CN110954015B - 基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，包括如下步骤：S1：将工业相机安装在顶推油缸之间的盾壳内壁上，且每个工业相机的两侧对称分别安装激光测距仪和激光发射器；S3：激光测距仪粗测工业相机至管片的距离，控制盒根据此距离设定工业相机的焦距；S4：工业相机聚焦完成后对测量区域进行拍照，并反馈给工业PC，获取盾壳、管片轮廓点云坐标，然后通过软件自动计算两道激光十字线光源中心连线的中点到管片内边缘线的垂直距离d；S5：根据d计算得到测量区域的盾尾间隙。本发明克服现有技术中人工测量精度受测量人员技术影响大、测量效率低无法实时监测以及常规图像识别技术测量结果不稳定等不足，可广泛应用于盾构施工中。

Description

基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法。

背景技术

在盾构施工中，管片与盾壳间存在一定的间隙，由于盾构掘进方向常存在偏差，造成盾尾间隙变化。盾尾间隙过小容易引起盾尾刷和管片磨损，盾尾刷严重损坏时可能导致密封系统失效造成严重事故，盾尾间隙测量的可靠性与实时性直接关系盾构施工的安全与质量。目前，虽有各种新型盾尾间隙测量技术，但目前这些技术大都存在工作环境适应性差、测量精度不稳定等不足。例如，现有激光测距技术以及图像测距技术环境实验室测试效果很好，而隧道工作环境通常较差，这些技术本身难以抵抗隧道灰尘、水汽等的干扰，因此实际应用中其测量精度并不稳定。因此，施工中仍以人工测量为主，但人工测量存在测量精度受测量人员技术影响较大、测量效率低无法实时监测且存在安全隐患等诸多弊端。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，通过激光测距辅助变焦工业相机聚焦，将数据实时传输至PC端，利用图像识别技术获取管片端部坐标点云，通过软件处理推算三维空间盾尾间隙的实时监测方法，克服现有技术中人工测量精度受测量人员技术影响大、测量效率低无法实时监测以及常规图像识别技术测量结果不稳定等不足，辅以集成干燥除尘设备可增加设备环境适应性，可广泛应用于盾构施工中。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，包括如下步骤：

S1：将至少三个工业相机间隔安装在顶推油缸之间的盾壳内壁上，且每个工业相机的两侧对称分别安装激光测距仪和激光发射器；

S2：激光测距仪和激光发射器分别向管片侧壁发射两道激光十字线；

S3：激光测距仪粗测工业相机至管片的距离，并将结果返回至工业相机控制盒，控制盒根据此距离设定工业相机的焦距，工业相机根据此焦距聚焦；

S4：工业相机聚焦完成后对测量区域进行拍照，并反馈给工业PC，获取盾壳、管片轮廓点云坐标，然后自动计算两道激光十字线光源中心连线的中点到管片内边缘线的垂直距离d；

S5：根据d计算得到测量区域的盾尾间隙。

优选的是，工业PC将盾构机掘进数据实时发送至控制盒，控制盒监测到其设定的掘进距离时，触发控制盒控制工业相机进行拍照测量，重复上述步骤S3至S5。

优选的是，控制盒设定开始掘进、掘进1/4、掘进1/2、掘进3/4、结束掘进五个时刻进行触发工业相机进行拍照测量。

优选的是，将每个时刻测得的多个盾尾间隙通过工业PC拟合成对应的管片与盾壳相对位置关系图，五个时刻的相对位置关系图生成这一环掘进的盾尾间隙变化三维模型。

优选的是，所述工业相机安装四个。

优选的是，工业PC可直接触发控制盒控制工业相机进行拍照测量，重复上述步骤S3至S5。

优选的是，S5具体包括：安装完成后，激光十字线光源中心至盾壳内壁的距离记为l，管片厚度记为h，则盾尾间隙g＝l+d-h。

优选的是，激光测距仪和激光发射器以及工业相机均安装于集成外壳中，所述集成外壳通过螺栓安装于盾壳内壁焊接的基座上。

优选的是，所述集成外壳中还设置有干燥除尘设备。

本发明至少包括以下有益效果：

1)设备操作简单，对测量人员技术要求低，测量装置安装完成后测量人员只需在电脑前实时监控盾尾间隙变化即可；

2)测量过程安全，可以避免狭小空间工作测量存在的安全隐患；

3)激光调焦可显著提高工业相机的聚焦能力，测量结果精度更高、稳定性更好；

4)油缸之间安装空间较大，可安装测量点位更多，可提高动态坐标点云处理算法所获取管片和盾壳轮廓的精度，减小盾尾间隙测量误差；

5)无需操作管片拼装机即可完成测量，具有更好的实时监测效果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是测量系统框图；

