面阵固态激光雷达在排水管道检测中应用研究
时间：2023-04-20 11:15:05 来源：千叶帆 本文已影响人
王永涛，邵 春
（1.中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北 武汉 430074；
2.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北 武汉 430074）
近几年全球气候异常，暴雨频发，城市内涝时有发生。排水管道肩负着运输城市生活污水和雨水的功能，其是否通畅关系着人民群众生命财产的安全。因此，排水管道完整性检测具有重要的意义。
排水管道完整性检测技术很多，激光扫描是其中一项重要技术，目前主要采用单点激光和机械圆周扫描式激光设备来检测管道[1-3]。单点激光测量距离远、精度高，但只能检测出管道某个点的位置，不能形成一个面[4-7]。机械式激光设备是在马达的驱动下，激光头绕着管道侧壁四周旋转扫描，能形成管道的二维纵切面轮廓图，但扫描速度慢，纵向精度依赖于马达角速度的稳定性，并且体积大、功耗大、机械故障多、稳定性差[8-10]，也只能形成一个二维图，管道轮廓无法立体化。面阵固态激光雷达是近年发展起来的一种激光技术，它通过多个发射装置和多个接收装置同时工作，利用信号相位和强度信息区分空间定位，能一次检测出一定角度内整个面的管道内壁完整性信息，从而形成管道真三维轮廓图像[11]。本文设计一种基于面阵固态激光雷达技术的管道轮廓完整性检测系统，激光雷达数据通过电力线编解码后，传给主控制器形成三维图像，供排水管道管理部门使用。
排水管道面阵固态激光雷达检测系统示意图如图1所示，主要用于检测排水管道内壁完整性信息，包括管道塌陷、管道变形、管道裂缝、泥沙堆积、树根插入以及支管连接等影响污水排放的因素信息。整个系统由探头、绕线盘、爬行器和主控制器组成。
图1 面阵固态激光雷达检测系统示意图
爬行器是动力装置，负责在排水管道中行走，可以执行各种运动控制命令。
探头搭载在爬行器上，其由控制电路和激光雷达传感器两部分组成，由于一个固态激光雷达传感器照射的角度有限，采用多个传感器均匀布置在探头周围，可以同时采集到管道周围所有的内壁信息，经过软件拼接处理后，生成管道内壁三维图像。
绕线盘一端连接主控制器，另一端连接爬行器和探头，绕线盘的内部集成了400脉冲的编码器，可以计算爬行器的行进距离，最小距离分辨率可达1 mm，其标配是缠绕150 m电缆线。电缆线抗拉耐磨，为了减轻重量，便于现场实际操作仪器，电缆线只有2股线，采用电力线技术传输电源的同时，也传输控制命令和数据。
主控制器接收激光雷达数据，电力线解码后，生成管道内壁三维点云图或深度图，工作人员根据图形现场调整各种参数，发送参数命令给爬行器和探头，采集到最好的激光雷达数据。
排水管道面阵固态激光雷达检测系统硬件电路设计框图如图2所示，主要由探头和主控制器两部分电路构成。
图2 仪器硬件电路设计框图
探头硬件电路以MCU芯片PIC32MZ2048EFH144为核心，通过串口与5路激光雷达传感器通信，接收激光雷达深度和空间位置信息。高速数据缓存在QSPI接口存储器SST26VF064B中，数据打包后通过以太网收发器LAN8740A传输给电力线模块，编码后数据加载在48 V直流电压线上，通过双绞线传输给主控制器。当一帧圆周轮廓数据采集完后，驱动爬行器前进，再采集下一帧的管道圆周数据。
主控制器通过双绞线接收到数据后，同样经过电力线模块解码，以太网收发器转换后传输给控制器芯片，内部缓存后整理成每包512 B，通过USB接口发送给计算机。同时编码器模块计数值换算成距离值，此距离值即为探头在管道中距离检查井的距离，距离值占5 B，随数据包传输给计算机。现场技术人员发布的命令，按上面描述的相反方向传输给探头，实现参数配置和控制。
