用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置及其识别方法与流程
本发明属于直线顶管或盾构机施工技术领域，特别涉及一种用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置及其识别方法。
背景技术：
由于直线顶管、盾构机等装置的施工特性，要求其要沿着已经规划好的隧道轴线方向进行掘进。为了让设备沿着既定方向掘进并控制导向系统的成本，各直线顶管、盾构机厂家采用激光照射靶面，然后用摄像头把靶面图像传输到监视器上,并依靠人眼观察激光在激光靶上的位置间接判断掘进机当前姿态这一原始设计方案。虽然该设计方案安装成本不高，但可视信息化程度低、无法进行数据保存，存在人工误差，无法高质量的保证掘进的精确度。为了保证设备直线掘进的精确度，市面上的公司虽然也有相关的产品设计，但其价格往往比较昂贵，不利于低价位顶管、盾构机的配备。
技术实现要素：
针对现有技术中的不足，本发明提供一种用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置及其识别方法，可以快速识别、捕获、定位激光光斑位置，可靠性高，广泛适用于市场上绝大多数直线顶管、盾构机设备等，有效提高掘进设备工作效率，最大限度缩短设备掘进时间。
按照本发明所提供的设计方案，一种用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，包含：图像采集模块，及提供电能的电源模块；所述的图像采集模块包含箱体，及设于箱体内的滤光成像单元、导向光斑采集单元、及数据处理单元；所述的滤光成像单元包含由箱体外部依次向内设置的滤光玻璃及光斑成像屏幕，所述的滤光玻璃及光斑成像屏幕均通过活动压板组件与密封箱体铰接；所述的导向光斑采集单元包含用于采集光斑成像屏幕上光斑图像的摄像机，所述的摄像机通过固定支撑与箱体固定；所述的数据处理单元包含测量箱体角度数据的倾角仪及用于对摄像机的光斑信号进行坐标转换的控制盒，倾角仪、控制盒均与监控室上位机相连接；电源模块设于箱体内部，为摄像机、倾角仪及控制盒提供能量。
上述的，所述的箱体包含后板面、底板面、上板面、左板面和右板面。
优选的，所述的后板面、底板面两者为通过底板钢板弯折的一体结构；所述的上板面、左板面和右板面三者为通过壳体钢板弯折的一体结构；所述的底板钢板、壳体钢板通过紧固件铰接并通过密封条密封。
优选的，所述的紧固件为固定螺栓和锁紧螺母；所述的密封条为橡胶密封条。
上述的，所述的活动压板组件包含连接支架、活动压板一和活动压板二；所述的连接支架与箱体铰接，活动压板一通过锁紧螺钉将滤光玻璃与连接支架一面固定，活动压板二通过锁紧螺钉将光斑成像屏幕与连接支架一面相对面固定。
上述的，活动压板一、滤光玻璃、连接支架、光斑成像屏幕、活动压板二之间的连接处还设置有密封减震条。
上述的，所述的固定支撑包含支架、支架压板；所述的支架与箱体铰接，支架支撑面上设置有用于安置摄像机的安装槽；支架压板将摄像机限位固定于安装槽内，支架压板通过螺栓与支架紧固。
优选的，所述的摄像机为工业高清摄像机；所述的箱体上还设置有用于与其他设备安装固定的吊耳，及用于穿过箱体与监控室上位机连接的数据信号线的线孔。
一种隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别方法，基于上述的激光光斑自动识别装置实现，包含如下步骤：
步骤1、预先设定导向光斑采集的时间周期；
步骤2、控制盒根据时间周期定期发送图片采集指令，摄像头根据图片采集指令采集光斑成像屏幕上的光斑图像，并将采集到的光斑图像传输至控制盒；
步骤3、控制盒根据接收到的光斑图像，计算激光亮斑坐标，并将计算结果发送至监控室上位机；
步骤4、上位机根据接收到的激光亮斑坐标及倾角仪传送的箱体角度数据进行存储显示。
上述的方法中，步骤3中的计算激光亮斑坐标，包含如下内容：
步骤31、根据接收到的光斑图像P1，获取光斑图像P1的长Plength、宽Pwidth像素值；
步骤32、将光斑图像P1灰度化，将图片中每一个像素点的像素值转化为0-255中的一个数值，得到灰度图片P2；
步骤33、将灰度图片P2二值化，将像素值低于像素阈值Pthreshold的像素点的像素值置为0；将像素值大于或等于像素阈值Pthreshold的像素点的像素值置为255，得到二值图片P3；