图2是开始掘进时盾尾间隙测量图；

图3是掘进结束后盾尾间隙测量图；

图4是工业相机安装位置横断面示意图；

图5是盾尾间隙计算简图；

图6是最终形成的盾尾间隙三维模型示意图。

附图标记说明：

1、盾壳；2、集成外壳；3、管片；4、工业相机；5、激光测距仪；6、激光发射器；7、顶推油缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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。

如图1至6所示，本发明提供一种基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，包括如下步骤：

S1：将至少三个工业相机4间隔安装在顶推油缸7之间的盾壳1内壁上，且每个工业相机4的两侧对称分别安装激光测距仪5和激光发射器6，且连接好控制盒以及工业PC；

S2：激光测距仪5和激光发射器6分别向管片3侧壁发射两道激光十字线；

S3：激光测距仪5粗测工业相机4至管片3的距离，并将结果返回至工业相机4控制盒，控制盒根据此距离设定工业相机4的焦距，工业相机4根据此焦距聚焦；

S4：工业相机4聚焦完成后对测量区域进行拍照，并反馈给工业PC，获取盾壳1、管片3轮廓点云坐标，然后自动计算两道激光十字线光源中心连线的中点到管片3内边缘线的垂直距离d；

S5：由于安装位置相对盾构是固定的，管片3厚度也是固定的，因此通过软件可以根据d计算得到测量区域的盾尾间隙。

在上述技术方案中，图像识别技术的测量精度直接取决于图像分辨率，定焦距相机或聚焦不准确所获取的图像分辨率较低，因此本申请通过激光测距辅助工业相机4调整焦距，可以使工业相机4拍出来的照片测量区域更清晰，计算机算法获取的点云坐标更准确，因此可以提高测量精度。相对于定焦距相机或不具备辅助调焦技术的常规图像识别技术来说对的，因为常规相机可能只是在安装、调试的时候确定了一个焦距，但是盾构机是在不断掘进的，管片3与测量设备之间的距离也可能是变化的，这样就只有在安装调试时设定的那个距离时测量的结果才是比较准确的，变化过程中测量的结果就不稳定。因此，激光测距仪5与变焦工业相机4配合使用意义重大。

激光测距仪5主要是用于辅助相机调焦，其只有一道激光；另外加了一个激光发射器6，可发射两道激光，是为了通过算法获取点云的时候减小误差，激光测距仪5所发出的激光跟相机的实际中心线是有偏差的，所以在对称位置加了一个激光发射器6，两道激光十字线的光源中心连线的中点刚好是相机的中心线，此点到管片3内边缘线的垂直距离即为本发明的距离d；两道激光十字线光源使得照片上有明确的参照物，软件计算时误差会更小，增加工业相机4图像识别能力。

本申请图像处理时像素距离与物理距离之间的换算关系是线性的，因此工业相机4在激光测距仪5和激光发射器6中心的时候误差是最小的，在设备安装到盾构机内之前，在试验室进行调试，再进行集成，可以保证工业相机4位于激光测距仪5、激光发射器6的中心。

工业PC主要是用于处理盾构机掘进参数以及工业相机4获取的数据，同时安装盾尾间隙实时监测系统平台，盾尾间隙的计算与监测都是由安装在工业PC上的系统平台控制的。

在另一种技术方案中，工业PC将盾构机掘进数据实时发送至控制盒，控制盒监测到其设定的掘进距离时，触发控制盒控制工业相机4进行拍照测量，重复上述步骤S3至S5。控制盒设定开始掘进、掘进1/4、掘进1/2、掘进3/4、结束掘进五个时刻进行触发工业相机4进行拍照测量。将每个时刻测得的多个盾尾间隙通过工业PC拟合成对应的管片3与盾壳1相对位置关系图，五个时刻的相对位置关系图生成这一环掘进的盾尾间隙变化三维模型，如图6所示。

在上述技术方案中，工业相机4控制是通过编程实现的，我们采用的相机都是可以接入程序进行控制的，对相机的控制包括两个方面：1、控制相机聚焦；2、控制相机在指定行程位置进行拍照；

具体过程是：激光测距仪5测量相机至激光十字线中心的距离，将距离值返回相机，相机按照这个距离设定焦距；盾构机操作系统会实时显示当前掘进的距离，每环掘进距离是固定的，所以把掘进数据实时发送到相机控制盒内，通过程序可以设置当掘进距离达到设定值(比如掘进一半)时触发测量，设备寿命是有限的，全程拍照对设备损耗太大，处理大量数据量控制盒体积也相应会比较大，所以间隔一段距离进行一次监测。

