CN116147537B - 一种沉管管节水下激光对准方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种沉管管节水下激光对准方法和装置，属于海洋工程领域，方法包括：根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离‑角度变化值表，其中，两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；在对接待沉管节和已沉管节的过程中，获取两束平行激光在对应的测量相机的成像，确定两束平行激光的光斑中心点；根据两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从距离‑角度变化值表中确定待沉管节与已沉管节之间的偏移角度；根据偏移角度调整待沉管节，以使待沉管节对准已沉管节。

Description

一种沉管管节水下激光对准方法和装置

技术领域

本申请属于海洋工程领域，具体涉及一种沉管管节水下激光对准方法和装置。

背景技术

沉管法隧道施工过程为工厂预制管节、将管节浮运至施工沉放区域、管节水下定位沉放对接。在管节沉放过程中，需要利用测量技术实时获取待沉管节的位置，并反馈至沉放船控制沉放。当前，管节沉放均采用测量塔方法，通过在管节顶面两端安装大于水深的测量塔，在塔顶安装卫星天线测量。根据待沉管节与水下已沉待对接管节的距离位置，可以将整个沉管对接分成三个阶段：水面对准、沉放、对接，水面对准是沉放开始前的准备工作，保证管节有着较为精确的初始位置；沉放过程测量是保证管节能较为精确的进入基槽，为对接做准备；对接是在待沉管节和已沉管节满足一定距离、高程等条件，通过测量技术将两管节完整对接在一起，主要参数是待沉管节中轴线与理论中轴线方向和位置偏差。

由于测量塔自身会发生变形，且高度受限，免测量塔安装是未来的发展趋势，在没有测量塔的情况下，导致测量精度降低，无法保证待沉管节与已沉管节精准对接。

发明内容

本申请实施例提供一种沉管管节水下激光对准方法和装置，为沉管管节水下对接提供管节轴线方向上的方向对准测量。

第一方面，本申请实施例提供了一种沉管管节水下激光对准方法，该方法包括：根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，其中，所述两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；在对接所述待沉管节和所述已沉管节的过程中，获取所述两束平行激光在所述对应的所述测量相机的成像，确定所述两束平行激光的光斑中心点；根据所述两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从所述距离-角度变化值表中确定所述待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度；根据所述偏移角度调整所述待沉管节，以使所述待沉管节对准所述已沉管节。

第二方面，本申请实施例提供了一种沉管管节水下激光对准装置，该装置包括：标定模块，用于根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，其中，所述两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；采集模块，用于在对接所述待沉管节和所述已沉管节的过程中，获取所述两束平行激光在所述对应的所述测量相机的成像，确定所述两束平行激光的光斑中心点；计算模块，用于根据所述两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从所述距离-角度变化值表中确定所述待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度；调整模块，用于根据所述偏移角度调整所述待沉管节，以使所述待沉管节对准所述已沉管节。

在本申请实施例中，通过根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，其中，两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；在对接待沉管节和已沉管节的过程中，获取两束平行激光在对应的测量相机的成像，确定两束平行激光的光斑中心点；根据两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从距离-角度变化值表中确定待沉管节与已沉管节之间的偏移角度；根据偏移角度调整待沉管节，以使角度变化值表待沉管节对准角度变化值表已沉管节，保证了待沉管节与已沉管节的精准对接。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种沉管管节水下激光对准方法的流程示意图；

图2是本申请实施例提供的一种测量原理示意图；

图3是本申请实施例提供的一种沉管管节水下激光对准***组成示意图；

图4是本申请实施例提供的一种平行激光单元的结构示意图；

图5本申请实施例提供的一种平行激光单元标定及安装示意图；

图6本申请实施例提供的一种测量相机的结构示意图；

图7本申请实施例提供的一种测量相机的标定及安装示意图；

图8是本申请实施例提供的一种激光成像原理示意图；

图9是本申请实施例提供的另一种沉管管节水下激光对准***组成示意图；

图10是本申请实施例提供的一种沉管管节水下激光对准装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的一种沉管管节水下激光对准方法和装置进行详细地说明。

图1示出本发明的一个实施例提供的一种沉管管节水下激光对准方法，该方法可以由电子设备执行，该电子设备可以包括：终端设备，其中终端设备可以例如控制台等。换言之，该方法可以由安装在电子设备的软件或硬件来执行，该方法包括如下步骤：

