CN109916381B - 基于图像处理的顶管自动导向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像处理的顶管自动导向方法及系统，该方法包括如下步骤：于始发工作井设置激光源，用于发射激光束；于顶管机的机头设置左、右激光接收靶，反射镜和摄像机；利用激光源向左激光接收靶发射激光束，所发射的激光束穿过左激光接收靶并经反射镜反射到右激光接收靶；根据摄像机拍摄的图像信息得出激光光斑的初始坐标，测得顶管机的初始转角、左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差；顶管机推进过程中，再根据图像信息得出激光光斑的实时坐标，测得顶管机的实时转角，进而计算得出顶管机的切口和盾尾的偏差。本发明的自动导向方法具有造价低，精度高的优势，可应用于长距离顶管，适应性高，安装简便。

Description

基于图像处理的顶管自动导向系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，特指一种基于图像处理的顶管自动导向系统及方法。

背景技术

随着城市的开发和建设，顶管施工已经成为了市政工程建设中常用的一种施工工法，顶管导向系统作为顶管施工的关键技术之一，目前国内大多顶管采用人工测量的方法实施，顶管内操作空间小、空气潮湿、温差大，对人工测量十分不利。顶管导向系统大多基于自动跟踪全站仪来开发的，通过多台自动跟踪全站仪接力的方式来完成，因而造价高昂。基于激光经纬仪或其他摄像器材的顶管导向系统，由于顶管机自身安装空间受限，普遍精度不高，经常需要人工测量、校核，两种方法的成本均极其高昂。

目前在国内使用较多的顶管导向系统主要有以下两种，这两种都应用了激光测量装置，激光测量装置是当前顶管施工中应用最普遍的姿态测量装置。

一种是德国VMT公司开发的型号为SLS-RV的顶管导向系统。SLS-RV导向系统利用安装在移动的管节壁上的带隧道激光发射器自动全站仪发出的激光对顶管机的掘进提供稳定的基准，而自动全站仪的定位通过倾斜仪、参考棱镜和距离传感器实现，但由于顶管的施工工艺，因此对于长距离顶进的顶管施工必须定期校核，一般100m一次。该SLS-RV导向系统由于成本极高，所以影响了其使用的普及性。

另一种是中国在先专利CN2601390Y公开的激光测量装置，如图1所示，主要由激光光源1、光靶2、测量环3、摄像机4、计算机5、倾斜仪6组成，光靶2设置在测量环3上，摄像机4朝光靶2方向设置，辅以适当的照明，倾斜仪6固定于微型顶管机机头中，其信号经过微型顶管机机头内PLC可编辑控制器送到控制台的计算机5，摄像机4的信号直接送到计算机5。控制台上能够监视光点的位置，使操作人员在控制台的监视器上通过监视光靶上的光点的位置，来确定机头的高程和平面的偏差，用纠偏操作来纠正机头的偏离，同时将光点位置信号送计算机5进行数字化处理，得到机头的高程和平面的偏差量，再根据掘进距离计算出偏离推进轴线的偏差值。激光光点的位置靠操作人员的肉眼观察，效率不高，不能实现计算机的自动识别，只能用于200米以内的直线顶管施工，通用性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于图像处理的顶管自动导向系统及方法，解决现有导向系统成本高、精度低、通用性差、以及不能自动识别和实时测量偏差等的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种基于图像处理的顶管自动导向方法，包括如下步骤：

于始发工作井设置激光源，用于发射激光束；

于顶管机的机头设置左激光接收靶和右激光接收靶，并在所述左激光接收靶和右激光接收靶远离所述激光源的一侧设置对应的反射镜；

于所述顶管机的机头设置用于拍摄左激光接收靶和右激光接收靶的摄像机；

利用所述激光源向所述左激光接收靶发射激光束，所发射的激光束穿过所述左激光接收靶并经所述反射镜反射到所述右激光接收靶；

初始时，根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，测得所述顶管机的初始转角、左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差；以及