步骤34、水平方向由1~Plength，竖直方向由1~Pwidth遍历二值图片P3中的每个像素值为255的像素点，将水平与竖直方向上像素坐标最小和最大的四个像素点的坐标分别记录，其中，四个像素点及其对应的像素坐标表示为：水平方向上最小横坐标像素点及其坐标表示：Pw(Xw, Yw)，水平方向上最大横坐标像素点及其坐标表示：Pe(Xe, Ye)，竖直方向上最小纵坐标像素点及其坐标表示：Pn(Xn, Yn)，竖直方向上最大纵坐标像素点及其坐标表示：Ps(Xs, Ys)；
步骤35、计算亮斑中心像素点的坐标，亮斑中心像素点及其坐标表示为Pc(Xc, Yc)，其中， Xc =(Xn +Xs +Xw +Xe)/4，Yc =(Yn +Ys +Yw +Ye)/4；
步骤36、根据箱体中光斑成像屏幕的长Slength、宽Swidth，及光斑图像P1的长Plength、宽Pwidth，及亮斑中心像素点的坐标Pc(Xc, Yc)，根据公式计算光斑在激光靶中的实际坐标L(X,Y)，计算公式为：X=Xc *(Slength/Plength)，Y=Yc *(Swidth/Pwidth)。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，成本低，拆装容易，定期采集光斑成像屏幕上的光斑图像，并通过数据线将采集到的图片发送给控制盒；控制盒通过对图片进行图像处理、计算，将图片上的激光亮斑坐标传输给主控监控室内的上位机进行直观显示；倾角仪通过数据线将测量到的箱体俯仰角和倾角数据传输至监控室内的上位机，上位机根据接收到的数据进行直观显示；操作人员可根据屏幕显示信息及时了解掘进情况，提高掘进施工的精确性，实现掘进导向的自动化测量；对于市场上绝大多数直线顶管、盾构机等设备可以直接安装使用，系统可视化程度高，适用范围广；当有激光照射进本装置箱体内，整个装置将自动的为掘进设备操作司机实时、连续、精准地提供激光光斑位置信息和掘进设备的倾角、俯仰角信息，信息都永久化保存至数据库中，方便用户对历史数据进行查询、分析和研究；导向精确，可靠性高，使用方便，有效提高掘进设备工作者的工作效率，最大限度的缩短设备掘进时间测量结果准确，具有较强的实用性。
附图说明：
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的装置结构俯视示意图；
图3为本发明的装置结构后视示意图；
图4为本发明的方法流程图；
图5为控制盒的控制流程示意图。
具体实施方式：
图中标号，标号1代表底板钢板，标号2代表壳体钢板，标号3、12代表锁紧螺钉，标号4代表活动压板组件，标号5代表滤光玻璃，标号6代表连接支架，标号7代表光斑成像屏幕，标号8代表摄像机的支架，标号9代表摄像机，标号10代表支架压板，标号11代表螺栓，标号13代表吊耳，标号14、15代表紧固件，标号16代表倾角仪，标号17代表线孔，标号18代表电源模块，标号19代表控制盒。
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例，参见图1~4所示，一种用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，包含：图像采集模块，及提供电能的电源模块；所述的图像采集模块包含箱体，及设于箱体内的滤光成像单元、导向光斑采集单元、及数据处理单元；所述的滤光成像单元包含由箱体外部依次向内设置的滤光玻璃及光斑成像屏幕，所述的滤光玻璃及光斑成像屏幕均通过活动压板组件与密封箱体铰接；所述的导向光斑采集单元包含用于采集光斑成像屏幕上光斑图像的摄像机，所述的摄像机通过固定支撑与箱体固定；所述的数据处理单元包含测量箱体角度数据的倾角仪及用于对摄像机的光斑信号进行坐标转换的控制盒，倾角仪、控制盒均与监控室上位机相连接；电源模块设于箱体内部，箱体内部的电源模块为摄像机、倾角仪和控制盒的正常工作提供所需能量。滤光玻璃可以过滤掉现实环境中的自然光，为箱体内部提供相对理想的黑暗环境。光斑成像屏幕的主屏幕接收外界照进来的激光并在其屏幕上呈现激光的光斑。屏幕支架活动压板、屏幕主体支架以及螺栓为滤光呈像模块提供稳固的结构。当激光穿过滤光玻璃打在光斑成像屏幕的主屏幕上时，摄像头根据控制盒的指令采集主屏幕上的激光光斑图片，并通过数据线将采集到的图片发送给控制盒。控制盒通过对图片进行图像处理、计算，将图片上的激光亮斑坐标传输给设备主控室计算机上的激光箱体软件界面上显示。倾角仪通过数据线将测量到的箱体俯仰角和倾角数据传输给设备主控室计算机上的激光箱体控制软件，并在软件界面上显示箱体的俯仰角和倾角。
所述的箱体由后板面、底板面、上板面、左板面和右板面组成。
