CN113125435A - 通道表面图像采集装置及隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种通道表面图像采集装置及隧道掘进机。该通道表面图像采集装置包括：壳体，设有开口；拍照单元，包括多个相机，相机通过开口拍摄通道表面的检测区域，拍照单元被配置为各相机的拍摄区相互拼接形成连续拍摄区；照明单元，用于照射检测区域以为相机提供照明的光源，照明单元的光源在检测区域上的照明区能覆盖连续拍摄区；承载支架，连接于壳体，承载支架用于安装相机及照明单元；信息采集器，设置于壳体，信息采集器用于采集相机相对检测区域的位置信息。本申请实施例提供的通道表面图像采集装置对至少部分子图像进行拼接，得到完整的工作面图像，保障施工作业人员生命安全，提高施工效率。

Description

通道表面图像采集装置及隧道掘进机

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种通道表面图像采集装置及隧道掘进机。

背景技术

隧道掘进机施工速度块、施工影响区域小、施工环境相对安全，因而被广泛应用于隧道施工中。在施工过程中及时、有效、准确的获知通道表面的岩体信息对于施工人员的生命安全及施工效率至关重要。

发明人发现现有技术中对通道表面的图像采集均是待掘进机完全停止运转后再由人工手动采集，此种方式作业环境恶劣且效率低下，同时也难以得到精确的通道表面图像信息。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种通道表面图像采集装置及隧道掘进机，旨在解决施工通道表面的图像采集问题。

本申请第一方面的实施例提供一种通道表面图像采集装置，包括：壳体，设有开口；拍照单元，包括多个相机，相机通过开口拍摄通道表面的检测区域，拍照单元被配置为各相机的拍摄区相互拼接形成连续拍摄区；照明单元，用于照射检测区域以为相机提供照明的光源，照明单元的光源在检测区域上的照明区能覆盖连续拍摄区；承载支架，连接于壳体，承载支架用于安装相机及照明单元；信息采集器，连接于壳体，信息采集器用于采集相机相对检测区域的位置信息。

根据本申请第一方面的实施方式，开口覆盖多个相机的各自镜头面在开口所在平面上的正投影。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，多个相机沿一个方向呈行排列设置在承载支架。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，多个相机按照排序区分为：中心相机，中心相机的镜头面与开口所在平面平行；边缘相机，分布于中心相机的两侧，边缘相机的镜头面所在平面与中心相机的镜头面所在平面具有预设夹角。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，照明单元分布于多个相机排列的行。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，拍照单元两侧均分布有至少一个照明单元。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，开口处设有窗结构，窗结构具有开启状态和闭合状态。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，承载支架设有活动连接，能够将拍照单元从开口伸出。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，相机为线阵相机，光源为线型光源。

本申请第二方面的实施例还提供一种隧道掘进机，包括：刀盘，刀盘上设置有人孔；和如上述任一实施方式的通道表面图像采集装置，通道表面图像采集装置固定于刀盘的人孔，以采集通道表面图像信息。

本申请实施例提供的通道表面图像采集装置中，照明单元照射工作面的至少部分区域，为拍照单元提供照明，拍照单元的各相机通过开口获取待拍摄的工作面的光线，以实现清晰拍摄。该通道表面图像采集装置与刀盘一同旋转，拍照单元在旋转过程中对工作面持续拍摄和/或连续多次拍摄。在旋转过程中，信息采集器获取并记录每次拍摄时的拍摄姿态数据，因此，该通道表面图像采集装置能够得到每次拍摄所捕获的子图像以及该子图像所对应的拍摄姿态数据。拍照单元的各相机的拍摄区相互拼接形成连续拍摄区，该通道表面图像采集装置随刀盘旋转至少一周，这使连续拍摄区在旋转过程中能够覆盖整个工作面。根据各子图像所对应的拍摄姿态数据对至少部分子图像进行合并、拼接，能够得到完整的工作面图像。经由工作人员或机器对该工作面图像信息进行分析，得到地质信息。对有可能发生诸如岩爆、塌方、地下水泄露等不良地质事件给出预警提示，保障施工作业人员生命安全，提高施工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本申请实施例提供的一种通道表面图像采集装置的结构示意图；