顶管机推进过程中，根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，测得所述顶管机的实时转角，结合所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标、所述顶管机的初始转角、所述左激光接收靶中心初始偏差和所述右激光接收靶中心初始偏差，计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差。

本发明的自动导向方法具有造价低，精度高的优势，可应用于长距离顶管，适应性高，安装简便。

本发明基于图像处理的顶管自动导向方法的进一步改进在于，计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差的步骤，包括：

计算所述左激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_左，H_左)为所述左激光接收靶中心实时偏差，(X₁，Y₁)为左激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₁，Y′₁)为左激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₁，ΔH₁)为左激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机中轴线间的距离；

计算所述右激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_右，H_右)为所述右激光接收靶中心实时偏差，(X₂，Y₂)为右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₂，Y′₂)为右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₂，ΔH₂)为右激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机中轴线间的距离；

根据所述左激光接收靶中心实时偏差和所述右激光接收靶中心实时偏差计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离小于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离大于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

其中，(P_切口，H_切口)为所述顶管机的切口的偏差，(P_盾尾，H_盾尾)为顶管机的盾尾的偏差，a为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离，b为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述顶管机的盾尾的距离，c为所述顶管机的切口距所述反射镜的距离。

本发明基于图像处理的顶管自动导向方法的进一步改进在于，根据所述摄像机拍摄的图像信息计算激光光斑的坐标之前，对所述图像信息进行校正，以将呈四边形的图像信息校正为正方形。

本发明基于图像处理的顶管自动导向方法的进一步改进在于，在对所述图像信息进行校正后，还包括对所述图像信息进行单阈值分割、形态学处理和中心坐标计算；

所述单阈值分割的步骤包括：设定阈值，当所述图像信息中的像素值大于所设定的阈值时为1，当所述图像信息中的像素值小于等于所述阈值时则设为0，进而得到二值图像；

所述形态学处理的步骤包括：对所述二值图像进行形态学滤波，通过开运算和闭运算平滑所述二值图像中激光束形成的激光光斑的轮廓；

所述中心坐标计算包括：统计经过所述形态学处理的图像信息中像素值为1的像素位置，进行统计平均得出所述激光光斑的中心位置的坐标信息。

本发明还提供了一种基于图像处理的顶管自动导向系统，包括：

激光源，设于始发工作井处，用于发射激光束；

左激光接收靶，设于顶管机的机头处；

右激光接收靶，设于顶管机的机头处；

反射镜，设于所述左激光接收靶和所述右激光接收靶远离所述激光源的一侧；

摄像机，设于所述顶管机的机头处并用于拍摄左激光接收靶和右激光接收靶；通过所述激光源向所述左激光接收靶发射激光束，所发射的激光束穿过所述左激光接收靶并经所述反射镜反射到所述右激光接收靶；通过所述摄像机拍摄所述左激光接收靶和所述右激光接收靶并形成图像信息；以及

控制器，与所述摄像机连接，接收所述摄像机拍摄形成的图像信息，所述控制器用于在初始时根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，并获得所述顶管机的初始转角、左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差；所述控制器还用于在顶管机推进过程中根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，并获得所述顶管机的实时转角，进而结合所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标、所述顶管机的初始转角、所述左激光接收靶中心初始偏差和所述右激光接收靶中心初始偏差，计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差。

本发明的基于图像处理的顶管自动导向系统的进一步改进在于，所述控制器包括接收靶中心姿态计算模块和与所述接收靶中心姿态计算模块连接的顶管机姿态计算模块；

所述接收靶中心姿态计算模块用于计算左激光接收靶中心实时偏差和右激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_左，H_左)为所述左激光接收靶中心实时偏差，(X₁，Y₁)为左激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₁，Y′₁)为左激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₁，ΔH₁)为左激光接收靶中心初始偏差，(P_右，H_右)为所述右激光接收靶中心实时偏差，(X₂，Y₂)为右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₂，Y′₂)为右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₂，ΔH₂)为右激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机中轴线间的距离；