本申请整体思路是：自动程序控制/用户控制----激光测距仪5初测调焦----工业相机4获取盾尾图像----数据传输至PC端监测系统----系统计算盾尾间隙，并拟合出三维模型。

在另一种技术方案中，所述工业相机4安装四个。通过三个点可以确定一个圆，利用三个点位所测的盾尾间隙，可拟合出当前位置(比如当前一环掘进一半时)整个横断面的盾尾间隙，而优选的是设置四个点位，这是为了避免有一个点位被遮挡，无法完成测量，同时也可以提高拟合精度。

在另一种技术方案中，工业PC可直接触发控制盒控制工业相机4进行拍照测量，重复上述步骤S3至S5。如果有特殊情况，可以随时通过工业PC控制设备测量盾尾间隙，如果不操作时，设备按照设定的程序间隔一段时间进行监测并记录。

在另一种技术方案中，S5具体包括：安装完成后，激光十字线光源中心至盾壳1内壁的距离记为l，管片3厚度记为h，则盾尾间隙g＝l+d-h。

在上述技术方案中，计算关键在于d的计算，首先，相机拍照后，软件识别获取点云坐标，得到图像中的像素距离，再根据坐标转换可以得到实际的物理距离，即可以通过软件自动计算激光十字线光源中心连线的中点到管片3内边缘线的垂直(物理)距离d，由于安装位置固定，激光发射器6发射激光位置相对盾壳1也是固定的，因此安装完成后即可知道激光十字线光源中心至盾壳1内壁的距离l，同样的，管片3厚度h也为已知量，因此软件可计算出测量区域的盾尾间隙g，具体的计算图示如图5所示。

在另一种技术方案中，激光测距仪5和激光发射器6以及工业相机4均安装于集成外壳2中，所述集成外壳2通过螺栓安装于盾壳1内壁焊接的基座上。所述集成外壳2中还设置有干燥除尘设备。

在上述技术方案中，工业相机4、激光测距仪5、激光发射器6，均集成到保护壳内，盾构机内直接安装集成设备。根据盾构内环境确定是否增加干燥除尘设备，增加设备就会增加体积，环境好的话就不需要增加了，集成的目的是：1、对设备起保护作用，防止盾构内水汽、灰尘对设备损害；2、便于安装，盾构内空间狭小，安装过于复杂难以控制安装所带来的的误差。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将至少三个工业相机间隔安装在顶推油缸之间的盾壳内壁上，且每个工业相机的两侧对称分别安装激光测距仪和激光发射器；

S2：激光测距仪和激光发射器分别向管片侧壁发射两道激光十字线；

S3：激光测距仪粗测工业相机至管片的距离，并将结果返回至工业相机控制盒，控制盒根据此距离设定工业相机的焦距，工业相机根据此焦距聚焦；

S4：工业相机聚焦完成后对测量区域进行拍照，并反馈给工业PC，获取盾壳、管片轮廓点云坐标，然后自动计算两道激光十字线光源中心连线的中点到管片内边缘线的垂直距离d；

S5：根据d计算得到测量区域的盾尾间隙，S5具体包括：安装完成后，激光十字线光源中心至盾壳内壁的距离记为l，管片厚度记为h，则盾尾间隙g＝l+d-h；

其中，激光测距仪和激光发射器以及工业相机均安装于集成外壳中，所述集成外壳通过螺栓安装于盾壳内壁焊接的基座上。

2.如权利要求1所述的基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，其特征在于，工业PC将盾构机掘进数据实时发送至控制盒，控制盒监测到其设定的掘进距离时，触发控制盒控制工业相机进行拍照测量，重复上述步骤S3至S5。

3.如权利要求2所述的基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，其特征在于，控制盒设定开始掘进、掘进1/4、掘进1/2、掘进3/4、结束掘进五个时刻进行触发工业相机进行拍照测量。

4.如权利要求3所述的基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，其特征在于，将每个时刻测得的多个盾尾间隙通过工业PC拟合成对应的管片与盾壳相对位置关系图，五个时刻的相对位置关系图生成这一环掘进的盾尾间隙变化三维模型。

5.如权利要求1所述的基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述工业相机安装四个。

6.如权利要求1所述的基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，其特征在于，工业PC可直接触发控制盒控制工业相机进行拍照测量，重复上述步骤S3至S5。

7.如权利要求1所述的基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述集成外壳中还设置有干燥除尘设备。

Images