CN112556592B - 一种基于视觉定位的盾尾间隙测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于视觉定位的盾尾间隙测量系统及方法，其步骤如下：实验室标定：利用视觉测量装置的相机采集相同间隙、不同距离下模拟管片的图像，确定不同工作距离下的管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值的线性比例方程；实验室验证：采集不同间隙、不同距离下模拟管片的图像，确定盾尾间隙物理值与实际盾尾间隙的测量误差；实际测量中采集图像后，进行管片上下边缘的定位，基于实验室标定验证的盾壳边缘线结果，选取线性比例方程得到盾尾间隙值，并将盾尾间隙值通过PLC通讯传输至无线遥控器。本发明解决了视场范围无法找到管片在盾壳上真实的投影分界线的难题，指导操作人员进行正确的管片拼装；且测量范围较大，可有效及时的纠正盾构机掘进姿态，为正确的管片选型提供重要依据。

Description

一种基于视觉定位的盾尾间隙测量系统及方法

技术领域

本发明涉及盾尾间隙测量的技术领域，尤其涉及一种基于视觉定位的盾尾间隙测量系统及方法。

背景技术

盾尾间隙是指盾尾钢环内径与拼装管片的外径之前的空隙，由于盾构推进油缸行程差、姿态纠偏、土体强度差异等都会导致盾尾间隙在上下左右方向出现差异，如果差异过大，不但会造成盾尾密封刷的磨损加快，管片在盾壳里“卡死”，会出现管片碎裂，严重时甚至会发生涌水事故。盾尾间隙过小，盾尾壳上的力直接压到管片上，这样会造成盾构掘进中盾尾与管片发生碰撞；一方面会降低掘进速度，另一方面会造成管片错台，容易出现凹陷状态。传统的人工测量的方法效率低且误差大，同时在恶劣的施工条件下对工人有一定的安全隐患。

VMT公司的盾尾间隙测量系统，采用在盾尾处盾壳开槽嵌入测距传感器的测量方式，此种方式需将测距传感器安装在盾壳预留的凹槽中，并在每个测距传感器槽旁边开设线管槽，该测量系统可以实现自动测量，但是安装时需要在盾尾上对应开设凹槽，其安装方式比较麻烦，凹槽开设后其传感器就只能安装在凹槽内，无法灵活移动安装位置，且该装置需要对盾构机进行专项改造，实施难度较大，不适用后期盾构机改造的测量，后期改造无法在盾尾处开孔。

南京城市地下空间研究院的盾尾间隙测量，采用高分相机和测距传感器进行组合测量，掘进一环推进1500m左右，因此相机到管片的工作距离在500-2200mm之间，工作距离范围较大，虽然选用超过1000万像素的高分辨率相机，也会造成多个拍摄的照片不清晰，故此种测量方法会出现较多不清晰照片的情况，故会由人工间接读取盾尾间隙值。另一方面，因图像物理坐标系、图像像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系之间的关系转换较复杂，故在不清晰图像中做标尺的方式软件处理过程较复杂，不便于操作实施。常规管片宽度1.5米，当前管片拼装完成，掘进机掘进前，拍摄一次盾尾间隙；随后掘进机掘进1.5-2.2米之间，掘进机停止，再次拍摄上次拍摄的管片，测量盾尾间隙。因掘进机掘进轨迹不一定是直线，故两次盾尾间隙不一定相同。

石家庄铁道大学的视觉盾尾间隙测量，为了解决相机拍摄盾壳边缘线不确定无基准的问题，采用不同工作距离下，提前标定不同距离下，盾壳内径线所在图像中位置，此种方案需在工作距离范围内尽可能的标密些，同时需在现场环境中标定更准确，故需要多次进行盾壳线的标定，此种测量方案实施较复杂，不利于推广应用。

上述测量方案均存在一定不足，包括测量误差大、现场可操作性不强等问题，未能在实际工程中普遍应用。

发明内容

针对现有盾尾间隙测量技术的测量误差大、现场可操作性性不强，不能在实际工程中普遍应用的技术问题，本发明提出一种基于视觉定位的盾尾间隙测量系统及方法，。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其步骤如下：

步骤一：实验室标定：利用视觉测量装置的相机采集相同间隙、不同距离下模拟管片的图像，上位机利用图像处理算法对图像中的管片边缘和盾壳进行定位，得到管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值，确定不同工作距离下的管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值的线性比例方程；

步骤二：实验室验证：利用视觉测量装置的相机采集不同间隙、不同距离下模拟管片的图像，上位机利用图像处理算法对图像中的管片边缘进行定位，得到管片厚度像素个数，利用步骤一实验室标定得到的线性比例方程得到盾壳线列坐标值，利用盾壳线列坐标值计算盾尾间隙物理值，盾尾间隙物理值与实际盾尾间隙相比较的测量误差满足现场工况需求，进入步骤三，否则返回步骤二；

