[发明专利]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

权利要求书

1.一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，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，其特征在于，所述的箱体包含后板面、底板面、上板面、左板面和右板面。

3.根据权利要求2所述的用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，其特征在于，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。

8.根据权利要求7所述的用于隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别装置，其特征在于，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。

9.一种隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别方法，其特征在于，基于权利要求1~8任一项所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。

10.根据权利要求9所述的隧道掘进施工导向的激光光斑自动识别方法，其特征在于，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P_length、宽P_width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P_threshold的像素点的像素值置为0；将像素值大于或等于像素阈值P_threshold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~P_length，竖直方向由1~P_width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：P_w(X_w, Y_w)，水平方向上最大横坐标像素点及其坐标表示：P_e(X_e, Y_e)，竖直方向上最小纵坐标像素点及其坐标表示：P_n(X_n, Y_n)，竖直方向上最大纵坐标像素点及其坐标表示：P_s(X_s, Y_s)；

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P_c(X_c, Y_c)，其中， X_c =(X_n +X_s +X_w +X_e)/4，Y_c =(Y_n +Y_s +Y_w +Y_e)/4；

步骤36、根据箱体中光斑成像屏幕的长S_length、宽S_width，及光斑图像P1的长P_length、宽P_width，及亮斑中心像素点的坐标P_c(X_c, Y_c)，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=X_c *(S_length/P_length)，Y=Y_c *(S_width/P_width)。