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)卡尺測量管片寬度，或采用鋼卷尺測量弧長，都無法滿足其高精度尺寸的要求，這些測量方式還存在不易操作、測量精度有偏差等缺點(diǎn)[1].視覺測量技術(shù)作為現(xiàn)代精密測試行業(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].視覺測量也可以作為一種新方法用做測量混凝土構(gòu)件尺寸，測評空間形狀誤差.本研究使用一種基于計算機(jī)視覺的非接觸測量方法對地鐵盾構(gòu)混凝土管片進(jìn)行測量,該方法使用簡便、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(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)的尺寸測量是按如下方法進(jìn)行的：寬度(W)測量采用量程為1 500 mm或2 000 mm的大型游標(biāo)卡尺，分別用來測量寬度為1 200 mm和1 500 mm寬管片；弧長(L)采用鋼卷尺測量；厚度(H)采用量程為500 mm的游標(biāo)卡尺測量.

除厚度(H)外，寬度(W)和弧長(L)的測量都存在嚴(yán)重的不科學(xué)性.測量寬度時，測量人員需手持近10 kg的游標(biāo)卡尺進(jìn)行大尺度測量，極為不便.選點(diǎn)、貼緊、撥尺、讀數(shù)，有時顧此失彼，偶然誤差能超過0.5 mm，甚至接近允許誤差，這是不允許的；測量弧長使用的是精度為0.5 mm的鋼卷尺，而弧長允許誤差是±1.0 mm，測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，會引入超過1 mm的偶然誤差，測量誤差超過了被檢對象的尺寸精度要求，也是不科學(xué)的.

2 視覺檢測系統(tǒng)的組成和工作原理

圖3 視覺檢測系統(tǒng)的組成和工作原理

人們?yōu)榱丝焖贉y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).視覺測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)檢、特征識別、定位預(yù)測、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、視覺檢測和流水線產(chǎn)品探傷檢測等眾多領(lǐng)域[3].本研究所分析的視覺測量則可用于測量混凝土構(gòu)件尺寸、評判空間形狀和尺寸誤差.該測量方法可避免與管片構(gòu)件實際接觸，不僅方便快捷，而且清潔環(huán)保、精度高.該測量方法首先選擇合適測量點(diǎn)位，在測量點(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)視覺測量原理精確調(diào)整測量控制系統(tǒng)，從而能夠保證實際測量目標(biāo)系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)相集成對應(yīng)一致；最后，通過計算機(jī)視覺控制系統(tǒng)精調(diào)整各個機(jī)電組件以及視覺傳感器，通過多方位對同一個視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行全方位立體式的精確測量，最終形成一個立體的全方位的切片形狀的智能化視覺測量系統(tǒng).在分割點(diǎn)及線的檢測完成后，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量任務(wù)[2].

如圖3所示，視覺檢測系統(tǒng)包括20個視覺測頭(雙目立體視覺測頭)、2個定位傳感器、管片檢測臺、計算機(jī)圖像采集和電氣控制等組成部件.

在管片被送進(jìn)測試臺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，這就是測量系統(tǒng)的基本工作原理[4].通過視覺探測器對管片尺寸的測量進(jìn)行計算機(jī)非接觸精確測量.傳感器的測量數(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、精確地完成精測任務(wù).

為了達(dá)到測量準(zhǔn)確的目標(biāo)，首先要對坐標(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)實際測量情況而定，可以采用多個相機(jī)來完成混凝土管片的測量，測量過程：首先完成單個傳感器測量，其次把所有傳感器數(shù)據(jù)集成到同一個坐標(biāo)系當(dāng)中.

圖4 激光經(jīng)緯測角儀工作原理

2.1 標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系在該測量系統(tǒng)中，技術(shù)人員第一步要對坐標(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)行測量的先決條件是建立一個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量物體.

對于標(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)行測量.實際測量工作中使用的測量儀器是兩臺卓林科技激光經(jīng)緯測角儀(型號DT-02CL)，其工作原理如圖4所示[4].

該激光經(jīng)緯測角儀是高精尖的測角儀器，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)系中得到測量，空間被測點(diǎn)P位于O1X1Y1Z1中相對應(yīng)的坐標(biāo)體系是(X1，Yl，Z1)，而位于O2X2Y2Z2當(dāng)中的相對應(yīng)的坐標(biāo)體系則是(X2，Y2，Z2)，通過經(jīng)緯儀可以精確測出P點(diǎn)的水平角以及垂直角是(α1β1,α2β2)，從而推算出：

(1)

(2)

演算兩個坐標(biāo)系間的換算

(3)

測量準(zhǔn)備階段，必須提前設(shè)定經(jīng)緯儀各項參數(shù)[5].測量過程中，可將3個公式相關(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)一在測量過程中，定位被測點(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)中輸入測量點(diǎn)然后轉(zhuǎn)化到被測量點(diǎn)的盾構(gòu)管片坐標(biāo)，每一個錄像機(jī)的坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)化到每一個小標(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，實現(xiàn)總體測量坐標(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，每個圖像之間不盡相同，紋理也不是完全的相同.在測量中可以發(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的時代，三維視覺檢測可靠性更高更強(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在灰度分布中提取邊緣特征的時候出現(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，而這也是作為計算機(jī)視覺的基本組成部分.

因為有了周圍的灰度值被用作判斷數(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)和子變換級精度算法，借助經(jīng)典算法用于識別邊緣轉(zhuǎn)換級精度的位置，完成特征點(diǎn)與背景相分離可以計算出特征點(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)域的灰度等級具有一定特性，像素直方圖正是區(qū)分像素灰度等級的最高工具.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 精度驗證

圖5 測量系統(tǒng)精度驗證

通過測量如圖5所示標(biāo)準(zhǔn)物體來評價測量系統(tǒng)精度.

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

表1 穩(wěn)定實驗 mm

從傳感器穩(wěn)定實驗和精度實驗得知: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算機(jī)視覺的非接觸測量原理、測量過程和應(yīng)用效果的方法.該方法使用簡便、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,完全符合測量精度標(biāo)準(zhǔn)，整個檢測過程耗時約3 min，可大幅度縮短檢測時間.