一种多单元LED阵列隧道衬砌频闪照明装置及方法

一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明装置及方法
技术领域
1.本发明属于道路检测领域，涉及一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明装置及方法。


背景技术：

2.通常情况下，公路隧道相对于其他隧道来说，断面更大、形状更扁平，对运营过程中的通风情况和照明情况都具有较高的要求，此外，山区公路穿越的山体地质情况和水文情况往往复杂多变，因此公路隧道相对于其他类型隧道更容易产生病害和质量问题。对公路隧道造成影响的因素较多，造成病害情况复杂，影响程度大，现阶段公路隧道最为常见的病害种类有：隧道渗水、隧道衬砌开裂、隧道界限受侵等。
3.对隧道表面的渗漏水、裂缝等病害等进行检测时，由于隧道内灯光较暗，导致相机拍的照片不清晰，目前大部分检测方案采用常亮的led灯对相机照明，但是常亮的led灯产生热量较多，对能量的损耗较大，同时长时间工作会烧毁led灯。
4.现在由于非接触式检测的发展，多采用隧道检测车进行隧道病害检测，每小时时速达到几十公里，普通隧道一般是2车道或者3车道，由于一台相机无法拍摄隧道内表面的全景，所以通常采用多台相机同时拍摄隧道的不同部分，再结合图像处理技术，通过图像拼接技术，形成完整的隧道内表面图，方便工作人员查看病害的位置和类型。本发明主要是解决用于相机照明的led阵列布置的设计、相机和led频闪灯的同步工作以及led阵列自动调光问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明装置及方法，能够节约能量，延长led灯的使用寿命，相机拍摄的图片更清晰。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明装置，包括：led阵列、单片机、相机、led驱动电路、编码器、分频板、检测车和工控机；
8.led阵列包括若干个led灯，led驱动电路连接led灯，控制led灯的亮灭；单片机连接编码器，编码器连接分频板，分频板连接相机，相机连接工控机；工控机连接单片机；分频板连接led驱动电路；编码器设置在检测车的车轮上。
9.本发明的进一步改进在于：
10.每一个led阵列对应一个led驱动电路；所述led阵列为若干个。
11.led驱动电路包括：电阻r1、电阻r2、电容c1和mos管；
12.电阻r1一端连接分频板，另一端同时连接mos管的栅极和电容c1的一端；所述电容c1的另一端接地；mos管的源极连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端接地，mos管的漏极连接led灯，所述led灯串联连接，led灯连接vcc。
13.一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明方法，包括：
14.基于单个led的光照强度分布和光照明面光斑的大小，获取led阵列的间距d
led
，确定led阵列的安装位置；
15.设定延迟时间，实现led灯照明应和相机拍摄同步工作；
16.持续判断led阵列产生的光源是否满足相机照明要求，若满足，则led阵列产生的光源不发生变化，若不满足，则调整led阵列的光源强度。
17.基于单个led的光照强度分布和光照明面光斑的大小，获取led阵列的间距d
led
，确定led阵列的安装位置，具体为：
18.单个led灯发出的光照度分布符合高斯函数，基于led阵列的照明范围、平均亮度和照度均匀度确定各led灯之间的间距；led灯通过透镜后的光斑经过叠加后，使得led阵列在目标照明面上产生的矩形光斑均匀度大于70％。
19.设定延迟时间，实现led灯照明应和相机拍摄同步工作，具体为:所述led灯照明方式为频闪照明，相机设置成外触发模式，同时设置延迟时间，单片机输出的脉冲信号，当相机接收到脉冲信号的上升沿后进行拍照；当led灯接收到脉冲信号进行照明，相机拍照相对于led灯照明存在延迟，设置延迟时间，实现led灯照明应和相机拍摄同步工作。
20.延迟时间的长短和脉冲信号的长度需要根据相机的类型和实验测试确定。
21.调整led阵列的光源强度，具体为：
22.检测车在行驶过程中变换车道时，导致led阵列产生的矩形光斑亮度和均匀度不再满足相机照明要求，相机拍摄的图片灰度值发生变化；假设图片平均灰度阈值r(k)，工控机计算相机拍摄图片的平均灰度值y(k)，将设定的平均灰度阈值r(k)与相机拍摄图片的平均灰度值y(k)作差，并将差值通过模糊pid算法，获得所需要的pwm波的占空比，工控机通过单片机输出相对应占空比的pwm波，改变不同区域的led的亮度。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明通过设置led频闪灯和相机同步工作，节约能量，产生热量少，延长led灯的使用寿命；led阵列产生均匀的矩形光斑，可以满足相机对隧道衬砌拍摄的照明要求，使得图片清晰。当led阵列到目标照明面的距离发生变化时，通过模糊pid方法计算led阵列不同区域的所需要的pwm波占空比的大小，使得led阵列产生的矩形光斑亮度满足要求，并且亮度均匀。