2.1 面阵固态激光雷达传感器
面阵固态激光雷达传感器采用海伯森科技的HPS3D160模块，采用850 nm波长的红外光，检测最大距离可达8 m，检测盲区为0.25 m，距离精度为厘米级，每帧输出数据包括深度值、平均距离、信号强度、弱信号像素数量、饱和像素数量、最大距离和最小距离等[12]。工业级IP67防水防尘设计适用于排水管道的恶劣环境，模块不需要额外加工，直接安装在探头上即可使用。单个传感器管道轴向视场角为32°，60个距离分辨点；
管道圆周纵向视场角为76°，160个距离分辨点，对应的距离分辨率表示为：
式中：d1，d2分别为管道轴向距离分辨率和纵向距离分辨率；
l是视场角对应的圆弧长度；
h是激光测量的距离。由式（1）和式（2）中可以计算出在距离1 m处的管道轴向分辨率约为0.93 cm，纵向分辨率约为0.83 cm。由此可以得出纵向分辨率优于轴向分辨率，并且随着距离的增加，分辨率逐渐降低。传感器模块内部集成滤波和补偿算法，可以利用软件算法提高分辨率。
激光传感器数据采集电路原理图如图3所示，5路传感器通过串口和MCU连接，此处注意TTL电平转换。由于MCU是3.3 V电平，RXD线路通过电阻上拉到5 V电源增强驱动能力，同时TXD线路上使用外设引脚选择功能，选择可承受5 V电压的引脚。每帧面阵固态激光雷达数据有76 896 B，先存储在缓存器SST26VF064B中，然后再打包通过以太网发送给主控制器。
图3 激光传感器电路原理图
2.2 以太网收发器电路
以太网收发器采用MICROCHIP公司的LAN8740A芯片，其与MCU连接电路图如图4所示。
图4 以太网收发器电路原理图
引脚9上拉至电源设置芯片工作在简化的MII接口模式，从CLKIN引脚输入50 MHz信号，作为收发总线上的时钟，时钟信号线上串接33Ω电阻抑制反射电流。MODE[2：0]引脚逻辑默认为“111”，设置芯片工作在自动协商机制的100M全双工模式。
PHYAD[2：0]引脚逻辑默认为“000”，用于设置以太网端口物理层地址。9根信号线与MCU通信，包括收发数据线、时钟线和控制信号线。
两组差分信号线TXP、TXN和RXP、RXN通过网络变压器连接到电力线模块，把信号加载到电源线上传输，每根信号线上拉4.99Ω电阻到电源，下拉12 pF电容到地，保证信号的稳定。
面阵固态激光雷达传感器HPS3D160模块每一帧采集9 600个点深度数据，点阵分布图如图5所示，管道圆周纵向每一行160个点，管道轴向每一列60个点，从左到右，从上到下依次排列。每个点深度数据占2 B，加上24 B全局信息数据，每一帧测量数据包共19 224 B。
图5 一帧激光雷达点阵分布图
探头中MCU芯片PIC32MZ2048EFH144与5路激光雷达传感器连接，并采集数据发送出去，主程序流程如图6所示。
图6 探头主程序流程
软件实现过程如下：
1）系统初始化
MCU芯片上电后，首先配置内部时钟，让处理器工作在高速运行状态。通过外设引脚选择功能配置引脚端口，使其与外围芯片正确连接，例如设置U1RXR[3：0]寄存器逻辑为“0011”，数据方向选择寄存器TRISD相应位逻辑为“1”，使第98引脚RPD10担负起串口1数据接收功能，与激光雷达传感器U7的数据输出引脚TXD1连接，建立通信通道。配置5个串口模式和波特率后，发送命令设置5个激光雷达传感器位于不同的地址，后续按设备地址读取数据。清空缓存器SST26VF064B，为存储数据做准备。设置全局变量n为“1”，表示从第1个传感器开始采集数据。
2）数据采集阶段
