CN112945115B - 一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法及装置，用以解决盾构施工中盾尾间隙不能实时测量的问题。本发明测量方法步骤为：根据两个线激光器发射光平面组成的角度标定视觉测量装置并安装在盾尾壳体上，测量相机采集两个线激光器发射的激光线的图像；利用图像处理算法提取图像中激光结构线的四条投影直线，计算两条激光结构线的比例系数；根据成像交比不变定理列出一元二次方程，得到盾尾间隙。本发明根据两条激光线在盾尾壳体和管片上的投影关系，实现非接触式盾尾间隙实时自动化测量；且精度更稳定可靠，实时动态监测盾尾间隙变化，能够及时发现测量异常值，为盾构机管片拼装调向提供数据参考，为盾构机自动化施工提供技术保障。

Description

一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法及装置

技术领域

本发明涉及盾构机盾尾间隙动态实时测量的技术领域，尤其涉及一种基于双激光结构线的盾尾间隙动态实时视觉测量方法及装置。

背景技术

盾尾间隙指的是盾构机尾部盾壳与管片之间的缝隙间距，在盾构机完成一环管片拼装时，管片在盾构机尾部与盾壳有一定安全间隙，如果由于盾构姿态调整或管片拼装错台将导致盾尾间隙超出安全范围，压溃盾尾密封刷或间隙过大引起盾尾密封失效，严重时产生工程事故。盾尾间隙测量通常围绕盾尾圆周均匀布设4-8个点位，测量管片半径方向上边缘距离盾尾壳体的直线距离，由于盾构施工容易在底部积水，盾尾间隙测量通常选择12点钟、3点钟、5点钟、7点钟、9点钟方向。随着盾构机装备智能化技术的推进，出现了一些自动化盾尾间隙测量手段，初步解决了盾尾间隙的自动化测量问题，但是存在实施困难、测量准确性和稳定性差的问题。因此，人工测量仍为盾尾间隙测量的主要手段，而人工测量存在一定随意性和人员安全问题。目前，市场上现有的盾尾间隙测量方法存在的主要问题有：

(1)人工盾尾间隙测量难以满足实时性动态要求，测量的精度受人为因素影响较大；大型盾构机直径较大，人工施测较为困难。

(2)一些基于超声波测距的方法，需要在盾尾开孔安装，损害盾尾结构强度，且易被泥浆掩盖失效。

(3)一些激光视觉测量采用单条激光线进行辅助测量，对装置安装要求较高，测量的精度和稳定性存在问题。申请号为201910964353.6的基于激光调焦和图像识别的盾尾间隙测量方法，采用激光测距仪和激光发射器发射的两道激光十字线的光源中心连线的中点是相机的中心线，此点到管片内边缘线的垂直距离即为距离d，通过距离d得到测量区域的盾尾间隙。此方法需要提取图像中管片内边缘线，计算复杂，难以排除管片防水胶垫对视觉测量的影响。

(4)一些基于管片边缘特征识别的方法对环境光照要求较高，管片边缘可能存局部破损情况导致测量稳定性较差。

因此，本发明总结了盾尾间隙测量工程实践经验，提出一种基于双激光结构线的视觉动态实时测量方法，并制作了相应的测量装置实现高精度动态盾尾间隙测量。

发明内容

针对现有盾尾间隙测量方法对装置安装要求较高，测量不精确，且稳定性差的技术问题，本发明提出一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法及装置，实现了高精度动态盾尾间隙测量，且结构简单，安装方便，具有较好的稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其步骤如下：

步骤一：根据两个线激光器发射光平面组成的角度标定盾尾间隙的视觉测量装置，使两个线激光器发出的激光结构线的交点与盾壳截面圆心O相重合；

步骤二：将标定后的视觉测量装置安装在盾尾壳体上，使视觉测量装置的测量相机的成像平面尽可能垂直盾壳；打开两个线激光器和测量相机，测量相机采集两个线激光器发射的激光线的图像；

