本发明涉及非开挖工程顶管，具体是一种用于检测顶管接口相对位移和渗漏水的装置及方法。
背景技术：
1、顶管是地下工程中常用的管道结构，由于顶管施工不需要拼装隧道衬砌，无须进行地面开挖，能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，因此不会阻碍交通，对周围环境影响也很小，因此顶管被广泛应用于城市市政领域，目前广泛应用于城市给水排水、煤气管道、电力隧道、通信电缆等基础设施建设以及公路、铁路、隧道等交通运输的施工中。
2、但是在顶管施工过程中，由于管节纠偏、为了避让既有的地下结构物而不得不采用复杂的空间曲线轴线、地基不均匀沉降以及管节外槽口比内槽口略大等因素存在，因此会使管节接口处产生相对位移、管节内产生裂缝，进而影响管内应力分布、管节接口处的应力传递、管身密封性能等关键特性。然而由于管节接口相对位移、管内渗水区较难长期测量，因此管节接口相对位移对管节应力传递的影响研究较少，影响机理不明确。同时，顶管施工过程中，难以提前发现管节内部开裂漏水、渗水等问题。若能提前监测管内裂缝发展情况，及时发现并采取相应的处理措施，可以减少对地下管道后期使用和维护造成的影响。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于检测顶管接口相对位移和渗漏水的装置及方法，以解决上述存在的问题。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于检测顶管接口相对位移和渗漏水的装置，包括移动测量车，所述移动测量车下方设置有转向轮，所述移动测量车上设置有双目成像模块、数据处理模块和pid控制模块，所述移动测量车前端设置有伸缩杆，所述伸缩杆端头环形设置有多个激光测距仪，所述移动测量车上开设有滑槽，所述滑槽上设置有两个摄像头，所述移动测量车内至有主机、动力马达和锂电池组，所述移动测量车上设置有里程表。
3、所述移动测量车上设置有警示灯。
4、所述移动测量车上设置有散热板。
5、所述移动测量车上设置有主照明灯。
6、所述移动测量车上设置有应急按钮。
7、所述移动测量车上设置有散热风扇。
8、所述移动测量车内设置有操作显示屏。
9、一种基于用于检测顶管接口相对位移和渗漏水的装置的检测方法，包括以下步骤：
10、s1、使用棋盘格对双目成像模块进行标定；
11、s2、将移动测量车置入顶管内，将伸缩杆的中心点作为空间坐标系的原点，原点的右边为x轴正方向，前为y轴正方向，上为z轴正方向；根据移动测量车设计图纸，可以得到多个激光测距仪与伸缩杆中心点的相对位置，以及伸缩杆中心点与左右摄像机的相对位置，通过计算激光测距仪、左右摄像机与中心点的相对距离可以得到激光测距仪、左右摄像机在空间中的初始位置；
12、s3、通过计算左右侧距离差值，令其为，用于控制移动测量车左右转动，使移动测量车在顶管内中轴线行驶；通过计算上下左右侧距离总值的平均值，令其为偏差，用于控制检测移动测量车刹车与行走，使摄像机稳定拍摄；
13、s4、将两偏差分别带入 pid 控制模块的输出控制信号，输出控制信号，其中为当前的误差值，j=1，表示左右侧距离差值；j=2，表示上下左右侧距离总值的平均值，、、为比例、积分和微分参数，通过经验调节或自动调参获得；为误差的积分值，为tj时刻误差值变化率，dtj表示对时间tj的微分；
14、s5、左右侧距离差值所得的控制信号映射到适当的转向角度范围，再将映射后的转向角度应用于车辆的转向系统；其中，当左右侧距离差值为负时，表示车辆离左侧较近，此时测量车向右转；当差值为正时，测量车左转；激光测距仪在管节接口内的位置所测的大于接口外的，此时测量车停止前进，并控制伸缩杆前后伸缩，使激光测距仪位于两段管节接口处，此时激光测距仪所测的上下左右侧距离总值的平均值与接口外的平均值差值在一定阈值内，当左右摄像机拍摄完成后测量车继续行走；同时为拍摄管节内表面图像，通过里程计采集的距离信息，测量车每前进两米进行停车拍摄；
