地鐵盾構(gòu)混凝土管片的計(jì)算機(jī)非接觸視覺測(cè)量技術(shù)研究

陳躍英

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司， 天津 300350)

0 前言

地鐵盾構(gòu)混凝土管片是一種高精度的預(yù)制混凝土構(gòu)件，如果使用大型游標(biāo)卡尺測(cè)量管片寬度，或采用鋼卷尺測(cè)量弧長(zhǎng)，都無法滿足其高精度尺寸的要求，這些測(cè)量方式還存在不易操作、測(cè)量精度有偏差等缺點(diǎn)[1].視覺測(cè)量技術(shù)作為現(xiàn)代精密測(cè)試行業(yè)中最具前景的高新技術(shù)之一，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化制造生產(chǎn)中[2].視覺測(cè)量也可以作為一種新方法用做測(cè)量混凝土構(gòu)件尺寸，測(cè)評(píng)空間形狀誤差.本研究使用一種基于計(jì)算機(jī)視覺的非接觸測(cè)量方法對(duì)地鐵盾構(gòu)混凝土管片進(jìn)行測(cè)量,該方法使用簡(jiǎn)便、靈活、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng).

1 地鐵盾構(gòu)混凝土管片常規(guī)尺寸測(cè)量的不合理性

地鐵盾構(gòu)混凝土管片的形狀特征為空心圓柱體表面的一部分(見圖1)，單塊管片尺寸大小和要求精度為：寬度(W)一般為1 200 mm或1 500 mm，允許誤差±1.0 mm； 厚度(H)350 mm或300 mm，允許誤差±3.0 mm；弧長(zhǎng)因管片外徑和管片環(huán)內(nèi)分塊不一樣而異，如外徑(D)6 200 mm管片的標(biāo)準(zhǔn)塊，弧長(zhǎng)(L)為3 651 mm，允許誤差±1.0 mm(見圖2)，屬高精度混凝土預(yù)制構(gòu)件.

圖1 管片拼裝成的隧道

圖2 單塊管片(標(biāo)準(zhǔn)塊)

常規(guī)的尺寸測(cè)量是按如下方法進(jìn)行的：寬度(W)測(cè)量采用量程為1 500 mm或2 000 mm的大型游標(biāo)卡尺，分別用來測(cè)量寬度為1 200 mm和1 500 mm寬管片；弧長(zhǎng)(L)采用鋼卷尺測(cè)量；厚度(H)采用量程為500 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量.

除厚度(H)外，寬度(W)和弧長(zhǎng)(L)的測(cè)量都存在嚴(yán)重的不科學(xué)性.測(cè)量寬度時(shí)，測(cè)量人員需手持近10 kg的游標(biāo)卡尺進(jìn)行大尺度測(cè)量，極為不便.選點(diǎn)、貼緊、撥尺、讀數(shù)，有時(shí)顧此失彼，偶然誤差能超過0.5 mm，甚至接近允許誤差，這是不允許的；測(cè)量弧長(zhǎng)使用的是精度為0.5 mm的鋼卷尺，而弧長(zhǎng)允許誤差是±1.0 mm，測(cè)量器具本身精度不符合要求.另外鋼卷尺和管片外弧面密貼，而外弧面不夠平整，會(huì)引入超過1 mm的偶然誤差，測(cè)量誤差超過了被檢對(duì)象的尺寸精度要求，也是不科學(xué)的.

2 視覺檢測(cè)系統(tǒng)的組成和工作原理

圖3 視覺檢測(cè)系統(tǒng)的組成和工作原理

人們?yōu)榱丝焖贉y(cè)量物體的三維尺寸，將機(jī)器視覺系統(tǒng)引入工業(yè)生產(chǎn)線檢測(cè)中，全面地利用其電子圖像化處理、電子科技、光電傳導(dǎo)技術(shù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理的高科技特性，還有非接觸式、應(yīng)用范圍廣、精度高、易操作等優(yōu)點(diǎn).視覺測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)檢、特征識(shí)別、定位預(yù)測(cè)、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、視覺檢測(cè)和流水線產(chǎn)品探傷檢測(cè)等眾多領(lǐng)域[3].本研究所分析的視覺測(cè)量則可用于測(cè)量混凝土構(gòu)件尺寸、評(píng)判空間形狀和尺寸誤差.該測(cè)量方法可避免與管片構(gòu)件實(shí)際接觸，不僅方便快捷，而且清潔環(huán)保、精度高.該測(cè)量方法首先選擇合適測(cè)量點(diǎn)位，在測(cè)量點(diǎn)機(jī)械機(jī)架上面牢固地把攝像機(jī)架設(shè)妥當(dāng)；然后依據(jù)視覺測(cè)量原理精確調(diào)整測(cè)量控制系統(tǒng)，從而能夠保證實(shí)際測(cè)量目標(biāo)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)相集成對(duì)應(yīng)一致；最后，通過計(jì)算機(jī)視覺控制系統(tǒng)精調(diào)整各個(gè)機(jī)電組件以及視覺傳感器，通過多方位對(duì)同一個(gè)視覺測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行全方位立體式的精確測(cè)量，最終形成一個(gè)立體的全方位的切片形狀的智能化視覺測(cè)量系統(tǒng).在分割點(diǎn)及線的檢測(cè)完成后，將其與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)比較后最終就可以完成測(cè)量任務(wù)[2].