图2是图1的通道表面图像采集装置的正视图；

图3是图1中设置有拍照单元与照明单元的承载支架的俯视图；

图4为图3的承载支架的正视图；

图5是图1的拍照单元拍摄视野示意图；

图6是图1的拍照单元的一种拍摄区域示意图；

图7是图1的拍照单元的另一种拍摄区域示意图；

图8是图1的拍照单元的又一种拍摄区域示意图；

图9是图1的拍照单元的再一种拍摄区域示意图；

图10是本申请另一实施例提供的一种通道表面图像采集装置的结构示意图；

图11是图10的窗结构处于闭合状态的示意图；

图12是图10的窗结构处于开启状态的示意图。

附图标记说明：

1、通道表面图像采集装置；

110、壳体；111、开口；112、窗结构；

120、拍照单元；121、中心相机；122、边缘相机；

130、照明单元；

140、承载支架；

150、信息采集器；

2、工作面；20、连续拍摄区；21、第一拍摄区；22、第二拍摄区；23、第三拍摄区。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特性的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在通道施工设备的施工过程中，通道施工设备在地下通道内行进，旋转的刀盘压向工作面2并将工作面2上的岩石击碎，如通道施工设备为掘进机时，装配于掘进机刀盘上的刀具挤压、剪切工作面2上的岩体并使其破碎，以此不断向前推进。在施工过程中，隧道表面的地质与发生岩爆、塌方的可能性密切相关，因此，及时、准确的掌握隧道表面的信息能够有效提高工作人员的安全并保证作业进度。发明人发现，由于在施工过程中施工通道表面不可视，通常需要工作人员待施工设备完全停止后，手动采集如掌子面等工作面2的图像并分析岩体信息，此种方式作业环境恶劣且效率低下，同时也难以得到较为精确的图像信息。

为了解决上述技术问题，提出本申请。为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合图1至图12对通道表面图像采集装置1及隧道掘进机进行详细描述。

请参阅图1，图1示出了本申请第一方面实施例提供的一种通道表面图像采集装置1的结构示意图。

如图1所示，在本申请实施例提供的通道表面图像采集装置1中，通道表面图像采集装置包括壳体110、拍照单元120、承载支架140及信息采集器150。壳体110设有开口111，拍照单元120包括多个相机，相机通过开口111拍摄通道表面的检测区域，拍照单元120被配置为各相机的拍摄区相互拼接形成连续拍摄区20。照明单元130用于照射检测区域以为相机提供照明的光源，照明单元130的光源在检测区域上的照明区能覆盖连续拍摄区20。承载支架140连接于壳体110，承载支架140用于安装相机及照明单元130。信息采集器150，连接于壳体110，信息采集器150用于采集相机相对检测区域的位置信息。

示例性的，本申请的检测区域可以是整个通道表面，也可以是通道表面的部分区域。本申请的通道表面例如可以是施工通道的周侧面，也可以是通道端面，可以是实际施工作业面，还可以是其他与施工质量相关的通道表面。本申请的施工设备例如可以是硬岩隧道掘进机、盾构隧道掘进机这类隧道掘进设备，也可以是勘探机、钻井机等其他以旋转方式进行通道钻探作业的施工设备。以下仅以硬岩隧道掘进机的施工过程中采集工作面2的图像信息为例进行描述，但并不限于此。

请参阅图2，图2示出了本申请第一方面实施例提供的一种通道表面图像采集装置1的正视图。

示例性的，如图2所示，信息采集器150例如可以包括距离传感器、位移传感器、角度传感器中的一者或多者组合，只要能获取相机相对检测区域的位置信息即可，在此不做限制。需要说明的是，相机相对检测区域的位置信息例如可以是相机的镜头面相对检测区域所在平面的距离、旋转拍摄时的相机相对初始位置的旋转角度、同一相机在相邻两次拍摄时自身的旋转角度等拍摄姿态数据。

可选的，信息采集器150还可以包括光线传感器，便于照明单元130调整照射于检测区域的光线强度，以达到较佳的拍摄效果。可选的，信息采集器150还可以包括重力传感器和/或陀螺仪，用于获取更精确的拍摄姿态数据。

可选的，信息采集器150还可以包括速度传感器和/或加速度传感器，用于检测通道表面图像采集装置1的转速，根据转速选择拍摄时刻，例如可以选择通道表面图像采集装置1处于接近匀速状态时进行拍摄，对各拍摄时刻的选取更容易，对子图像进行合并、拼接的算法实现更为简单。

