CN108253884B - 盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法及系统，该测量方法包括如下步骤：将两个线激光传感器安装在管片拼装机的抓取板上；建立空间坐标系；通过线激光传感器获得管片上相交的两个边缘线上的第一位置点和第二位置点的坐标，获得另外两个边缘线上的第三位置点和第四位置点的坐标，所述第一位置点和所述第三位置点均位于同一边缘线上；以及通过所获得的第一位置点至第四位置点的坐标和所述的待安装的管片的几何形状计算得出所述的待安装的管片的空间姿态。本发明的测量方法能够准确得到待安装的管片的空间姿态，为自动拼装系统及盾构机内的空间计算提供必要的数据基础。且计算方法简便，测量成本低。

Description

盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及盾构机管片的姿态测量领域，特指一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法及系统。

背景技术

拼装机是盾构机的重要机械系统，拼装施工在传统的隧道掘进中都是由人来完成的，随着传感器技术，自动技术的发展，使得自动化拼装的可行性大大提高，系统的设计成本大大减少，而且自动化拼装是盾构机发展的一个必然的趋势，故研究开发管片的自动化拼装系统，对其关键技术可进行研究显得非常重要及迫切。

对于自动化拼装，首先要解决的问题是如何辨识管片的状态，也就对管片在空间坐标系中的位置，姿态的识别目标识别，而作为操作目标的混凝土预制块重达5～10吨，体积在4立方米以上，而一般的机器人视觉系统的操作目标的体积都不会超过1立方米，所以需要新研究一种非接触式的，对于大型操作目标的空间位姿识别系统来给出其空间位姿。

从市场上来看，我国正在成为世界上掘进机需求量最大的国家，从技术上来看，盾构掘进机代表了隧道掘进装备的发展方向，巨大的市场需求与我国相对滞后的盾构掘进机测试技术之间的矛盾已经凸显。同时，由于盾构机施工是一个高风险的行业，必须保证产品质量稳定性、高可靠性，才能保证工程的顺利完成。而拼装机系统则在保证隧道质量中起着关键的作用。将智能型控制系统引入到拼装系统中后，可以大大提高拼装的工作效率及隧道拼装质量。而对于盾构机拼装系统的智能化，首先要找到一种确认操作物--管片的空间位姿的方法，在国内现有的技术文献中，这种方法并没有被提出过，所以亟需研究开发。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法及系统，解决现有的机器人视觉系统的操作目标体积较小不适用于盾构机管片的姿态测量的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法，包括如下步骤：

提供第一线激光传感器和第二线激光传感器，将所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器安装在管片拼装机的抓取板上，且所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器对应设于所述抓取板上的同一侧；

以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，盾构机的机尾向机头的方向为Z轴建立空间坐标系，并获得所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器的安装位置的坐标；

将所述管片拼装机的抓取板移动至待安装的管片的位置处，通过所述第一线激光传感器获得所述的待安装的管片上相交的第一边缘线和第二边缘线上的第一位置点和第二位置点的坐标，通过所述第二线激光传感器获得所述的待安装的管片上相交的第一边缘线和第三边缘线上的第三位置点和第四位置点的坐标，所述第一位置点和所述第三位置点均位于所述第一边缘线上；以及

通过所获得的第一位置点至第四位置点的坐标和所述的待安装的管片的几何形状计算得出所述的待安装的管片的空间姿态。

本发明的测量方法能够准确得到待安装的管片的空间姿态，为自动拼装系统及盾构机内的空间计算提供必要的数据基础。且计算方法简便，测量成本低。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法的进一步改进在于，通过所获得的第一位置点至第四位置点的坐标和所述的待安装的管片的几何形状计算得出所述的待安装的管片的空间姿态，包括：

利用所述第一位置点和所述第三位置点的坐标计算得出所述第一边缘线的表达式；

基于所述的待安装的管片的几何形状，得到所述第一边缘线与所述第二边缘线和所述第三边缘线的夹角，进而利用所述第二位置点和所述第四位置点计算出所述第二边缘线和所述第三边缘线的表达式，从而得到了所述待安装的管片的空间姿态。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法的进一步改进在于，还包括：

提供第三线激光传感器，将所述第三线激光传感器安装在所述抓取板上与所述第一线激光传感器相对的一侧；

利用所述第三线激光传感器获得所述待安装的管片上相交的第三边缘线和第四边缘线上的第五位置点和第六位置点的坐标，所述第五位置点与所述第四位置点均位于所述第三边缘线上；