所述顶管机姿态计算模块用于根据所述左激光接收靶中心实时偏差和所述右激光接收靶中心实时偏差计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离小于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离大于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

其中，(P_切口，H_切口)为所述顶管机的切口的偏差，(P_盾尾，H_盾尾)为顶管机的盾尾的偏差，a为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离，b为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述顶管机的盾尾的距离，c为所述顶管机的切口距所述反射镜的距离。

本发明的基于图像处理的顶管自动导向系统的进一步改进在于，所述控制器内还包括图像处理单元，所述图像处理单元包括图像校正模块，用于对接收的图像信息进行校正，以将呈四边形的图像信息校正为正方形。

本发明的基于图像处理的顶管自动导向系统的进一步改进在于，所述图像处理单元还包括单阈值分割模块、形态学处理模块和中心坐标计算模块；

所述单阈值分割模块用于对校正过的图像信息进行阈值分割，得二值图像；

所述形态学处理模块用于对所述二值图像进行开运算和闭运算，平滑所述二值图像中激光束形成的激光光斑的轮廓；

所述中心坐标计算模块用于计算得出所述激光光斑的中心坐标。

附图说明

图1为现有技术中一种顶管测量装置的结构示意图。

图2为本发明基于图像处理的顶管自动导向系统的结构示意图。

图3为本发明基于图像处理的顶管自动导向系统中激光打到左、右激光接收靶的结构示意图。

图4为c>a的情况下接收靶的中心与顶管姿态之间的关系。

图5为a>c的情况下接收靶的中心与顶管姿态之间的关系。

图6为对比例中前靶、后靶与盾尾、切口的三角关系。

图7为本发明中左靶、右靶与盾尾、切口的三角关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图2，本发明提供了一种基于图像处理的顶管自动导向系统及方法，用于解决摄像机安装位置由于顶管机的机头空间受限，拍摄出来的图像存在失真，导致系统精度不高和通用性差的问题。本发明的自动导向系统及方法具有高实时性，高自动化的特点，应用激光发射装置和图像识别技术，实现低成本的模板；利用反射棱镜的设置，在占用空间大小一定的情况下，降低了误差从而提高了计算精度。下面结合附图对本发明基于图像处理的顶管自动导向系统及方法进行说明。

参阅图2，显示了本发明基于图像处理的顶管自动导向系统的结构示意图。下面结合图2，对本发明基于图像处理的顶管自动导向系统进行说明。

如图2所示，本发明的基于图像处理的顶管自动导向系统包括激光源21、左激光接收靶22、右激光接收靶23、反射镜24、摄像机25以及控制器(图中未示出)；结合图3所示，激光源21设于始发工作井处，用于发射激光束211，左激光接收靶22和右激光接收靶23设于顶管机10的机头处，且左激光接收靶22和右激光接收靶23并排设置且之间留设有一定的间距；反射镜24设于左激光接收靶22和右激光接收靶23远离激光源21的一侧，设置在始发工作井处的激光源21朝着左激光接收靶22设置，且激光源21所发射的激光束211沿着设定轴线射入到左激光接收靶22上，较佳地，该设定轴线与左激光接收靶22的表面所在的平面呈一定夹角；摄像机25设于顶管机10的机头处并用于拍摄左激光接收靶22和右激光接收靶23，为避免摄像机25对激光束的遮挡，将摄像机25安装在左激光接收靶22和右激光接收靶23的下方，摄像机25朝着左激光接收靶22和右激光接收靶23设置，通过激光源21向左激光接收靶22发射激光束211，激光束211打到左激光接收靶22上，穿过左激光接收靶22后经反射镜24反射到右激光接收靶23上，摄像机25拍摄左激光接收靶22和右激光接收靶23并形成图像信息；控制器与摄像机连接，接收摄像机拍摄形成的图像信息，控制器用于在初始时根据摄像机拍摄的图像信息得出左激光接收靶22和右激光接收靶23上激光光斑的初始坐标，并获得顶管机10的初始转角、左激光接收靶22中心初始偏差和右激光接收靶23中心初始偏差，控制器还用于在顶管机10推进过程中根据摄像机25拍摄的图像信息得出左激光接收靶22和右激光接收靶23上激光光斑的实时坐标，并获得顶管机10的实时转角，进而结合左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，顶管机的初始转角，左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差，计算得出顶管机的切口和盾尾的偏差，从而指导顶管机掘进，实现对顶管机掘进过程的自动导向纠偏。