步骤102：根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表。

具体的，大尺度高精度角度测量是沉管隧道对接面临的技术难题。光学测角法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点被广泛应用。随着激光技术、面阵电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)传感器等朝着高稳定性、强适应性方向发展，为大尺度动态光学角度测量提供了强有力的理论指导与技术支撑。根据经典激光自准直原理，两点确定空间中的一条直线。在此基础上，本申请实施例中考虑到实际标定、施工、安装等现实条件，利用等效光路原理，提出基于平行光线的角度测量模型。图2示出的是本申请实施例提供的一种测量原理示意图，如图2所示将两条光线等效变化成一条光线两点成像，以激光光强分布中心作为基准点，在前后不同距离下分别成像，建构角度移动光斑的成像位移差，给出一个包含角度变化量绝对值|a|、光斑移动量h ₂-h ₁、相机成像距离h ₃的虚拟解算三角形，计算公式为：

图3是本申请实施例提供的一种沉管管节水下激光对准***组成示意图，如图3所示，沉管管节水下激光对准***包括已沉管节上的平行激光单元301、待沉管节上的测量相机包括近端测量相机302和远端测量相机303、电子设备304，平行激光单元由激光器、电池、密封仓组成，测量相机由CCD相机、有机玻璃接光板、防水密封筒组成。

平行激光单元301主要提供平行的激光，为了保证安装精度，本申请选择使用五棱镜构造平行激光。平行激光单元301供电采用大容量电池进行供电，在激光防水仓内配有一块满足平行激光单元301工作24小时的固态电池，并在防水仓外设有开关阀。当沉管对接作业即将开始时派遣潜水员打开开关进行供电。近端测量相机302和远端测量相机303主要负责采集激光光学信号，通过计算机图形学技术，计算出信息，将信息传输至电子设备304，电子设备304根据获取到的信息计算待沉管节移动角度和/或移动距离。本申请实施例中选择使用相机与接光板组合成近端测量相机302和远端测量相机303来采集激光成像光学信号，近端测量相机302和远端测量相机303架设在待沉管节并与电子设备304固定，因此近端测量相机302和远端测量相机303信息传输、相机供电均通过电缆与电子设备304直接进行。

具体的，在本申请实施例中，需要在已沉管节和待沉管节上安装相应的测量设备，并根据设备安装位置推算出测量标定信息。两个测量相机用于获取两束平行激光的成像，激光在接光板上形成光斑，相机拍摄光斑，并以光斑的光强分布中心作为基准点进行后续计算，电子设备通过获取两个测量相机的数据进行待沉管节的调整控制，电子设备安装在沉放一体船上，可以由控制电路和计算机组成。电子设备可以为测量相机采集单元供电并发送采集指令，同时接受来自测量相机的图像信息进行解译和计算。

在本申请实施例中，需要根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置、待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机中成像时，两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表。

步骤104：在对接所述待沉管节和所述已沉管节的过程中，获取所述两束平行激光在所述对应的所述测量相机的成像，确定所述两束平行激光的光斑中心点。

具体的，在对接待沉管节和已沉管节的过程中，需要通过两个测量相机实时获取两束平行激光在测量相机中的光斑成像，并通过图像处理技术确定两束平行激光的光斑中心点的坐标。

步骤106：根据所述两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从所述距离-角度变化值表中确定所述待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度。

具体的，计算远端相机单元与近端相机端元光斑成像中心点坐标在图像坐标系下的距离-角度变化值表。

步骤108：根据所述偏移角度调整所述待沉管节，以使所述待沉管节对准所述已沉管节。

具体的，在得到待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度之后，可以以该偏移角度值为指导调整待沉管节，以使待沉管节对准所述已沉管节。

在本申请实施例中，根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，其中，所述两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；在对接所述待沉管节和所述已沉管节的过程中，获取所述两束平行激光在所述对应的所述测量相机的成像，确定所述两束平行激光的光斑中心点；根据所述两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从所述距离-角度变化值表中确定所述待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度；根据所述偏移角度调整所述待沉管节，以使所述待沉管节对准所述已沉管节，其中，根据偏移角度调整待沉管节，以使待沉管节对准已沉管节，避免了由于测量塔自身会发生变形，且高度受限，在没有测量塔的情况下，导致测量精度降低，无法保证待沉管节与已沉管节精准对接的问题，保证了待沉管节与已沉管节的精准对接，使得水下管节对接轴线的方向精度优于5毫米。