可选的，信息采集器150设置于承载支架140，且与拍照单元120同一平面设置或接近同一平面设置。

本申请实施例提供的通道表面图像采集装置1例如可以设置于掘进机的刀盘处，刀盘与工作面2相对。照明单元130照射工作面2的至少部分区域，为拍照单元120提供照明，拍照单元120的各相机通过开口111获取待拍摄的工作面2的光线，以实现清晰拍摄。该通道表面图像采集装置1与刀盘一同旋转，拍照单元120在旋转过程中对工作面2持续拍摄和/或连续多次拍摄。在旋转过程中，信息采集器150获取并记录每次拍摄时的拍摄姿态数据，因此，该通道表面图像采集装置1能够得到每次拍摄所捕获的子图像以及该子图像所对应的拍摄姿态数据。拍照单元120的各相机的拍摄区相互拼接形成连续拍摄区20，该通道表面图像采集装置1随刀盘旋转至少一周，这使连续拍摄区20在旋转过程中能够覆盖整个工作面2。根据各子图像所对应的拍摄姿态数据对至少部分子图像进行合并、拼接，以生成完整的工作面2图像，相比通过纯人工拍照以获取图像的速度更快、更安全。在得到完整工作面2图像的基础上，经由工作人员或机器对该图像信息进行分析，得到地质信息，该地质信息例如可以是岩性信息、节理分布信息、渗流信息等。对有可能发生诸如岩爆、塌方、地下水泄露等不良地质事件给出预警提示，保障施工作业人员生命安全，提高施工效率。

在本申请的一些实施例中，通道表面图像采集装置1还包括处理器，该处理器与拍照单元120和信息采集器150电连接，处理器根据拍照单元120的各相机所拍摄的各子图像，以及信息采集器150所采集的拍摄姿态数据，对各子图像的至少部分子图像进行合并、拼接，以生成完整的工作面2图像。进一步的，该处理器根据工作面2图像进行分析，得到工作面2的地质信息，对有可能出现岩爆、塌方等不良地质事件给出预警提示。

可选的，通道表面图像采集装置1还包括存储器，存储器与处理器电连接，存储器用于存储过往的工作面2图像、新生成的工作面2图像，以及各工作面2图像所对应的位置信息，以形成工作面2图像信息库。处理器可以基于成组的工作面2图像进行分析，如基于隧道掘进机沿某一方向行进的多个工作面2的地质信息进行分析与预测，得到地质信息分布规律，对有可能出现岩爆、塌方等地质灾害给出预警提示，以减少施工作业风险。

可选的，通道表面图像采集装置1还包括通讯装置，该通讯装置与处理器电连接，具体的，通讯装置与处理器信号连接，通讯装置将各子图像信息和/或各子图像对应的位置信息发送至处理器，该处理器例如可以位于通道表面图像采集装置1的内部，也可以位于掘进机的中央控制室，还可以位于云端。

在本申请的一些实施例中，开口111覆盖多个相机的各自镜头面在开口111所在平面上的正投影。第一方面，避免出现对相机视野进行遮挡的情况，这增加了相机的可视范围。第二方面，各相机通过该开口111充分接收外界光线，减缓了拍摄光线不足等现象，以得到较好的成像质量，这里的外界光线例如可以是照明单元照射至工作面再由工作面反射的光线。

请参阅图3及图4，图3示出了本申请实施例提供的设置有拍照单元120与照明单元130的承载支架140的俯视图；图4示出了该承载支架140的主视图。

在本申请的一些实施例中，如图3和图4所示，多个相机沿一个方向呈行排列设置在承载支架140。由于多个相机呈行排列设置，因此在旋转拍摄前各相机的初始角度一致，而各相机的拍摄区拼接形成的连续拍摄区20近似条形区域，随着旋转拍摄的进行，该条形区域的至少部分区域可以相当于半径，因此该条形区域绕垂直于刀盘圆心的虚拟轴旋转，旋转后能覆盖整个圆形工作面2。在此设置方式下进行图像拼接，其算法实现较为简单，数据处理速度快。

可选的，多个相机的所在行与开口111所在平面平行。

在本申请的一些实施例中，请继续参阅图3及图4，多个相机按照排序区分为：中心相机121，中心相机121的镜头面与开口111所在平面平行；边缘相机122，分布于中心相机121的两侧，边缘相机122的镜头面所在平面与中心相机121的镜头面所在平面具有预设夹角。中心相机121的镜头面平行于开口111所在平面，此时相机视角正对开口111，镜头面的视野不被遮挡，大量外界光线穿过该开口111垂直射入镜头面，成像质量较高。又由于开口111所在平面与工作面2平行，则镜头面与待拍摄的工作面2平行，相机视角正对待拍摄的工作面2，拍摄效果更清晰。边缘相机122相对中心相机121倾斜设置，边缘相机122的镜头面与开口111所在平面呈倾斜设置，此时边缘相机122视角与开口111倾斜设置，不影响边缘相机122视野，边缘相机122视角穿过该开口111，能获得比开口111更大的视野。中心相机121与边缘相机122组合后拍摄视野不被遮挡，拍摄视角较大，各相机的拍摄区拼接后至少能覆盖一条由工作面2中心延伸至工作面2边界的连续拍摄区20。无需将各相机从开口111伸出即可完成拍摄，且不影响拍摄视野。