本发明基于图像处理的顶管自动导向系统的工作原理为：

在顶管机掘进前，结合图3所示，先通过激光源21发射激光束211沿设定轴线打到左激光接收靶22上，激光束211穿过左激光接收靶22后经过反射镜24的反射而打到右激光接收靶23上，摄像机25拍摄到左激光接收靶22和右激光接收靶23上的激光光斑的图像信息，控制器通过该图像信息计算出左激光接收靶23上激光光斑的初始坐标和右激光光斑的初始坐标，此时控制器还获取顶管机10的初始转角，获取左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差，以上参数作为初始参数；在顶管机掘进过程中，实时通过摄像机获取左激光接收靶22和右激光接收靶23上激光光斑的图像信息，并计算出左激光接收靶上激光光斑的实时坐标和右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，顶管机的实时转角，结合初始参数进行计算，进而得到顶管机的切口和盾尾的偏差。

本发明的基于图像处理的顶管自动导向系统安装简便，造价低，精度高，应用于长距离顶管，适应性高。

作为本发明的一较佳实施方式，控制器包括接收靶中心姿态计算模块和与接收靶中心姿态计算模块连接的顶管机姿态计算模块；

该接收靶中心姿态计算模块用于计算左激光接收靶中心实时偏差和右激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_左，H_左)为左激光接收靶中心实时偏差，(X₁，Y₁)为左激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₁，Y′₁)为左激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₁，ΔH₁)为左激光接收靶中心初始偏差，(P_右，H_右)为右激光接收靶中心实时偏差，(X₂，Y₂)为右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₂，Y′₂)为右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₂，ΔH₂)为右激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机10的中轴线间101的距离；

顶管机姿态计算模块用于根据左激光接收靶中心实时偏差和右激光接收靶中心实时偏差计算得出顶管机的切口和盾尾的偏差，顶管机姿态计算模块根据左、右激光接收靶的中心姿态以及相似三角关系，换算出顶管机切口和盾尾偏差，在c>a的情况下，接收靶的中心姿态与顶管姿态的关系如图4所示，在a>c的情况下，接收靶的中心姿态与顶管姿态的关系如图5所示，具体如下：

若左激光接收靶和右激光接收靶距反射镜的距离小于顶管机的切口距反射镜的距离，则顶管机的切口和盾尾的偏差为：

若左激光接收靶和右激光接收靶距反射镜的距离大于顶管机的切口距反射镜的距离，则顶管机的切口和盾尾的偏差为：

其中，(P_切口，H_切口)为顶管机的切口的偏差，(P_盾尾，H_盾尾)为顶管机的盾尾的偏差，a为左激光接收靶和右激光接收靶距反射镜的距离，b为左激光接收靶和右激光接收靶距顶管机的盾尾的距离，c为顶管机的切口距反射镜的距离。

较佳地，在顶管机10的机头处设置有倾斜仪26，通过倾斜仪26得到顶管机10的机头相对于设计轴线的俯仰角和回转角，倾斜仪26与控制器连接，将测得顶管机10的机头的俯仰角和回转角均发送给控制器。上述的顶管机的初始转角

和实时转角

均是通过倾斜仪26测得并发送给控制器的。

又佳地，左激光接收靶中心初始偏差(ΔP₁，ΔH₁)和右激光接收靶中心初始偏差(ΔP₂，ΔH₂)通过人工测量得到，并手动输入到控制器内。

本发明的基于图像处理的顶管自动导向系统通过并排设置左、右激光接收靶，再结合反射镜有效地提高了计算精度，下面以前后设置的接收靶作为对比例，来说明本发明的左、右激光接收靶和反射镜提高了计算精度的原理。