在一种实现方式中，所述标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，包括：

通过高精度旋角仪器模拟标定所述待沉管节与所述已沉管节对接时的角度偏移；记录调整角度变化时两束平行激光的成像光斑中心点之间距离变化；根据所述两束平行激光的图像坐标系下成像光斑中心点距离与对旋角仪建立距离-角度变化值表。

具体的，本申请实施例中的距离-角度变化值表是模拟实际管节上平行激光单元和测量相机的安装位置关系与作业模式得到：在一端将平行激光器安装在高精度旋角仪上，另一端将两台测量单元按照实际待沉管节排列形式固定。操作旋角仪左右旋转，并记录每一次角度移动时，记录调整待沉管节时两束平行激光的成像光斑中心分别与对应的图像坐标系的原点的距离，最终拟合距离-角度变化值表。

这样，可以在实际对接待沉管节和已沉管节的过程中，根据距离-角度变化值表实时确定待沉管节与已沉管节的偏移角度，进而可以根据偏移角度调整待沉管节。

在一种实现方式中，所述方法还包括：

标定所述平行激光单元外壳上的靶标点与所述两束平行激光的位置关系；

根据所述已沉管节的贯通测量计算，在所述已沉管节上安装所述平行激光单元并调整激光线方向，以使所述激光线方向与所述已沉管节中轴线方向一致。

具体的，图4示出的是本申请实施例提供的一种平行激光单元的结构示意图，如图4所示，平行激光单元400包括激光器401、第一五棱镜402和第二五棱镜403。

为了满足本申请实施例中所需深海环境2m范围内的激光透射光斑成像需求，激光器401选择450纳米(nanometre，nm)至530nm波段的蓝绿激光，能够最大程度减轻水体散射、吸收对激光传输的影响，为了使得成像光斑清晰且轮廓规则，根据前期水下激光成像可见度实验，选择功率500兆瓦(megawatt，mw)-1000mw、发散角<1.5毫弧度(milli-radians，mrad)的激光器，激光器401的具体参数可以根据实际沉放作业海况进行弹性调整。为保证平行激光单元400的平行激光光路设计，可以使用半反射半透视的第一五棱镜402和第二五棱镜403设计平行激光光路，五角棱镜特殊的光学性质能够保证入射光线呈90度垂直入射，经两个呈45度面反射后，从另一侧呈90度的面再次射出，这样，入射光线和出射光线可以稳定保持90度。根据此原理，在激光器401前后安装第一五棱镜402和第二五棱镜403，其中第一五棱镜402的反射面设计为透射率1：1的半反射半透射镀膜材质。将上述激光器401、第一五棱镜402和第二五棱镜403封装在一个防水仓内，并在防水仓外壳上设有N个固定间距的测量靶标点N个固定间距的测量靶标点/>为标定以及后期安装使用。

在实际进行水下沉管管节对接作业之前，需要对平行激光单元进行标定及安装，图5示出的是本申请实施例提供的一种平行激光单元标定及安装示意图，如图5所示，将激光器与棱镜封装在带有固定靶标的防水外壳内，得到平行激光单元501后，需要标定出激光线方向与封装外壳位置之间的位置关系便于后续采集模组的安装，平行激光单元501的标定及安装步骤如下：

1)激活激光器，发射平行激光线，在激光线线路径方向摆放棋盘格标定板，棋盘格角点数与防水仓外壳上安装的靶标点个数、间距一致并且一一对应，记为将标定板架设在三轴调节器上，调节标定板位置使得激光线与标定板的交点光斑处于棋盘格角点位置，设为/>并且该点在防水外壳上也有与之对应的靶标点，记作/>

2)调整完成后通过全站仪观测标定板上所有角点坐标、防水仓外壳上安装的靶标点所有坐标。此时防水仓外壳靶标点所在的平面与标定板所在的平面的空间位置关系属于刚体旋转变换，因此可以得到N组刚体变换对应点 其中包含一个在激光直线上的点/>根据三维空间刚体运动知识可知，一个3D点O₁，在经过如下的刚体变换后得到新的位置点O₂，存在如下关系:

O₂＝RO₁+T

R为3×3旋转矩阵，t为3×1偏移矩阵。展开并带入实验点可以得到：

其中，矩阵R、T共有12个未知数，但R是旋转矩阵，所以也是标准正交矩阵，自带5个约束方程，则求解刚体变换有12-5＝5个自由度。由于两组对应点在各自的坐标系下，距离是相等的，所以需要加上第一组对应点，再提供的3个约束，凑满5个独立的方程，求出R和T，即三点组成的面才可是实现刚体变化。对于求解一个优化问题的未知参数，构建一个最小二乘问题先进求解：

基于上述步骤得到此状态下，靶标点相对于激光直线点/>的旋转矩阵R_las1和平移矩阵T_las1。固定激光不动，沿激光线方向多次移动标定板板并重复步骤1)和步骤2)的操作，可以得到靶标点/>相对于激光直线点/> 的旋转矩阵R_las2······R_lasN和平移矩阵T_las2······T_lasN。

3)在现场安装时，一切标定安装将在管节坐标系(已沉管节502)上进行。首先固定平行激光单元501，并测量得到在管节坐标系下的坐标，记作/>根据前期标定得到的旋转矩阵R_las2······R_lasN和平移矩阵T_las2······T_lasN，解算在管节坐标系下的激光直线方程，根据如下公式进行计算：

得到激光直线在沉管坐标系上的N个点集合使用直线拟合算法对所有激光直线上的点进行拟合，得到激光直线方程/>

其中，为激光直线的方向向量，(x_L,y_L,z_L)为激光直线方程上的点，t_L为直线参数。基于以上，在实际安装平行激光单元时，可直接根据防水壳上靶标点的管节坐标系位置，推算出管节坐标系下的激光直线方程。此时计算激光线方向向量与管节中轴线方向的夹角γ，并根据夹角值调整平行激光单元的方向，使得激光线与已沉管节502中的轴线503平行，并得到激光线相距中轴线的距离h。

这样，通过标定平行激光单元外壳上的靶标点与两束平行激光的位置关系；根据已沉管节的贯通测量计算，在已沉管节上安装平行激光单元，其中，确保两束平行激光与已沉管节的中轴线的方向一致，实现平行激光单元的标定及安装。

在一种实现方式中，所述方法还包括：

标定所述两个测量相机的内参参数和畸变系数；在所述待沉管节上安装所述两个测量相机，以使所述两束平行激光在所述两个测量相机中成像，其中，两个所述测量相机所在密封筒筒径的朝向与所述待沉管节的中轴线方向一致。

具体的，图6示出的是本申请实施例提供的一种测量相机的结构示意图，如图6所示，测量相机600包括接光板601和CCD相机602。

测量相机600的目的是接收激光成像信息为电子设备提供数据，测量相机由接光板601和CCD相机602组成，接光板601可以是有机玻璃接光板。接光板601在前，CCD相机602在后安装在接光板601正后方10cm处，一同密封在防水仓中，同样在防水仓外壳上设有M个测量靶标点为标定以及后期安装使用。作业时，已沉管节端发出激光，在待沉管节端的接光板601处形成光斑，后方CCD相机602则拍摄下接光板上光斑图像信息，通过网线传输至电子设备。

在实际进行水下沉管管节对接作业之前，需要进行测量相机的标定及安装，图7示出的是本申请实施例提供的一种测量相机的标定及安装示意图，下面以测量相机701的标定及安装为例进行说明，测量相机701的标定及安装包括以下步骤：

1)测量相机701内参标定：由于测量相机701的镜头在加工制作时就存在一定程度的透视失真，因此在测量相机701安装前，需要完成所有测量相机701的内部标定，获得测量相机701的内参。对本申请所需的8毫米(millimeter，mm)CCD镜头进行内参标定，使用100mm—12*9棋盘格进行拍摄，保证棋盘格画面出现在镜头1/3的位置，并重复多次变化位置拍摄20张以上，利用张氏标点法进行求解，得到测量相机701的焦距f、像主点坐标c_x、c_y，测量相机701径向畸变系数k₁、k₂、k₃，测量相机701的切向畸变系数p₁，p₂。