基于所述的待安装的管片的几何形状，利用所述第一位置点、所述第三位置点、所述第五位置点和所述第六位置点计算得出所述的待安装的管片的四个顶点的坐标；

利用所述的待安装的管片的四个顶点的坐标确定得出所述的待安装的管片在所述空间坐标系中的空间姿态。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法的进一步改进在于，通过所述第一线激光传感器获得所述第一边缘线上的第一位置点的坐标，包括：

通过所述第一线激光传感器测得其距所述第一位置点的距离，并利用所述第一线激光传感器的安装位置的坐标、安装位置与所述空间坐标系中基准面的夹角和所述第一线激光传感器发出的激光面与所述基准面的夹角计算得出所述第一位置点所在的三个相互垂直的第一平面、第二平面以及第三平面的表达式，所述第一平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面平行，所述第二平面和所述第三平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面垂直；

通过所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面的表达式计算得出所述第一位置点的坐标。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法的进一步改进在于，还包括：

利用待安装的管片的空间姿态计算得出所述的待安装的管片上的抓取点的坐标，并将所述抓取点的坐标发送给所述管片拼装机。

本发明还提供了一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统，包括：

安装在管片拼装机的抓取板上的第一线激光传感器和第二线激光传感器，所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器对应设于所述抓取板上的同一侧；

存储单元，用于存储设定的空间坐标系，所述空间坐标系以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，盾构机的机尾向机头的方向为Z轴，所述存储单元内还存储有所述空间坐标系内所述第一线激光传感器和所述第二线激光传感器的安装位置的坐标，及待安装管片的几何形状数据；以及

与所述第一线激光传感器、所述第二线激光传感器和所述存储单元连接的处理单元，

所述处理单元用于接收所述第一线激光传感器测得的待安装管片上相交的第一边缘线和第二边缘线上的第一位置点和第二位置点的感测信息并计算得出所述第一位置点和所述第二位置点的坐标；

所述处理单元还用于接收所述第二线激光传感器测得的待安装管片上相交的第一边缘线和第三边缘线上的第三位置点和第四位置点的感测信息并计算得出所述第三位置点和第四位置点的坐标，所述第一位置点和所述第三位置点均位于所述第一边缘线上；

所述处理单元还用于根据所述第一位置点至所述第四位置点的坐标和所述的待安装的管片的几何形状数据计算得出所述的待安装的管片的空间姿态。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统的进一步改进在于，所述处理单元包括与所述存储单元连接的第一计算模块，

所述第一计算模块用于根据所述第一位置点和所述第三位置点的坐标计算得出所述第一边缘线的表达式；

所述第一计算模块读取所述存储单元中的待安装管片的几何形状数据并获得所述第一边缘线与所述第二边缘线和所述第三边缘线的夹角，利用所述第二位置点和所述第四位置点计算得出所述第二边缘线和所述第三边缘线的表达式；

所述第一计算模块将所述第一边缘线的表达式、所述第二边缘线的表达式和所述第三边缘线的表达式传送给所述处理单元，使得所述处理单元得到所述待安装的管片的空间姿态。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统的进一步改进在于，还包括安装在所述抓取板上的第三线激光传感器，所述第三线激光传感器位于与所述第一线激光传感器相对的一侧；

所述第三线激光传感器与所述处理单元连接，所述处理单元用于接收所述第三线激光传感器测得的待安装管片上相交的第三边缘线和第四边缘线上的第五位置点和第六位置点的感测信息并计算得出所述第五位置点和第六位置点的坐标，其中的所述第五位置点和所述第四位置点均位于所述第三边缘线上；

所述处理单元还用于根据所述的待安装的管片的几何形状数据、所述第一位置点、所述第三位置点、所述第五位置点和所述第六位置点计算得出所述的待安装的管片的四个顶点的坐标，进而确定得出所述的待安装的管片在所述空间坐标系中的空间姿态。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统的进一步改进在于，所述处理单元包括与所述存储单元连接的点位坐标计算模块；

所述第一线激光传感器测得其距所述第一位置点的距离形成距离数据，并将所述距离数据发送给所述处理单元；

所述点位坐标计算模块从所述处理单元处接收所述距离数据，并结合所述存储单元中的所述第一线激光传感器的安装位置的坐标、所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面与所述空间坐标系中基准面的夹角和所述第一线激光传感器发出的激光面与所述基准面的夹角计算得出所述第一位置点所在的三个相互垂直的第一平面、第二平面以及第三平面的表达式，进而通过所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面的表达式计算得出所述第一位置点的坐标；