步骤三：利用图像处理算法提取图像中激光结构线分别投影在管片和盾尾壳体上四条投影直线，提取上部的两条投影直线的端点得到像点，计算上部和下部的投影直线的交点得到两个像点，计算上部的两条投影直线的交点为像点，利用7个像点之间的距离计算两条激光结构线的比例系数；

步骤四：根据成像交比不变定理和步骤三得到的比例系数列出一元二次方程，求解一元二次方程得到盾尾间隙。

所述步骤一中当两个线激光器发射的激光结构线的夹角

两条激光结构线的交点与盾壳截面圆心相重合，从而使双激光结构线在管片上的投影成像的交点为尾盾截面的中心；其中，R为盾构尾部垂直截面内径长度，L为两个线激光器之间的距离，H为视觉测量装置的测量相机成像中心距离盾尾壳体的高度。

所述步骤二中上部的一条投影直线的端点为像点a和像点b，上部的另一条投影直线的端点为像点c和像点d，像点a、像点b、像点c和像点d是两条激光结构线与管片两端的交点的像点；上下对应的两条投影直线的交点分别为像点e和像点f，因为成像空间关系，像点e和像点f分别为两条激光结构线与盾尾壳体的交点的像点；上部的两条投影直线即图像上直线ba和直线dc的延长线的交点为像点o；像点a、像点b、像点c、像点d、像点e、像点f和像点o在盾壳截面上对应的分别是点A、点B、点C、点D、点E、点F和点O1，其中，点A和点B是一条激光线在管片上投影的直线L1与管片边缘的投影点，另一条激光线在管片上投影的直线L3与管片边缘的投影点分别为点C和点D，一条激光线在盾尾壳体上的投影为直线L2，另一条激光线在盾尾壳体上的投影为直线L4，直线L1与直线L2的交点为点E，直线L3与直线L4的交点为点F，点O1为直线L1与直线L3延长线的交点，如果管片侧面与盾壳截面重合则点O1与盾壳截面圆心O重合。

所述比例系数分别为：

和

其中，k₁和k₂是成像测量中像点计算的比例系数，ea、eo、ba、bo、fc、fo、dc、do分别是两个像点之间的像素个数。

所述步骤三中图像处理算法提取投影曲线和像点的实现方法的步骤为：

1)、使用张氏保定法对测量相机进行标定，然后进行图像畸变纠正，得到测量图像；

2)、设置测量区域：根据双激光结构线成像区域设置4个点，4个点连线组成梯形最外轮廓区域为测量区域；

3)、对测量区域的激光进行视觉提取：使用高斯滤波对测量取区域进行过滤，然后将图像的RGB颜色转化为HSV图像，根据激光颜色提取激光光斑区域；

4)、以激光光斑区域的图像灰度最小值为二值化阈值，利用二值化阈值将测量图像转化为二值图像，得到激光结构线的投影线段的图像；

5)、计算二值图像的白色区域面积值，从大到小进行排序，提取前6段白色线条区域作为视觉测量线，根据白色线条区域的像素点坐标采用最小二乘原理对6条白色线条区域进行拟合，得到6条直线的参数方程，根据直线方程参数的相近程度将相似的直线方程所对应的直线区域视为一条直线，找到4条直线对应的白色线条区域；

6)、根据步骤5)得到的4条直线对应的白色线条区域，重新拟合直线得到4条投影直线的方程，根据双激光结构线在管片上的投影直线提取出像点a、b、c、d的坐标，根据响应的直线方程角点计算出像点e、f的坐标，线ab与线cd反向延长线角点为像点o。