2)测量相机安装标定：根据本申请的测量原理，为了保证测量精度，需保证相机采集单元701筒径方向与平行激光单元702发射的激光线方向平行。本申请中根据相机采集单元701上的靶标点位置，来调整相机采集单元701筒径方向。相机采集单元701外壳在设有两块靶标点，且靶标点连线方向垂直于接光板平面，因此靶标点连线方向即为相机采集单元701的筒径方向，在管节坐标系下测量得到靶标点的坐标以及连线方向，比较管节中轴线方向，对筒径方向进行调整，使得筒径方向平行于管节中轴线方向

在一种实现方式中，所述确定所述两束平行激光的光斑中心点，包括：

获取两束平行激光在所述两个测量相机中的光斑成像；根据所述测量相机的畸变参数对所述光斑图像进行矫正；对矫正后的光斑图像进行中值滤波降噪处理；对中值滤波降噪处理后的光斑图像进行最大熵值分割；对进行最大熵值分割后的光斑图像进行中心点定位，得到所述两束平行激光的光斑中心点。

具体的，在理想条件下，激光脉冲的能量强度分布近似于高斯分布，实际上由于水体吸收、介质折射、接光板材质等因素，导致成像光斑影像表现为椭圆形状。本申请中结合高斯拟合法与椭圆拟合法两种方式，理想情况下激光光斑应呈现标准的高斯分布，所以通过高斯拟合可以确定光斑的质心。由于存在一定的随机噪声和背景辐射噪声，在高斯拟合过程中，高斯峰值会存在一定的下降，将高斯峰值作为阈值可将质心位置缩小到一个非常小的范围内，在最大程度上减少噪声对光斑质心提取的影响，同时尽量消除椭圆拟合法不涉及灰度值的问题，然后在通过高斯峰值确定的范围内通过奇异值分解(singular valuedecomposition，SVD)进行椭圆拟合，求出椭圆的质心，即为光斑的质心。其中，确定光斑中心点的具体步骤如下：

(1)相机采集在接光板上的图像(光斑图像)，根据前期相机内参标定参数(径向畸变系数k1、k2、k3，相机切向畸变系数p1，p2)，对光斑成像进行径向、切向畸变矫正，得到矫正后的光斑成像。

径向畸变数学模型：

切向畸变数学模型：

其中，r²＝u²+v²；k1、k2、k3为相机径向畸变系数；p1，p2为相机切向畸变系数。

(2)对矫正后的光斑成像进行中值滤波处理，消除激光在有机玻璃板上出现的椒盐状噪声，得到降噪处理后的无畸变的光斑成像，中值滤波公式为：

F′(u,v)＝Median_A{F(u,v)}

其中，F(u,v)为(u,v)处的灰度值，A为(u,v)像素周围的领域窗口，F′(u,v)为邻域内像元灰度值的中值；median{}表示在A领域窗口内所有像素灰度值的中值。

(3)将光斑成像灰度信息以及目标背景差异性的最大熵值作为判断依据，以消除噪声干扰并减少计算量为目的，使激光光斑定位结果兼顾实时性与高精度。现设一幅大小为u×v的灰度图i＝f(u,v)灰度级为L，其中i∈{0,1,2,…,L-1}为图像灰度值，不同灰度值出现的概率为p_i，用阈值T将其分为两类：D₀∈{0～T-1}为光斑之外区域(背景区)，D₁∈{T～L-1}为激光光斑成像区域(目标区)。背景区域概率为P_T＝p₀+p₁+p₂+…+p_T，目标区域概率为1-P_T。最大熵阈值选取公式为：

H(T)取值最大时，得到最优阈值为：

(4)经过以上步骤的图像矫正、滤波、分割处理后，得到完整的光斑图像，利用质心法进行光斑中心计算，最终求光斑中心点坐标P₀。

这样，通过获取两束平行激光在两个测量相机中的光斑成像；根据两个测量相机的畸变参数对光斑成像进行矫正；对矫正后的光斑成像进行中值滤波降噪处理；对中值滤波降噪处理后的光斑成像进行最大熵值图像分割；对进行最大熵值图像分割后的光斑成像进行光斑中心点定位，得到两束平行激光的光斑中心点，进而可以精准地确定光斑中心点，进而可以确定待沉管节的角度偏差和位移偏差，提高了测量精准度，提高了待沉管节的对接效率。