步骤三：实际工况的测量：基于实验室标定验证的结果将视觉测量装置安装在盾尾的盾壳上且平行于推进油缸，基于实验室标定验证的结果对将视觉测量装置进行盾尾间隙测量，在掘进过程中激光测距传感器实时测量管片与相机的距离是否达到设定的工作距离，如果达到设定的工作距离视觉测量装置的相机进行管片的图像采集，根据定位的管片所占像素个数选取步骤二中验证后的线性比例方程得到盾尾间隙值，并将盾尾间隙值通过PLC通讯传输至无线遥控器后显示在显示屏上，指导拼装操作人员。

所述步骤一中确定管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值的线性方程的方法为：根据不同距离下得到管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值，采用相近距离的数据进行插值分别建立盾壳线列坐标值与工作距离之间的曲线图、管片厚度像素个数与工作距离之间的曲线图，根据盾壳线列坐标值与工作距离之间的曲线图拟合得到盾壳线列坐标值Z与工作距离Y的第一方程Y=d/(Z+c)，根据管片厚度像素个数与工作距离之间的曲线图拟合得到管片厚度像素个数X与工作距离Y的第二方程Y=b/(X+a)，通过第一方程Y=d/(Z+c)和第二方程Y=b/(X+a)得到不同工作距离下的盾壳线列坐标值与管片厚度像素个数之间的线性比例方程Z=(d/b)X+(da/b-c)=AX+B，其中，c和d为第一方程的系数，a和b为第二方程为第二方程的系数，A和B为线性比例方程的系数。

所述步骤二中测量误差的计算方法为：上位机利用图像处理算法识别出模拟管片厚度的两条边，基于两条边得出管片厚度像素个数，通过线性比例方程得出盾壳线列坐标值Z，根据盾壳线列坐标值Z和图像处理得到的管片下边缘列坐标m，可得盾尾间隙所占像素个数Y1=m-Z，每个像素所占物理距离由已知管片厚度值和管片厚度所占像素个数计算得出，每个像素所占物理距离与盾尾间隙所占像素个数Y1相乘得出盾尾间隙物理值，测量得出的盾尾间隙值与实际盾尾间隙比较，得出测量误差。

所述步骤二中实验室验证后进行工业性测量应用，测量应用的方法是：基于实验室验证的结果得出不同距离下的盾壳列坐标，得出不同距离范围下关系方程中的多组系数A和B；视觉测量装置与实验室标定装置外在设置保持一致，视觉测量装置进行工地拍照，对采集的图像定位处理，根据管片上下边缘的定位，得出管片所占像素个数，根据工作距离和管片所占像素个数确定系数A和B，关系方程确定，得出该距离下的盾壳边缘线列坐标；盾尾间隙像素个数为盾壳边缘线列坐标减去管片下边缘列坐标；已知管片厚度尺寸得出单位像素的物理距离；已知盾尾间隙像素个数和单位像素的物理距离，得出盾尾间隙物理值。

掘进方向上设定工作距离L、1.5L、2L、2.5L、3L距离处为测量位置，视觉测量装置的相机在每个测量位置采集管片的图像，根据不同工作距离的多点位盾尾间隙测量，可拟合得到不同距离下的管环，管环中心的两条轴线与设计轴线的两个夹角，根据两个方向的夹角和设计轴线提供盾构机进行左转、右转、抬头、低头和直行方向的选择；根据当前多点位的盾尾间隙值可得出当前管片中心与盾构机设计轴线的水平距离和高差（h1-h2），h1和h2分别表示得到的盾尾间隙值。

所述步骤三中视觉测量装置的相机进行管片的图像采集后，在图像上确定不同工作距离下ROI区域的范围；所述确定不同工作距离下ROI区域的范围的方法为：由管片厚度像素个数X和工作距离Y呈曲线关系的第二方程Y=b/(X+a)，由两个已知不同工作距离和相对应的管片厚度像素个数确定两个参数a和b，当激光测距传感器测量的工作距离为设置的L、1.5L、2L、2.5L、3L距离时，根据设置的距离和第二方程，得出管片厚度像素个数X，并由此确定ROI区域的纵向范围>管片厚度像素个数X，ROI区域的横向范围在不同工作距离下设定为统一标准范围。

所述步骤三中确定不同工作距离下ROI区域的范围之后，基于ROI区域进行框选并把框选后的图像另存为新的图像，上位机利用图像处理算法得到管片厚度所占的像素个数即管片厚度像素个数X，根据线性比例方程得到盾尾间隙值。选取ROI区域可以精确地定位到管片，方便后续的图像处理。

所述图像处理算法的实现方法为：将新的图像分割为R图像、G图像和B图像，选取其中效果最好的R图像、G图像或B图像中的一种进行图像预处理，对感兴趣区域清晰化，图像清晰化后对图像进行二值化分割，对分割后的区域打散处理，之后进行矩形相关度的特征选取，选取两个相似矩形的两个区域，对管片黑色胶条下面的矩形做最小外接矩形处理，最小外接矩形进行仿射变换，求取仿射变换后矩形的行列角度坐标，根据矩形的行列角度坐标建立测量矩形，形成矩形边缘对测量，得出四条边缘，筛选得出管片的上边缘和下边缘，并计算得出管片上边缘和下边缘之间的像素个数即是管片厚度像素个数X。