所述步骤四中成像交比不变定理为：

其中，EO为盾构壳体截面的半径R，BA和DC为管片的厚度S，DF＝OF-OD和BE＝OE-OB为盾尾间隙，设盾尾间隙为X，X为待求量，由式(1)可得；

上式是关于X的一元二次方程，通过解一元二次方程得到两个根，根据实际意义取其中一个根作为盾尾间隙EB的值，同理根据式(2)计算盾尾间隙DF的值。

所述盾尾间隙DF和盾尾间隙BE的平均值为监测位置的盾尾间隙的计算结果。

一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量装置，包括测量相机、第一线激光器和第二线激光器，第一线激光器和第二线激光器水平固定在壳体上，测量相机设置在第一线激光器和第二线激光器之间的中心位置，测量相机的成像平面尽可能与管片侧面相平行；所述壳体通过支撑云台固定在盾尾壳体上。

所述测量相机、第一线激光器和第二线激光器均与控制盒相连接，控制盒分别与工控机和配电箱相连接，配电箱负责整个系统的供电；所述控制盒包括断路器、电源模块、继电器控制模块和网络交换机，配电箱与断路器相连接，断路器与电源模块相连接，电源模块分别与继电器控制模块和网络交换机相连接，电源模块将配电箱供给的高压电转换成低压电，为继电器控制模块和网络交换机供电，继电器控制模块通过工控机的控制指令实现测量相机、第一线激光器和第二线激光器的供电的通断；所述测量相机、第一线激光器和第二线激光器均通过网线与网络交换机相连，网络交换机连接至工控机。

所述测量相机在盾尾内侧呈圆周均匀分布，多个点位的测量相机采集的图像通过网络交换机的以太网通信传输至工控机，由工控机的上位机软件对采集到的图像进行处理，实时获取圆周方向各位置的盾尾间隙，从而指导盾构机掘进。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在盾构机尾部的盾壳上即顶推油缸之间的盾壳内壁上安装双激光结构线成像的测量装置，投射两条结构线激光到盾壳和管片上，同时对投影线进行成像，通过计算机视觉方法对测量图像进行处理，提取激光结构线在盾壳及管片上的投影关键点，然后根据成像交比不变性计算盾尾间隙。本发明使用双激光结构线视觉测量方式，根据两条激光线在盾尾壳体和管片上的投影关系，计算提取关键点，实现非接触式盾尾间隙实时自动化测量。本发明在盾尾间隙测量中精度更稳定可靠，可以实时动态监测盾尾间隙变化，能够及时发现测量异常值，为盾构机管片拼装调向提供数据参考，为盾构机自动化施工提供技术保障。

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为本发明测量方法的原理示意图。

图2为本发明视觉测量装置标定的示意图。

图3为本发明激光线图像处理的流程图。

图4为本发明图3处理后提取关键点的示意图。

图5为本发明拟合直线的示意图。

图6为本发明在拟合直线上提取的像点的示意图。

图7为本发明视觉测量装置的结构示意图。

图8为本发明视觉测量装置的控制原理图。

图中，1为支撑云台，2为壳体，3为第一线激光器，4为测量相机，5为第二线激光器，6为盾壳截面圆心，7为管片，8为盾尾壳体。

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1，一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其步骤如下：

步骤一：根据两个线激光器发射光平面组成的角度标定盾尾间隙的视觉测量装置，使两个线激光器发出的激光结构线的交点与盾壳截面圆心O6相重合。

如图2所示，视觉测量装置包括第一线激光器3、第二线激光器5和测量相机4，测量相机位于第一线激光器3和第二线激光器5之间的中点上，两个线激光器发射光在平面组成的角度

其中，R为盾构尾部垂直截面内径长度，L为两个线激光器第一线激光器3和第二线激光器5之间的距离，H为测量相机4成像中心距离盾尾壳体8的高度。

当第一线激光器3和第二线激光器5发射的激光线的夹角为θ时，第一线激光器3和第二线激光器5发射的激光结构线的交点与盾壳截面圆心6相重合，确保双激光结构线在管片上的投影成像的交点为尾盾截面中心。