其中的所述第一平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面平行，所述第二平面和所述第三平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面垂直。

本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统的进一步改进在于，所述处理单元还用于利用待安装的管片的空间姿态计算得出所述的待安装的管片上的抓取点的坐标，并将所述抓取点的坐标发送给所述管片拼装机。

附图说明

图1为本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统及方法中的第一线激光传感器至第三线激光传感器的安装结构示意图。

图2为本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统及方法中利用线激光传感器测量待安装的管片的结构示意图。

图3为本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统及方法中利用线激光传感器测量待安装的管上的位置点的示意图。

图4至图7为本发明利用第一线激光传感器计算第一位置点的坐标的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统及方法，能够对管片的空间位姿进行辨识，为管片拼装机的自动化提供可能。本发明的测量系统及方法能够检测出未拼装管片在盾构机内部的空间位置，检测出管片拼装完成后的姿态及空间位置，本发明的测量系统及方法能够准确的得到未拼装管片的空间姿态，为自动拼装系统及盾构机内部空间计算提供必要的数据。下面结合附图对本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统及方法中的第一线激光传感器至第三线激光传感器的安装结构示意图。下面结合图1，对本发明提供的盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统进行说明。

如图1所示，本发明提供的盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统包括第一线激光传感器21、第二线激光传感器22、存储单元以及处理单元；其中的第一线激光传感器21和第二线激光传感器22安装在管片拼装机的抓取板10上，该抓取板10具有相对的第一侧101和第二侧102，第一线激光传感器21和第二线激光传感器22安装在抓取板10的同一侧，即安装在第一侧101处。结合图2所示，存储单元用于存储设定的空间坐标系，该空间坐标系以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，盾构机的机尾向机头的方向为Z轴，在存储单元内还存储有空间坐标系内第一线激光传感器21和第二线激光传感器22的安装位置的坐标，以及待安装管片11的几何形状数据。处理单元与第一线激光传感器21、第二线激光传感器22和存储单元连接，结合图3所示，处理单元用于接收第一线激光传感器21测得的待安装管片11上相交的第一边缘线111和第二边缘线112上的第一位置点a和第二位置点b的感测信息并计算得出第一位置点a和第二位置点b的坐标。处理单元还用于接收第二线激光传感器22测得的待安装管片11上相交的第一边缘线111和第三边缘线113上的第三位置点c和第四位置点d的感测信息并计算得出第三位置点c和第四位置点d的坐标，该第三位置点c和第一位置点a均位于第一边缘线111上。处理单元还用于根据第一位置点a至第四位置点d的坐标和待安装的管片11的几何形状数据计算得出待安装的管片11的空间姿态。

在盾构施工过程中，施工的管片的形状已经确定，如图2所示，管片11的顶面边缘具有四条边缘线，分别是第一边缘线111、第二边缘线112、第三边缘线113和第四边缘线114，本发明中所指的待安装的管片11的几何形状数据包括第一边缘线111与第二边缘线112和第三边缘线113的夹角，第一边缘线111与第四边缘线114的位置关系，第四边缘线114与第二边缘线112和第三边缘线113的位置关系，第二边缘线112和第三边缘线113的弧度，管片11的厚度，四条边缘线的长度。本发明设置的第一线激光传感器21和第二线激光传感器22靠近第一边缘线111，所以第一线激光传感器21可测得第一边缘线111和第二边缘线112上的位置点，分别是第一位置点a和第二位置点b，第二线激光传感器22可测得第一边缘线111和第三边缘线113上的位置点，分别是第三位置点c和第四位置点d。通过第一线激光传感器21和第二线激光传感器22测得的感测信息，处理单元能够计算出第一位置点a至第二位置点b在存储单元中的空间坐标系内的坐标值，进而根据四个位置点的坐标和管片11的几何形状数据计算得出管片11的空间姿态。