一种基于视觉定位的盾尾间隙测量系统，包括视觉测量装置、激光测距传感器、上位机、PLC控制器和无线遥控器，视觉测量装置安装在盾尾处，视觉测量装置和激光测距传感器均与上位机相连接，上位机与PLC控制器相连接；PLC控制器与无线遥控器相连接，无线遥控器分别与显示屏和拍照按钮相连接，所述激光测距传感器用于测量视觉测量装置的工作距离，视觉测量装置用于采集当前管环管片拼装时和下一环管片拼装前管片的图像，上位机对视觉测量装置采集的图像进行处理并定位，从而计算盾尾间隙值。

所述视觉测量装置包括相机，相机设置在防护壳内，防护壳与支架相连接，支架与底板相连接，底板安装在盾尾处的盾壳上；所述相机的外侧设有环形光源，环形光源与防护壳可拆卸连接。

所述支架包括竖直板和支撑板，竖直板的两端分别与防护壳和底板固定连接，支撑板的一侧与竖直板相连接，支撑板的底部与底板固定连接；所述支撑板为直角形板，直角形板的两个直角边分别与竖直板的中部和底板的中部相连接；所述防护壳的上部设有吹扫气孔且吹扫气孔位于相机的上方。支架增加了相机的稳定性，吹扫气孔用于定期清洁相机，保证采集图像的清晰。

所述视觉测量装置和激光测距传感器的数量设有3-8个，视觉测量装置设置在管片前方的推进油缸的端部；激光测距传感器与对应的视觉测量装置的相机的拍摄方向均与管片平行，方便直接测量相机的工作距离。

所述PLC控制器通过Profinet总线与无线遥控器相连接；所述无线遥控器包括遥控接收端和遥控发射端，遥控接收端和遥控发射端无线连接，遥控接收端与PLC控制器相连接，遥控发射端分别与显示屏和拍照按钮相连接。

所述相机、环形光源和激光测距传感器均与供电通讯模块相连，由供电通讯模块采集数据，并控制相机、环形光源的开启和关闭相机；供电通讯模块与上位机相连，上位机中包含图像定位处理模块和控制采集显示模块，对供电通讯模块采集到的图像进行定位处理，并进行上位机显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

受限于现场工况，补光灯无法垂直于盾壳打光，故管片边缘在盾壳上的投影分界线无法准确获得，获得管片在盾壳上投影的分界线是准确测量盾尾间隙的关键，本发明的视觉定位测量方法解决了视场范围无法找到管片在盾壳上真实的投影分界线的难题。

本发明的测量方法测量范围较大，满足现场操作人员的测量需求，同时多个测量点位的间隙值可拟合得出不同位置的实际掘进管环，与设计轴线对比，可有效及时的纠正盾构机掘进姿态，使盾构机沿着设计轴线掘进。

当前管环多点位的盾尾间隙测量值为正确的管片选型提供重要依据，避免了不良的管片选型导致的隧道纠偏困难，出现蛇形掘进等问题。

无线遥控器的拍照控制显示盾尾间隙值的设计，达到了人性化设计需求，使操作工在管片拼装的情况下，快速方便的得出盾尾间隙测量值，指导操作人员进行正确的管片拼装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明测量系统的原理图。

图2为本发明图1中视觉测量装置的结构示意图。

图3为本发明图1中上位机内的原理图。

图4为本发明视觉测量装置的安装示意图。

图5为图4中的AA向视图。

图6为本发明管片厚度像素个数与工作距离的关系曲线图。

图7为本发明盾尾所处边缘线列坐标与工作距离的关系曲线图。

图8为本发明盾尾所处边缘线列坐标与管片厚度像素个数关系曲线图。

图9为本发明基于采集图像的实验室标定与验证流程图。

图10为本发明盾尾间隙测量的工作流程图。

图11为本发明基于采集图像的图像出库方法的流程图。

图12为本发明基于各盾尾间隙值的管片选型和盾构姿态控制的数据基础原理图。

图中，1为视觉测量装置，2为激光测距传感器，3为上位机，4为PLC控制器，5为遥控接收端，6为遥控发射端，7为盾壳，8为管片，9为推进油缸，11为吹扫气孔，12为防护壳，13为环形光源，14为相机，15为支架，16为底板。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付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。

