【摘要】为了提高生产过程中对于较大面积平面平整度测量的效率与精度，基于三维激光扫描技术，使用STM32开发板作为设备主体，以C语言为开发语言，提出一种测量大面积平面平整度的解决方案。根据该方案制作出设备雏形，并结合OpenCV、OpenGL进行数据处理和可视化，能实现上述功能。将生产自动化实际运用至建筑工程中，提高实际生产的精度和效率。
【关键词】三维激光扫描；平整度；自动化
时下，机械自动化成为各行各业发展的趋势，自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力[1]。这一特点在土木工程的测量中体现尤为明显，在传统的土木工程施工中，人力勘测占据了主导地位。由于人工测量存在诸多局限性，若能实现测量方式的自动化将能极大地提高了施工的效率与精度，改善目前工地施工人员匮乏的窘境。直至今日，大多数的工程作业中对于大平面平整度的测量方式仍旧十分传统。楼地面浇混凝土找平工作中，施工中常用的做法是在高于楼面一定距离的墙、柱钢筋、脚手架钢管上打点标高，利用标高点纵横交叉拉线，再利用靠尺向下量楼面高度，对超过百分之五十的面积随机抽样调查。但是使用这种方式进行施工、检查费时费力，而且很难做到全面覆盖。在未抽样的区域若出现不满足施工标准的情况，在后期混凝土找平的工作中会造成很大的麻烦，消耗人力物力的同时拖慢施工进度，并对施工质量产生影响。基于这种现状，本文提出了一种基于激光三角法的测量大平面平整度的应用。
1系统方案阐述
1.1基本原理
方案实现的基本原理是激光三角法，一字激光源将激光束照射向待测物体，反射光束将在另一角度汇聚被摄像头所接收。当待测物体表面发生改变时呈像的位置也会出现相对应的改变，通过像的位移可以间接测出待测物体表面的空间坐标，它们之间存在着换算关系。对一个平面取合适间距多次计算，可得到一整块平面的平整度[2]，如图1所示。在一字激光源照射在待测平面的光束取任意两点p1和p2，其反射光在摄像头的感光部件上的投影为p1’和p2’，但是建立其x坐标系的起始位置未必在感光部件的第一列上，这对于后续计算一字激0光源到待测平面的距离d不利，所以引入L为通过像素点计算的投影距离和实际投影距离x的偏差量，p1’和p2’在x方向上平移L得到p1’’和p2’’为真正计算所需的投影距离。则d的表达式可写为：d=fs(m∗px+L)sin(β)（1）在式（1）中：f是摄像头的焦距，m是摄像头感光部件上单个像素感光单元的尺寸，这部分参数可通过查找摄像头手册得来。L是通过像素点计算的投影距离和实际投影距离x的偏差量，需要在安装的过程中严格消除或在矫正步骤计算得出。px是标准投影距离和实际投影距离的差值，由像的位置得来确定。s是激光器中心与摄像头中心点距离，β为一字激光源与待测面构成的锐角[3]。
1.2整体系统框架
基于三维激光扫描的大平面平整度测量系统主要分为数据采集端和数据处理端两大部分。数据采集端使用STM32F103RBT6开发板作为MCU，最高工作频率可达72MHz；其工作电压范围是2.0V-3.6V，片上集成32-512KB的Flash存储器和6-64KB的SRAM存储器，配置了多个输入输出接收端口适合驱动摄像头和进行数据交换。数据处理端采用的是以i7-7700HQ为核心的PC端，工作频率最高可睿频至3.8GHz，板载高频DDR48G内存满足数据的临时存储和处理。整体框架的搭建大致如图2所示，数据采集端主要由激光源、摄像头和STM32开发板构成，其中激光源作为信号的发射端，承担着持续输出激光的职能。摄像头为信号接收端，作为传感器识别激光源照射在待测物表面反射的光线。STM32开发板作为连接的桥梁，驱动摄像头和激光源，与PC端进行数据交换。数据处理主要由PC端完成，负责对采集到的数据进行处理和可视化。