在一种实现方式中，所述根据所述偏移角度调整所述沉管节，包括：

获取所述两束平行激光与所述两个测量相机的筒径的偏移量；获取所述两束平行激光与所述已沉管节中轴线的夹角、所述两个测量相机的筒径方向与所述待沉管节的夹角；根据所述偏移角度、所述偏移量、所述两束平行激光与所述已沉管节中轴线的夹角、所述两个测量相机的筒径方向与所述待沉管节的夹角，确定所述待沉管节的待调整角度；根据所述待调整角度调整所述待沉管节。

具体的，在本实施例中，综合设备安装时激光线方向与已沉管节中轴线的夹角、测量相机筒径方向与待沉管节中轴线的夹角，得到待沉管节与已沉管节之间的角度，以该角度值指导对接待沉管节和已沉管节。

在一种实现方式中，平行激光单元发送的平行激光也可以通过设置两个独立的激光器产生，接光板和相机组成的测量相机可由传统准直测量***替代。

在一种实现方式中，如图8所示激光成像原理示意图，还可以基于单一光路的激光成像的思想，通过外加传感器实时采集k ₁、k ₂、k ₃的数值，求解管节移动角度绝对值y，计算公式如下：

如图9所示，根据上述原理设计出由两个CCD面阵相机901、激光器902、半反半透棱镜903、接光板904组成的测量***，利用半反半透棱镜903放射变换实现了等效光路的搭建，这种光路设计有效避免了CCD遮挡激光线，能够通过仿射变化将接光板选择变换到光路上。

需要说明的是，本申请实施例提供的沉管管节水下激光对准方法，执行主体可以为沉管管节水下激光对准装置，或者该沉管管节水下激光对准装置中的用于执行沉管管节水下激光对准方法的控制模块。本申请实施例中以沉管管节水下激光对准装置执行沉管管节水下激光对准方法为例，说明本申请实施例提供的沉管管节水下激光对准装置。

图10是根据本发明实施例的沉管管节水下激光对准装置的结构示意图。如图10所示，沉管管节水下激光对准装置1000包括：标定模块1001、采集模块1002、计算模块1003和调整模块1004。

标定模块1001，用于根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，其中，所述两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；采集模块1002，用于在对接所述待沉管节和所述已沉管节的过程中，获取所述两束平行激光在所述对应的所述测量相机的成像，确定所述两束平行激光的光斑中心点；计算模块1003，用于根据所述两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从所述距离角度变化值表中确定所述待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度；调整模块1004，用于根据所述偏移角度调整所述待沉管节，以使所述待沉管节对准所述已沉管节。

在一种实现方式中，所述标定模块1001，用于通过高精度旋角仪器模拟标定所述待沉管节与所述已沉管节对接时的角度偏移；记录调整角度变化时两束平行激光的成像光斑中心点之间距离变化；根据所述两束平行激光的图像坐标系下成像光斑中心点距离与对旋角仪建立距离-角度变化值表。

在一种实现方式中，所述标定模块1001还用于标定所述平行激光单元外壳上的靶标点与所述两束平行激光的位置关系；根据所述已沉管节的贯通测量计算，在所述已沉管节上安装所述平行激光单元并调整激光线方向，以使所述激光线方向与所述已沉管节中轴线方向一致。

在一种实现方式中，所述标定模块1001，还用于标定所述两个测量相机的内参参数和畸变系数；在所述待沉管节上安装所述两个测量相机，以使所述两束平行激光在所述两个测量相机中成像，其中，两个所述测量相机所在密封筒筒径的朝向与所述待沉管节的中轴线方向一致。

在一种实现方式中，所述计算模块1003，用于获取两束平行激光在所述两个测量相机中的光斑成像；根据所述测量相机的畸变参数对所述光斑图像进行矫正；对矫正后的光斑图像进行中值滤波降噪处理；对中值滤波降噪处理后的光斑图像进行最大熵值分割；对进行最大熵值分割后的光斑图像进行中心点定位，得到所述两束平行激光的光斑中心点。

在一种实现方式中，所述调整模块1004，用于获取所述两束平行激光与所述两个测量相机的筒径的偏移量；获取所述两束平行激光与所述已沉管节中轴线的夹角、所述两个测量相机的筒径方向与所述待沉管节的夹角；根据所述偏移角度、所述偏移量、所述两束平行激光与所述已沉管节中轴线的夹角、所述两个测量相机的筒径方向与所述待沉管节的夹角，确定所述待沉管节的待调整角度；根据所述待调整角度调整所述待沉管节。

