[发明专利]基于主动立体视觉技术的模拟海床地形测量方法及测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及实验室模拟海床地形测量方法及测量装置。

背景技术

海洋工程中由于海流和波浪对海床的长期冲刷侵蚀作用以及海底沙波的推移，使坐落在海床中的海洋平台和海上风电设备的基础以及海底输油管线等发生裸露甚至悬空，造成整体结构的失稳，引发严重的灾难。海床地形演变是一个动态的过程，对于海床地形的精确、实时测量是研究沙波运动和局部冲刷机理及规律的重要基础。

实验室模拟是研究海床地形演变对海洋工程结构物影响的一种重要手段。实验室模拟海床地形变化包括大尺度的沙波运移和结构物周围小尺度的局部冲刷。目前，实验室通常采用超声波或激光测距仪类型的地形仪通过空间逐点扫描进行水下地形测量。基于超声和激光特性，探头必须伸入水面以下往复运动对地形进行扫描，因此在测量方式上属于接触式测量和非同步测量。探头的存在会对局部流场，尤其是对模拟海洋工程结构物周围的流场，产生明显的干扰。非同步测量会难以捕捉某些特殊情况下迅速变化的整个模拟海床地形，比如冲刷起动的瞬间。

此外，通常基于被动视觉进行的图像采集，地形特征点数量较少，且计算机不容易分辨，获取的地形数据精度不高，

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于主动立体视觉技术的模拟海床地形测量方法及测量装置，以非接触、同步、高精度地测量模拟海床的地形。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于主动立体视觉技术的模拟海床地形测量方法，其包括以下步骤：（1）在至少有一侧壁上有玻璃的实验水槽的一玻璃侧壁外侧布置双目相机，使双目相机正对该玻璃侧壁的玻璃，相机镜头对准实验水槽中模拟海床的被测地形，将双目相机通过数据线与控制主机内的图像采集卡连接，由控制主机自动采集图像，并进行分析和处理；（2）用标定系统标定双目相机对距离其不同远近位置处的点所采集到的图像的空间坐标，标定系统至少包括一上面精确地绘有黑白相间正方块图案的平板状标定板，标定时，将标定板竖直伸入实验水槽内，使标定板的中心高度与正式实验时海床的平均高度一致，标定板上绘有黑白相间正方块图案的面与双目相机正对的玻璃侧壁平行，且朝向双目相机侧，然后，使标定板沿水平方向一步步地从实验水槽的靠近双目相机的玻璃侧壁处移动到正对的远离双目相机的侧壁处，同时，双目相机对起始位置起每一步位置处的标定板进行图像采集，直到终点位置，以确定在不同位置处采集到的图像的空间标定系数；标定完成后，将标定板提升至实验水槽的水面之上；（3）用砂雨法海床制备系统在实验水槽内制备出模拟海床；（4）用主动结构光系统向模拟海床投射一幅能覆盖整个被测量区域的静止的结构化纹理图像、网格图像或激光点阵图像，或定时出现的激光点阵图像，并设定好双目相机的拍摄频率；（5）用波流控制系统在实验水槽内产生波流，以模拟海流和波浪，进行正式的海床冲刷试验；（6）由双目相机对实验水槽中投射有图像的模拟海床地形进行拍摄，控制主机对采集到的模拟海床地形图像进行分析和处理，基于已有的标定系数，得到模拟海床地形的三维数据。

特别阐明：所述主动结构光指能够投射出结构化纹理图像、网格图像或激光点阵图像的光学系统或光电系统。

一种基于主动立体视觉技术的模拟海床地形测量装置，其包括实验水槽，砂雨法海床制备系统、波流控制系统、双目相机、控制主机、标定系统、主动结构光系统，所述实验水槽至少有一侧壁上有玻璃；所述双目相机布置在实验水槽的一玻璃侧壁的外侧，且正对该玻璃侧壁的玻璃，相机镜头对准实验水槽中模拟海床的被测地形；双目相机通过数据线与控制主机内的图像采集卡连接，由控制主机自动采集图像，并进行分析和处理；所述标定系统用于标定双目相机对距离其不同远近位置处的点所采集到的图像的空间坐标，所述标定系统至少包括一上面精确地绘有黑白相间正方块图案的平板状标定板；所述砂雨法海床制备系统用于在实验水槽内制备出模拟海床；所述波流控制系统用于在实验水槽内产生模拟海流和波浪，进行海床冲刷试验；主动结构光系统用于向模拟海床投射一幅能覆盖整个被测量区域的静止的结构化纹理图像、网格图像或激光点阵图像，或定时出现的激光点阵图像。

优选地，所述标定系统包括底座、步进电机，滚珠丝杠、滑动螺母、连接杆、标定板，所述底座横跨在实验水槽的靠近双目相机的玻璃侧壁和另一相对的侧壁之上，底座的一端安装有步进电机，步进电机与所述控制主机连接，滚珠丝杠的一端与步进电机传动连接，另一端通过轴承设置在底座的另一端上，滑动螺母配合设置在滚珠丝杠上，滑动螺母上竖直安装连接杆，连接杆的下端竖直安装标定板。