作为本发明的一较佳实施方式，处理单元包括与存储单元连接的第一计算模块，该第一计算模块用于根据第一位置点a和第三位置点c的坐标计算得出第一边缘线111的表达式，由于第一位置点a和第三位置点c均位于第一边缘线111上，从而在空间坐标系内可确定第一边缘线111的表达式；该第一计算模块读取存储单元中的待安装管片的几何形状数据并获得第一边缘线111与第二边缘线112和第三边缘线113的夹角，利用第二位置点b和第四位置点d计算得出第二边缘线112和第三边缘线113的表达式，因管片11的形状固定，第一边缘线111和第三边缘线113所在的面呈一定夹角，该夹角为已知且固定，可通过空间几何计算得出管片的顶点e1的坐标，第三边缘线113的形状是固定的，通过顶点e1和第四位置点d计算出第三边缘线113，同理计算出第二边缘线112，从而就可确定管片11的空间姿态了。第一计算模块将第一边缘线111的表达式、第二边缘线112的表达式和第三边缘线113的表达式传送给处理单元，使得处理单元得到待安装的管片11的空间姿态。在本实施方式中第一计算模块给出了一种计算管片11的空间姿态的方法。

作为本发明的另一较佳实施方式，给出了另一种计算管片11的空间姿态的方法。如图1至图3所示，该测量系统还包括安装在抓取板10上的第三线激光传感器23，该第三线激光传感器23位于与第一线激光传感器21的相对的一侧，即第二侧102，该第三线激光传感器23靠近第四边缘线114设置，能够测得第四边缘线114和第三边缘线113上的位置点，分别是第六位置点g和第五位置点f。该第三线激光传感器23与处理单元连接，该处理单元用于接收第三线激光传感器23测得的待安装管片11上相交的第三边缘线113和第四边缘线114上的第五位置点f和第六位置点g的感测信息并计算得出第五位置点f和第六位置点g的坐标，其中的第五位置点f和第四位置点d均位于第三边缘线113上。在本实施方式中，处理单元根据待安装的管片11的几何形状数据、第一位置点a、第三位置点c、第五位置点f和第六位置点g计算得出待安装的管片11的四个顶点e1至e4的坐标，进而确定得出待安装的管片11在空间坐标系中的空间姿态。首先因第一位置点a和第三位置点c在第一边缘线111上，从而可确定管片11的第一边缘线111，第一边缘线111和第四边缘线114的几何关系固定，可解算得到第四边缘线114的表达式，通过管片11的固定形状和第五位置点f，可得知管片11的顶点e1、顶点e2、顶点e3和顶点e4的坐标，通过四个顶点可确定管片11在空间的最终姿态，四个顶点所在的平面E和四个顶点与管片11上的抓取点呈唯一确定的关系，可由此计算得出抓取点在空间坐标系的坐标，进而提供给管片拼装机，确保管片拼装机对待安装的管片11的准确抓取。本实施方式中的计算方法相较于第一计算模块的计算方法实现更为简单。

作为本发明的又一较佳实施方式，处理单元还包括与存储单元连接的点位坐标计算模块，通过点位坐标计算模块可根据线激光传感器反馈的数据计算出所需要的位置点的坐标，下面以根据第一线激光传感器21的反馈数据计算第一位置点a的坐标为例进行说明，其余位置点的坐标计算与此相同。第一线激光传感器21测得距第一位置点a的距离形成距离数据，结合图4所示，第一线激光传感器21的安装位置h的坐标、安装位置h所在的平面H、该平面H与空间坐标系中基准面(ZOY，XOZ，XOY)的夹角、第一线激光传感器21的激光面与基准面的夹角均为已知参数，该些已知参数事先存储于存储单元内。第一线激光传感器21能够测得的距离数据包括平面H距第一位置点a所在的平面I间的距离L1和第一位置点a距安装位置h投射在平面I上的点的距离L2，其中的平面H和平面I相互平行。该第一线激光传感器21将测得的距离数据发送给处理单元。结合图7所示，点位坐标计算模块从处理单元处接收该距离数据，并结合存储单元中的第一线激光传感器21的安装位置h的坐标、第一线激光传感器21的安装位置与空间坐标系中基准面的夹角和第一线激光传感器21发出的激光面与基准面的夹角计算得出第一位置点a所在的三个相互垂直的第一平面I、第二平面J以及第三平面K的表达式，进而通过第一平面I、第二平面J以及第三平面K计算得出第一位置点a的坐标。其中的第一平面I与第一线激光传感器21的安装位置h所在的平面H平行，第二平面J和第三平面K与第一线激光传感器21的安装位置h所在的平面H垂直。