实施例1，如图2所示，一种基于视觉定位的盾尾间隙测量系统，包括视觉测量装置1、激光测距传感器2、上位机3、PLC控制器4和遥控器，视觉测量装置1安装在盾尾处，激光测距传感器2与视觉测量装置平行，激光测距传感器2前面与视觉测量装置1前端相平，视觉测量装置1和激光测距传感器2均与上位机3相连接，上位机3与PLC控制器4相连接；PLC控制器4与无线遥控器相连接，无线遥控器分别与显示屏和拍照按钮相连接，所述激光测距传感器2用于测量视觉测量装置1的工作距离，激光测距传感器2激光测距发射的激光打到管片面上，即可测量视觉测量装置1的工作距离，视觉测量装置1用于采集当前管环管片拼装时和下一环管片拼装前管片的图像，上位机3对视觉测量装置1采集的图像进行处理并定位，从而计算盾尾间隙值。PLC控制器4通过Profinet总线与无线遥控器相连接；所述无线遥控器包括遥控接收端5和遥控发射端6，遥控接收端5和遥控发射端6无线连接，遥控接收端5与PLC控制器4相连接，遥控发射端6分别与显示屏和拍照按钮相连接。通过在盾尾处设置视觉测量装置1，上位机或无线遥控器控制相机14拍照并图像处理得到盾尾间隙值，盾尾间隙值通过上位机3与PLC控制器4通讯传输到PLC寄存区域，PLC接收到的变量即数据通过Profinet通讯传输至无线遥控器接收端5，遥控器发射端6通过无线通讯采集到遥控接收端5的盾尾间隙值，并显示到遥控器发射器6的显示屏上，根据各个盾尾间隙值指导操作人员进行管片拼装。采集到的通过多个点位的盾尾间隙值的读取，指导操作人员进行管片拼装。

根据实际管片拼装操作需求，盾构机管片拼装后（当前管环）到掘进下一环后（下一环管片拼装前）两次都需要操作人员测量盾尾间隙的值，决定下一环管片拼装顺序，故在上述两个时间点，遥控器发射端6设计拍照的控制按钮和显示盾尾间隙测量值的显示屏。

如图1所示，所述视觉测量装置1包括相机14，相机14设置在防护壳12内，防护壳12与支架15相连接，支架15与底板16相连接，底板16安装在盾尾处的盾壳7上；所述相机14的外侧设有环形光源13，环形光源13与防护壳12可拆卸连接。相机14和环形光源13内嵌到防护壳12内，同时环形光源13设计成可单独拆卸式，可根据不同位置的测量点的环境选择不同亮度的光源匹配。环形光源13的设计为了保证相机14拍摄的图像光照均匀，得到清晰且灰度均匀的图像，为后续的图像预处理和管片边缘定位提供基础。盾构施工环境恶劣，相机14与光源的防护壳12的防护设计等级达到IP67，避免相机14和环形光源受到环境干扰，保证盾尾间隙测量系统的视觉测量装置1正常工作。防护壳12的上部设有吹扫气孔11且吹扫气孔11位于相机14的上方，因施工环境恶劣，吹扫气孔为了定期自动维护相机镜头，避免灰尘影响相机拍摄效果。

所述支架15包括竖直板和支撑板，竖直板的两端分别与防护壳12和底板16固定连接，竖直板的上部与防护壳12相匹配设有凹槽，竖直板用于连接防护壳12和底板16。支撑板的一侧与竖直板相连接，支撑板的底部与底板16固定连接；所述支撑板为直角形板，直角形板的两个直角边分别与竖直板的中部和底板的中部相连接，支撑板从竖直板的侧面对竖直板进行加固。支架15的设计保证防护壳12与底板16平行，底板16上设有螺孔17从而实现与盾壳焊接的底座进行螺栓连接固定，盾壳7上焊接的底座中心两个轴线，一条轴线与拍摄管片的边缘底端切线平行，另一条轴线与掘进轴线平行，使相机14与拍摄的管片平行，保证测量的准确性。

如图5所示，所述视觉测量装置1和激光测距传感器2的数量设有3-8个，均匀分布在盾壳的圆周上且位于管片的中部，视觉测量装置1设置在管片8前方的推进油缸9的端部，如图4所示。每个管片8对应两个推进油缸9，视觉测量装置1设置在两个推进油缸9之间，从而使相机位于待检测管片的中部，方便相机的拍照。激光测距传感器2与对应的视觉测量装置1的相机14的拍摄方向均与管片8平行。图5中不同点位的位置光照强度不同，所需环形光源13的亮度也不同。

如图3所示，相机14、环形光源13和激光测距传感器2均与供电通讯模块相连，由供电通讯模块采集数据，并根据具体情况控制相机14、环形光源13的开启和关闭相机；供电通讯模块与上位机相连，上位机中包含图像定位处理模块和控制采集显示模块，对供电通讯模块采集到的图像进行定位处理，并进行上位机显示。图像定位处理模块是图像采集后进行一系列算法处理得出盾尾间隙值；控制采集显示模块是在上位机界面上设置相机、环形光源的开启关闭控制按钮，以及显示盾尾间隙值。

盾尾间隙测量系统的工作方法是：管片拼装操作人员当需要测量盾尾间隙值时，操作人员可直接点击无线遥控器的遥控器发射端6的拍照按钮，信号经遥控器发射端6通过无线传输至遥控器接收端5，遥控器接收端5经profinet通讯方式传输到PLC控制器的寄存器区域，通过OPC通讯方式将PLC控制器内的存储地址内变量传输至上位机3，由上位机3接收到变量，控制某个标号的相机14进行拍照采集，因不同距离不同位置下，相机14工作环境不同，故针对不同环境下设置多个线程程序，基于不同的工作距离（激光测距常感器2采集的）不同的标号相机，通过事件选择确定不同的图像处理程序，经图像处理算法得到盾尾间隙值，盾尾间隙值传输至上位机3，经PLC控制器4、遥控器接收端5传输至遥控器发射端6，显示到遥控器的显示屏上，提供给操作人员进行判断选择。