如圖3所示，視覺檢測(cè)系統(tǒng)包括20個(gè)視覺測(cè)頭(雙目立體視覺測(cè)頭)、2個(gè)定位傳感器、管片檢測(cè)臺(tái)、計(jì)算機(jī)圖像采集和電氣控制等組成部件.

在管片被送進(jìn)測(cè)試臺(tái)之后由定位傳感器進(jìn)行初步坐標(biāo)定位，然后由電氣系統(tǒng)操作調(diào)整混凝土零部件的坐標(biāo)位置，這就是測(cè)量系統(tǒng)的基本工作原理[4].通過視覺探測(cè)器對(duì)管片尺寸的測(cè)量進(jìn)行計(jì)算機(jī)非接觸精確測(cè)量.傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳感器整體上傳到系統(tǒng)，從而滿足實(shí)際空間坐標(biāo)系和攝像機(jī)平面坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換要求，從而快速、有效、精確地完成精測(cè)任務(wù).

為了達(dá)到測(cè)量準(zhǔn)確的目標(biāo)，首先要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行完全統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)由很多小標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)組成，標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的數(shù)量根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況而定，可以采用多個(gè)相機(jī)來完成混凝土管片的測(cè)量，測(cè)量過程：首先完成單個(gè)傳感器測(cè)量，其次把所有傳感器數(shù)據(jù)集成到同一個(gè)坐標(biāo)系當(dāng)中.

圖4 激光經(jīng)緯測(cè)角儀工作原理

2.1 標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系在該測(cè)量系統(tǒng)中，技術(shù)人員第一步要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行精度校準(zhǔn)，然后在特定區(qū)域上的點(diǎn)、面和線進(jìn)行測(cè)量的先決條件是建立一個(gè)視覺傳感器的空間坐標(biāo)系，再通過全局坐標(biāo)校準(zhǔn)來確定視覺傳感器空間的精確位置，另外，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系里也包括了所有自身坐標(biāo)系各不相同的等待測(cè)量物體.

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的設(shè)定，通常采用光學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量.實(shí)際測(cè)量工作中使用的測(cè)量?jī)x器是兩臺(tái)卓林科技激光經(jīng)緯測(cè)角儀(型號(hào)DT-02CL)，其工作原理如圖4所示[4].

該激光經(jīng)緯測(cè)角儀是高精尖的測(cè)角儀器，它的功能就是特定的垂直和水平角度可以在其自身坐標(biāo)系中得到測(cè)量，空間被測(cè)點(diǎn)P位于O1X1Y1Z1中相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)體系是(X1，Yl，Z1)，而位于O2X2Y2Z2當(dāng)中的相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)體系則是(X2，Y2，Z2)，通過經(jīng)緯儀可以精確測(cè)出P點(diǎn)的水平角以及垂直角是(α1β1,α2β2)，從而推算出：

(1)

(2)

演算兩個(gè)坐標(biāo)系間的換算

(3)

測(cè)量準(zhǔn)備階段，必須提前設(shè)定經(jīng)緯儀各項(xiàng)參數(shù)[5].測(cè)量過程中，可將3個(gè)公式相關(guān)聯(lián)，通過R(R必須是滿足條件的正交矩陣)和T推演出三維坐標(biāo)系中P點(diǎn)的位置.