该点位坐标计算模块的计算过程具体为：如图4所示，第一线激光传感器21的安装位置h的坐标为(x_h，y_h，z_h)，平面H为第一线激光传感器21安装所在的平面，且以该第一激光传感器21的安装方向作为法向量，平面H与空间坐标系的三个基准面的夹角为α₁，α₂，α₃，第一线激光传感器21的激光面与空间坐标系的三个基准面的夹角为θ₁，θ₂，θ₃，第一线激光传感器21测得的平面H和第一平面I之间的距离L1和第一位置点a和安装位置h投射在第一平面I上的点间的距离L2。平面H的空间坐标方程可根据已知的法向量及安装位置h的坐标(x_h，y_h，z_h)求得，该平面H的表达式为：

cosα₁(x-x_h)+cosα₂(y-y_h)+cosα₃(z-z_h)＝0，

带入α₁，α₂，α₃，及(x_h，y_h，z_h)可得到平面H的空间方程为：

A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0，

第一平面I与平面H平行，距离为L1，可得到该第一平面I的空间方程为：

A₁x+B₁y+C₁z+D₂＝0，

其中D₂＝±|[L1/squar(A₁*A₁+B₁*B₁+C₁*C₁)-D₁]|，经过对空间位置的筛选，可求出D₂的正确值。

接着如图5所示，第二平面J为第一激光传感器21的激光面，该第二平面J的空间方程为：

sinθ₁(x-x_h)+sinθ₂(y-y_h)+sinθ₃(z-z_h)＝0，

带入θ₁，θ₂，θ₃，及(x_h，y_h，z_h)可得到第二平面J的空间方程为：

A₃x+B₃y+C₃z+D₃＝0，

如图6所示，作平面L同时垂直于平面H和第二平面J，该平面L的空间方程为：

[A₁B₁C₁]×[A₃B₃C₃]＝[A₄B₄C₄]，

平面L的空间方程为：

A₄x+B₄y+C₄z+D₄＝0，

第三平面K与平面L平行，且第一位置点a在第三平面K上，该第三平面K和平面L的距离为L2，故第三平面K的空间方程为：

A₄x+B₄y+C₄z+D₅＝0，

其中D₅＝±|[L2/squar(A₄*A₄+B₄*B₄+C₄*C₄)-D₄]|，经过对空间位置的筛选，可求出D₅的正确值。

接着如图7所示，这样根据第一平面I、第二平面J、以及第三平面K的空间方程求出第一位置点a的坐标(x_a，y_a，z_a)：

其中的均为A₁、B₁、C₁、D₂、A₃、B₃、C₃、D₃、A₄、B₄、C₄、D₅均为已知。

通过点位坐标计算模块可求得第一位置点a的坐标(x_a，y_a，z_a)、第二位置点b的坐标(x_b，y_b，z_b)、第三位置点c的坐标(x_c，y_c，z_c)、第四位置点d的坐标(x_d，y_d，z_d)、第五位置点f的坐标(x_f，y_f，z_f)、以及第六位置点g的坐标(x_g，y_g，z_g)。处理单元在利用第一位置点a至第六位置点g计算管片11的空间姿态的过程为：

第一边缘线111的空间方程为：

(X-x_a)/(x_a-x_c)＝(Y-y_a)/(y_a-y_c)＝(Z-z_a)/(z_a-z_c)，

第四位置点d和第五位置点f所在的侧面与第一边缘线111相垂直，夹角为直角，故该侧面的空间方程为：

(x_a-x_c)(X-x_b)+(y_a-y_c)(Y-y_b)+(z_a-z_c)(Z-z_b)＝0，

化简得到：

A₇X+B₇Y+C₇Z+D₇＝0,

结合第一边缘线111的空间方程，可得到管片11的顶点e1的坐标(X_e1，Y_e1，Z_e1)。

同样，可求得顶点e2的坐标(X_e2，Y_e2，Z_e2)和顶点e4的坐标(X_e4，Y_e4，Z_e4)，基于三个顶点确定顶点的平面E，管片11的抓取点Q和三个顶点的直线距离是固定的，可通过如下方程组求解抓取点Q的坐标(X_Q，Y_Q，Z_Q)，

(X_Q-X_e1)∧2+(Y_Q-Y_e1)∧2+(Z_Q-Z_e1)∧2＝0

(X_Q-X_e2)∧2+(Y_Q-Y_e2)∧2+(Z_Q-Z_e2)∧2＝0，

(X_Q-X_e4)∧2+(Y_Q-Y_e4)∧2+(Z_Q-Z_e4)∧2＝0

从而管片11的位姿通过平面E和抓取点Q来确定。

作为本发明的再一较佳实施方式，处理单元还用于利用待安装的管片11的空间姿态计算得出待安装的管片11上的抓取点Q的坐标，并将抓取点Q的坐标发送给管片拼装机。较佳地，将抓取点Q设置为管片11顶面的中心位置。