掘进过程中设置的盾尾间隙测量是由上位机直接控制采集，并显示到上位机，根据不同工作距离的多点位间隙测量，可拟合得到不同距离下的管环，管环中心的两条轴线与设计轴线的两个夹角，基于两个方向的夹角，根据设计轴线提供盾构机进行左转、右转、抬头、低头和直行方向的选择，为盾构姿态控制提供重要的数据基础。

实施例2，一种基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其步骤如下：

步骤一：实验室标定：利用视觉测量装置1的相机采集相同间隙、不同距离下模拟管片的图像，上位机利用图像处理算法对图像中的管片边缘和盾壳进行定位，得到管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值，确定不同工作距离下的管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值的线性比例方程。

如图9所示，图像处理算法根据采集模拟管片的图像定位管片的上下边缘和盾壳边缘，从而可以得到管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值。所述步骤一中确定管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值的线性方程的方法为：根据不同距离下得到管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值，采用相近距离的数据进行插值分别建立盾壳线列坐标值与工作距离之间的曲线图，如图7所示，管片厚度像素个数与工作距离之间的曲线图，如图6所示。根据盾壳线列坐标值与工作距离之间的曲线图拟合得到盾壳线列坐标值Z与工作距离Y的第一方程Y=d/(Z+c)。根据管片厚度像素个数与工作距离之间的曲线图拟合得到管片厚度像素个数X与工作距离Y的第二方程Y=b/(X+a)。通过第一方程Y=d/(Z+c)和第二方程Y=b/(X+a)得到不同工作距离下的盾壳线列坐标值与管片厚度像素个数之间的线性比例方程Z=(d/b)X+(da/b-c)=AX+B，其中，c和d为第一方程的系数，a和b为第二方程为第二方程的系数，A和B为线性比例方程的系数。盾尾所处边缘线列坐标与管片厚度像素个数关系曲线图如图8所示，盾尾所处边缘线列坐标与管片厚度像素个数呈线性关系。

受限于现场工况，环形光源13的补光灯无法垂直于盾壳7打光，故管片边缘在盾壳7上的投影分界线无法准确获得，获得管片在盾壳上投影的分界线是准确测量盾尾间隙的关键。通过不同工作距离，不同间隙值的采集标定，得出不同工作距离Y下与管片厚度像素个数X之间的关系即第二方程，不同工作距离Y下与盾壳线列坐标值Z之间的关系即第一方程。通过第一方程和第二方程得到线性比例方程，即管片厚度像素个数与盾壳线列坐标值之间的关系。故未知参数A和B的确定是由当前工作距离所在最小区间的工作距离的两个标定计算确定的，提高测量的准确性。实验室标定得出多组系数A和B，步骤三的工业性应用中，根据工作距离和管片厚度像素个数X，在选取工作距离下应该采取的系数A和B，计算得到的盾壳线列坐标值Z。

步骤二：实验室验证：利用视觉测量装置1的相机采集不同间隙、不同距离下模拟管片的图像，上位机利用图像处理算法对图像中的管片边缘进行定位，得到管片厚度像素个数，利用步骤一实验室标定得到的线性比例方程得到盾壳线列坐标值，利用盾壳线列坐标值计算盾尾间隙物理值，盾尾间隙物理值与实际盾尾间隙相比较的测量误差满足现场工况需求，进入步骤三，否则返回步骤二。

如图9所示，通过图像处理算法得到图像中管片厚度像素个数，根据管片的实际厚度可以得到图像中单个像素所占的物理距离，然后根据实验室标定得到的方程计算得到盾壳线列坐标值，然后根据盾壳线列坐标值得到盾尾间隙像素个数，从而计算盾尾间隙物理距离。通过步骤一得到的已知的方程的关系式，进行验证不同距离，不同间隙下的盾尾间隙准确性，得出盾尾间隙值的测量误差。测量误差的计算方法为：上位机利用图像处理算法识别出模拟管片厚度的两条边，基于两条边得出管片厚度像素个数，通过线性比例方程Z=AX+B得出盾壳线列坐标值Z，根据盾壳线列坐标值Z和图像处理得到的管片下边缘列坐标m，可得盾尾间隙所占像素个数Y1=m-Z，每个像素所占物理距离由已知管片厚度值和管片厚度所占像素个数计算得出，每个像素所占物理距离与盾尾间隙所占像素个数Y1相乘得出盾尾间隙物理值，测量得出的盾尾间隙值与实际盾尾间隙比较，得出测量误差。验证30组数据测量误差，测量误差满足现场工况需求，测量误差的选取范围是5%以内。

