CN110081827A - 机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，包括：将CCD相机朝向管片中心并对中，设定CCD相机的摄程范围；利用CCD相机拍摄初始化图片，以初始化图片的中心坐标为原点建立CCD坐标系，获取初始化图片中管片的左边线像素L和右边线像素R；计算初始化管片的盾尾间隙d_初：d_初＝d_m‑(2R‑Y)h/Y，其中d_m是人工测量获得的初始化标定时的盾尾间隙值，h是管片厚度，Y＝L+R是管片宽度像素值；在盾构掘进过程中利用CCD相机实时拍摄管片图像，获取管片图像中的左边线像素L和右边线像素R，并代入公式(1)计算盾尾间隙d：d＝d_初+(R‑L)h/Y(1)。本发明解决了视场范围盾尾内壁无有效参考边界信息(无稳定相对参考点)运动管片检测盾尾间隙的技术难题。

Description

机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法

技术领域

本发明涉及一种盾构施工质量和安全监测技术领域，尤其涉及一种机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法。

背景技术

隧道施工过程中，与盾构千斤顶靴板接触的管片圆周面的外圆与盾构壳体内壁之间的距离，称为盾尾间隙。盾构掘进过程中，盾尾间隙各处数值与隧道设计轴线(DTA)的变化、盾构纠偏措施、盾尾外壳和成型管片承受重力变形等因素密切相关。

盾构施工必须严格监控盾尾间隙的变化。正确的盾尾间隙数据可反映拼装管片的成型轴线位置，为指导管片纠偏策略提供基础信息；同时正确的盾尾间隙数据可指导盾构纠偏策略，避免大幅度纠偏造成盾尾间隙过小使盾壳与管片发生受力挤压问题，当挤压力过大时可能会对管片产生破坏作用，同时也会导致盾构尾部的密封刷与管片摩擦增大影响其寿命，造成施工安全和质量风险隐患。

目前大部分盾构施工是在推完一环和拼完一环后人工用直尺测量和记录盾尾间隙。但是，人工测量盾尾间隙费时费力、测量准确性不稳定。

因此，亟待一种方便、有效的盾尾间隙自动测量的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种方便、有效的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，能够突破现有技术以固定测点检测盾尾间隙的方法，提高了盾尾间隙检测的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，该检测方法包括：

将CCD相机固定安装于盾构机盾尾，固定于两个千斤顶之间；

将CCD相机镜头朝向管片中心并对中，设定所述CCD相机的摄程范围至少覆盖盾构掘进过程中管片相对所述CCD相机垂直运动的全范围；

利用所述CCD相机拍摄初始化图片，以所述初始化图片的中心坐标为原点建立CCD坐标系，获取所述初始化图片中管片的左边线像素L和右边线像素R；

计算初始化管片的盾尾间隙d_初：d_初＝d_m-(2R-Y)h/Y，其中d_m是人工测量获得的初始化标定时的盾尾间隙值，h是管片厚度，Y＝L+R是管片宽度像素值；

在盾构掘进过程中利用所述CCD相机实时拍摄管片图像，获取管片图像中的左边线像素L和右边线像素R，并代入公式(1)计算盾尾间隙d：

d＝d_初+(R-L)h/Y (1)。

所述机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法进一步的改进在于，所述检测方法还包括：通过以下步骤求解盾构坐标系中管片运动的相距变化与所述CCD坐标系中像素值之间的关系：

利用所述CCD相机拍摄至少两组管片相对所述CCD相机垂直运动至不同距离时的管片图像，获取所述管片图像中管片的左边线像素L₀、L₁和右边线像素R₀、R₁，计算管片宽度像素Y₀、Y₁，得方程(2)：