可选的，信息采集器150与中心相机121的镜头面两者同一平面设置或接近同一平面设置。

请参阅图5，图5示出了本申请第一方面实施例提供的一种通道表面图像采集装置1的拍照单元120的拍摄视野示意图。

示例性的，如图5所示，中心相机121在工作面2上的拍摄区为第一拍摄区21，位于中心相机121两侧的边缘相机122在工作面2上的拍摄区分别为第二拍摄区22和第三拍摄区23，三个拍摄区进行合并、拼接得到连续拍摄区20。

请依次参阅图6至图9，图6至9示出了几种拍摄区的分布情况。

需要说明的是，由各相机的拍摄区相互拼接而形成的连续拍摄区20，例如，如图6所示，连续拍摄区20可以是由各相机的拍摄区依次连接形成；如图7所示，连续拍摄区20也可以是由各相机的拍摄区至少部分拍摄区重合形成。该连续拍摄区20例如可以是拍照单元120的各相机处于静止状态时或处于动态拍摄状态的某一瞬间时，各相机的拍摄区所拼接而成的连续拍摄区20；也可以是拍照单元120的各相机处于动态拍摄时，各相机连续拍摄，各相机在多个时刻的多个拍摄区拼接而形成的连续拍摄区20。如图8至9所示，图8为拍照单元120处于旋转拍照过程的某一瞬时，第一拍摄区21、第二拍摄区22及第三拍摄区23的示意图，图9示出了各瞬间的拍摄区拼接后所形成的连续拍摄区20。以下仅以各相机的拍摄区依次连接形成连续拍摄区20为例进行描述，但不限于此。

可选的，边缘相机122包括位于中心相机121一侧的第一边缘相机，还包括位于中心相机121另一侧的第二边缘相机。可选的，第一边缘相机镜头面所在平面和中心相机121镜头面所在平面的倾角与第二边缘相机镜头面所在平面和中心相机121镜头面所在平面的倾角相反。具体的，第一边缘相机122与第二边缘相机122互为镜像设置。

中心相机121与边缘相机122的焦距可以相同也可以不同，例如可以根据相机镜头面至工作面2的距离确定相机焦距，这里的相机镜头面至工作面2的距离是指过镜头的光学中心作垂线并与工作面2相交，该交点与镜头面中心的距离。可选的，边缘相机122的焦距大于中心相机121。

中心相机121可以是一个也可以是多个，边缘相机122可以是两个也可以是两个以上。例如设置一个中心相机121，在中心相机121的两侧各有一个边缘相机122；或者设置多个中心相机121，在该多个中心相机121的两侧设置边缘相机122。

在本申请的一些实施例中，照明单元130分布于多个相机排列的行。便于机器或工作人员根据相机位置和作业环境，对照明单元130的位置、光源投射方向及光强进行适应性调整。照明单元130的光源在工作面2上的照明区能够充分覆盖连续拍摄区20，为拍照单元120提供照明。避免出现连续拍摄区20的部分区域无法被照明区覆盖，导致出现成像质量低、拍摄区域不完整、子图像信息不可用等缺陷。

在本申请的一些实施例中，拍照单元120两侧均分布有至少一个照明单元130。照明单元130能够分别从拍照单元120的两侧进行照明作业，使得照明区的光强更为均匀，为拍照单元120的拍摄提供均衡照明，缓解或避免连续拍摄区20出现局部过亮和/或局部过暗的情况，提高成像质量。

在本申请的一些实施例中，照明单元130包括中心照明单元和/或边缘照明单元，中心照明单元邻近中心相机121设置，边缘照明单元位于中心照明单元两侧，边缘照明单元与中心照明单元组合使用为拍摄提供足够且均匀的亮度。具体的，边缘照明单元相对中心相机121倾斜设置，位于中心相机121同一侧的边缘照明单元与边缘相机122二者相对中心相机121的倾斜方向相近或相同。