本发明的测量系统中的第一线激光传感器21至第三线激光传感器23安装在抓取板10上，处理单元和存储单元可设于单独的服务器上，也可以与管片拼装机的控制器集成在一起，处理单元所实现的计算功能由应用程序设定实现，存储单元中所存储的参数由事先输入得到，施工中的管片几何形状确定后，其几何形状数据可由作业人员输入给测量系统。为便于管片拼装机对待安装的管片的姿态识别，将管片拼装机设于空间坐标系的原点，从而待处理单元发送管片的抓取点坐标后，该管片拼装机可直接向空间坐标系中的抓取点坐标移动即可进行准确地抓取。

下面对本发明提供的盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法进行说明。

本发明提供的一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法，包括如下步骤：

如图1所示，提供第一线激光传感器21和第二线激光传感器22，将的第一线激光传感器21和第二线激光传感器22安装在管片拼装机的抓取板10上，且的第一线激光传感器21和第二线激光传感器22对应设于抓取板10上的同一侧，即第一侧101；

以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，盾构机的机尾向机头的方向为Z轴建立空间坐标系，并获得的第一线激光传感器21和第二线激光传感器22的安装位置的坐标；

如图2和图3所示，将管片拼装机的抓取板10移动至待安装的管片11的位置处，通过第一线激光传感器21获得的待安装的管片11上相交的第一边缘线111和第二边缘线112上的第一位置点a和第二位置点b的坐标，通过第二线激光传感器22获得的待安装的管片11上相交的第一边缘线111和第三边缘线113上的第三位置点c和第四位置点d的坐标，第一位置点a和第三位置点c均位于第一边缘线111上；以及

通过所获得的第一位置点a至第四位置点d的坐标和的待安装的管片11的几何形状计算得出的待安装的管片11的空间姿态。

在盾构施工过程中，施工的管片的形状已经确定，如图2所示，管片11的顶面边缘具有四条边缘线，分别是第一边缘线111、第二边缘线112、第三边缘线113和第四边缘线114，本发明中所指的待安装的管片11的几何形状数据包括第一边缘线111与第二边缘线112和第三边缘线113的夹角，第一边缘线111与第四边缘线114的位置关系，第四边缘线114与第二边缘线112和第三边缘线113的位置关系，第二边缘线112和第三边缘线113的弧度，管片11的厚度，四条边缘线的长度。本发明设置的第一线激光传感器21和第二线激光传感器22靠近第一边缘线111，所以第一线激光传感器21可测得第一边缘线111和第二边缘线112上的位置点，分别是第一位置点a和第二位置点b，第二线激光传感器22可测得第一边缘线111和第三边缘线113上的位置点，分别是第三位置点c和第四位置点d。通过第一线激光传感器21和第二线激光传感器22测得的感测信息，能够计算出第一位置点a至第二位置点b在存储单元中的空间坐标系内的坐标值，进而根据四个位置点的坐标和管片11的几何形状数据计算得出管片11的空间姿态。本发明的测量方法能够准确得到待安装的管片的空间姿态，为自动拼装系统及盾构机内的空间计算提供必要的数据基础。且计算方法简便，测量成本低。

作为本发明的一较佳实施方式，通过所获得的第一位置点a至第四位置点d的坐标和待安装的管片11的几何形状计算得出的待安装的管片11的空间姿态，包括：

利用第一位置点a和第三位置点c的坐标计算得出第一边缘线111的表达式；

基于的待安装的管片11的几何形状，得到第一边缘线111与第二边缘线112和第三边缘线113的夹角，进而利用第二位置点b和第四位置点d计算出第二边缘线112和第三边缘线113的表达式，从而得到了待安装的管片11的空间姿态。本实施方式中的计算方法的原理及过程同测量系统中的第一计算模块，具体可参见第一计算模块的计算原理及过程的描述，在此不再赘述。

作为本发明的另一较佳实施方式，还包括：

提供第三线激光传感器23，将第三线激光传感器23安装在抓取板10上与第一线激光传感器21相对的一侧，即第二侧102；

利用第三线激光传感器23获得待安装的管片11上相交的第三边缘线113和第四边缘线114上的第五位置点f和第六位置点g的坐标，第五位置点f与第四位置点d均位于第三边缘线113上；