步骤二：将标定后的视觉测量装置安装在盾尾壳体8上，使测量相机的成像平面尽可能垂直盾壳；打开两个线激光器和测量相机，测量相机采集两个线激光器发射的激光线的图像。

视觉测量装置安装在盾构机尾部的盾壳上，测量相机4和两个激光器通过远程控制进行工作。本发明使用双激光结构线作为投影参考，安装时测量相机的成像平面垂直盾壳，从而使盾壳截面圆心6与成像平面中双激光结构线的交点相重合，确保测量相机4的成像平面尽可能与管片侧面相平行，使两条激光结构线对称投影在管片7和盾尾壳体8上。

步骤三：利用图像处理算法提取图像中激光结构线分别投影在管片7和盾尾壳体8上四条投影直线，提取上部的两条投影直线的端点得到像点a、b、c、d，计算上部和下部的投影直线的交点得到两个像点e、f，计算上部的两条投影直线的交点为像点o，利用7个像点之间的距离计算两条激光结构线的比例系数。

图像中一条激光线与管片7两端的交点分别为像点a和像点b，像点a位于管片6的内侧，像点b位于管片7的外侧，一条激光线与盾尾壳体8的交点为像点e，图像中另一条激光线与管片7两端的交点分别为像点c和像点d，像点c位于管片7的内侧，像点d位于管片7的外侧，另一条激光线与盾尾壳体8的交点为像点f，图像上ba、dc延长线的交点为o点。如图1所示，两条激光线交叉通过盾尾壳体8的圆柱轴线点在分析截面的交点O，其中一条激光线在管片7上的投影为直线L1，在盾尾壳体8上的投影为直线L2，另一条激光线在管片6上的投影为直线L3，在盾尾壳体8上的投影为直线L4。直线L1与管片边缘的投影点分别为点A和点B，直线L1与直线L2的交点为点E，直线L3与管片边缘的投影点分别为点C和点D，直线L3与直线L4的交点为点F。点O1为直线L1与直线L3延长线的交点，如果管片侧面与分析截面重合则点O1与O点重合。因为成像空间关系，点E和点F盾尾壳体8上。在使用测量相机4对图1中场景进行成像后，点A、B、C、D、E、F分别对应像点a、b、c、d、e、f，其中，像点a、b、c、d分别是激光线在管片上投影的边缘点，e、f为图像上激光线的交点。

如图3所示，所述图像处理算法提取两条激光线与管片6的两端和盾尾壳体8的交点的方法为：

1)、使用张氏保定法对测量相机4进行标定，然后进行图像畸变纠正，得到测量图像。

2)、设置测量区域：根据双激光结构线成像区域设置4个点，4个点连线组成梯形最外轮廓区域为测量区域。视觉测量是对该梯形图像掩膜提取，排除其他视觉干扰。

3)、对测量区域的激光进行视觉提取：使用高斯滤波对提取区域进行过滤，然后将测量图像的RGB颜色转化为HSV图像，根据激光颜色提取激光光斑区域。

4)、以激光光斑区域的图像灰度最小值为二值化阈值，将测量图像(测量区域)转化为二值图像，得到激光结构线的投影线段的图像，如图4所示。

5)、计算二值图像的白色区域面积值，从大到小进行排序，提取前6段白色线条区域作为视觉测量线，分别对6条白色线条区域进行直线拟合，根据白色线条区域的像素点坐标采用最小二乘原理拟合直线，如图5所示，得到6条直线的参数方程，根基直线方程参数的相近程度将相似的直线方程所对应的直线区域视为一条直线，可以视为找到4条直线对应的6个白色线条区域。

6)、根据步骤5)得到的4个直线对应的白色线条区域，重新拟合直线得到4条投影直线的方程，根据双激光结构线在管片上的投影直线，提取出关键像点a、b、c、d的像点坐标，根据响应的直线方程角点计算出像点e、f坐标，如图6所示，逻辑上线ab与线cd反向延长线角点为o。