15、s6、通过输入图像采集的两幅棋盘格图像，输出两个摄像机的内参矩阵k、相对的r、t，r表示旋转矩阵，t表示平移矩阵，总的转换关系如下：
16、
17、其中 u、v、w 表示物体在世界坐标系下的 u、v、w 轴坐标，u、v 表示对应的物体在摄像机坐标系下的 u、v 轴坐标，zc为摄像机的z轴坐标，u0、v0表示图像的中心像素坐标和图像原点像素坐标之间相差的横向和纵向像素数，dx和dy表示x方向和y方向的一个像素在相机感光板上的物理长度，γ为扭曲因子，一般为0；为摄像机的内参矩阵 k，f 为相机的焦距，称为相机的外参矩阵，取决于相机坐标系和世界坐标系的相对位置，其中 r 为 3×3 正交单位矩阵，t 为三维平移向量，；公式中表示世界坐标系转换到相机坐标系，表示相机坐标系转换到图像物理坐标系，图像在该过程中发生畸变，通过焦距对角矩阵和畸变系数进行校正，表示图像物理坐标系转换到图像像素坐标系；
18、s7、计算隐式校正因子：，具体步骤如下：
19、理想坐标（u'，v'）与实测坐标（u，v）关系如下：
20、
21、式中、分别是图像的水平像素单位和垂直像素单位；𝑘1、𝑘2——径向畸变系数；p1、p2——切向畸变系数；u、v 表示对应的物体在摄像机坐标系下的u、v 轴实测坐标；u0、v0——图像的中心像素坐标和图像原点像素坐标之间相差的横向和纵向像素数；u'，v'为图像像素的理想坐标；
22、任意选取五组理想坐标（u'，v'）与实测坐标（u，v）代入上式公式，再根据最小二乘法即可求解径向畸变系数𝑘1、𝑘2和切向畸变系数p1、p2；
23、若摄像机标定中一共提取了n个标定点，标定点图像坐标的实测值为（1≤i≤n），理想值为（1≤i≤n）；
24、设 4 个隐式校正因子组成的向量，设向量、，其中，表示在u的径向和切向畸变进行校正，i=（1，2，······，n）；，表示在v的径向和切向畸变进行校正，i=（1，2，······，n）；，ui、vi为设定的向量，i=（1，2，······，n）；，i=（1，2，······，n）；
25、根据下面的显-隐式畸变校正模型，可得向量 e、t、g 的关系为：e=tg，其中，，用最小二乘法求出向量，求得向量 g也就求得了4个隐式校正因子，将各参数带入下式显-隐式畸变校正模型即可完成立体校正：
26、；
27、s8、将左、右摄像机都校准旋转至理想位置，旋转前后的相应图像坐标有以下关系：，其中指旋转前的图像坐标；旋转后的图像坐标； a摄像机的内部参数，， r摄像机旋转前后的位置变化矩阵；
28、设为摄像机在真实位置的旋转矩阵，为摄像机在理想位置的旋转矩阵，则三者之间满足如下的关系：；经过摄像机标定可以得到；将分解为3向量的形式，即：，分别表示世界坐标系中的x、y、z轴的基向量， c1为左摄像机光心， b为基线，通过以下步骤求出：
29、（1）在理想位置时，新的轴必定平行于基线 b，可取，为摄像机光心至x、y轴原点的距离，表示从c1点到 o 点的向量，表示从c1点到 o 点的向量的模；
30、（2）在理想位置时，新的y垂直于新的x轴，且垂直于新的轴与原z轴组成的平面，因此， k是原z轴方向的单位矢量，表示矢量积；
31、（3）在理想位置时，新的z轴垂直于新的x轴和新的y轴组成的平面，故；
32、得到 rn后，根据 r= ro-1 rn求出r，根据完成极线的校准；
33、s9、对校正后的图像进行边缘检测，得到比较一致的边缘检测结果，将左图像与右图像轮廓重叠，根据下式对两图像重叠部分作相关运算当两轮廓最大程度重合时，相关性将达到最大，此时的移动距离 l 为左、右图像的平均视差；