2.2 坐標(biāo)系的統(tǒng)一在測(cè)量過程中，定位被測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)管片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可以使用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系為媒介，通過標(biāo)定每一個(gè)錄像機(jī)內(nèi)部和外部參數(shù)，在錄像機(jī)的坐標(biāo)系(CCS)中輸入測(cè)量點(diǎn)然后轉(zhuǎn)化到被測(cè)量點(diǎn)的盾構(gòu)管片坐標(biāo)，每一個(gè)錄像機(jī)的坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)化到每一個(gè)小標(biāo)定的坐標(biāo)，達(dá)到坐標(biāo)的統(tǒng)一效果.

3) 把傳感器的參數(shù)作為依據(jù)，通過攝像機(jī)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)總體測(cè)量坐標(biāo)系和傳感器模塊兩者的關(guān)系切換.

2.3 圖像處理圖像的最普遍特征就是大范圍存在于物體和其他單元之間，而邊緣則是三維場(chǎng)景里物體空間度量的基礎(chǔ).圖像的邊緣存在于目標(biāo)與各目標(biāo)區(qū)域之間，即目標(biāo)像素的灰度階躍變化或屋頂狀變化的匯集[6].圖像數(shù)據(jù)可提取，每個(gè)圖像之間不盡相同，紋理也不是完全的相同.在測(cè)量中可以發(fā)現(xiàn)圖像邊緣的基本特征，要向?qū)臻g信息進(jìn)行三維空間的解讀，這基礎(chǔ)就是從二維圖像信息中構(gòu)建三維信息.

在普遍是二維視覺檢測(cè)的時(shí)代，三維視覺檢測(cè)可靠性更高更強(qiáng).灰度分布是二維圖像信息的多種特征之一，相對(duì)彩色圖像而言是一種顏色分類，而該種灰度分布受光線照射、噪聲污染、錄像機(jī)架設(shè)，物體表面散射等多種因素的影響[7].因此其可靠性和精度也會(huì)在灰度分布中提取邊緣特征的時(shí)候出現(xiàn)有誤差情況.為了找到合適的解決方案，人們一直探索研究如何在算法中進(jìn)行高可靠性、高速度和高精度的邊緣提取，而這也是作為計(jì)算機(jī)視覺的基本組成部分.

因?yàn)橛辛酥車幕叶戎当挥米髋袛鄶?shù)據(jù)的補(bǔ)充使得邊緣定位趨于準(zhǔn)確.人們已經(jīng)可以根據(jù)快速發(fā)展的經(jīng)典算術(shù)和子變換級(jí)精度算法，借助經(jīng)典算法用于識(shí)別邊緣轉(zhuǎn)換級(jí)精度的位置，完成特征點(diǎn)與背景相分離可以計(jì)算出特征點(diǎn)圖像重心[8].為了將特征點(diǎn)從整幅圖像中提取出來，紋理區(qū)域的灰度等級(jí)具有一定特性，像素直方圖正是區(qū)分像素灰度等級(jí)的最高工具.利用直方圖本身就是向量的屬性，只需要設(shè)定視覺傳感器特征點(diǎn)為明亮線，在圖像直方圖中以雙灰度值峰圖為基準(zhǔn)，背景為均勻灰度，那么閥值就可選擇特征峰和背景峰之間的最低值即可完成提取.

3 精度驗(yàn)證

圖5 測(cè)量系統(tǒng)精度驗(yàn)證

通過測(cè)量如圖5所示標(biāo)準(zhǔn)物體來評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)精度.

視覺測(cè)量技術(shù)對(duì)管段的尺寸精度進(jìn)行檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)就是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可操作性強(qiáng).個(gè)人在此之前一直利用標(biāo)準(zhǔn)物體的測(cè)量數(shù)據(jù)來作為測(cè)量精度數(shù)值，傳感器的穩(wěn)定性和精度數(shù)據(jù)可以通過測(cè)量不同位置的高度來獲得，當(dāng)物體的高度H為25.10 mm時(shí)，尺寸精度為5 μm，如表1和表2所示.

表1 穩(wěn)定實(shí)驗(yàn) mm

從傳感器穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)和精度實(shí)驗(yàn)得知:傳感器系統(tǒng)的極限誤差和穩(wěn)定性分別為0.10 mm和0.05 m, 符合規(guī)范.

4 結(jié)論

本研究介紹一種基于計(jì)算機(jī)視覺的非接觸測(cè)量原理、測(cè)量過程和應(yīng)用效果的方法.該方法使用簡(jiǎn)便、靈活、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng)，傳感器系統(tǒng)的極限誤差和穩(wěn)定性分別為0.10 mm和0.05 m,完全符合測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)檢測(cè)過程耗時(shí)約3 min，可大幅度縮短檢測(cè)時(shí)間.