CN110243300A - 基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法及系统，将数据采集设备安装在推进液压缸间的盾壳内壁上，将控制箱分别与数据采集设备和工业电脑连接；利用数据采集设备的工业相机和测距传感器分别采集管片端面图像和管片端面到数据采集设备间的距离L；将L代入预制标尺，得到管片端面对应盾尾内径线L1所在位置；对图像进行预处理和特征提取，计算L1与管片榫外径线L3之间的像素数m和L3与管片榫内径线L4之间的像素数n；由管片外径线L2与L3之间的实际距离d，L3与L4之间的实际距离e，利用公式计算得出盾尾间隙c。本发明能够实现盾构机掘进过程中盾尾间隙自动、实时、连续测量，具有测量准确、运行稳定可靠、维护方便等优点。

Description

基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法及系统

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法及系统。

背景技术

近年来，随着城市基础建设的迅速发展，盾构机在城市地下交通、水利、电力以及山岭隧道等工程中发挥了举足轻重的作用。盾尾间隙是指管片外边缘与盾尾内壁之间的空隙。由于隧道设计曲率变化，盾构施工中各组推进液压缸伸出长度无法时刻保持一致，导致盾尾间隙不断变化。若盾尾间隙超出正常范围，将增大推进阻力，降低掘进速度，加快盾尾密封刷磨损，甚至发生隧道渗漏、地面坍塌等重大安全事故。

目前，盾尾间隙测量装置或方法主要分为接触式和非接触式2个方面。接触式测量方案中，专利《一种用于测量盾尾间隙的滑动数显卡尺》(申请号CN201721210968.2)中公开的滑动数显卡尺，可直接从显示屏得到盾尾间隙测量值，但该方法仍以人工测量为基础，由于测量位置人为选取等主观因素，导致存在较大误差。专利《一种盾构机盾尾间隙的测量装置及其测量方法》(申请号：CN201510926969.6)中公开的一种盾尾间隙测量装置，利用输出轴带动测量杆向盾尾内壁和管片外边缘转动，通过获取旋转角度计算盾尾间隙。专利《盾尾壳与管片间位置关系的测量装置及调整方法》(申请号：CN201710224143.4)中公开的一种盾尾与管片位置关系的测量装置，将装置放置在盾尾间隙处，其前、后杆体与盾尾内壁贴合，中间杆体与管片端面贴合，读取中间杆体上的刻度值即为盾尾间隙值。国外三菱公司将测量装置安装在推进液压缸撑靴处，通过气阀组和倾角传感器测量盾尾间隙。以上测量方案均存在接触式测量器件磨损现象，在长期使用过程中，存在较大测量误差。

非接触式测量方案中，在专利《基于多点扫描距离检测技术的盾尾间隙测量方法和装置》(申请号CN201310011687.4)中利用多点扫描距离检测技术开发SRGD盾尾间隙测量系统，通过激光检测突变距离寻找管片边缘，间接计算盾尾间隙，由于存在电控旋转台，抗振能力较弱，在恶劣施工环境中可靠性较差。2011年《中国盾构技术学术研讨会论文集》中发表的论文《盾尾间隙测量系统的研究》(作者夏翼)，文章中提到的盾尾间隙视觉测量技术是利用机器视觉技术检测管片边缘，并在图像中手工标定盾尾内径线，实现非接触式测量，但该系统高度依赖手工标定的盾尾内径线，经比例换算后，存在较大测量误差。2013年论文《基于数字图像处理技术的盾构机盾尾间隙测量系统的研究》(作者张立彬)中提到的盾尾间隙测量系统，是将互相平行的双激光束发射至管片端面，利用工业相机采集目标图像，通过图像处理计算比例系数，求解盾尾间隙值，该方法双激光束的平行度是影响测量精度的关键因素，微小的角度变化将导致很大的测量误差，在恶劣的施工环境中测量精度较低。国外VMT公司研制了SLuM盾尾间隙测量系统，广泛应用于海瑞克盾构机，设备嵌入安装在盾尾间隙处的盾壁内，利用超声波传感器直接测量盾尾间隙，该方法在测量过程中易受泥浆覆盖而导致设备损坏，无法正常工作，可靠性较差。

上述测量方案均存在一定不足，包括测量误差大、设备可靠性低等问题，且仅能获得测点处的盾尾间隙值，没有综合分析盾尾环面，未能在实际工程中普遍应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法及系统，旨在解决上述现有技术中的盾尾间隙测量误差大、设备可靠性低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法，包括以下步骤：

