基于平行线激光的盾尾间隙视觉测量算法研究_陈健.pdf

电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 49Computer Engineering计算机工程本文以提高测量精度为目的，提出一种基于平行线激光图像处理的盾尾间隙测量算法。该方法以平行线激光为基准，在测量时进行动态标定，充分利用盾尾间隙空间结构的特点，利用点线共面原理拟合盾尾模型，计算盾尾间隙。搭建测量实验平台进行验证，在进行多次测量后，实验结果验证了该测量算法的可行性，为盾构机掘进过程中的盾尾间隙测量提供参考。1 点线共面测量原理盾尾间隙测量算法以图像处理技术为基础，图片以两道平行线激光显示盾尾间隙特征，图像处理算法进行动态标定及特征提取，并且计算出测量点的盾尾间隙大小，实现非接触式盾尾间隙测量。如图1，为盾尾间隙原始图，亮处为激光线。相机拍摄盾尾间隙模拟图如图2。如图2所示，激光线，激光线为两道平行线激光在管片上的投影，激光线与之间的实际距离l是在硬件安装时确定，同一设备l大小固定不变。再通过算法计算图像中激光线与像素距离lx。此时进行动态标定，建立此图像实际距离与像作者简介：陈健，广东工业大学机电工程学院，教授，博士；研究方向：物联网、机电液控制技术。收稿日期：2022-08-26；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述一种基于平行线激光的盾构机盾尾间隙测量算法。对盾构机盾尾间隙空间结构进行分析，采用两道平行线激光显示间隙特征并进行动态标定，利用数字图像处理技术、计算机视觉软件库OpenCV对盾尾间隙特征提取，通过模拟管片与盾尾的位置关系实现盾尾间隙的测量。关键词：数字图像处理技术，盾尾间隙，平行线激光，OpenCV软件，动态标定。中图分类号：TP399，H89文章编号：1000-0755(2023)05-0049-03文献引用格式：陈健，王恒岩，孙木.基于平行线激光的盾尾间隙视觉测量算法研究J.电子技术,2023,52(05):49-51.基于平行线激光的盾尾间隙视觉测量算法研究陈健，王恒岩，孙木（广东工业大学 机电工程学院，广东 510006）Abstract This paper expounds a shield tail clearance measurement algorithm based on parallel line laser.The spatial structure of tail clearance of shield machine is analyzed.Two parallel lines of laser are used to display clearance features and carry out dynamic calibration.Digital image processing technology and computer vision software library OpenCV are used to extract clearance features of tail clearance.Index Terms digital image processing technology,shield tail clearance,parallel line laser,OpenCV software,dynamic calibration.Study on Visual Measurement Algorithm of Shield Tail Clearance Based on Parallel Line LaserCHEN Jian,WANG Henyan,SUN Mu（School of Electromechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangdong 510006,China.)0 引言盾尾间隙指的是管片外壁与盾尾内壁之间的空间，盾尾间隙值是在盾构机工作过程中需要精确测量和实时监控的技术参数。若间隙值过小，会造成盾构机掘进过程中盾尾与管片发生碰撞，降低盾构掘进速度，甚至会导致盾构机盾尾密封系统的破坏而毁坏盾构机1-4。目前国内盾尾间隙测量依然使用人工手动测量为主。此种方法简单高效，但精度差，实时性差，数据滞后。国外现有较成熟的盾尾间隙测量系统有德国VMT公司的SLuM自动盾尾间隙测量系统5，应用于大直径隧道掘进机。路亚缇6提出一种基于Labview平台的视觉间隙测量方法，该方法对盾尾图像进行边缘检测，使用二维卷积和傅立叶变换得到测量结果，准确性高，但是对环境要求较高，如遇到油脂等干扰会产生较大的误差。陈健7利用激光标记盾尾间隙并通过工业相机提取，使用传统图像方法实现盾尾间隙自动测量，该方法并未充分利用盾尾间隙空间结构且标定方法不够高效。50 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Computer Engineering计算机工程素距离的比例关系，即计算出此图像中1 pixel代表实际距离 k mm，设A(xA,yA)，A(xA,yA)，（1）根据线激光器的成像原理8,9与平面相交定，一字线激光器照射到两个相交平面上时，有且只有一个交点，该交点位于两平面的交线上，推出激光线与上必有交点CD位于管片平面上，那么ABCD四点共面，AB圆弧与CD圆弧之间的间隙为盾尾间隙。已知管片实际半径为m，盾尾半径为n，通过实际与图像的比例关系得到在此图像上管片半径像素距离mx,盾尾半径像素距离nx，将AB点坐标和mx代入圆的平面方程拟合出管片圆弧，同理拟合出盾尾圆弧，如式（2）所示。（2）此时将激光线，之间任意横坐标代入圆弧，得到纵坐标的差值即为此处的盾尾间隙测量值 dx，盾尾间隙实际大小，如式（3）所示。（3）2 测量算法实现求管片激光线边缘点A,B坐标，动态标定。（1）图片预处理，提取激光线骨架。本文使用基于Hessian矩阵的边缘检测方法提取激光线骨架。