本申请实施例提供的沉管管节水下激光对准装置能够实现图1-图7的方法实施例实现的各个过程，为避免重复，这里不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (8)

1.一种沉管管节水下激光对准方法，其特征在于，包括：

根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，其中，所述两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；

在对接所述待沉管节和所述已沉管节的过程中，获取所述两束平行激光在所述对应的所述测量相机的成像，确定所述两束平行激光的光斑中心点；

根据所述两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从所述距离-角度变化值表中确定所述待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度；

根据所述偏移角度调整所述待沉管节，以使所述待沉管节对准所述已沉管节；

所述标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，包括：

通过高精度旋角仪器模拟标定所述待沉管节与所述已沉管节对接时的角度偏移；

记录调整角度变化时两束平行激光的成像光斑中心点之间距离变化；

根据所述两束平行激光的图像坐标系下成像光斑中心点距离与旋角仪器建立距离-角度变化值表。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

标定所述平行激光单元外壳上的靶标点与所述两束平行激光的位置关系；

根据所述已沉管节的贯通测量计算，在所述已沉管节上安装所述平行激光单元并调整激光线方向，以使所述激光线方向与所述已沉管节中轴线方向一致。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

标定所述两个测量相机的内参参数和畸变系数；

在所述待沉管节上安装所述两个测量相机，以使所述两束平行激光在所述两个测量相机中成像，其中，两个所述测量相机所在密封筒筒径的朝向与所述待沉管节的中轴线方向一致。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述两束平行激光的光斑中心点，包括：

获取两束平行激光在所述两个测量相机中的光斑成像；

根据所述测量相机的畸变参数对所述光斑成像进行矫正；

对矫正后的光斑成像进行中值滤波降噪处理；

对中值滤波降噪处理后的光斑成像进行最大熵值分割；

对进行最大熵值分割后的光斑成像进行中心点定位，得到所述两束平行激光的光斑中心点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述偏移角度调整所述待沉管节，包括：

获取所述两束平行激光与所述两个测量相机的筒径的偏移量；

获取所述两束平行激光与所述已沉管节中轴线的夹角、所述两个测量相机的筒径方向与所述待沉管节的夹角；

根据所述偏移角度、所述偏移量、所述两束平行激光与所述已沉管节中轴线的夹角、所述两个测量相机的筒径方向与所述待沉管节的夹角，确定所述待沉管节的待调整角度；

根据所述待调整角度调整所述待沉管节。

6.一种沉管管节水下激光对准装置，其特征在于，包括：

标定模块，用于根据已沉管节上的平行激光单元的安装位置以及待沉管节上的两个测量相机的安装位置，标定出所述平行激光单元发射的两束平行激光在对应的测量相机成像时，所述两束平行激光的成像光斑中心点在对应的图像坐标系下的距离-角度变化值表，其中，所述两个测量相机在平行激光方向上具有预设距离；

采集模块，用于在对接所述待沉管节和所述已沉管节的过程中，获取所述两束平行激光在所述对应的所述测量相机的成像，确定所述两束平行激光的光斑中心点；

计算模块，用于根据所述两束平行激光的图像坐标系下光斑中心点距离值，从所述距离角度变化值表中确定所述待沉管节与所述已沉管节之间的偏移角度；

调整模块，用于根据所述偏移角度调整所述待沉管节，以使所述待沉管节对准所述已沉管节；

所述标定模块，用于：

通过高精度旋角仪器模拟标定所述待沉管节与所述已沉管节对接时的角度偏移；

记录调整角度变化时两束平行激光的成像光斑中心点之间距离变化；

根据所述两束平行激光的图像坐标系下成像光斑中心点距离与旋角仪器建立距离-角度变化值表。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述标定模块，还用于：

标定所述平行激光单元外壳上的靶标点与所述两束平行激光的位置关系；

根据所述已沉管节的贯通测量计算，在所述已沉管节上安装所述平行激光单元并调整激光线方向，以使所述激光线方向与所述已沉管节中轴线方向一致。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述标定模块，还用于：

标定所述两个测量相机的内参参数和畸变系数；

在所述待沉管节上安装所述两个测量相机，以使所述两束平行激光在所述两个测量相机中成像，其中，两个所述测量相机所在密封筒筒径的朝向与所述待沉管节的中轴线方向一致。