其中，x₀、x₁是管片相对CCD相机的垂直距离；

求解方程(2)，建立管片相距变化过程中盾构坐标系与所述CCD坐标系之间的非线性关系，求解距离系数a和像素系数b；

将所述距离系数a和所述像素系数b代入公式(3)，计算所述CCD相机仅拍摄到管片右边线时的盾尾间隙d：

或者，将所述距离系数a和所述像素系数b代入公式(4)，计算所述CCD相机仅拍摄到管片左边线时的盾尾间隙d：

其中，x是管片相对CCD相机的垂直距离。

所述机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法进一步的改进在于，所述CCD相机安装于盾构机盾尾的千斤顶之间，通过获取所述千斤顶的行程获取管片相对所述CCD相机的垂直距离。

所述机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法进一步的改进在于，通过盾构机PLC系统获取所述千斤顶的行程。

所述机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法进一步的改进在于，通过图像分析软件获取所述左边线像素和所述右边线像素。

本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：

1、本发明解决了视场范围盾尾内壁无有效参考边界信息(无稳定相对参考点)的盾尾间隙检测的技术难题；

2.本发明克服了当管片至相机垂直距离变化时，盾构距离坐标系与相机CCD坐标系之间的非线性关系，建立了与相距相关的坐标系之间的转换关系。

3、本发明突破现有技术以固定测点检测盾尾间隙的方法，可在成型管片内圆侧(右边界)或者成型管片外圆侧(左边界)管片边界任意多点求得盾尾间隙，可避免直接测量间隙时杂物污染造成的影响，提高了盾尾间隙检测的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1示出了盾构坐标系与CCD坐标系之前的非线性关系曲线图。

图2示出了根据本发明实施例的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法中以CCD为坐标的盾尾间隙主要变量示意图。

图3示出了根据本发明实施例的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法中以CCD为坐标的近距离观测示意图。

图4示出了根据本发明实施例的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法中以CCD为坐标的远距离观测示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

盾构机盾尾间隙数据是盾构姿态控制与管片选点拼装的重要参考信息，需要在盾构推进过程中得到准确的监测数据。但是，盾尾间隙位置在盾构施工过程中经常受溢出的盾尾油脂污染、在清理同步注浆管道时受溢出的泥浆污染。

本发明采用无参照物的机器视觉图像分析方法检测盾尾间隙，以解决目前盾构间隙检测领域中存在的以下技术问题：

1、掘进过程中相机与管片的距离逐步增大，造成图像中的管片近大远小视觉效果，纵向盾壳内壁的视图无明显参考点，所以一般很难直接根据图像解析出盾尾间隙；

2、千斤顶行程是盾构坐标系数据，数字相机图像是CCD坐标系，千斤顶伸缩距离与图像上的像素为非线形关系，特别是管片在远距离位置时图像上目标的分辨率会降低、图像的对比度清晰度会降低，增加了图数分析的难度，参见图1(图中，X代表相距，P代表像素值)。

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种机器视觉无参照物的垂直运动水平位移盾尾间隙自动检测方法，该检测方法主要依赖于CCD相机、图像分析软件和PLC系统，其中，CCD相机用于获取管片图像，图像分析软件可采用Vision Pro等软件，用于从管片图像中获取管片的左边线像素和/或右边线像素，PLC系统为盾构机盾尾千斤顶的控制系统，可借由PLC系统获取管片的垂直距离，下文会有更为详尽的说明。

实施步骤：

步骤一：以CCD相机为坐标系建立盾尾间隙图形数据分析模型

1)首先，将CCD相机固定安装于盾构机盾尾，固定于两个千斤顶之间；将CCD相机朝向管片中心并对中，并设定CCD相机的摄程范围至少覆盖盾构掘进过程中管片相对CCD相机垂直运动的全范围；