实验室装置与实际工况的相关参数保持一致，如相机离盾壳高度、装置平整度，这些外在因素统一保持一致，所定位到的盾壳边缘线就可以拿来移植到实际工况应用中。

步骤三：实际工况的测量：将视觉测量装置1安装在盾尾的盾壳上，基于实验室标定验证的结果对将视觉测量装置1进行盾尾间隙测量，视觉测量装置的相机离盾壳高度、装置平行于推进油缸，相机中心延长线垂直于管片等边缘参数与实验室标定过程中装置设置保持一致，在掘进过程中激光测距传感器2实时测量管片与相机的距离是否达到设定的工作距离，如果达到设定的工作距离上位机或无线遥控器控制视觉测量装置1的相机进行管片的图像采集，根据设定的工作距离D，确定不同工作距离下ROI区域的范围，进行管片上下边缘的定位，基于实验室标定验证的盾壳边缘线结果，根据工作距离选取步骤二中验证后的线性比例方程得到盾尾间隙值，并将盾尾间隙值通过PLC通讯传输至无线遥控器后显示在显示屏上，指导拼装操作人员，如图10所示。确定不同工作距离下ROI区域的范围之后，基于ROI区域进行框选并把框选后的图像另存为新的图像，上位机利用图像处理算法得到管片厚度所占的像素个数即管片厚度像素个数X，根据线性比例方程得到盾尾间隙值。

将视觉测量装置1安装在盾尾的盾壳上需要进行基本参数的设置：首先根据不同的安装位置，不同的工作距离设置相机基本参数，并且根据不同位置拍出的照片确定采集图像时是否需要增加曝光功能，另一方面针对视觉测量装置1对相机14做顺序标记，顺序标记是为了方便盾尾处一圈视觉测量装置与上位机显示的一一对应，方便施工人员快速读取某个位置的盾尾间隙值。

实验室验证后进行工业性测量应用，测量应用的方法为：基于实验室验证的结果得出不同距离下的盾壳列坐标，得出不同距离范围下关系方程中的多组系数A和B；视觉测量装置1与实验室标定的外在设置保持一致，视觉测量装置1进行工地拍照，对采集的图像定位处理，根据管片上下边缘的定位，得出管片所占像素个数，根据工作距离和管片所占像素个数确定系数A和B，线性比列方程确定，得出该距离下的盾壳边缘线列坐标；盾尾间隙像素个数为盾壳边缘线列坐标减去管片下边缘列坐标；已知管片厚度尺寸得出单位像素的物理距离；已知盾尾间隙像素个数和单位像素的物理距离，得出盾尾间隙物理值。

掘进方向上设定工作距离L、1.5L、2L、2.5L、3L距离处为测量位置，视觉测量装置1的相机在每个测量位置采集管片的图像，根据不同工作距离的多点位盾尾间隙测量，可拟合得到不同距离下的管环，管环中心的两条轴线与设计轴线的两个夹角，根据两个方向的夹角和设计轴线提供盾构机进行左转、右转、抬头、低头和直行方向的选择，为盾构姿态控制提供重要的数据基础。

所述确定不同工作距离下ROI区域的范围的方法为：由管片厚度像素个数X和工作距离Y呈曲线关系的第二方程Y=b/(X+a)，由两个已知不同工作距离和相对应的管片厚度像素个数确定两个参数a和b，当激光测距传感器测量的工作距离为设置的L、1.5L、2L、2.5L、3L距离时，根据预设的工作距离和第二方程，得出管片厚度像素个数X，并由此确定ROI区域的纵向范围>管片厚度像素个数X，ROI区域的横向范围在不同工作距离下设定为统一标准范围。设定的工作距离一般选取L=600mm。

选用的相机为自动对焦功能的彩色相机，相机工作距离由激光测距传感器2确定，当工作距离与所设置的工作距离一致时，上位机或遥控器显示屏显示“满足条件”，由上位机或无线遥控器的拍照按钮进行控制拍照采集，并框选出ROI区域（根据不同工作距离确定），对ROI区域的图像另存为要处理的图像，读取另存的图像。所述图像处理算法的实现方法为：将新的图像分割为R图像、G图像和B图像，选取其中效果最好的R图像、G图像或B图像中的一种进行图像预处理，预处理包括线性变换和中值、平滑滤波处理，对感兴趣区域清晰化。图像清晰化后对图像进行二值化分割，为了特征选取对分割后的ROI区域分割处理，分割处理是为了后面进行特征选取，之后进行矩形相关度的特征选取，因管片黑色胶条的存在，选取两个相似矩形的两个区域，对管片黑色胶条下面的矩形做最小外接矩形处理，最小外接矩形进行仿射变换，求取仿射变换后矩形的行列角度坐标，根据矩形的行列角度坐标建立测量矩形，形成矩形边缘对测量，检测到黑色胶条和管片的上下边缘（通过边缘对测量得到），从而得出四条边缘，软件筛选过滤黑色胶条的两条边缘，黑色胶条位于管片上，故根据黑色胶条的两条边缘的列坐标的值可筛选得出管片的上边缘和下边缘，并计算得出管片上边缘和下边缘之间的像素个数即是管片厚度像素个数X。