附图说明
25.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1为本发明总体流程图；
27.图2为本发明实施例的一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明装置结构图；
28.图3为led驱动电路图；
29.图4为本发明的多单元led阵列隧道衬砌频闪照明方法流程图；
30.图5为单个led的光斑照度分布图；
31.图6为led光斑的叠加方式的原理图；
32.图7为led光斑的叠加示意图；
33.图8为led阵列与相机的布置位置图；
34.图9为相机和led频闪灯同步关系图；
35.图10为模糊pid控制结构图；
36.图11为模糊pid控制工作流程图；
37.图12为三角型隶属度函数曲线图。
38.其中，1-单片机；2-编码器；3-分频板；4-相机；5-工控机；6-led驱动电路；7-led阵列；8-mos管源极；9-mos管漏极；10-mos管栅极；
①
～
⑧‑
led阵列的8个区域。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
40.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
42.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
44.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
46.参见图1，本发明公布了一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明方法，包括：根据检测隧道的尺寸、照片分辨率的大小，完成相机及镜头的选型，单个led光源发出的光照度分布符合高斯函数，通过要求的led阵列的照明范围、平均亮度和照度均匀度，确定各个led之间合适的间距。led通过透镜后的光斑经过叠加后，使得led阵列在目标照明面上产生的矩形光斑平均亮度满足拍摄要求，均匀度大于70％。当检测车在行驶过程中，由于左右偏移或
者由2车道隧道进入3车道隧道时，会导致led阵列产生的矩形光斑亮度和均匀度不再满足相机照明要求。把led阵列分为8个区域，工控机计算设定的平均灰度阈值r(k)与相机拍摄图片的实际平均灰度值y(k)的偏差值，通过模糊pid的方法控制pwm波的占空比进而控制led的亮度，使得led阵列产生的矩形光斑平均亮度满足要求，且亮度比较均匀。在此过程中要保证相机和led频闪灯同步工作，频闪照明相比常亮照明方案节省能量，产生的热量较小，延长了led的使用寿命。
47.同时，参见图2，本发明公开了一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明装置，包括：led阵列7、单片机1、相机4、led驱动电路6、编码器2、分频板3、检测车和工控机5；
48.led阵列7包括若干个led灯，led驱动电路6连接led灯，控制led灯的亮灭；单片机1连接编码器2，编码器2连接分频板3，分频板3连接相机4，相机4连接工控机5；工控机5连接单片机1；分频板3连接led驱动电路6；编码器2设置在检测车的车轮上。
49.每一个led阵列7对应一个led驱动电路6；led阵列7为若干个。
50.参见图3，led驱动电路包括：电阻r1、电阻r2、电容c1和mos管；电阻r1一端连接分频板3，另一端同时连接mos管的栅极和电容c1的一端；电容c1的另一端接地；所述mos管的源极连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端接地，mos管的漏极连接led灯，led灯串联连接，led灯连接vcc。
51.8为mos管源极，接负极；9为mos管漏极，接正极；10为mos管栅极。当mos管的栅极10输入高电平时，mos管的源极8和mos管的漏极9导通，mos管开始工作，当mos管的栅极10输入低电平时，mos管的源极8和mos管的漏极9断开，mos管停止工作。电阻r1起限流作用，数值较小，几十欧姆即可，当mos管的栅极10和mos管的漏极9击穿后，防止vcc值过大而烧毁单片机；电容c1起滤波作用，具体数值大小要根据延迟时间长短确定；电阻r2起保护作用，防止发光二极管烧毁，电阻r2数值要根据led的驱动电流确定。
52.其工作原理如下所：当pwm波为正电平时，mos管的源极8与mos管的漏极9导通，led发光二极管导通，led亮，当pwm波为低电平时，mos管的源极8与mos管的漏极9断开，led灭；实现了通过pwm波的高低电平控制led灯的亮与灭，同时通过改变pwm波的占空比来改变通过led灯电流的时间，进而来改变led灯的亮度。
53.参见图4，本发明公布了一种多单元led阵列隧道衬砌频闪照明方法，包括：
