本發(fā)明屬于隧道施工監(jiān)測(cè)，具體涉及一種基于機(jī)器視覺(jué)的隧道施工變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前隧道傳統(tǒng)人工變形監(jiān)測(cè)方法普遍存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、效率低和自動(dòng)化程度低等弊端，難以滿足隧道工程監(jiān)測(cè)需求。而全站儀機(jī)器人、分布式光纖傳感技術(shù)采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，具有監(jiān)測(cè)效率、精度較高，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離快速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴、設(shè)備易損壞，需要專業(yè)維護(hù)。目前已有機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用到隧道變形監(jiān)測(cè)當(dāng)中，但是隧道施工環(huán)境中多塵、潮濕、飛石和震動(dòng)等因素對(duì)機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性有很大影響。當(dāng)前應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)的機(jī)器視覺(jué)設(shè)備往往是采取簡(jiǎn)單的連接方式與隧道壁進(jìn)行固定連接，沒(méi)有任何保護(hù)措施或者保護(hù)措施不完善，造成設(shè)備本身易損壞，并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可靠，使得無(wú)法準(zhǔn)確做出隧道變形安全預(yù)警。而且監(jiān)測(cè)靶標(biāo)通常為無(wú)源靶標(biāo)，需要額外光照補(bǔ)償，增加了供電線路。同時(shí)還缺乏安全警報(bào)系統(tǒng)及用戶平臺(tái)，當(dāng)隧道出現(xiàn)異常變形，工作人員無(wú)法立即獲知，存在極大安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于機(jī)器視覺(jué)的隧道施工變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，能夠避免隧道潮濕、多塵等對(duì)設(shè)備的損害，有效解決了震動(dòng)干擾對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響；采用機(jī)器視覺(jué)相機(jī)布設(shè)靶標(biāo)，監(jiān)測(cè)靶標(biāo)為有源燈光靶標(biāo)并且可拆卸，可降低監(jiān)測(cè)成本；安全警報(bào)器可將隧道異常變形立即通知現(xiàn)場(chǎng)工作人員和用戶，以便及時(shí)采取防護(hù)措施，避免安全事故發(fā)生。

2、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種基于機(jī)器視覺(jué)的隧道施工變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：

3、機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)，設(shè)置于隧道地面中央，用于確定隧道斷面各監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的安裝位置；

4、防護(hù)裝置，設(shè)置于隧道內(nèi)壁上，用于對(duì)機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)進(jìn)行防護(hù)；

5、機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)，設(shè)置于防護(hù)裝置的內(nèi)部，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的清晰圖像數(shù)據(jù)，并上傳至數(shù)據(jù)接收平臺(tái)；

6、監(jiān)測(cè)靶標(biāo)，設(shè)置于隧道內(nèi)壁上，用于對(duì)隧道的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

7、數(shù)據(jù)接收平臺(tái)，用于對(duì)接收到的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的清晰圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的異常數(shù)據(jù)發(fā)送至安全警報(bào)器，并發(fā)出報(bào)警指令；

8、安全警報(bào)器，設(shè)置于隧道內(nèi)壁上，用于接收?qǐng)?bào)警指令，并將異常數(shù)據(jù)以聲、光形式發(fā)出通知；

9、供電設(shè)備，用于為機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)進(jìn)行供電。

10、優(yōu)選的，所述防護(hù)裝置包括防護(hù)外殼、減震裝置和相機(jī)托板，相機(jī)托板和減震裝置均設(shè)置于防護(hù)外殼的內(nèi)部，且相機(jī)托板通過(guò)減震裝置與防護(hù)外殼的內(nèi)壁連接，機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)放置于相機(jī)托板上。