实际操作人员管片拼装前需要两次测量：一次为当前管环盾构机管片拼装时，另一次为掘进机掘完一环后下一环管片拼装前，测量工作距离为L=600mm左右和2000mm左右，管片拼装前的两次盾尾间隙测量操作设置在无线的遥控器发射器端6，在当前管环管片拼装时和下一环管片拼装前，操作人员操作遥控器发射端6的拍照按钮，经相机14拍照处理得出的盾尾间隙值显示在遥控器发射端6的遥控器的显示屏上，操作人员根据多个位置的盾尾间隙值确定下一环的管片拼装顺序。根据操作人员的经验，正确的选取下一环的管片拼装顺序，正确的选取可避免盾尾间隙过大或过小，同时可根据实际掘进姿态与设计轴线进行正确的纠偏操作。

如图12所示，设定拼装管片前的两次盾尾间隙值可由无线遥控器的拍照按钮或上位机控制拍照处理得出盾尾间隙结果，根据当前多点位的盾尾间隙值可得出当前管片中心与盾构机设计轴线的水平距离和高差（h1-h2），h1和h2分别表示得到的盾尾间隙值，为下一环的管片选型提供重要的数据基础。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (14)

1.一种基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：实验室标定：利用视觉测量装置（1）的相机采集相同间隙、不同距离下模拟管片的图像，上位机利用图像处理算法对图像中的管片边缘和盾壳进行定位，得到管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值，确定不同工作距离下的管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值的线性比例方程；

步骤二：实验室验证：利用视觉测量装置（1）的相机采集不同间隙、不同距离下模拟管片的图像，上位机利用图像处理算法对图像中的管片边缘进行定位，得到管片厚度像素个数，利用步骤一实验室标定得到的线性比例方程得到盾壳线列坐标值，利用盾壳线列坐标值计算盾尾间隙物理值，盾尾间隙物理值与实际盾尾间隙相比较的测量误差满足现场工况需求，进入步骤三，否则返回步骤二；

步骤三：实际工况的测量：基于实验室验证的结果将视觉测量装置（1）安装在盾尾的盾壳上且平行于推进油缸，在掘进过程中激光测距传感器（2）实时测量管片与相机的距离是否达到设定的工作距离，如果达到设定的工作距离视觉测量装置（1）的相机进行管片的图像采集，进行管片上下边缘的定位，基于实验室标定验证的盾壳边缘线结果，根据工作距离选取步骤二中验证后的线性比例方程得到盾尾间隙值，并将盾尾间隙值通过PLC通讯传输至无线遥控器后显示在显示屏上，指导拼装操作人员。

2.根据权利要求1所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述步骤一中确定管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值的线性方程的方法为：根据不同距离下得到管片厚度像素个数和盾壳线列坐标值，采用相近距离的数据进行插值分别建立盾壳线列坐标值与工作距离之间的曲线图、管片厚度像素个数与工作距离之间的曲线图，根据盾壳线列坐标值与工作距离之间的曲线图拟合得到盾壳线列坐标值Z与工作距离Y的第一方程Y=d/(Z+c)，根据管片厚度像素个数与工作距离之间的曲线图拟合得到管片厚度像素个数X与工作距离Y的第二方程Y=b/(X+a)，通过第一方程Y=d/(Z+c)和第二方程Y=b/(X+a)得到不同工作距离下的盾壳线列坐标值与管片厚度像素个数之间的线性比例方程Z=(d/b)X+(da/b-c)=AX+B，其中，c和d为第一方程的系数，a和b为第二方程为第二方程的系数，A和B为线性比例方程的系数。

3.根据权利要求2所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述步骤二中测量误差的计算方法为：上位机利用图像处理算法识别出模拟管片厚度的两条边，基于两条边得出管片厚度像素个数，通过线性比例方程得出盾壳线列坐标值Z，根据盾壳线列坐标值Z和图像处理得到的管片下边缘列坐标m，可得盾尾间隙所占像素个数Y1=m-Z，每个像素所占物理距离由已知管片厚度值和管片厚度所占像素个数计算得出，每个像素所占物理距离与盾尾间隙所占像素个数Y1相乘得出盾尾间隙物理值，测量得出的盾尾间隙值与实际盾尾间隙比较，得出测量误差。

4.根据权利要求2或3所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述步骤二中实验室验证后进行工业性测量应用，测量应用的方法为：基于实验室验证的结果得出不同距离下的盾壳列坐标，得出不同距离范围下关系方程中的多组系数A和B；视觉测量装置（1）与实验室标定的外在设置保持一致，视觉测量装置（1）进行工地拍照，对采集的图像定位处理，根据管片上下边缘的定位，得出管片所占像素个数，根据工作距离和管片所占像素个数确定系数A和B，线性比列方程确定，得出该距离下的盾壳边缘线列坐标；盾尾间隙像素个数为盾壳边缘线列坐标减去管片下边缘列坐标；已知管片厚度尺寸得出单位像素的物理距离；已知盾尾间隙像素个数和单位像素的物理距离，得出盾尾间隙物理值。

5.根据权利要求2或3所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，掘进方向上设定工作距离L、1.5L、2L、2.5L、3L距离处为测量位置，视觉测量装置（1）的相机在每个测量位置采集管片的图像，根据不同工作距离的多点位盾尾间隙测量，可拟合得到不同距离下的管环，管环中心的两条轴线与设计轴线的两个夹角，根据两个方向的夹角和设计轴线提供盾构机进行左转、右转、抬头、低头和直行方向的选择；根据当前多点位的盾尾间隙值可得出当前管片中心与盾构机设计轴线的水平距离和高差（h1-h2），h1和h2分别表示得到的盾尾间隙值。