Hessian矩阵实际上就是多变量情况下的函数的二阶导数，描述了图中各个方向灰度梯度的变化，使用Hession算子提取激光线骨架具有较好的完整性和连贯性。（2）提取管片激光线，。管片激光线为竖直激光线，先对图像进行自适应二值化操作，自定义腐蚀与膨胀算子，再进行开运算提取出管片竖直激光，。（3）计算A,B坐标。将步骤（2）的结果作为Shi-Tomasi角点检测的输入图像，执行角点检测，再使用亚像素角点检测对已经得到的角点做进一步的优化，使角点的精度达到亚像素级别。角点检测结果画在原始图，如图3。得到A，B两点坐标，由式（1）可以得到像元大小。求盾尾内壁特征点C,D坐标。正确的C,D点位于激光线，上，且位于管片平面上。假设管片与盾尾之间无缝隙，可以得到盾尾内壁特征点C,D有以下两个性质：（1）C,D两点在同一高度即纵坐标相同；（2）C,D两点之间距离等于平行线激光之间的距离。根据以上性质，可以得出计算C,D坐标方法，具体步骤如下：（1）提取激光线，获取其直线方程。设置感兴趣区域ROI1，ROI2，如图4所示。通过测量算法得到的A点，B点坐标可以将图设置出两个感兴趣区域。对ROI1，ROI2进行霍夫直线检测可以得到激光线与的斜率和其上一点。（2）循环截取，获得C，D点坐标。从图像最下方即最大的纵坐标开始，减小纵坐标，计算每个纵坐标在激光线，激光线上对应的横坐标。当两点横坐标的差值与平行线激光之间的距离相当接近或相等时说明此时的两点为CD两点。计算盾尾间隙。至此得到管片边缘点AB坐标，盾尾特征点CD坐标。根据测量原理，将两点以及半径代入式（2），拟合出管片圆弧与盾尾圆弧。如图5，为盾尾间隙拟合图。此时可计算出激光线，之间任意一点间隙距离。选择两激光线之间任意横坐标xm，将xm代入到两圆方程解出对应的纵坐标y1，y2，此处像素距 dx=|y1-y2|，那么此处盾尾间隙实际距离：d=dxk。3 实验结果与分析盾构机盾尾间隙测量算法实验装置由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括图像采集模块，中图1 盾尾间隙原始图 图2盾尾间隙模拟图图3 角点检测结果图图4 感兴趣区图5 盾尾间隙拟合图电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 51Computer Engineering计算机工程继模块，以及PC组成。其中，图像采集模块包括一字线激光器、工业相机、镜头、激光器支架等。中继模块由数字开关控制模块、工业交换机组成。3.1 实验平台搭建以直径6m的全断面硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）为原型搭建盾尾间隙测量系统实验平台。直径6m的TBM所使用的管片半径为3 m，盾尾半径为3.035m，使用3D打印技术，打印出盾尾间隙模型，如图6。3.2 实验结果与讨论验证实验时，调整上图中L的距离，从为1 300 mm开始，每次增加40mm直至1 800mm，其间随意调整盾尾间隙d的大小，采集盒中的相机获取图像，传入计算机中调用算法，得出盾尾间隙值。以钢尺测量激光线，中间处的值为真实值进行对照，实验结果如表1。从表1中可得，精度方面，所有的钢尺测量值与算法测量值之间的误差均在2mm以内，该算法测量值精度控制在2mm，且稳定性良好，满足实际测量精度与测量稳定性要求。4 结语在盾构机掘进过程中，管片的选择依赖于盾尾间隙的准确测量。本文盾尾间隙测量算法采用两道平行线激光作为动态标定基准，运用图像处理的方法提取激光特征点，通过拟合管片圆弧与盾尾圆弧，从而计算出盾尾间隙的测量值。以直径6m的TBM为原型搭建实验平台，组装实验装置，验证测量算法精确度。结果表明：运用以上盾尾间隙测量方法，可以较为精确地测出盾尾间隙值，误差控制在2mm，动态标定效果良好，测量结果稳定。该测量方法为实现盾构机盾尾间隙自动化测量提供了参考。参考文献1 魏林春.盾尾钢丝刷受力性能模拟试验研究J.隧道建设(中英文),2021,41(02):206-211.2 刘成,管会生,谢友慧,宋颖鹏.盾构掘进姿态和纠偏曲线研究J.现代隧道技术,2019,56(04):105-112+126.3 陈驰,杨平.高水压大直径过江隧道盾尾渗漏防治研究J.林业工程学报,2021,6(01):155-162.4 张立彬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D.河北:石家庄铁道大学,20135 SLuM 自动盾尾间隙测量系统EB/OL.(2012).http:/www.vmt- u t o m a t i c-t a i l s k i n-c l e a r a n c e-measurement-system-slum.html.6 路亚缇,李光.基于超声波测距技术的盾构盾尾间隙测量系统研制J.隧道建设(中英文),2019,39(S2):135-140.7 陈健,刘尚玮,李文翔,刘飞香,郑大桥.盾构机盾尾间隙的激光视觉测量系统设计J.机床与液压,2021,49(19):77-80.8 Feng L,Zhen W S,Xiang C H,etal,A laser imaging method for machine vision detection of white contaminants in cottonJ.Textile Research Journal,2014,84(18):1987-1994.9 Li J C,Jorg P.Investigating line-versus point-laser excitation for three-dimensional fluorescence imaging and tomography employing a trimodal imaging systemJ.Journal of Biomedical Optics,2013,18(6):066015-066015.图6 盾尾间隙实验平台表1 盾尾间隙测量结果