基于的待安装的管片11的几何形状，利用第一位置点a、第三位置点c、第五位置点f和第六位置点g计算得出的待安装的管片11的四个顶点e1至e4的坐标；

利用的待安装的管片11的四个顶点的坐标确定得出的待安装的管片11在空间坐标系中的空间姿态。本实施方式中的计算方法的原理及过程同测量系统中处理单元的计算原理及过程，具体可参见处理单元的计算原理及过程的描述，在此不再赘述。

作为本发明的又一较佳实施方式，通过第一线激光传感器21获得第一边缘线111上的第一位置点a的坐标，包括：

如图4至图7所示，通过第一线激光传感器21测得其距第一位置点a的距离，并利用第一线激光传感器21的安装位置的坐标、安装位置所在的平面与空间坐标系中基准面的夹角和第一线激光传感器发出的激光面与基准面的夹角计算得出第一位置点a所在的三个相互垂直的第一平面I、第二平面J以及第三平面K的表达式，第一平面I与第一线激光传感器21的安装位置所在的平面H平行，第二平面J和第三平面K与第一线激光传感器的安装位置所在的平面H垂直；

通过第一平面I、第二平面J以及第三平面K的表达式计算得出第一位置点a的坐标。本实施方式中的计算位置点坐标的方法的原理及过程同测量系统中点位坐标计算模块的计算原理及过程，具体可参见点位坐标计算模块的计算原理及过程的描述，在此不再赘述。

作为本发明的再一较佳实施方式，还包括：

利用待安装的管片11的空间姿态计算得出的待安装的管片上的抓取点Q的坐标，并将抓取点Q的坐标发送给管片拼装机。本实施方式中的计算方法的原理及过程同测量系统中处理单元的计算原理及过程，具体可参见处理单元的计算原理及过程的描述，在此不再赘述。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供第一线激光传感器和第二线激光传感器，将所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器安装在管片拼装机的抓取板上，且所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器对应设于所述抓取板上的同一侧；

以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，盾构机的机尾向机头的方向为Z轴建立空间坐标系，并获得所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器的安装位置的坐标；

将所述管片拼装机的抓取板移动至待安装的管片的位置处，通过所述第一线激光传感器获得所述的待安装的管片上相交的第一边缘线和第二边缘线上的第一位置点和第二位置点的坐标，通过所述第二线激光传感器获得所述的待安装的管片上相交的第一边缘线和第三边缘线上的第三位置点和第四位置点的坐标，所述第一位置点和所述第三位置点均位于所述第一边缘线上；以及

通过所获得的第一位置点至第四位置点的坐标和所述的待安装的管片的几何形状计算得出所述的待安装的管片的空间姿态。

2.如权利要求1所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法，其特征在于，通过所获得的第一位置点至第四位置点的坐标和所述的待安装的管片的几何形状计算得出所述的待安装的管片的空间姿态，包括：

利用所述第一位置点和所述第三位置点的坐标计算得出所述第一边缘线的表达式；

基于所述的待安装的管片的几何形状，得到所述第一边缘线与所述第二边缘线和所述第三边缘线的夹角，进而利用所述第二位置点和所述第四位置点计算出所述第二边缘线和所述第三边缘线的表达式，从而得到了所述待安装的管片的空间姿态。

3.如权利要求1所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法，其特征在于，还包括：

提供第三线激光传感器，将所述第三线激光传感器安装在所述抓取板上与所述第一线激光传感器相对的一侧；

利用所述第三线激光传感器获得所述待安装的管片上相交的第三边缘线和第四边缘线上的第五位置点和第六位置点的坐标，所述第五位置点与所述第四位置点均位于所述第三边缘线上；

基于所述的待安装的管片的几何形状，利用所述第一位置点、所述第三位置点、所述第五位置点和所述第六位置点计算得出所述的待安装的管片的四个顶点的坐标；

利用所述的待安装的管片的四个顶点的坐标确定得出所述的待安装的管片在所述空间坐标系中的空间姿态。

4.如权利要求1所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法，其特征在于，通过所述第一线激光传感器获得所述第一边缘线上的第一位置点的坐标，包括：

通过所述第一线激光传感器测得其距所述第一位置点的距离，并利用所述第一线激光传感器的安装位置的坐标、安装位置与所述空间坐标系中基准面的夹角和所述第一线激光传感器发出的激光面与所述基准面的夹角计算得出所述第一位置点所在的三个相互垂直的第一平面、第二平面以及第三平面的表达式，所述第一平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面平行，所述第二平面和所述第三平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面垂直；