在对比例中，以距离e设置前靶和后靶，前靶距盾尾距离为f，后靶距切口距离为g，前靶、后靶与盾尾、切口满足三角关系如图6所示。本发明的左靶(即左激光接收靶)、右靶(即右激光接收靶)并排设置，反射镜以距离e设置在左靶、右靶的后方，左靶、右靶距盾尾的距离为f，反射镜距切口的距离为g，从而本发明的左靶、右靶与盾尾、切口满足三角关系如图7所示。假设对比例中前靶的读数误差值为ΔX_前、ΔY_前，后靶的读数误差值为ΔX_后、ΔY_后，本发明的左靶的读数误差值为ΔX_左、ΔY_左，右靶的读数误差值为ΔX_右、ΔY_右，计算得到的切口误差为ΔP_切、ΔH_切，盾尾误差为ΔP_尾、ΔH_尾，则有：

前靶、后靶与左靶、右靶的读数误差值相同，由上述表达式可以看出，本发明的计算方法，能够将误差降低一半，提高了计算精度。

作为本发明的另一较佳实施方式，本发明的控制器内还包括图像处理单元，图像处理单元包括图像校正模块，用于对接收的图像信息进行校正，以将呈四边形的图像信息校正为正方形。

摄像机25的安装位置处于激光接收靶的下方，拍摄出来的图像呈四边形，需将其校正为正方形后再处理。为了确定校正前像素与校正后像素，存在线形映射对应，图像校正模块通过如下步骤实现图像信息的校正：将需要校正的四边形顶点分别定义为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)，校正成正方形的四个顶点分别为(x′₁,y′₁)、(x′₂,y′₂)、(x′₃,y′₃)、(x′₄,y′₄)，建立中心投影变换得到：

式一中，(x′,y′)为校正成正方形的图像像素坐标值，(x,y)为校正前四边形的图像像素坐标值，通过四组顶点之间对应关系建立四组方程，计算出系数a₁、a₂、a₃、a₄的值，而后将四边形内所有图像像素坐标通过式一进行变换，就可得到校正后正方形的像素坐标。

通过图像校正模块使得失真图像得到了校正，从而提高了激光光斑中心坐标的计算精确度，进而提高了顶管姿态的计算精度。

进一步地，图像处理单元还包括单阈值分割模块、形态学处理模块和中心坐标计算模块；

单阈值分割模块用于对校正过的图像信息进行阈值分割，得二值图像；图像信息中的激光光斑呈白色，其理论上的RGB值为(255,255,255)，为了得到准确激光光斑的位置信息，单预制分割模块对图像信息进行单阈值分割来提取，

其中，threshold为阈值，大小为原图像中最大值的0.95倍。

形态学处理模块用于对二值图像进行开运算和闭运算，平滑二值图像中激光束形成的激光光斑的轮廓；经单阈值分割后的图像为二值图像，大部分的背景都被消除，但仍然有噪声干扰，在计算中心坐标之前必须对光斑图像进行预处理，这里使用数学形态学方法来消除阈值分割结果中异常情况的影响。具体操作采用3*3的白色方块结构进行形态学滤波，单阈值分割出来的二值图像按照下面的公式进行开运算和闭运算操作：

闭运算能够平滑激光点的轮廓，填充比结构元素小的洞。开运算完全删除了不能包含结构元素的对象区域，平滑了激光光斑的轮廓。

中心坐标计算模块用于计算得出激光光斑的中心坐标。统计经过处理后的图像信息上值为1的像素位置，并进行统计求平均值，就得到了激光光斑的中心位置：

下面对本发明提供的基于图像处理的顶管自动导向方法进行说明。

本发明的基于图像处理的顶管自动导向方法，包括如下步骤：

如图2和图3所示，于始发工作井设置激光源21，用于发射激光束211；

于顶管机10的机头设置左激光接收靶22和右激光接收靶23，并在左激光接收靶22和右激光接收靶23远离激光源21的一侧设置对应的反射镜24；

于顶管机10的机头设置用于拍摄左激光接收靶22和右激光接收靶23的摄像机25；

利用激光源21向左激光接收靶22发射激光束211，所发射的激光束211穿过左激光接收靶22并经反射镜24反射到右激光接收靶23；

初始时，根据摄像机25拍摄的图像信息得出左激光接收靶22和右激光接收靶23上激光光斑的初始坐标，测得顶管机10的初始转角、左激光接收靶22中心初始偏差和右激光接收靶23中心初始偏差；