请参阅图10，图10示出了本申请实施例提供的另一种通道表面图像采集装置的结构示意图。

请一并参阅图11与图12，图11示出了图11的窗结构112的闭合状态；图12示出了图11的窗结构112的开启状态。

在本申请的一些实施例中，开口111处设有窗结构112，窗结构112具有开启状态和闭合状态。该窗结构112包括驱动装置，该驱动装置与处理器电连接，在准备拍摄前，处理器发送电信号至驱动装置，驱动装置驱动窗结构112开启，使窗结构112处于开启状态，之后进行拍摄；当拍摄结束后，处理器发送信号至驱动结构，驱动结构驱使窗结构112闭合，窗结构112处于闭合状态，能保护通道表面图像采集装置1不被外界碎石块、泥土破坏，提高装置使用寿命。

在本申请的一些实施例中，承载支架140设有活动连接，能够将拍照单元120从开口111伸出。在拍摄前，使窗结构112处于开启状态，活动连接带动拍照单元120自初始位置移动并从开口111伸出，之后拍照单元120进行拍摄；拍摄结束后，活动连接带动拍照单元120沿开口111退回至原位置，再将窗结构112闭合。该活动连接例如可以是伸缩结构、推拉式结构、连杆机构等。

在本申请的一些实施例中，相机为线阵相机，光源为线型光源。

在本申请的一些实施例中，通道图像采集装置还包括激光器，信息采集器150包括激光测距仪，激光器与激光测距仪电连接。该激光器第一方面为激光测距仪提供检测激光，第二方面提供用于照明的线型激光光源。

可选的，线阵相机为工业线阵相机。线型光源为高能激光线型光源，为阴暗无光的隧道作业环境中进行拍摄提供充足照明。

本申请实施例还提供了一种隧道掘进机，包括：刀盘，刀盘上设置有人孔；和如前的通道表面图像采集装置1，该通道表面图像采集装置1固定于刀盘的人孔，以采集通道表面图像信息。工作面2与刀盘相对，通道表面图像采集装置1与刀盘一同旋转，且在旋转过程中进行拍摄，该通道表面图像采集装置1至少旋转一周，以使各相机的拍摄区拼接后能覆盖整个工作面2。由于本申请第二方面的实施例的隧道掘进机包括上述的通道表面图像采集装置1，因此本申请第二方面的实施例的隧道掘进机具有上述通道表面图像采集装置1所具有的有益效果，在此不再赘述。

虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种通道表面图像采集装置，其特征在于，包括：

壳体，设有开口；

拍照单元，包括多个相机，所述相机通过所述开口拍摄通道表面的检测区域，所述拍照单元被配置为各所述相机的拍摄区相互拼接形成连续拍摄区；

照明单元，用于照射所述检测区域以为所述相机提供照明的光源，所述照明单元的所述光源在所述检测区域上的照明区能覆盖所述连续拍摄区；

承载支架，连接于所述壳体，所述承载支架用于安装所述相机及所述照明单元；

信息采集器，连接于所述壳体，所述信息采集器用于采集所述相机相对所述检测区域的位置信息。

2.根据权利要求1所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述开口覆盖所述多个相机的各自镜头面在所述开口所在平面上的正投影。

3.根据权利要求2所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述多个相机沿一个方向呈行排列设置在所述承载支架。

4.根据权利要求3所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述多个相机按照排序区分为：

中心相机，所述中心相机的镜头面与所述开口所在平面平行；

边缘相机，分布于所述中心相机的两侧，所述边缘相机的镜头面所在平面与所述中心相机的镜头面所在平面具有预设夹角。

5.根据权利要求3所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述照明单元分布于所述多个相机排列的所述行。

6.根据权利要求5所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述拍照单元两侧均分布有至少一个照明单元。

7.根据权利要求2所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述开口处设有窗结构，所述窗结构具有开启状态和闭合状态。

8.根据权利要求7所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述承载支架设有活动连接，能够将所述拍照单元从所述开口伸出。

9.根据权利要求1至8任一项所述的通道表面图像采集装置，其特征在于，所述相机为线阵相机，所述光源为线型光源。

10.一种隧道掘进机，其特征在于，包括：

刀盘，所述刀盘上设置有人孔；和

如权利要求1至9任一项所述的通道表面图像采集装置，所述通道表面图像采集装置固定于所述刀盘的所述人孔，以采集通道表面图像信息。

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