54.s101，基于单个led的光照强度分布和光照明面光斑的大小，获取led阵列的间距d
led
，确定led阵列的安装位置。
55.单个led灯发出的光照度分布符合高斯函数，基于led阵列的照明范围、平均亮度和照度均匀度确定各led灯之间的间距；led灯通过透镜后的光斑经过叠加后，使得led阵列在目标照明面上产生的矩形光斑均匀度大于70％。
56.参见图5，单个led灯经过透镜在目标平面上产生特定大小圆形光斑，光斑的照度分布符合高斯函数，横坐标表示距离光斑中心的距离，纵坐标表示照度大小。
57.高斯函数如公式(1)所示：
[0058][0059]
其中，a表示曲线峰值，b为峰值对应的横坐标，c为标准差，表示函数的宽度。把led的发光照度用高斯函数表示，随着led与目标照明平面距离的增加，led通过透镜在一定距
离处产生的圆形光斑，其大小和照度分布是确定的。
[0060]
参见图6，单个led灯经过透镜折射后，在目标照明面上产生特定大小和亮度的圆形光斑。根据照度分布及led距离目标照明面的距离，可以计算出单个led在目标照明面光斑的大小和照度分布，而且光斑照度分布可以用高斯函数描述。为了使led阵列产生亮度均匀的光斑，本发明选择合适的led阵列间距d
led
，使得在目标照明面叠加后的光斑的均匀度大于70％，亮度满足照明要求。
[0061]
均匀度的计算公式如公式(2)所示：
[0062][0063]
其中，e
min
为最小照度值，e
av
为平均照度值，ej为照度均匀度；led阵列间距d
led
为经过多次实际实验的经验而来。
[0064]
参见图7，led灯在目标照明面产生的光斑按照公式(2)叠加，且每个led灯之间的间距为d
led
，阴影部分为单个led光斑与右方和上方光斑的重叠部分。经过此方法，led阵列在目标照明面产生的矩形光斑亮度满足相机拍摄照明要求，并且均匀度达到70％，亮度比较均匀。
[0065]
参见图8，为了便于调节led的亮度，将led阵列7分为8个模块，如图
①
～
⑧
，每个模块上led的间距按照实验得到的d
led
布置，各模块发出的光斑基本均匀，调节亮度时只需要按模块调节即可。相机4放在led阵列7的中间，这样可以充分利用led阵列7产生的光。
[0066]
s102，设定延迟时间，实现led灯照明应和相机拍摄同步工作。
[0067]
参见图9，相机与led同步工作原理为：led灯照明方式为频闪照明，相机设置成外触发模式，同时设置延迟时间，单片机输出的脉冲信号，当相机接收到脉冲信号的上升沿后进行拍照；当led灯接收到脉冲信号进行照明，相机拍照相对于led灯照明存在延迟，设置延迟时间，实现led灯照明应和相机拍摄同步工作。延迟时间的长短和脉冲信号的长度需要根据相机的类型和实验测试确定；触发信号的频率需要根据检测速度来确定。
[0068]
s103，持续判断led阵列产生的光源是否满足相机照明要求，若满足，则led阵列产生的光源不发生变化，若不满足，则调整led阵列的光源强度。
[0069]
参见图10，当检测车在检测过程中由于跑偏或者由2车道隧道进入3车道隧道检测时，led光源到目标面的距离会发生变化，单个led灯经过透镜在目标面上产生的圆形光斑大小和照度发生改变，导致led阵列产生的矩形光斑亮度或者均匀度不再满足相机拍摄的照明要求，需要改变led的发光亮度，使得叠加后的矩形光斑达到照明要求。
[0070]
假设图片平均灰度阈值r(k)，工控机计算相机拍摄图片的平均灰度值y(k)，将设定的平均灰度阈值r(k)与相机拍摄图片的平均灰度值y(k)作差，并将差值通过模糊pid算法，获得所需要的pwm波的占空比，改变led灯亮度的目的。e(k)为设定的平均灰度阈值r(k)和图片实际的平均灰度值y(k)的偏差值，利用pid控制器输出pwm波的占空比，同时用模糊控制器对pid的比例k
p
、微分ki、积分kd系数进行修正，使得控制更加准确。
[0071]
参见图11，工控机计算相机拍摄图片的平均灰度值y(k)，与设定的平均灰度阈值r(k)进行作差得到偏差e(k)，利用pid控制器对偏差e(k)进行计算，得到相对应led区域的pwm波的占空比。单片机为32位单片机，通过输出特定占空比的pwm波，改变不同区域的led
的亮度，使得图片的平均灰度值达到要求，偏差e(k)和偏差变化率通过模糊化、模糊推理计算、解模糊化输出δk
p
，δki，δkd，对pid的k
p
、ki、kd进行修正，使得控制更加准确。
[0072]
具体实施方式如下：
[0073]
设定的平均灰度阈值r(k)与相机拍摄图片的平均灰度值y(k)的差值e(k)、偏差变化率模糊控制器的输出值δk
p
，δki，δkd的取值范围一般不同，通过选取不同的量化因子ge、g
ec
、g
kp
、g
ki
、g
kd
，将上述变量转化到[-3，3]区间内。模糊集合的论域为[-3，-2，-1，0，1，2，3]，本发明选用模糊语言值正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)表示，每一个语言值对应一个模糊子集。其隶属函数通常选用三角隶属函数，由隶属函数图可以确定输入数值相应的隶属度。