1.3数据采集端硬件设计
STM32开发板所承担的功能如下：驱动摄像头，收集摄像头所采集到的图像数据，通过串口传输将图像数据传输至PC端，作为摄像头与电脑之间的通信桥梁。程序主要使用C51语言编写。程序设计流程图如图3所示。主函数的程序流程为：运行初始化摄像头、串口通信函数，设置成功后循环读取摄像头的图像数据，并将得到的数据打包添加通信协议后通过串口传输。
1.4数据处理端软件设计
程序main函数主要进行接受图像数据并进行分析的操作，利用OpenCV和OpenGL函数库，通过计算图像中激光线位置，绘出该线所示平整度情况，实现平面平整度数据可视化。程序使用C语言和C++编写，并使用C++的OpenCV和OpenGL函数库，可以很方便的处理图形、绘制图形。程序设计流程图如图4所示。程序开始，首先打开PC端中USB串口文件和一个储存图片信息的空文件，设置串口波特率与单片机一致，并为图片文件写入BMP文件头信息。开始读写串口信息，并同时检验通信协议。当检验成功则表示一帧图片开始传输，并开始为预先准备好的BMP文件写入图像信息。完全写入一张图片后，使用OpenCV打开文件并将其以激光颜色为阈值进行二值化，激光部分灰度值设置为255，其余部分则设为0，使其成为一张仅有激光线的二值化图像。取图像上灰度值为255的激光一字线上边缘为样本点，根据预先计算好的公式计算每点相对于基准高度的高度差。调用OpenGL函数库，绘制出该线段的平整度数据图像，并用不同颜色标注超出允许最大误差的点。
2系统制作与测试应用
2.1实物展示
按照上述思路将STM32与摄像头等部件组装起来，固定摄像头与一字激光源的位置如图5（a）和图5（b）所示，至此数据采集端的硬件部分安装已经全部结束，只需要将程序烧录进去即可。从图中可以看出此系统搭建简单，难点主要是算法的实现和排除环境光的干扰。
2.2系统测试与应用
对一个长96.0mm、宽16.0mm、高16.0mm的阶梯状积木方块进行测量，摄像头得到的结果经过二值化处理后如图6（a），对这帧数据使用OpenCV进行分析可得到一列待测物体表面的高低分布情况，使用OpenGL进行可视化处理可得到如图6（b）所示的剖面图（被标红的部分为存在大于3mm的高度差，即为不平整度较差的位置），取合适的间隔多次测量可得到一整块平面的分布情况，图6（c）和（d）为实物与轮廓图。通过实物和轮廓图的对比，已经实现预期的目标。从轮廓图标注的不同颜色区域来看，红、黄、绿、蓝所对应的平面分别为16mm、12mm、8mm、4mm都和实际积木高度一一对应。在高度出现跳变的位置所得到的数据会受跳变部位光发散影响，出现一两个像素点的偏差，但在实际应用中很少出现类似的状况，对于生产应用影响极小。采用此方式分辨率与所测量的距离成反比关系，通过调整摄像头的分辨率和像素尺寸依旧可以达到在较远的距离保持较高的分辨率，摄像头的素质越高，通过实践总结得出在测量距离为350mm的情况下，采用分辨率为480×320、像素尺寸为6×6μm2的摄像头就可以达到工程作业中地面找平所需的精度[4]。
3未来展望
随着激光技术的发展，激光已广泛运用于军事、工业、医学等领域，并发挥着其独一无二的作用，并在提升各行业生产力中起到了巨大作用。使用三维激光扫描技术采集数据具有效率高、数据量大、速度快、精确度高等优点。将三维激光扫描技术运用至土木工程的日常施工生产中，加快土木工程中的自动化发展，减少人力物力的消耗，提高施工质量。其比较传统的测量方法，在大面积复杂表面、地形也具有不可比拟的优势，能够做到快速检查、全面覆盖、及时反馈超标信息。因此，推进三维激光扫描技术进入土木工程大平面平整度测量具有重要的意义。
作者：丁宇翔 张俊雄 梁佐练 李灯旭 师文庆 单位：广东海洋大学电子与信息学院