11、優(yōu)選的，所述減震裝置包括第二減震機(jī)構(gòu)、第三減震機(jī)構(gòu)和兩個(gè)第一減震機(jī)構(gòu)，兩個(gè)所述第一減震機(jī)構(gòu)分別對(duì)稱設(shè)置于相機(jī)托板的左側(cè)和右側(cè)，且每個(gè)所述第一減震機(jī)構(gòu)的一端與相機(jī)托板上設(shè)置的第二限位凹槽連接，另一端與防護(hù)外殼的內(nèi)壁連接；

12、所述第二減震機(jī)構(gòu)的一端與相機(jī)托板后側(cè)面上設(shè)置的第二限位凹槽連接，另一端與防護(hù)外殼后側(cè)面的內(nèi)壁連接，第三減震機(jī)構(gòu)的一端與相機(jī)托板的底部連接，另一端與防護(hù)外殼底部?jī)?nèi)壁連接；

13、所述第一減震機(jī)構(gòu)和第二減震機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同。

14、優(yōu)選的，所述第一減震機(jī)構(gòu)包括多個(gè)平行間隔設(shè)置的減震單元，每個(gè)減震單元的一端與第二限位凹槽連接，另一端與防護(hù)外殼的內(nèi)壁連接；

15、每個(gè)減震單元包含第一彈簧阻尼器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和t型板，第一彈簧阻尼器的一端與第二限位凹槽連接，另一端與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)t型板與防護(hù)外殼的內(nèi)壁連接；

16、所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括夾板、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)第一固定板和兩個(gè)第一固定螺母，夾板包含u型結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)板和兩個(gè)卡板，滑動(dòng)板的一端與第一彈簧阻尼器連接，另一端與t型板的翼緣端滑動(dòng)連接，兩個(gè)卡板分別對(duì)稱設(shè)置于t型板翼緣端靠近防護(hù)外殼內(nèi)壁的側(cè)面上，且兩個(gè)卡板分別通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸與滑動(dòng)板的兩端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，兩個(gè)第一固定板分別垂直對(duì)稱設(shè)置于t型板的腹板上相對(duì)的兩側(cè)面上，第一固定板和同側(cè)的卡板通過(guò)第一固定螺母固定。

17、優(yōu)選的，所述第三減震機(jī)構(gòu)包含稱重臺(tái)、底座、多個(gè)第二限位板、多個(gè)恢復(fù)彈簧、多個(gè)第四限位凹槽和多個(gè)電子阻尼器，稱重臺(tái)設(shè)置于第三限位凹槽的內(nèi)部，多個(gè)第四限位凹槽分別開設(shè)于稱重臺(tái)的底部，多個(gè)第二限位板分別內(nèi)嵌于對(duì)應(yīng)的多個(gè)第四限位凹槽的內(nèi)部，底座內(nèi)嵌于防護(hù)外殼底部?jī)?nèi)壁上；

18、多個(gè)所述電子阻尼器設(shè)置于多個(gè)第二限位板與底座之間，且每個(gè)電子阻尼器的底端均與底座連接，多個(gè)恢復(fù)彈簧分別設(shè)置于對(duì)應(yīng)的電子阻尼器上，且每個(gè)恢復(fù)彈簧的一端與對(duì)應(yīng)的電子阻尼器連接，另一端與恢復(fù)彈簧上方對(duì)應(yīng)的第二限位板連接，底端與底座連接，稱重臺(tái)的內(nèi)部設(shè)置有重力傳感器，底座上設(shè)置有阻尼控制器，重力傳感器和多個(gè)電子阻尼器均與阻尼控制器電性連接。

19、優(yōu)選的，本發(fā)明提供的基于機(jī)器視覺(jué)的隧道施工變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括用于對(duì)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)進(jìn)行固定的靶標(biāo)固定裝置，靶標(biāo)固定裝置包括靶標(biāo)安裝殼和限位錐管，限位錐管上設(shè)置有豁口，靶標(biāo)安裝殼的頂部開設(shè)有錐口，錐口的底部貫穿靶標(biāo)安裝殼的底面，限位錐管位于錐口內(nèi)；

