大断面矩形顶管自动测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种大断面矩形顶管自动测量方法及装置，该装置包括：第一激光发射装置，用于发射激光束；激光接收装置，包括第一激光靶、电机、摄像机、第一测距传感器、以及倾斜仪；控制器，接收所述摄像机拍摄的图像信息、所述第一测距传感器发送的测距数据、所述倾斜仪发送的所述坡度角和所述滚角，所述控制器根据接收的图像信息、所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，与所述控制器内的初始参数进行计算，得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。采用激光发射装置结合图像处理实现低成本，自动测量装置具有高实时性以及高自动化，控制器内的算法可以保证系统精度，使得系统能够应用于曲线顶管，还具有操作简单实现方便的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隧道工程领域，尤指一种大断面矩形顶管自动测量方法及装置。
技术介绍
随着城市的开发和建设，顶管施工已经成为了市政工程建设中常用的一种施工工法，在顶管施工中的顶管导向系统尤为重要，导向系统用于测量顶管施工的方向，及时纠正偏差确保顶管施工的质量。现有的导向系统由人工导向过度到了自动导向，目前世界范围来讲通用性好、且成熟的导向系统，就是德国VMT公司开发的型号为SLS-RV的顶管导向系统。SLS-RV导向系统利用安装在移动的管节壁上的带隧道激光发射器自动全站仪发出的激光对顶管机的掘进提供稳定的基准，而自动全站仪的定位通过倾斜仪、参考棱镜和距离传感器实现，但由于顶管的施工工艺，因此对于长距离顶进的顶管施工必须定期校核，一般100m一次。该SLS-RV导向系统由于成本极高，所以影响了其使用的普及性。目前国内使用较多的顶管导向系统主要为激光测量装置，有以下两种方式：中国在先专利CN2601390Y公开了一种激光测量装置，如图1所示，主要由激光光源1、光靶2、测量环3、摄像机4、计算机5、倾斜仪6组成，光靶2设置在测量环3上，摄像机4朝光靶2方向设置，辅以适当的照明，倾斜仪6固定于微型顶管机机头中，其信号经过微型顶管机机头内PLC可编辑控制器送到控制台的计算机5，摄像机4的信号直接送到计算机5。控制台上能够监视光点的位置，使操作人员在控制台的监视器上通过监视光靶上的光点的位置，来确定机头的高程和平面的偏差，用纠偏操作来纠正机头的偏离，同时将光点位置信号送计算机5进行数字化处理，得到机头的高程和平面的偏差量，再根据掘进距离计算出偏离推进轴线的偏差值。激光光点的位置靠操作人员的肉眼观察，效率不高，不能实现计算机的自动识别，只能用于200米以内的直线顶管施工，通用性差。伊势机公司中小口径水平衡顶管机中所配备的RSG反射型方向诱导装置，如图2所示，也是一种应用激光技术的姿态测量装置，包括激光光源1、摄像机2、光靶二3、光靶一4、反射镜5、计算机6。它由两块光靶组成，光靶一显示的是实际偏差值，光靶二是反射光靶，激光透过光靶一射向前方的反射镜，然后反射到光靶二上，根据两点成直线的原理，RSG反射型方向诱导装置在得到实际偏差的同时也可以实时得到顶管机机头的水平方位角和俯仰角。该反射型方向诱导装置只能得到顶管机机头的水平方位角和俯仰角，不能得到顶管机相对于管线设计中心的实时偏差，也只能用于200米以内的直线顶管施工，通用性差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大断面矩形顶管自动测量方法及装置，解决现有导向系统成本高、效率低、不能自动识别、通用性差、以及不能实时测量偏差等问题。实现上述目的的技术方案是：本专利技术一种大断面矩形顶管自动测量方法，包括：于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶位和后靶位；调整所述激光束沿设定轴线照射于所述第一激光靶上，初始时，将所述第一激光发射装置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于所述后靶位处坐标信息、所述前靶位至所述第一激光发射装置的距离信息、所述前靶位至所述矩形顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述后靶位的距离信息、所述后靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信息输入到控制