂缝分布密度，基于裂缝分布密度判断裂缝种类。

[0057] 由于管道内为曲面结构，通过相机拍摄的图像为曲面图像，本发明实施例使通过结构光来获取曲面图像。具体的，结构光三维成像是一种非接触式的主动三维测量技术，首先通过投影仪将结构光编码图案投射至管道内表面，图案会由于物体表面高度不一致而导致变形，相机拍摄变形的结构光图像（即曲面图像）。在获取管道内的曲面图像后，可通过计算机对图像进行解码处理从而得到结构光图像点和投影图案点一一对应的对应关系，并通过三角测量原理可计算得到物体表面的三维点云数据，从而实现管道内表面的三维重构，便于观测管道内的损伤情况。

[0058] 为了实现上述步骤S100中管道内的曲面图像的采集过程，可由外触发相机、DLP4500投影仪以及计算机三部分实现。首先在计算机端进行结构光图案编码，再由投影设备将42张格雷码图案投射到待测物体表面，相机与投影仪同步触发，由相机获取被调制的条纹图案传输到计算机进行条纹处理，计算出相位的分布，最后由相位和高度的映射关系求出待测物体的表面的高度进行三维重建可用相应软件对其点云数据进行可视化。

[0059] 其中，相机采用张正友相机标定方法，棋盘格作为标定板，标定相机的内参矩阵，外参矩阵和镜面畸变系数等。投影仪当作逆相机进行标定从而利用张正友相机标定的理论进行标定，最后获得投影仪的内参和外参。当相机和投影仪被标定完成后，就可以直接调用opencv 的立体视觉标定函数标定系统。图像编码及解码的意义就在于确定编码结构光即面结构光系统的扫描角。格雷码与二进制码不同是：格雷码相邻的两个像素点的码值。采用横向20张、纵向20张、全黑全白各一张共42张格雷码图片。投影仪按照一定的规律将投影光栅图片投射到被测物体表面，然后相机可进行图像采集，并预处理图像。

[0060] 在完成上述工作后，可采用标准的四步相移法计算光栅图像的相位主值，利用频率相同四幅光栅图像计算出一幅相位主值图像。并计算其绝对相位值。利用三频外差原理计算其绝对相位值。根据计算出的3幅水平相位主值图像计算出1幅水平绝对相位值图像，根据计算出的3幅竖直相位主值图像计算出1幅竖直绝对相位值图像。通过相位和高度映射的关系，可确定相机光心与像点的一条线，确定光机光心与像点的一条线，从而得到三维坐标，并实现三维重建过程。

[0061] 在步骤S100中，得到点云数据后，需要实现点云数据之间的拼接过程，方法如下所示：

[0062] 上位机将下位机传送的结构光拍摄图进行三维重建，由于投影仪视角有限大约为，因此需要将12张局部三维重建点云图用迭代最近点（ICP）算法进行拼接得到 管道内壁环形三维图。

[0063] 设P与Q分别为两个不同视角下测量得到的点云数据，目标点云与实际获得的测量物体点云数据之间的旋转矩阵R和平移向量T用 表示，其中 满足条件： 。ICP算法的基本步骤如下：

[0064] 步骤1： ，设置初始坐标转换关系为 和 ；

[0065] 步骤2：对视角R下的点云数据 作计算，求出在视角Q下的最近距离点，根据有效点判定准则，判断 ，与 是否为有效对应点，进一步提取出位于视角P与视角Q重叠部分的对应点集：

[0066] ；

[0067] 步骤3：根据获得的两个点集 ， ，采用四元数法来求解坐标转换关系 和 ；

[0068] 步骤4：计算目标函数：

[0069] ；

[0070] 步骤5：如果 ， 为给定的收敛精度，则 ，转向步骤2。如果 ，记录 和 进行点云拼接，程序结束。

[0071] 在拼接完上述点云数据后，需要进行滤波平滑操作，以提高点云数据的准确性。

[0072] 首先，需要消除孤立点：

[0073] 步骤1：对每个点的邻域进行统计分析，假设点云中所有点的距离构成高斯分布，其形状由均值 和标准差 决定，设点云中第 个点坐标为 ，该点到任意一点的距离为：

[0074] ；

[0075] 步骤2：计算遍历每个点到任意点之间距离的平均值、标准差为：

[0076] ；

[0077] 步骤3：当点云数据中的点在其 邻域的平均距离为 范围内时将其保留，不在该范围内为离群点将其去除。其中 为标准差倍数。

[0078] 其中，进行高斯‑中值滤波去噪：

[0079] 高斯滤波针对图像降噪有较好的效果，其原理是经加权平均后，获取图像每一点像素值和邻域内其他点像素值，对服从正态分布的噪声有较好过滤效果，能够保持图像的整体细节；中值滤波法不再采用加权求和的方式计算滤波结果，它将图像划分多个正方形区域，以正方形内像素中值代替该区域像素值，对裂缝图像的边缘起到很好的保护作用，但它会模糊图像的整体。

[0080] 综合高斯滤波与中值滤波，基于各自优点实现裂缝图像噪声滤除。通过裂缝图像可以发现，图像中像素点的灰度值与其相邻像素点的灰度值是非常接近的，裂缝区域的灰度值照比其背景灰度值要低，如果一个像素点的灰度值小于或远大于相邻点的灰度值，则该像素点很可能是噪声。

[0081] 步骤S200中的判断管道内是否裂缝检测的方法为：

[0082] 设一个含有裂缝的曲面，则当曲面沿一个方向经过裂缝时，曲面会在此方向沿裂缝发生倾斜。同理，含有裂缝的点云，在沿一个方向经过裂缝区域时，点同样会在此方向上发生倾斜，其倾斜的程度也可以作为一个描述裂缝点的方式，即用梯度来描述点在沿某一方向上的倾斜程度。

[0083] 点云在裂缝边缘成线性延伸，而沿裂缝横截面方向点会随裂缝的倾斜而在梯度上发生变化。可以采用类似于Canny边缘检测的方法对点云进行裂缝边缘检测。首先计算每个点沿X轴方向和Y轴方向的高度差再计算得出该点的梯度值。

[0084] ；

[0085] ；

[0086] ；

[0087] 上述公式中， 表示 点的 坐标值， 表示点 沿 方向上的偏导， 表示点 沿 方向上的偏导， 表示点 的梯度。仅仅得到全局梯度并不能完全确定裂缝边缘，采用Canny边缘检测技术中的非极大值抑制方法，对点云梯度幅值进行非极大值抑制。对点云进行非极大值抑制后，再通过双阈值来过滤得到裂缝边缘点及其周围的边缘轮廓点。

[0088] 步骤S300中判断裂缝的种类的具体方法为：针对裂缝S， 为裂缝分布密度， 为裂缝区域面积和裂缝最小外接矩阵面积的比值。设定合适的阈值 和 ， 为倾斜角度。

[0089] 步骤1：若 ，裂缝分布密度较大，具有明显的裂缝碎块，则S为复杂状裂缝；否则，进入步骤2；

[0090] 步骤2：若 ，则S为复杂裂缝；否则S为简单裂缝。

[0091] 步骤3：取 ，若 ，则S为横向裂缝；若 ，则S为纵向裂缝。

[0092] 与现有技术相比，通过结构光采集的管道内的曲面图像，可以得到点云数据以及建立三维模型，便于分析管道内的裂缝点以及裂缝种类。

[0093] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。