具体来说，在该步骤中，管片中心为管片断面中心线，在初始状态，将CCD相机(数字摄像机)的摄像头垂直于管片断面且镜头对准于管片断面中心线，安装定焦CCD相机，使其焦距满足0.7米到2.8米范围图像清晰。即，选取600mm～2850mm的定焦镜头，能覆盖盾构掘进过程中管片相对镜头垂直运动范围。CCD相机固定安装在盾构机盾尾的二相邻千斤顶之间，CCD相机所在位置对准于待拼管片的设计断面中心线所在位置，CCD相机距新拼管片约650mm且镜头朝向管片中心位置。

2)利用CCD相机拍摄初始化图片，以初始化图片的中心坐标为原点建立CCD坐标系，获取初始化图片中管片的左边线像素L和右边线像素R；计算初始化管片的盾尾间隙d_初：d_初＝d_m-(2R-Y)h/Y，其中d_m是人工测量获得的初始化标定时的盾尾间隙值，h是管片厚度，Y＝L+R是管片宽度像素值；

具体来说，在该步骤中，量取管片厚度h，利用安装定焦完成的CCD相机抓拍一张图片，作为计算初始化管片盾尾间隙的初始化图片。以CCD相机的CCD坐标系作为坐标系，以拍摄到的初始化图片中心的十字坐标作为坐标系的原点。用图像分析软件获取管片左边线像素L、右边线像素R，管片宽度像素值Y＝L+R，根据换算关系d_m＝d_初+(2R-Y)h/Y，计算初始化管片的盾尾间隙d_初，如图2所示。

此时，在管片左、右边线均未受杂物污染，即CCD相机可清晰拍摄管片左、右边线的情况下，可直接从CCD相机拍摄到的管片图像中获取管片的左边线像素L和右边线像素R，并代入公式(1)计算得到盾尾间隙d：

d＝d_初+(R-L)h/Y (1)。

实现盾构掘进过程中盾尾间隙的自动检测。

但是，实际施工中，盾尾间隙位置在盾构施工过程中经常受溢出的盾尾油脂污染、在清理同步注浆管道时受溢出的泥浆污染。管片的左、右边线在一些情况下并不能被顺利地拍摄到，同时，大量实验数据分析证明，CCD坐标系(像素值)与盾构坐标系(相距)不是传统的距离之间的线性比例关系，而是非线形关系，且关系近似为双曲线，如图1所示。为此，本发明在上述方案的基础上做出进一步改良，并结合盾构坐标系与CCD坐标系之间存在非线性关系会增加图数分析难度的问题，通过以下步骤求解了盾构坐标系中管片运动的相距变化与CCD坐标系中像素值之间的关系：

1)首先，利用CCD相机拍摄至少两组管片相对CCD相机垂直运动至不同距离时的管片图像，获取管片图像中管片的左边线像素L₀、L₁和右边线像素R₀、R₁，计算管片宽度像素Y₀、Y₁，得方程(2)：

其中，x₀、x₁是管片相对CCD相机的垂直距离；

2)求解方程(2)得到管片相距变化的盾构坐标系与CCD坐标系之间的非线性关系中的距离系数a和像素系数b；

3)将距离系数a和像素系数b代入公式(3)，计算CCD相机仅拍摄到管片右边线时的盾尾间隙d：

或者：

4)将距离系数a和像素系数b代入公式(4)，计算CCD相机仅拍摄到管片左边线时的盾尾间隙d：

其中，x是管片相对CCD相机的垂直距离。

CCD相机安装于盾构机盾尾的千斤顶之间，通过获取千斤顶的行程获取管片相对CCD相机的直至运动距离。通过盾构机PLC系统获取千斤顶的行程。

于是，由初始化计算得到a、b、d_初；由图像分析软件获取管片右边线像素R(成型管片圆内侧)或左边线像素L(成型管片圆外侧)；以及通过PLC获得千斤顶位移信息x，就能测得任意时刻的盾尾间隙d，实现CCD相机的CCD坐标系与盾构坐标系非线性数值转换功能。在成型管片内圆侧(右边界)或成型管片外圆侧(左边界)任一不受杂物污染的情况下，可取管片边界任意点求得盾尾间隙，提高了检测的可靠性。