[0074]
偏差e(k)的计算如公式(3)所示：
[0075]
e(k)＝r(k)-y(k)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0076]
式中：k为采样序号，k＝0,1,2,3,4
…
；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；r(k)为设定的平均灰度阈值；y(k)为第k次采样时，采样图片的平均灰度值。
[0077]
偏差变化率的计算如公式(4)所示：
[0078][0079]
式中：为第k次采样时刻输入的偏差变化率；e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；t为采样时间。
[0080]
量化因子的计算如公式(5)所示：
[0081][0082]
式中：gn为不同的量化因子，取值为ge、g
ec
、g
kp
、g
ki
、g
kd
；v
max
分别为偏差值e(k)、偏差变化率模糊控制器的输出值δk
p
，δki，δkd的取值范围的上限；v
min
分别为差值e(k)、偏差变化率模糊控制器的输出值δk
p
，δki，δkd的取值范围的下限。
[0083]
偏差值e(k)、偏差变化率与量化因子的乘积，可能不是整数，采用四舍五入方法取整。
[0084]
本发明选用三角隶属函数求取输入数值的隶属度，三角隶属函数的表达式如公式(6)所示：
[0085][0086]
三角隶属函数在区间[-3,3]的曲线如图12所示。
[0087]
建立模糊规则库，k
p
、ki、kd对控制系统的影响如下：k
p
值的选取决定系统的响应速
度。在调节过程的初期，k
p
取较小值，以减小各物理量初始变化的冲击，在调节过程的中期，适当加大k
p
值，以提高响应快速性和动态精度，而在调节过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，k
p
取较小值。
[0088]
积分调节主要用于提高系统的抗干扰能力，消除静差，提高系统的无差度。为防止由于某些因素引起的饱和非线性等影响而造成积分饱和现象，积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调量。因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，ki甚至可以取零；而在调节过程的中期，为避免对系统动态稳定性造成影响，其积分作用应该比较适中；在调节过程的后期，则应增强积分作用，减小系统静差，提高调节精度。
[0089]
kd值的选取对调节动态特性影响很大。kd值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；kd值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节过程的初期，应加大微分作用，以减小甚至避免超调；而在调节过程的中期，由于调节特性对kd值的变化比较敏感，因此，kd值应适当小一些并应保持固定不变；然后在调节过程的后期，kd值应减小，以减小被控过程的制动作用，增加对扰动的抑制能力，使调节的初期因kd较大而导致的调节时间增长而得到补偿。
[0090]
由以上可知，本发明制定的δk
p
、δki、δkd模糊规则如下表1所示。
[0091]
表1：δk
p
、δki、δkd模糊规则
[0092][0093]
注：每格里有3个模糊控制规则，从左往右分别为δk
p
、δki、δkd的模糊控制规则。
[0094]
根据差值e(k)、偏差变化率模糊化的结果，经过模糊控制规则，得出δk
p
、δki、δkd对应的模糊子集，选择重心法计算各输出值的量化值，其计算如公式(7)所示：
[0095][0096]
式中：z0为模糊控制器输出量解模糊后的精确值；zi模糊控制量论域内的值；uc(zi)为zi的隶属度值。
[0097]
至此可以得到δk
p
、δki、δkd的精确值，k
p
、ki、kd的参数调整计算如公式(8)所示：
[0098][0099]
式中，k
p
、ki、kd为pid控制器的参数，k
p0
、k
i0
、k
d0
为k
p
、ki、kd的初始参数，δk
p
、δki、δkd为k
p
、ki、kd的调整量。
[0100]
根据设定的平均灰度阈值r(k)与相机拍摄图片的平均灰度值y(k)的差值e(k)、偏差变化率选用位置式pid控制，计算如公式(9)所示：
[0101][0102]
式中：k为采样序号，k＝0,1,2,3,4
…
；μ(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；k
p
、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数。
[0103]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。