器内并存储为初始参数；矩形顶管掘进过程中，利用摄像机分别拍摄所述第一激光靶于所述前靶位和所述后靶位处的所述激光束图像，将拍摄的图像信息传送至所述控制器；通过设于所述第一激光靶下方的第一测距传感器，测量所述第一激光靶与所述第一激光发射装置之间的距离，并将测距数据传送至所述控制器；通过邻设于所述第一激光靶的倾斜仪测量所述第一激光靶的坡度角和滚角，并将测得的所述坡度角和所述滚角传送至所述控制器；所述控制器根据接收的图像信息分析处理得出当前所述激光束照射于所述前靶位处的坐标信息和所述后靶位处的坐标信息，结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，分别计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。采用激光发射装置结合图像处理实现低成本，自动测量方法具有高实时性以及高自动化，控制器内的算法可以保证系统精度，使得系统能够应用于曲线顶管，还具有操作简单实现方便的特点。解决了现有导向系统成本高、效率低、不能自动识别、通用性差、以及不能实时测量偏差等问题。本专利技术大断面矩形顶管自动测量方法的进一步改进在于，所述控制器对接收的图像信息分析处理包括图像桶形失真校正，所述图像桶形失真校正包括：利用所述摄像机拍摄标准米字格图像；标记单位点的坐标，同时标记米字格坐标系的中心点；将所有标记点包含的区域分成小块区，对每个小块区采用线性计算方法进行失真校正，得到校正后的坐标值；所述线性计算方法包括：提取所述小块区的中心点以及分布于所述米字格坐标系四个象限内与米字格坐标系的中心点最近的三个标记点，构成四边形区域；取所述小块区的中心点所在的对角线将所述四边形区域分成两个三角形区域；将三角形区域的三条边定义为第一边、第二边、以及第三边，对所述的第二边和第三边进行n等分，所述第二边的等分线与所述第三边的交点为第一点，所述第三边的等分线与所述第二边的交点为第二点，再将第一点与第二点之间的点分成k等份，每个等份上的像素与校正坐标系中的像素满足如下公式：x校正＝k×(x第二点-x第一点)/n+x第一点，y校正＝k×(y第二点-y第一点)/n+y第一点。本专利技术大断面矩形顶管自动测量方法的进一步改进在于，所述控制器对接收的图像信息分析处理还包括单阈值分割、形态学处理和中心坐标计算，所述单阈值分割包括：设定阈值，当所述图像信息中的像素值大于所述阈值时设为1，当所述图像信息中的像素值小于所述阈值时则设为0，进而得到二值图像；所述形态学处理包括：对所述二值图像进行形态学滤波，通过开运算和闭运算平滑所述二值图像中激光束形成的激光点的轮廓；所述中心坐标计算包括：统计经过所述形态学处理的图像信息中像素值为1的像素位置，进行统计平均得出所述激光束的中心位置的坐标信息。本专利技术一种大断面矩形顶管自动测量方法，包括：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，包括：于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶位和后靶位；调整所述激光束沿设定轴线照射于所述第一激光靶上，初始时，将所述第一激光发射装置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于所述后靶位处坐标信息、所述前靶位至所述第一激光发射装置的距离信息、所述前靶位至所述矩形顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述后靶位的距离信息、所述后靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信息输入到控制器内并存储为初始参数；矩形顶管掘进过程中，利用摄像机分别拍摄所述第一激光靶于所述前靶位和所述后靶位处的所述激光束图像，将拍摄的图像信息传送至所述控制器；通过设于所述第一激光靶下方的第一测距传感器，测量所述第一激光靶与所述第一激光发射装置之间的距离，并将测距数据传送至所述控制器；通过邻设于所述第一激光靶的倾斜仪测量所述第一激光靶的坡度角和滚角，并将测得的所述坡度角和所述滚角传送至所述控制器；所述控制器根据接收的图像信息分析处理得出当前所述激光束照射于所述前靶位处的坐标信息和所述后靶位处的坐标信息，结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，分别计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。...