下面结合上述实施例中的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，例举一实际计算过程如下：

1.标定时数据：

千斤顶近处行程x0＝1067.3，左边线像素L0＝403.70，右边线像素R0＝443.56，人工测量获得的初始化盾尾间隙dm0＝122，如图3所示；

千斤顶远处行程x1＝2383.6，左边线像素L1＝192.445，右边线像素R1＝195.568，人工测量获得的初始化盾尾间隙dm1＝129，如图4所示；

1.1间隙初始化参数dk

d0＝dm0-(R0-L0)*h/(L0+R0)

d1＝dm1-(R1-L1)*h/(L1+R0)

已知h＝650(h为管片厚度)，得出d0＝91.42109，d1＝123.7675。

dk＝(d1-d0)/(x1-x0)

解得dk＝0.02457374

1.2距离像素参数a、b

(L0+R0)＝b/(x0-a)

(L1+R1)＝b/(x1-a)

标定数据代入上面两个公式解得a＝-44.8233，b＝942259.8。

2.千斤顶推进过程求间隙

设千斤顶任意位置，例如x＝915.76397，光学检测工具检测到此时左边L＝469.80。

dz＝dk*(x-x0)+d0

求出dz＝87.69728

d＝dz+(Y-2*L)*h/Y

其中Y＝b/(x-a)，可知Y＝980.92，最终求出当前行程915.76397下的间隙为115.073。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，其特征在于，包括：

将CCD相机固定安装于盾构机盾尾，固定于两个千斤顶之间；

将CCD相机朝向管片中心并对中，并设定所述CCD相机的摄程范围至少覆盖盾构掘进过程中管片相对所述CCD相机垂直运动的全范围；

利用所述CCD相机拍摄初始化图片，以所述初始化图片的中心坐标为原点建立CCD坐标系，获取所述初始化图片中管片的左边线像素L和右边线像素R；

计算初始化管片的盾尾间隙d_初：d_初＝d_m-(2R-Y)h/Y，其中d_m是人工测量获得的初始化标定时的盾尾间隙值，h是管片厚度，Y＝L+R是管片宽度像素值；

在盾构掘进过程中利用所述CCD相机实时拍摄管片图像，获取管片图像中的左边线像素L和右边线像素R，并代入公式(1)计算盾尾间隙d：

d＝d_初+(R-L)h/Y (1)。

2.如权利要求1所述的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，其特征在于，还包括：通过以下步骤求解盾构坐标系中管片运动的相距变化与所述CCD坐标系中像素值之间的关系：

利用所述CCD相机拍摄至少两组管片相对所述CCD相机垂直运动至不同距离时的管片图像，获取所述管片图像中管片的左边线像素L₀、L₁和右边线像素R₀、R₁，计算管片宽度像素Y₀、Y₁，得方程(2)：

其中，x₀、x₁是管片相对CCD相机的垂直距离；

求解方程(2)，建立管片相距变化过程中盾构坐标系与所述CCD坐标系之间的非线性关系，求解距离系数a和像素系数b；

将所述距离系数a和所述像素系数b代入公式(3)，计算所述CCD相机仅拍摄到管片右边线时的盾尾间隙d：

或者，将所述距离系数a和所述像素系数b代入公式(4)，计算所述CCD相机仅拍摄到管片左边线时的盾尾间隙d：

其中，x是管片相对CCD相机的垂直距离。

3.如权利要求2所述的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，其特征在于：所述CCD相机安装于盾构机盾尾的千斤顶之间，通过获取所述千斤顶的行程获取管片相对所述CCD相机的垂直距离。

4.如权利要求3所述的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，其特征在于：通过盾构机PLC系统获取所述千斤顶的行程。

5.如权利要求1所述的机器视觉无参照物的盾尾间隙自动检测方法，其特征在于：通过图像分析软件获取所述左边线像素和所述右边线像素。