34、
35、其中，cmn表示左窗口像素位置；bmn表示右窗口像素位置；代表cmn的平均值；代表bmn的平均值，m 表示图像像素的行数；n 表示图像像素的列数；
36、得出图像的三维深度信息；
37、s10、计算所有三维点云在x轴、y轴和z轴上的坐标均值， x轴均值计算公式为：，其中n为点云总数；其次计算所有三维点云在x轴、y轴和z轴上的标准差，在x轴标准差计算公式为：；之后计算每个点云的标准差偏差，，y、z坐标点的计算公式相同；最后选择合适的阈值来判断异常点，若点在每个坐标轴上的标准差偏差均大于阈值，则被视为异常点；
38、s11、每次选取三个不共线的匹配点，作为一组数据建立一个空间坐标系，以及与上述的三个匹配点对应的标定点作为另一组数据建立一个空间坐标系，通过两个坐标系的相对位置关系计算得到坐标转换矩阵h，通过转换矩阵对所有点云进行校正，转换矩阵h具体为：
39、
40、其中，分别表示一个空间坐标系相对另一个空间坐标系沿x、y、z轴的旋转角度，tx、ty、tz分别表示沿x、y、z轴的平移量；
41、s12、根据标定点的y轴坐标，筛选出位于管节接口位置的三维点云；
42、s13、对于彩色图像，每个像素的亮度由红色、绿色和蓝色组成，r、g 和 b 分别是红色、绿色和蓝色三个通道的亮度值，将图像从 bgr 颜色空间转换为灰度颜色空间，得到了一个只有一个亮度通道的图像，在灰度图像中，每个像素的值表示亮度，可以通过公式进行计算对图像进行灰度化处理；使用 sobel算子来检测图像中色阶的梯度变化，用以确定目标区域的边缘；通过设定色阶阈值，将色阶变化大于阈值的像素点标记为渗水区域，色阶变化小于阈值的像素点设为管节内表面背景，并将标记的区域可视化显示在原始彩色图像上；
43、s14、输出目标信息：提取管节接口位置的三维点云：根据标定点的y轴坐标，筛选出位于管节接口位置的三维点云；通过里程计定位渗水导致颜色较深的区域；
44、s15、重复s3-s14，直至管节开挖面位置。
45、在步骤s4中，将计算所得的控制信号进行变化率控制，用以保证测量车控制的稳定性和平滑性；最后将限制后的控制信号用于车辆的执行系统。
46、在步骤s9中，对于纹理比较丰富的匹配对象，采取小的窗口匹配；对于纹理单一的待匹配对象，采取大窗口匹配；
47、当对纹理单一的待匹配对象进行匹配时，先对左、右图像进行不同分辨率的抽样变换，得到多分辨率的形如金字塔的图像系列，原图像具有最高的分辨率，位于金字塔的最底层，向上每层分辨率依次降低，匹配从分辨率最低的图像开始到分辨率最高的图像结束，即从最高层开始到最低层结束；
48、左图像窗口在右图像同极线上进行搜索，得到一系列待匹配点，将其称为正向搜索；使用以待匹配点为中心的同等大小的窗口在左图像同极线上搜索，将其称为反向搜索；当反向搜索和正向搜索得到的匹配点一致，即确定为待匹配点；如不一致，则该点没有匹配点；匹配结束后，采用全局松弛的方法进行优化，具体步骤如下:
49、（1）将待匹配点排列成三维数组格式，在点 c处，点 c与周围相邻点组成一个窗口，邻域的值保持不变，变换点 c处不同的待匹配点，计算窗口的方差，方差最小的点即为合适的点；
50、（2）逐点计算，并进行迭代，可选择迭代次数，一般5~10次即可。
51、本发明的有益效果是：
52、（1）本发明采用pid控制器、激光测距仪、双目成像等工具，实现了自动化测量顶管管节接口处的相对位移及管内渗水区。
53、（2）通过设置动力马达及集成传感器实现小车的远程控制移动，通过设置里程计位于小车尾部辅助轮内部，用于记录车辆实时行进位置并将其赋予给拍摄的图像以定位渗漏水发生的位置。
54、（3）通过对三维点云的立体坐标及渗水区位置定位，可以得到整个顶管的三维立体模型，能够直观的看到管节在土层中的走向及管节变形情况。