【技术特征摘要】
1.一种大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，包括：
于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；
于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；
通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶
位和后靶位；
调整所述激光束沿设定轴线照射于所述第一激光靶上，初始时，将所
述第一激光发射装置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管
的后端面坐标信息、激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于
所述后靶位处坐标信息、所述前靶位至所述第一激光发射装置的距离信
息、所述前靶位至所述矩形顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述
后靶位的距离信息、所述后靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信息输入
到控制器内并存储为初始参数；
矩形顶管掘进过程中，利用摄像机分别拍摄所述第一激光靶于所述前
靶位和所述后靶位处的所述激光束图像，将拍摄的图像信息传送至所述控
制器；
通过设于所述第一激光靶下方的第一测距传感器，测量所述第一激光
靶与所述第一激光发射装置之间的距离，并将测距数据传送至所述控制
器；
通过邻设于所述第一激光靶的倾斜仪测量所述第一激光靶的坡度角
和滚角，并将测得的所述坡度角和所述滚角传送至所述控制器；
所述控制器根据接收的图像信息分析处理得出当前所述激光束照射
于所述前靶位处的坐标信息和所述后靶位处的坐标信息，结合接收的所述
测距数据、所述坡度角和所述滚角，分别计算得出当前所述矩形顶管的前
端面和后端面坐标信息，并与所述初始参数进行计算，分别得出所述矩形
顶管的前端面和后端面的偏差信息。
2.如权利要求1所述的大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，
所述控制器对接收的图像信息分析处理包括图像桶形失真校正，所述图像
桶形失真校正包括：
利用所述摄像机拍摄标准米字格图像；
标记单位点的坐标，同时标记米字格坐标系的中心点；
将所有标记点包含的区域分成小块区，对每个小块区采用线性计算方
法进行失真校正，得到校正后的坐标值；
所述线性计算方法包括：
提取所述小块区的中心点以及分布于所述米字格坐标系四个象限内
与米字格坐标系的中心点最近的三个标记点，构成四边形区域；
取所述小块区的中心点所在的对角线将所述四边形区域分成两个三
角形区域；
将三角形区域的三条边定义为第一边、第二边、以及第三边，对所述
的第二边和第三边进行n等分，所述第二边的等分线与所述第三边的交点
为第一点，所述第三边的等分线与所述第二边的交点为第二点，再将第一
点与第二点之间的点分成k等份，每个等份上的像素与校正坐标系中的像
素满足如下公式：x校正＝k×(x第二点-x第一点)/n+x第一点，y校正＝k×(y第二点-y
第一点)/n+y第一点。
3.如权利要求1或2所述的大断面矩形顶管自动测量方法，其特征
在于，所述控制器对接收的图像信息分析处理还包括单阈值分割、形态学
处理和中心坐标计算，
所述单阈值分割包括：设定阈值，当所述图像信息中的像素值大于所
述阈值时设为1，当所述图像信息中的像素值小于所述阈值时则设为0，
进而得到二值图像；
所述形态学处理包括：对所述二值图像进行形态学滤波，通过开运算
和闭运算平滑所述二值图像中激光束形成的激光点的轮廓；
所述中心坐标计算包括：统计经过所述形态学处理的图像信息中像素
值为1的像素位置，进行统计平均得出所述激光束的中心位置的坐标信
息。
4.一种大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，包括：
于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；
于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；
通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶
位和后靶位；
于所述第一激光靶和所述第一激光发射装置之间设置激光传递装置，
所述激光传递装置接力传递所述第一激光发射装置发射的激光束，发出与
所述第一激光发射装置同轴的激光束照射于所述第一激光靶；
沿设定轴线调整所述第一激光发射装置和所述激光传递装置发射的
激光束，初始时，将所述第一激光发射装置的坐标信息、所述激光传递装
置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、
激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于所述后靶位处坐标信
息、所述前靶位至所述激光传递装置的距离信息、所述前靶位至所述矩形
顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述后靶位的距离信息、所述后
靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，杨宏燕，陈刚，李刚，黄德中，黄于保，顾嫣，刘喜东，陈旭光，范杰，吕锦，张杰，张亮，
申请(专利权)人：上海隧道工程有限公司，上海隧道盾构工程有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31