顶管机推进过程中，根据摄像机25拍摄的图像信息得出左激光接收靶22和右激光接收靶23上激光光斑的实时坐标，测得顶管机10的实时转角，结合左激光接收靶22和右激光接收靶23上激光光斑的初始坐标、顶管机10的初始转角、左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差，计算得出顶管机10的切口和盾尾的偏差。

本发明的导向方法中计算顶管机10的切口和盾尾的偏差可通过本发明的导向系统中的控制器来实现，具体计算过程可参见上述的控制器的计算过程，在此不再赘述。

作为本发明的一较佳实施方式，计算得出顶管机的切口和盾尾的偏差的步骤，包括：

计算左激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_左，H_左)为左激光接收靶中心实时偏差，(X₁，Y₁)为左激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₁，Y′₁)为左激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₁，ΔH₁)为左激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机的中轴线101间的距离；

计算右激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_右，H_右)为右激光接收靶中心实时偏差，(X₂，Y₂)为右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₂，Y′₂)为右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₂，ΔH₂)为右激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机的中轴线101间的距离；

根据左激光接收靶中心实时偏差和右激光接收靶中心实时偏差计算得出顶管机的切口和盾尾的偏差：

若左激光接收靶和右激光接收靶距反射镜的距离小于顶管机的切口距反射镜的距离，则顶管机的切口和盾尾的偏差为：

若左激光接收靶和右激光接收靶距反射镜的距离大于顶管机的切口距反射镜的距离，则顶管机的切口和盾尾的偏差为：

其中，(P_切口，H_切口)为顶管机的切口的偏差，(P_盾尾，H_盾尾)为顶管机的盾尾的偏差，a为左激光接收靶和右激光接收靶距反射镜的距离，b为左激光接收靶和右激光接收靶距顶管机的盾尾的距离，c为顶管机的切口距反射镜的距离。

较佳地，在顶管机10的机头处设置有倾斜仪26，通过倾斜仪26得到顶管机10的机头相对于设计轴线的俯仰角和回转角，倾斜仪26与控制器连接，将测得顶管机10的机头的俯仰角和回转角均发送给控制器。上述的顶管机的初始转角

和实时转角

均是通过倾斜仪26测得并发送给控制器的。

又佳地，左激光接收靶中心初始偏差(ΔP₁，ΔH₁)和右激光接收靶中心初始偏差(ΔP₂，ΔH₂)通过人工测量得到，并手动输入到控制器内。

作为本发明的另一较佳实施方式，根据摄像机拍摄的图像信息计算激光光斑的坐标之前，对图像信息进行校正，以将呈四边形的图像信息校正为正方形。

摄像机25的安装位置处于激光接收靶的下方，拍摄出来的图像呈四边形，需将其校正为正方形后再处理。为了确定校正前像素与校正后像素，存在线形映射对应，图像校正模块通过如下步骤实现图像信息的校正：将需要校正的四边形顶点分别定义为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)，校正成正方形的四个顶点分别为(x′₁,y′₁)、(x′₂,y′₂)、(x′₃,y′₃)、(x′₄,y′₄)，建立中心投影变换得到：

式一中，(x′,y′)为校正成正方形的图像像素坐标值，(x,y)为校正前四边形的图像像素坐标值，通过四组顶点之间对应关系建立四组方程，计算出系数a₁、a₂、a₃、a₄的值，而后将四边形内所有图像像素坐标通过式一进行变换，就可得到校正后正方形的像素坐标。