20、鋼筋預(yù)埋件貫穿限位錐管和靶標(biāo)安裝殼，且鋼筋預(yù)埋件通過(guò)緊固螺母與靶標(biāo)安裝殼連接，監(jiān)測(cè)靶標(biāo)設(shè)置于靶標(biāo)安裝殼的表面，靶標(biāo)安裝殼的內(nèi)部設(shè)置有電源和led燈。

21、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種上述的基于機(jī)器視覺(jué)的隧道施工變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

22、步驟1、在任一斷面s1的左側(cè)上的鋼筋預(yù)埋件、頂部上的鋼筋預(yù)埋件和右側(cè)上的鋼筋預(yù)埋件上分別安裝監(jiān)測(cè)靶標(biāo)，并對(duì)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)編號(hào)，記作1、2、……、m、m+1，確定各監(jiān)測(cè)靶標(biāo)中心與混凝土層表面之間的距離a；

23、步驟2、架設(shè)機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)，開啟紅外燈光補(bǔ)償，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)上的激光發(fā)射器確定斷面s2上的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)、斷面s3上的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)、……、斷面sn上的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的安裝位置，根據(jù)安裝位置安裝監(jiān)測(cè)靶標(biāo)并編號(hào)，記作1、2、……、m、m+1；

24、步驟3、步驟1中的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)和步驟2中的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)安裝完成后，收起機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)，在隧道內(nèi)壁安裝防護(hù)裝置和機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)，開啟機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)和靶標(biāo)安裝殼內(nèi)部的led燈，調(diào)整機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)監(jiān)測(cè)范圍；

25、步驟4、調(diào)整機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)的曝光參數(shù)，對(duì)所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的成像質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，接著機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)捕捉所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)，并上傳數(shù)據(jù)至接收平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)設(shè)置靶標(biāo)信息；

26、步驟5、根據(jù)監(jiān)測(cè)需要設(shè)定拍照間隔，機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)拍攝所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)圖像，并將所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)位置的變形數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)接收平臺(tái)；

27、步驟6、在數(shù)據(jù)接收平臺(tái)上設(shè)置監(jiān)測(cè)靶標(biāo)累計(jì)位移安全閾值，對(duì)安全警報(bào)器編號(hào)后，將安全警報(bào)器固定于對(duì)應(yīng)的斷面隧道壁上；

28、步驟7、當(dāng)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)接收的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)位置變形數(shù)據(jù)超過(guò)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)累計(jì)位移安全閾值時(shí)，數(shù)據(jù)接收平臺(tái)將異常變形斷面及監(jiān)測(cè)位置發(fā)送至相應(yīng)安全警報(bào)器并發(fā)出報(bào)警指令，安全警報(bào)器接收到報(bào)警指令，燈光亮起并播報(bào)異常變形位置。

29、優(yōu)選的，步驟1和步驟2中，所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)均通過(guò)以下方法與鋼筋預(yù)埋件進(jìn)行安裝：

30、步驟101、將限位錐管的豁口對(duì)準(zhǔn)鋼筋預(yù)埋件，推動(dòng)限位錐管，使鋼筋預(yù)埋件嵌入限位錐管的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)限位錐管與鋼筋預(yù)埋件的連接；

31、步驟102，將監(jiān)測(cè)靶標(biāo)設(shè)置于靶標(biāo)安裝殼的表面，將靶標(biāo)安裝殼通過(guò)錐口從鋼筋預(yù)埋件的底部穿過(guò)套在鋼筋預(yù)埋件上，并使錐口內(nèi)表面與限位錐管外表面卡接；

32、步驟103，將緊固螺母套在鋼筋預(yù)埋件的底部，擰動(dòng)緊固螺母使緊固螺母沿著鋼筋預(yù)埋件上移，擠壓靶標(biāo)安裝殼，完成安裝。

33、優(yōu)選的，步驟2包含以下步驟：

34、步驟201，在隧道地面中央架設(shè)機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)，開啟紅外燈光補(bǔ)償，調(diào)整機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)角度使斷面s1的全部監(jiān)測(cè)靶標(biāo)均處于機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)視野范圍內(nèi)；