步骤四：根据成像交比不变定理和步骤三得到的比例系数列出一元二次方程，求解一元二次方程得到盾尾间隙。

根据成像交比不变定理计算盾尾间隙DF、EB，并以两个值的平均值作为盾尾间隙计算结果。由成像交比不变定理可知，成像测量提取的像点a、b、c、d、e、f、o与现实中的A、B、C、D、E、F、O的关系如下式所示：

比例系数k₁和k₂可由成像测量的像点计算，EO为盾构壳体截面的半径设为R，BA和DC为管片的厚度设为S，设盾尾间隙为X，X为待求量，带入式(1)得到式(3)；

式(3)是关于X的一元二次方程，通过解该方程得到两个根，根据实际意义取其中一个根作为盾尾间隙EB的值，同理根据式(2)可以计算盾尾间隙DF，取两次计算的平均值即为该监测位置的盾尾间隙。

实施例2，如图7所示，一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量装置，包括测量相机4、第一线激光器3和第二线激光器5，第一线激光器3和第二线激光器5以固定基线距离固定在壳体2上，基线距离一般为10cm。测量相机4设置在基线的中心位置。壳体2通过支撑云台1固定在盾构机尾部的盾尾壳体8上，安装时保持测量相机4成像平面与分析截面即管片侧面平行。测量相机4和两个线激光器通过远程控制进行工作。第一线激光器3和第二线激光器5发出的激光线的颜色可以分别是红色和绿色，以进行两个激光线的区别。

如图8所示，所述测量相机4、第一线激光器3和第二线激光器5均与控制盒相连接，控制盒的作用是控制第一线激光器3和第二线激光器5的激光结构线亮灭和测量相机4的成像。控制盒分别与工控机和配电箱相连接，配电箱负责整个系统的供电，工控机的作用是成像数据的测量计算。所述控制盒包括断路器、电源模块、继电器控制模块和网络交换机，配电箱与断路器相连接，断路器与电源模块相连接，断路器位于配电箱与电源模块之间，可随时切断电源模块，方便检修。电源模块分别与继电器控制模块和网络交换机相连接，电源模块将配电箱供给的高压电转换成低压电，为继电器控制模块和网络交换机供电，测量相机4、第一线激光器3和第二线激光器5的供电的通断可通过继电器控制模块由工控机控制，工控机通过逻辑IO控制，盾尾间隙的视觉测量装置在盾尾内侧呈圆周均匀分布，数量可根据盾构机直径大小和现场需求确定，多个点位的测量相机通过网线与控制盒内网络交换机相连，网络交换机引出一根网线，连接至工控机，测量相机采集的图像数据通过网络交换机的以太网通信传输至工控机，由工控机的上位机软件对采集到的图像进行数据处理，实时获取圆周方向各位置的盾尾间隙，从而指导盾构机掘进。

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 (6)

1.一种基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：根据两个线激光器发射光平面组成的角度标定盾尾间隙的视觉测量装置，使两个线激光器发出的激光结构线的交点与盾壳截面圆心O相重合；

所述步骤一中当两个线激光器发射的激光结构线的夹角

，两条激光结构线的交点与盾壳截面圆心相重合，从而使双激光结构线在管片上的投影成像的交点为尾盾截面的中心；其中，R为盾构尾部垂直截面内径长度，L为两个线激光器之间的距离，H为视觉测量装置的测量相机成像中心距离盾尾壳体的高度；

步骤二：将标定后的视觉测量装置安装在盾尾壳体上，使视觉测量装置的测量相机的成像平面尽可能垂直盾壳；打开两个线激光器和测量相机，测量相机采集两个线激光器发射的激光线的图像；

步骤三：利用图像处理算法提取图像中激光结构线分别投影在管片和盾尾壳体上四条投影直线，提取上部的两条投影直线的端点得到像点，计算上部和下部的投影直线的交点得到两个像点，计算上部的两条投影直线的交点为像点，利用7个像点之间的距离计算两条激光结构线的比例系数；