(1)将多个数据采集设备安装在推进液压缸之间的空隙处，固定于盾壳内壁上，并将控制箱分别与数据采集设备和工业电脑连接；

(2)利用数据采集设备的工业相机和测距传感器分别采集管片端面图像和管片端面到数据采集设备间的距离L；

(3)将L代入预制标尺，得到当前状态下管片端面对应的盾尾内径线L1所在位置；

(4)对图像进行预处理和特征提取，计算L1与管片榫外径线L3之间的像素数m和L3与管片榫内径线L4之间的像素数n；

(5)已知：管片外径线L2与L3之间的实际距离为固定值d，L3与L4之间的实际距离为固定值e，利用下列公式计算盾尾间隙c：

式中，c为盾尾间隙值，

d为L2与L3之间的实际距离，

e为L3与L4之间的实际距离，

m为L1与L3之间的像素数，

n为L3与L4之间的像素数。

优选地，步骤(3)中的预制标尺通过以下方式获得：连续、同步采集c和L，获取c与L之间的映射关系，得到c与L的函数关系式。

优选地，步骤(4)中的预处理包括目标区域截取、灰度处理、直方图均衡化和中值滤波。

优选地，步骤(4)中的特征提取包括局部自适应阈值分割、Canny边缘检测、Hough变换和管片榫提取。

进一步地，在步骤(5)后还包括最小盾尾间隙及所在点位的计算，包括以下内容：

1)以盾尾内径圆圆心O为原点建立平面直角坐标系，计算各测点平面坐标；

2)根据各测点盾尾间隙值计算对应到管片环外边缘的坐标，拟合管片环外边缘椭圆；

3)求解管片环外边缘椭圆与盾尾内径圆之间的最小盾尾间隙及所在点位。

本发明还提供一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量系统，包括数据采集设备、控制箱和工业电脑；所述数据采集设备包括工业相机、工业镜头、测距传感器、光源和封装外壳，所述工业相机、工业镜头、测距传感器、光源均安装在封装外壳内，所述封装外壳固定于盾壳内壁上、且设置于推进液压缸之间的空隙处；所述数据采集设备至少为5台、且均匀布置；所述数据采集设备通过控制箱与工业电脑相连；应用上述基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法检测得到盾尾间隙值。

优选地，所述测距传感器为激光传感器或超声波传感器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法和检测系统具有以下优势：

(1)实现了盾构机掘进过程中盾尾间隙自动、实时、连续测量；

(2)以预制标尺为基准，利用测距传感器可精确定位盾尾内径线坐标，提高测量准确性；

(3)恶劣施工环境中，相比于通过采集管片边缘进行盾尾间隙求解，采集管片榫更为简单，且识别准确率更高；

(4)数据采集设备安装在推进液压缸之间的空隙处，固定在盾壳内壁，可避免碰撞和泥浆大幅喷溅，具有良好的可靠性；

(5)具有综合分析功能。相比于圆拟合，采用椭圆拟合方法拟合管片环外边缘，更符合实际工况，可精确计算整个盾尾环面上的最小盾尾间隙及所在点位，为及时调整盾构姿态提供参考。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中数据采集设备在盾壳内壁沿周向布设的结构示意图；

图2是本发明实施例中数据采集设备在盾壳内壁沿轴向布设的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法的几何原理图；

图中：1-数据采集设备；2-管片，3-推进液压缸，4-盾壳内壁，5-盾尾间隙，6-盾尾刷。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示的一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量系统，包括数据采集设备1、控制箱和工业电脑；所述数据采集设备1包括工业相机、工业镜头、测距传感器、光源和封装外壳，所述工业相机、工业镜头、测距传感器、光源均设置于封装外壳内，通过光源提供照明，方便工业相机采集管片端面图像，利用测距传感器测量出管片2端面到数据采集设备1间的距离；所述封装外壳固定于盾壳内壁4上、且与盾壳内壁4保持平行。图1中数据采集设备1选用5台布置在盾壳内壁4上，数据采集设备1安装于推进液压缸3之间的空隙处，与盾构机没有相对运动，数据采集设备1通过控制箱与工业电脑相连，最终计算盾尾间隙5。

具体地，测距传感器可选用激光传感器或超声波传感器。其中，激光传感器价格较高，但测量数据更为精确，可依据具体工况需求选择不同类型的测距传感器。

本发明还提供一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法，具体操作步骤如下：

(1)安装上述基于机器视觉技术的盾尾间隙测量系统，将多个数据采集设备1安装在推进液压缸3之间的空隙处，固定于盾壳内壁4上，并将控制箱分别与数据采集设备1和工业电脑连接。