6.根据权利要求4所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述步骤三中视觉测量装置（1）的相机进行管片的图像采集后，在图像上确定不同工作距离下ROI区域的范围；所述确定不同工作距离下ROI区域的范围的方法为：由管片厚度像素个数X和工作距离Y呈曲线关系的第二方程Y=b/(X+a)，由两个已知不同工作距离和相对应的管片厚度像素个数确定两个参数a和b，当激光测距传感器测量的工作距离为设置的L、1.5L、2L、2.5L、3L距离时，根据设置的距离和第二方程，得出管片厚度像素个数X，并由此确定ROI区域的纵向范围>管片厚度像素个数X，ROI区域的横向范围在不同工作距离下设定为统一标准范围。

7.根据权利要求1所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述步骤三中确定不同工作距离下ROI区域的范围之后，基于ROI区域进行框选并把框选后的图像另存为新的图像，上位机利用图像处理算法得到管片厚度所占的像素个数即管片厚度像素个数X，根据线性比例方程得到盾尾间隙值。

8.根据权利要求6所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述图像处理算法的实现方法为：将新的图像分割为R图像、G图像和B图像，选取其中效果最好的R图像、G图像或B图像中的一种进行图像预处理，对感兴趣区域清晰化，图像清晰化后对图像进行二值化分割，对分割后的区域打散处理，之后进行矩形相关度的特征选取，选取两个相似矩形的两个区域，对管片黑色胶条下面的矩形做最小外接矩形处理，最小外接矩形进行仿射变换，求取仿射变换后矩形的行列角度坐标，根据矩形的行列角度坐标建立测量矩形，形成矩形边缘对测量，得出四条边缘，筛选得出管片的上边缘和下边缘，并计算得出管片上边缘和下边缘之间的像素个数即是管片厚度像素个数X。

9.利用权利要求1-8中任意一项所述的基于视觉定位的盾尾间隙测量方法的盾尾间隙测量系统，其特征在于，包括视觉测量装置（1）、激光测距传感器（2）、上位机（3）、PLC控制器（4）和无线遥控器，视觉测量装置（1）安装在盾尾处，视觉测量装置（1）和激光测距传感器（2）均与上位机（3）相连接，上位机（3）与PLC控制器（4）相连接；PLC控制器（4）与无线遥控器相连接，无线遥控器分别与显示屏和拍照按钮相连接，所述激光测距传感器（2）用于测量视觉测量装置（1）的工作距离，视觉测量装置（1）用于采集当前管环管片拼装时和下一环管片拼装前管片的图像，上位机（3）对视觉测量装置（1）采集的图像进行处理并定位，从而计算盾尾间隙值。

10.根据权利要求9所述的盾尾间隙测量系统，其特征在于，所述视觉测量装置（1）包括相机（14），相机（14）设置在防护壳（12）内，防护壳（12）与支架（15）相连接，支架（15）与底板（16）相连接，底板（16）安装在盾尾处的盾壳（7）上；所述相机（14）的外侧设有环形光源（13），环形光源（13）与防护壳（12）可拆卸连接。

11.根据权利要求10所述的盾尾间隙测量系统，其特征在于，所述支架（15）包括竖直板和支撑板，竖直板的两端分别与防护壳（12）和底板（16）固定连接，支撑板的一侧与竖直板相连接，支撑板的底部与底板（16）固定连接；所述支撑板为直角形板，直角形板的两个直角边分别与竖直板的中部和底板的中部相连接；所述防护壳（12）的上部设有吹扫气孔（11）且吹扫气孔（11）位于相机（14）的上方。

12.根据权利要求10或11所述的盾尾间隙测量系统，其特征在于，所述视觉测量装置（1）和激光测距传感器（2）的数量设有3-8个，视觉测量装置（1）设置在管片（8）前方的推进油缸（9）的端部；激光测距传感器（2）与对应的视觉测量装置（1）的相机（14）的拍摄方向均与管片（8）平行。

13.根据权利要求12所述的盾尾间隙测量系统，其特征在于，所述PLC控制器（4）通过Profinet总线与无线遥控器相连接；所述无线遥控器包括遥控接收端（5）和遥控发射端（6），遥控接收端（5）和遥控发射端（6）无线连接，遥控接收端（5）与PLC控制器（4）相连接，遥控发射端（6）分别与显示屏和拍照按钮相连接。

14.根据权利要求12所述的盾尾间隙测量系统，其特征在于，所述相机（14）、环形光源（13）和激光测距传感器（2）均与供电通讯模块相连，由供电通讯模块采集数据，并控制相机（14）、环形光源（13）的开启和关闭相机；供电通讯模块与上位机相连，上位机中包含图像定位处理模块和控制采集显示模块，对供电通讯模块采集到的图像进行定位处理，并进行上位机显示。

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