通过图像校正模块使得失真图像得到了校正，从而提高了激光光斑中心坐标的计算精确度，进而提高了顶管姿态的计算精度。

进一步地，在对图像信息进行校正后，还包括对图像信息进行单阈值分割、形态学处理和中心坐标计算；

单阈值分割的步骤包括：设定阈值，当图像信息中的像素值大于所设定的阈值时为1，当图像信息中的像素值小于等于阈值时则设为0，进而得到二值图像；图像信息中的激光光斑呈白色，其理论上的RGB值为(255,255,255)，为了得到准确激光光斑的位置信息，对图像信息进行单阈值分割来提取，

其中，threshold为阈值，大小为原图像中最大值的0.95倍。

形态学处理的步骤包括：对二值图像进行形态学滤波，通过开运算和闭运算平滑二值图像中激光束形成的激光光斑的轮廓；经单阈值分割后的图像为二值图像，大部分的背景都被消除，但仍然有噪声干扰，在计算中心坐标之前必须对光斑图像进行预处理，这里使用数学形态学方法来消除阈值分割结果中异常情况的影响。具体操作采用3*3的白色方块结构进行形态学滤波，单阈值分割出来的二值图像按照下面的公式进行开运算和闭运算操作：

闭运算能够平滑激光点的轮廓，填充比结构元素小的洞。开运算完全删除了不能包含结构元素的对象区域，平滑了激光光斑的轮廓。

中心坐标计算包括：统计经过形态学处理的图像信息中像素值为1的像素位置，进行统计平均得出激光光斑的中心位置的坐标信息。统计经过处理后的图像信息上值为1的像素位置，并进行统计求平均值，就得到了激光光斑的中心位置：

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于图像处理的顶管自动导向方法，其特征在于，包括如下步骤：

于始发工作井设置激光源，用于发射激光束；

于顶管机的机头设置左激光接收靶和右激光接收靶，并在所述左激光接收靶和右激光接收靶远离所述激光源的一侧设置对应的反射镜；

于所述顶管机的机头设置用于拍摄左激光接收靶和右激光接收靶的摄像机；

利用所述激光源向所述左激光接收靶发射激光束，所发射的激光束穿过所述左激光接收靶并经所述反射镜反射到所述右激光接收靶；

初始时，根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，测得所述顶管机的初始转角、左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差；以及

顶管机推进过程中，根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，测得所述顶管机的实时转角，结合所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标、所述顶管机的初始转角、所述左激光接收靶中心初始偏差和所述右激光接收靶中心初始偏差，计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差；

计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差的步骤，包括：

计算所述左激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_左，H_左)为所述左激光接收靶中心实时偏差，(X₁，Y₁)为左激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₁，Y₁′)为左激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₁，ΔH₁)为左激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机中轴线间的距离；

计算所述右激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_右，H_右)为所述右激光接收靶中心实时偏差，(X₂，Y₂)为右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₂，Y′₂)为右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₂，ΔH₂)为右激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机中轴线间的距离；

根据所述左激光接收靶中心实时偏差和所述右激光接收靶中心实时偏差计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离小于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离大于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

其中，(P_切口，H_切口)为所述顶管机的切口的偏差，(P_盾尾，H_盾尾)为顶管机的盾尾的偏差，a为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离，b为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述顶管机的盾尾的距离，c为所述顶管机的切口距所述反射镜的距离。

2.如权利要求1所述的基于图像处理的顶管自动导向方法，其特征在于，根据所述摄像机拍摄的图像信息计算激光光斑的坐标之前，对所述图像信息进行校正，以将呈四边形的图像信息校正为正方形。