(2)利用数据采集设备1的工业相机和测距传感器分别采集管片2端面图像和管片2端面到数据采集设备1间的距离L。

(3)将L代入预制标尺，求得当前状态下管片2端面对应的盾尾内径线L1所在位置，如图4所示。

(4)对图像进行预处理和特征提取，计算L1与管片榫外径线L3之间的像素数m和L3与管片榫内径线L4之间的像素数n。

(5)已知：管片外径线L2与L3之间的实际距离为固定值d，L3与L4之间的实际距离为固定值e，利用下列公式计算盾尾间隙c：

式中，c为盾尾间隙值，

d为L2与L3之间的实际距离，

e为L3与L4之间的实际距离，

m为L1与L3之间的像素数，

n为L3与L4之间的像素数。

上述步骤(3)中的预制标尺通过以下方式获得：连续、同步采集c和L，获取c与L之间的映射关系，求解分段函数关系式，得到c与L的函数关系式。

上述步骤(4)中的预处理包括目标区域截取、灰度处理、直方图均衡化和中值滤波。其中，所述目标区域为管片端面区域，图像中其余部分为无用信息，截取目标区域可排除干扰因素，降低图像处理难度。

上述步骤(4)中的特征提取包括局部自适应阈值分割、Canny边缘检测、Hough变换和管片榫提取。其中，所述管片榫提取包括管片榫内、外径线横向坐标提取。

进一步地优化上述技术方案，在步骤(5)后还包括最小盾尾间隙及所在点位的计算，具体内容如下：

1)以盾尾内径圆圆心O为原点建立平面直角坐标系，计算各测点平面坐标。

2)根据各测点盾尾间隙值计算对应到管片环外边缘的坐标，拟合管片环外边缘椭圆。

3)求解管片环外边缘椭圆与盾尾内径圆之间的最小盾尾间隙及所在点位。

本发明还提供应用上述基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法检测得到盾尾间隙值。

利用本发明能够实现盾尾间隙的自动、实时、连续测量，具有测量精度高、安全可靠和维护方便等优点，且可计算得到整个盾尾环面的最小盾尾间隙值及所在点位，可以广泛推广应用于各类盾构机。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将多个数据采集设备安装在推进液压缸之间的空隙处，固定于盾壳内壁上，并将控制箱分别与数据采集设备和工业电脑连接；

(2)利用数据采集设备的工业相机和测距传感器分别采集管片端面图像和管片端面到数据采集设备间的距离L；

(3)将L代入预制标尺，得到当前状态下管片端面对应的盾尾内径线L1所在位置；

(4)对图像进行预处理和特征提取，计算L1与管片榫外径线L3之间的像素数m和L3与管片榫内径线L4之间的像素数n；

(5)已知：管片外径线L2与L3之间的实际距离为固定值d，L3与L4之间的实际距离为固定值e，利用下列公式计算盾尾间隙c：

式中，c为盾尾间隙值，

d为L2与L3之间的实际距离，

e为L3与L4之间的实际距离，

m为L1与L3之间的像素数，

n为L3与L4之间的像素数。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法，其特征在于：步骤(3)中的预制标尺通过以下方式获得：连续、同步采集c和L，获取c与L之间的映射关系，得到c与L的函数关系式。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法，其特征在于：步骤(4)中的预处理包括目标区域截取、灰度处理、直方图均衡化和中值滤波。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法，其特征在于：步骤(4)中的特征提取包括局部自适应阈值分割、Canny边缘检测、Hough变换和管片榫提取。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法，其特征在于：在步骤(5)后还包括最小盾尾间隙及所在点位的计算，包括以下内容：

1)以盾尾内径圆圆心O为原点建立平面直角坐标系，计算各测点平面坐标；

2)根据各测点盾尾间隙值计算对应到管片环外边缘的坐标，拟合管片环外边缘椭圆；

3)求解管片环外边缘椭圆与盾尾内径圆之间的最小盾尾间隙及所在点位。

6.一种基于机器视觉技术的盾尾间隙测量系统，其特征在于：包括数据采集设备、控制箱和工业电脑；所述数据采集设备包括工业相机、工业镜头、测距传感器、光源和封装外壳，所述工业相机、工业镜头、测距传感器、光源均安装在封装外壳内，所述封装外壳固定于盾壳内壁上、且设置于推进液压缸之间的空隙处；所述数据采集设备至少为5台、且均匀布置；所述数据采集设备通过控制箱与工业电脑相连；应用权利要求1所述的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量方法检测得到盾尾间隙值。

7.根据权利要求6所述的基于机器视觉技术的盾尾间隙测量系统，其特征在于：所述测距传感器为激光传感器或超声波传感器。