通过所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面的表达式计算得出所述第一位置点的坐标。

5.如权利要求1所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量方法，其特征在于，还包括：

利用待安装的管片的空间姿态计算得出所述的待安装的管片上的抓取点的坐标，并将所述抓取点的坐标发送给所述管片拼装机。

6.一种盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统，其特征在于，包括：

安装在管片拼装机的抓取板上的第一线激光传感器和第二线激光传感器，所述的第一线激光传感器和第二线激光传感器对应设于所述抓取板上的同一侧；

存储单元，用于存储设定的空间坐标系，所述空间坐标系以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，盾构机的机尾向机头的方向为Z轴，所述存储单元内还存储有所述空间坐标系内所述第一线激光传感器和所述第二线激光传感器的安装位置的坐标，及待安装管片的几何形状数据；以及

与所述第一线激光传感器、所述第二线激光传感器和所述存储单元连接的处理单元，

所述处理单元用于接收所述第一线激光传感器测得的待安装管片上相交的第一边缘线和第二边缘线上的第一位置点和第二位置点的感测信息并计算得出所述第一位置点和所述第二位置点的坐标；

所述处理单元还用于接收所述第二线激光传感器测得的待安装管片上相交的第一边缘线和第三边缘线上的第三位置点和第四位置点的感测信息并计算得出所述第三位置点和第四位置点的坐标，所述第一位置点和所述第三位置点均位于所述第一边缘线上；

所述处理单元还用于根据所述第一位置点至所述第四位置点的坐标和所述的待安装的管片的几何形状数据计算得出所述的待安装的管片的空间姿态。

7.如权利要求6所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统，其特征在于，所述处理单元包括与所述存储单元连接的第一计算模块，

所述第一计算模块用于根据所述第一位置点和所述第三位置点的坐标计算得出所述第一边缘线的表达式；

所述第一计算模块读取所述存储单元中的待安装管片的几何形状数据并获得所述第一边缘线与所述第二边缘线和所述第三边缘线的夹角，利用所述第二位置点和所述第四位置点计算得出所述第二边缘线和所述第三边缘线的表达式；

所述第一计算模块将所述第一边缘线的表达式、所述第二边缘线的表达式和所述第三边缘线的表达式传送给所述处理单元，使得所述处理单元得到所述待安装的管片的空间姿态。

8.如权利要求6所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统，其特征在于，还包括安装在所述抓取板上的第三线激光传感器，所述第三线激光传感器位于与所述第一线激光传感器相对的一侧；

所述第三线激光传感器与所述处理单元连接，所述处理单元用于接收所述第三线激光传感器测得的待安装管片上相交的第三边缘线和第四边缘线上的第五位置点和第六位置点的感测信息并计算得出所述第五位置点和第六位置点的坐标，其中的所述第五位置点和所述第四位置点均位于所述第三边缘线上；

所述处理单元还用于根据所述的待安装的管片的几何形状数据、所述第一位置点、所述第三位置点、所述第五位置点和所述第六位置点计算得出所述的待安装的管片的四个顶点的坐标，进而确定得出所述的待安装的管片在所述空间坐标系中的空间姿态。

9.如权利要求6所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统，其特征在于，所述处理单元包括与所述存储单元连接的点位坐标计算模块；

所述第一线激光传感器测得其距所述第一位置点的距离形成距离数据，并将所述距离数据发送给所述处理单元；

所述点位坐标计算模块从所述处理单元处接收所述距离数据，并结合所述存储单元中的所述第一线激光传感器的安装位置的坐标、所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面与所述空间坐标系中基准面的夹角和所述第一线激光传感器发出的激光面与所述基准面的夹角计算得出所述第一位置点所在的三个相互垂直的第一平面、第二平面以及第三平面的表达式，进而通过所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面的表达式计算得出所述第一位置点的坐标；

其中的所述第一平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面平行，所述第二平面和所述第三平面与所述第一线激光传感器的安装位置所在的平面垂直。

10.如权利要求6所述的盾构机管片非接触式空间姿态的测量系统，其特征在于，所述处理单元还用于利用待安装的管片的空间姿态计算得出所述的待安装的管片上的抓取点的坐标，并将所述抓取点的坐标发送给所述管片拼装机。