3.如权利要求2所述的基于图像处理的顶管自动导向方法，其特征在于，在对所述图像信息进行校正后，还包括对所述图像信息进行单阈值分割、形态学处理和中心坐标计算；

所述单阈值分割的步骤包括：设定阈值，当所述图像信息中的像素值大于所设定的阈值时为1，当所述图像信息中的像素值小于等于所述阈值时则设为0，进而得到二值图像；

所述形态学处理的步骤包括：对所述二值图像进行形态学滤波，通过开运算和闭运算平滑所述二值图像中激光束形成的激光光斑的轮廓；

所述中心坐标计算包括：统计经过所述形态学处理的图像信息中像素值为1的像素位置，进行统计平均得出所述激光光斑的中心位置的坐标信息。

4.一种基于图像处理的顶管自动导向系统，其特征在于，包括：

激光源，设于始发工作井处，用于发射激光束；

左激光接收靶，设于顶管机的机头处；

右激光接收靶，设于顶管机的机头处；

反射镜，设于所述左激光接收靶和所述右激光接收靶远离所述激光源的一侧；

摄像机，设于所述顶管机的机头处并用于拍摄左激光接收靶和右激光接收靶；通过所述激光源向所述左激光接收靶发射激光束，所发射的激光束穿过所述左激光接收靶并经所述反射镜反射到所述右激光接收靶；通过所述摄像机拍摄所述左激光接收靶和所述右激光接收靶并形成图像信息；以及

控制器，与所述摄像机连接，接收所述摄像机拍摄形成的图像信息，所述控制器用于在初始时根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，并获得所述顶管机的初始转角、左激光接收靶中心初始偏差和右激光接收靶中心初始偏差；所述控制器还用于在顶管机推进过程中根据所述摄像机拍摄的图像信息得出所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，并获得所述顶管机的实时转角，进而结合所述左激光接收靶和右激光接收靶上激光光斑的初始坐标、所述顶管机的初始转角、所述左激光接收靶中心初始偏差和所述右激光接收靶中心初始偏差，计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差；

所述控制器包括接收靶中心姿态计算模块和与所述接收靶中心姿态计算模块连接的顶管机姿态计算模块；

所述接收靶中心姿态计算模块用于计算左激光接收靶中心实时偏差和右激光接收靶中心实时偏差：

其中，(P_左，H_左)为所述左激光接收靶中心实时偏差，(X₁，Y₁)为左激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₁，Y₁′)为左激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₁，ΔH₁)为左激光接收靶中心初始偏差，(P_右，H_右)为所述右激光接收靶中心实时偏差，(X₂，Y₂)为右激光接收靶上激光光斑的初始坐标，(X′₂，Y′₂)为右激光接收靶上激光光斑的实时坐标，(ΔP₂，ΔH₂)为右激光接收靶中心初始偏差，

为顶管机的初始转角，

为顶管机的实时转角，d为左激光接收靶中心与顶管机中轴线间的距离；

所述顶管机姿态计算模块用于根据所述左激光接收靶中心实时偏差和所述右激光接收靶中心实时偏差计算得出所述顶管机的切口和盾尾的偏差：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离小于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

若所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离大于所述顶管机的切口距所述反射镜的距离，则所述顶管机的切口和盾尾的偏差为：

其中，(P_切口，H_切口)为所述顶管机的切口的偏差，(P_盾尾，H_盾尾)为顶管机的盾尾的偏差，a为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述反射镜的距离，b为所述左激光接收靶和右激光接收靶距所述顶管机的盾尾的距离，c为所述顶管机的切口距所述反射镜的距离。

5.如权利要求4所述的基于图像处理的顶管自动导向系统，其特征在于，所述控制器内还包括图像处理单元，所述图像处理单元包括图像校正模块，用于对接收的图像信息进行校正，以将呈四边形的图像信息校正为正方形。

6.如权利要求5所述的基于图像处理的顶管自动导向系统，其特征在于，所述图像处理单元还包括单阈值分割模块、形态学处理模块和中心坐标计算模块；

所述单阈值分割模块用于对校正过的图像信息进行阈值分割，得二值图像；

所述形态学处理模块用于对所述二值图像进行开运算和闭运算，平滑所述二值图像中激光束形成的激光光斑的轮廓；

所述中心坐标计算模块用于计算得出所述激光光斑的中心坐标。

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