步骤四：根据成像交比不变定理和步骤三得到的比例系数列出一元二次方程，求解一元二次方程得到盾尾间隙。

2.根据权利要求1所述的基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其特征在于，所述步骤二中上部的一条投影直线的端点为像点a和像点b，上部的另一条投影直线的端点为像点c和像点d，像点a、像点b、像点c和像点d是两条激光结构线与管片两端的交点的像点；上下对应的两条投影直线的交点分别为像点e和像点f，因为成像空间关系，像点e和像点f分别为两条激光结构线与盾尾壳体的交点的像点；上部的两条投影直线即图像上直线ba和直线dc的延长线的交点为像点o；像点a、像点b、像点c、像点d、像点e、像点f和像点o在盾壳截面上对应的分别是点A、点B、点C、点D、点E、点F和点O1，其中，点A和点B是一条激光线在管片上投影的直线L1与管片边缘的投影点，另一条激光线在管片上投影的直线L3与管片边缘的投影点分别为点C和点D，一条激光线在盾尾壳体上的投影为直线L2，另一条激光线在盾尾壳体上的投影为直线L4，直线L1与直线L2的交点为点E，直线L3与直线L4的交点为点F，点O1为直线L1与直线L3延长线的交点，如果管片侧面与盾壳截面重合则点O1与盾壳截面圆心O重合。

3.根据权利要求2所述的基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其特征在于，所述比例系数分别为：

和

，其中，k₁和k₂是成像测量中像点计算的比例系数，ea、eo、ba、bo、fc、fo、dc、do分别是两个像点之间的像素个数。

4.根据权利要求1或3所述的基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其特征在于，所述步骤三中图像处理算法提取投影曲线和像点的实现方法的步骤为：

1）、使用张氏保定法对测量相机进行标定，然后进行图像畸变纠正，得到测量图像；

2）、设置测量区域：根据双激光结构线成像区域设置4个点，4个点连线组成梯形最外轮廓区域为测量区域；

3）、对测量区域的激光进行视觉提取：使用高斯滤波对测量取区域进行过滤，然后将图像的RGB颜色转化为HSV图像，根据激光颜色提取激光光斑区域；

4）、以激光光斑区域的图像灰度最小值为二值化阈值，利用二值化阈值将测量图像转化为二值图像，得到激光结构线的投影线段的图像；

5）、计算二值图像的白色区域面积值，从大到小进行排序，提取前6段白色线条区域作为视觉测量线，根据白色线条区域的像素点坐标采用最小二乘原理对6条白色线条区域进行拟合，得到6条直线的参数方程，根据直线方程参数的相近程度将相似的直线方程所对应的直线区域视为一条直线，找到4条直线对应的白色线条区域；

6）、根据步骤5）得到的4条直线对应的白色线条区域，重新拟合直线得到4条投影直线的方程，根据双激光结构线在管片上的投影直线提取出像点a、b、c、d的坐标，根据响应的直线方程角点计算出像点e、f的坐标，线ab与线cd反向延长线角点为像点o。

5.根据权利要求4所述的基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其特征在于，所述步骤四中成像交比不变定理为：

； （1）

； （2）

其中，EO为盾构壳体截面的半径R，BA和DC为管片的厚度S，DF=OF-OD和BE=OE-OB为盾尾间隙，设盾尾间隙为X，X为待求量，由式（1）可得；

；

上式是关于X的一元二次方程，通过解一元二次方程得到两个根，根据实际意义取其中一个根作为盾尾间隙EB的值，同理根据式（2）计算盾尾间隙DF的值。

6.根据权利要求5所述的基于双激光结构线的盾尾间隙视觉测量方法，其特征在于，所述盾尾间隙DF和盾尾间隙BE的平均值为监测位置的盾尾间隙的计算结果。

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