35、步驟202，通過(guò)調(diào)整機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)曝光參數(shù)和紅外補(bǔ)償對(duì)監(jiān)測(cè)圖像質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，接著以斷面s1的拱頂鋼筋與混凝土層表面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，以斷面s1為xy平面，以隧道軸線方向?yàn)閦方向，基于圖像大小與拍攝距離的關(guān)系，建立空間坐標(biāo)系；

36、步驟203，獲取斷面s1的左側(cè)上的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)、頂部上的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)和右側(cè)上的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)所在鋼筋預(yù)埋件與混凝土層表面交點(diǎn)的x值和y值，即確定斷面s2、s3、……、sn各監(jiān)測(cè)靶標(biāo)所在鋼筋預(yù)埋件與混凝土層表面交點(diǎn)的x值和y值，根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面間距確定斷面s2、s3、……、sn上的各監(jiān)測(cè)靶標(biāo)所在鋼筋預(yù)埋件與混凝土層表面交點(diǎn)的z值，從而確定所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)安裝位置坐標(biāo)；

37、步驟204，根據(jù)斷面s2、s3、……、sn上的所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)安裝位置坐標(biāo)，機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)上的激光發(fā)射器將燈光打到隧道壁上，按照監(jiān)測(cè)靶標(biāo)中心與混凝土層表面之間的距離為a，安裝所有的監(jiān)測(cè)靶標(biāo)。

38、優(yōu)選的，步驟5中，所述監(jiān)測(cè)靶標(biāo)位置變形數(shù)據(jù)通過(guò)以下方法計(jì)算得到：

39、步驟501、機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)在第i時(shí)刻捕捉到斷面sn上的m號(hào)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)，拍攝圖像并將m號(hào)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)斷面信息、編號(hào)信息、坐標(biāo)值以及拍攝時(shí)間上傳；

40、步驟502、經(jīng)過(guò)一個(gè)拍照間隔，即機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)相機(jī)在第i+1時(shí)刻捕捉到斷面sn的m號(hào)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)，拍攝圖像并將m號(hào)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的斷面信息、編號(hào)信息、坐標(biāo)值以及拍攝時(shí)間上傳；

41、步驟503、建立第i時(shí)刻與第i+1時(shí)刻圖像中同一斷面的同一編號(hào)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算第i時(shí)刻與第i+1時(shí)刻捕捉到的m號(hào)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)坐標(biāo)的相對(duì)差值并上傳，相對(duì)差值即所監(jiān)測(cè)位置在第i+1時(shí)刻相較于第i時(shí)刻的m號(hào)監(jiān)測(cè)靶標(biāo)的位置變形數(shù)據(jù)。

42、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

43、本發(fā)明提供的基于機(jī)器視覺(jué)的隧道施工變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，避免了隧道多塵、潮濕對(duì)相機(jī)的損壞，降低了震動(dòng)干擾對(duì)圖像采集的影響；且本發(fā)明采用機(jī)器視覺(jué)布設(shè)相機(jī)來(lái)確定靶標(biāo)布設(shè)位置，相較于全站儀布設(shè)，大幅降低了監(jiān)測(cè)成本；監(jiān)測(cè)靶標(biāo)為有源燈光靶標(biāo)，并且可循環(huán)使用，有利于節(jié)省監(jiān)測(cè)成本；同時(shí)通過(guò)安全警報(bào)器的設(shè)計(jì)，當(dāng)隧道出現(xiàn)變形時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可立即獲知異常斷面及異常位置，并及時(shí)采取支護(hù)措施，極大降低了安全隱患發(fā)生。本發(fā)明提供的監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)便，監(jiān)測(cè)效率高，監(jiān)測(cè)成本低，實(shí)用性強(qiáng)。