优选的，所述的后板面、底板面两者为通过底板钢板弯折的一体结构；所述的上板面、左板面和右板面三者为通过壳体钢板弯折的一体结构；所述的底板钢板、壳体钢板通过紧固件铰接并通过密封条密封，安装拆卸方便
优选的，所述的紧固件为固定螺栓和锁紧螺母；所述的密封条为橡胶密封条。
上述的，所述的活动压板组件包含连接支架、活动压板一和活动压板二；所述的连接支架与箱体铰接，活动压板一通过锁紧螺钉将滤光玻璃与连接支架一面固定，活动压板二通过锁紧螺钉将光斑成像屏幕与连接支架一面相对面固定。激光箱体由两部分组成：底板和壳体，底板有2个面，可由5mm厚的钢板弯折而成；壳体有3个面，可由2mm厚的钢板弯折而成。弯折结构保证箱体的钢性和稳定性，而且方便设备拆装；底板和壳体之间通过螺栓固定，并且二者交接的地方都沾有橡胶密封条来保证箱体的良好密封性，增强箱体的防尘防水能力。
上述的，活动压板一、滤光玻璃、连接支架、光斑成像屏幕、活动压板二之间的连接处还设置有密封减震条，进一步加强密封，并起到减震效果，有效保护设备中的部件，使用效果更好。
上述的，所述的固定支撑包含支架、支架压板；所述的支架与箱体铰接，支架支撑面上设置有用于安置摄像机的安装槽；支架压板将摄像机限位固定于安装槽内，支架压板通过螺栓与支架紧固。摄像头放在支架上的摄像头安装槽内进行卡固，支架压板通过螺栓固定在支架上，对摄像机进一步稳固。
优选的，所述的摄像机为工业高清摄像机；所述的箱体上还设置有用于与其他设备安装固定的吊耳，及用于穿过箱体与监控室上位机连接的数据信号线的线孔，方便与其他设备进行连接固定，使用效果好。
基于上述的激光光斑自动识别装置，一种隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别方法，包含如下步骤：
步骤1、预先设定导向光斑采集的时间周期；
步骤2、控制盒根据时间周期定期发送图片采集指令，摄像头根据图片采集指令采集光斑成像屏幕上的光斑图像，并将采集到的光斑图像传输至控制盒；
步骤3、控制盒根据接收到的光斑图像，计算激光亮斑坐标，并将计算结果发送至监控室上位机；
步骤4、上位机根据接收到的激光亮斑坐标及倾角仪传送的箱体角度数据进行存储显示。
控制盒每隔固定的时间会向摄像头发送一条采集图片的指令，摄像头将采集到的主屏幕激光光斑图片交由控制盒。控制盒进行处理、计算得到主屏幕中的激光亮斑坐标后，控制盒再将结果发送至设备主控室计算机的激光靶箱体软件上显示，计算激光亮斑坐标，包含如下内容：
步骤31、根据接收到的光斑图像P1，获取光斑图像P1的长Plength、宽Pwidth像素值；
步骤32、将光斑图像P1灰度化，将图片中每一个像素点的像素值转化为0-255中的一个数值，得到灰度图片P2；
步骤33、将灰度图片P2二值化，将像素值低于像素阈值Pthreshold的像素点的像素值置为0；将像素值大于或等于像素阈值Pthreshold的像素点的像素值置为255，得到二值图片P3；
步骤34、水平方向由1~Plength，竖直方向由1~Pwidth遍历二值图片P3中的每个像素值为255的像素点，将水平与竖直方向上像素坐标最小和最大的四个像素点的坐标分别记录，其中，四个像素点及其对应的像素坐标表示为：水平方向上最小横坐标像素点及其坐标表示：Pw(Xw, Yw)，水平方向上最大横坐标像素点及其坐标表示：Pe(Xe, Ye)，竖直方向上最小纵坐标像素点及其坐标表示：Pn(Xn, Yn)，竖直方向上最大纵坐标像素点及其坐标表示：Ps(Xs, Ys)；
步骤35、计算亮斑中心像素点的坐标，亮斑中心像素点及其坐标表示为Pc(Xc, Yc)，其中， Xc =(Xn +Xs +Xw +Xe)/4，Yc =(Yn +Ys +Yw +Ye)/4；
步骤36、根据箱体中光斑成像屏幕的长Slength、宽Swidth，及光斑图像P1的长Plength、宽Pwidth，及亮斑中心像素点的坐标Pc(Xc, Yc)，根据公式计算光斑在激光靶中的实际坐标L(X,Y)，计算公式为：X=Xc *(Slength/Plength)，Y=Yc *(Swidth/Pwidth)。
本发明装置结构简单，集成度高，拆装容易，密封性好，为系统的计算测量提供了良好的封闭环境，抗灰尘、水、自然光线等因素干扰；同时，方法的测量结果准确、可靠性高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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