激光雷达传感器有三种模式，分别为待机模式、单次测量模式和连续测量模式。由于连续测量模式数据量太大，本文系统设置为单次测量模式。当传感器数据准备好后，MCU通过串口1读取传感器1的19 224 B数据，并存储到缓存器中。全局变量n增加1，读取下一个传感器的数据，直到5个传感器数据读完。除了激光雷达数据外，还要采集探头的姿态信息，包括探头的倾角、转角和方位角等[13]，后续在成像时，姿态信息用于校准管道三维图，使其更接近真实管道。
3）数据传输阶段
当激光雷达传感器深度数据和探头姿态信息采集完后，打成一个符合以太网协议的数据帧包，通过电力线模块传输给主控制器。
4）爬行器移动
当上一帧激光雷达数据传输给主机后，爬行器需要移动一段距离，为下一帧的数据采集做准备。移动的距离不是固定的，是由激光雷达传感器管道轴向视场角32°和排水管道的管径共同决定，目的是使连续两帧数据中间不能有管道圆周断层，同时也不能重叠太多，影响排水管道检测效率。
5）主控制器数据处理阶段
主控制器根据编码器计数模块得到探头在管道中距离检查井的距离，接收到探头的帧数据包后，根据5个激光雷达传感器的安装方位，按照图5的点阵分布用姿态数据校准后，重组48 000个点数据，把空间坐标与激光雷达点对应[14]。数据经USB接口传输给计算机显示三维图像，清晰的三维轮廓图像可以分析出排水管道内壁的完整性信息。
为了验证系统的可靠性，选取实验室顶棚作为实验场景，用已知尺寸的物品作为实验对象。图7是某一帧面阵固态激光雷达测试数据和相机照片的对比图。从图中可以看出，激光雷达点云图和深度图中日光灯、吊扇、顶棚大梁等物品都清晰可见，位置和轮廓信息与相机照片都是对应的。
图7 面阵固态激光雷达数据和照片对比图
为了进一步验证系统的有效性，用标准工具测量了日光灯、吊扇、顶棚大梁的实际尺寸和距离，根据固态激光雷达传感器的原理，依据式（1）和式（2）并加入插值滤波算法[15]，在实测深度图中用软件计算出了对应的检测值，对比结果如表1所示。
表1 检测量和实际量对比
经过对图7和表1的数值进行分析，得出以下结果：
1）不管是实验物品尺寸，还是实验物品检测距离，面阵固态激光雷达检测量与实际量都相差不大，最大的误差率为1.94%，说明面阵固态激光雷达检测数据是可信的。
2）从固态激光雷达数据和照片对比图中可以看出，吊扇支柱是可以分辨出来的，而日光灯支柱是分辨不出来的。实测吊扇支柱直径为1.8 cm，日光灯支柱直径为1.0 cm，得出固态激光雷达测量精度在1.8 cm左右。
3）随着检测距离的增加，面阵固态激光雷达的检测精度逐渐降低。通过多个模拟场地多次实验对比，此技术适用于测量距离5 m以内的圆形管道或方形管涵。
仪器实物现场测试图如图8a）所示，绕线盘缠绕150 m电缆线，电缆线一端连接探头，另一端连接主控制器，主控制器通过USB口连接计算机，组成一个完整的面阵固态激光雷达数据采集控制系统。计算机对激光雷达数据进行处理，按照方位把空间坐标与激光雷达点对应，对5个激光雷达传感器数据进行融合，形成排水管道一段内壁圆周深度图。按照管道行进深度把每小段拼接起来，构成一条排水管道激光雷达三维深度图，如图8b）所示。从三维深度图中可以明显分辨出这条波纹管基本完好，没有管道塌陷、管道变形的情况，但管道底部有泥沙堆积，管道顶部有污垢凝结，需对这条排水管道进行清淤除垢处理。
图8 仪器现场测试照片和数据
本文对排水管道中面阵固态激光雷达检测系统进行了研究，设计并实现了激光雷达传感器数据采集系统。实验结果表明，面阵固态激光雷达能快速检测出排水管道中绝大部分缺陷，其检测精度能满足要求。在实际应用中，本文系统可以和管道视频机器人一起使用，把管道内壁深度信息叠加到视频图像中，形成三维全景图像，便于后续对管道轮廓进行量化分析。所设计系统实用性高、检测速度快，具有良好的市场应用前景。
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