CN108952742B - 一种基于机器视觉的盾构机导向方法 - Google Patents

一种基于机器视觉的盾构机导向方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于机器视觉的盾构机导向方法及系统，其中方法包括A、安装相机与标志点；B、测定相机与盾构机中心的相对关系和标志点的三维坐标；C、盾构掘进时，相机对标志点进行摄影，处理影响文件并算出相机的三维坐标；D、根据相机坐标算出盾构机的位置姿态信息，与预先规划的行进路径比对，实现实时导向。其中系统包括设置于盾构机尾端的多个已标定参数的相机、设置于盾构隧道固定管环上且数量不少于四个的标志点、工业PC机、盾构机PLC，多个所述相机通过线缆与所述工业PC机相联，所述盾构机PLC、多个相机均与所述工业PC机相联。采用机器视觉技术，成本低，不需安装测量吊蓝，轻松实现节点转换，实现亚毫米级精度测量，系统简练。

Description

一种基于机器视觉的盾构机导向方法
技术领域
本发明涉及盾构机导向技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的盾构机导向方法。
背景技术
现有的盾构机导向系统，包括国内和国外的导向系统均采用测量机器人进行坐标测量。测量机器人不仅价格昂贵，且全需从国外进口，在隧道施工的恶劣条件下，测量机器人的防护非常不利。
采用测量机器人测量时需要在现场安装笨重的施工吊蓝，现场工人不仅劳动强度大，测量转换时还需占用大量的盾构掘进时间，影响盾构施工效率。测量机器人测量精度为亚厘米级，在长距离的掘进时需要更多的技术措施才能达到相应的施工精度。现有的盾构导向系统还需大量的传感设备，如激光靶、倾角传感器、陀螺仪、棱镜基座、无线电台等，任何一个部件的故障都将导致系统无法工作，维护难度大。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明提供了一种基于机器视觉的盾构机导向方法及系统，以解决现有技术中盾构导向精度低、成本高且构造复杂的问题。
本发明提供了一种基于机器视觉的盾构机导向方法，包括以下步骤：
A、在盾构机尾端安装多个标定参数的相机，在盾构隧道固定管环上安置不少于四个标志点；
B、测定多个相机位置与盾构机中心的相对关系，初次测量时，人工测量确定标志点的三维坐标；
C、盾构掘进时，多个相机对标志点进行实时摄影，对影像文件进行处理并根据摄影测量后方交会原理算出多个相机的三维坐标；
D、根据所述相机的三维坐标、所述相机位置与盾构机中心的相对关系，利用空间解析几何原理算出盾构机刀盘中心、盾尾中心的三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角，然后与预先规划的行进路径进行比对，实现盾构机的实时导向。
进一步的，步骤D之后还包括以下步骤：
E、当盾构机掘进一段距离后，人工将标志点前移并固定形成新标志点，然后相机对新标志点进行摄影，对影像文件进行处理并结合相机的三维坐标，根据摄影测量前方交会原理算出新标志点的坐标；
F、重复步骤C、D、E，实现对盾构机长距离的实时导向。
进一步的，步骤A中的所述相机数量至少为三个。
进一步的，步骤A中的所述相机数量为三个，且呈品字型安装于盾构机尾端。
进一步的，步骤A中的所述标志点的数量为四至十五个。
本发明还提供了一种基于机器视觉的盾构机导向系统，包括设置于盾构机尾端的多个已标定参数的相机、设置于盾构隧道固定管环上且数量不少于四个的标志点、工业PC机、盾构机PLC，多个所述相机通过线缆与所述工业PC机相联，所述工业PC机与所述盾构机PLC相联。
进一步的，所述相机数量不少于三个。
进一步的，所述相机数量为三个，且呈品字型安装于盾构机尾端。
进一步的，所述标志点由定向反光材料制成。
进一步的，所述标志点的数量为四至十五个。
进一步的，所述相机与所述标志点相互通视，其测量通道为盾构机台车上部与盾构隧道固定管环上部的空间。
该系统工作前，先测定相机位置与盾构机中心的相对关系并人工测量确定标志点的三维坐标，并将相应数据输入工业PC机。工作时，标志点静止，位置不变，驱动相机对标志点进行实时摄影，工业PC机对接收的影像文件进行处理，并结合标志点的三维坐标通过摄影测量后方交会原理计算出相机的三维坐标，再结合相机位置与盾构机中心的相对关系结合空间解析几何原理计算出盾构机位置姿态信息，位置姿态信息包括盾构机刀盘中心、盾尾中心的三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角，工业PC机可通过盾构机PLC获取盾构机机器状况信息，然后与预先规划的行进路径进行比对，实现盾构机的实时导向。当盾构机掘进一段距离后，为了避免相机与标志点不能相互通视，人工将标志点前移并固定形成新标志点，然后驱动相机对新标志点进行摄影，工业PC机对影像文件进行处理并结合相机的三维坐标，根据摄像前方交会原理计算出新标志点的三维坐标。然后重复上述根据标志点得出盾构机位置姿态信息实现实时导向的过程，从而实现盾构机的长距离实时导向。
与现有技术相比，本发明采用机器视觉技术，不需测量机器人、激光靶、倾角传感器、陀螺仪、无线电台、棱镜基座，采用常规的工业相机作为测量工具；从而实现了：成本低，关健部件不受国外进口封锁限制；不需安装测量吊蓝，极大地减轻现场工作强度；轻松实现节点转换，不再占用盾构掘进时间，提高了盾构施工效率；实现亚毫米级精度测量，精度更高，施工更有保障；无需大量的系统附件，系统简练，维护保障大大简化。
附图说明
图1是本发明提供的盾构机导向方法的流程图。
图2是本发明提供的盾构机导向系统的结构示意图。
图3是摄影测量的共线条件方程式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于机器视觉的盾构机导向方法，包括以下步骤：
A、在盾构机尾端安装多个标定参数的相机，在盾构隧道固定管环上安置不少于四个标志点；
B、测定多个相机位置与盾构机中心的相对关系，初次测量时，人工测量确定标志点的三维坐标；
C、盾构掘进时，多个相机对标志点进行实时摄影，对影像文件进行处理并根据摄影测量后方交会原理算出多个相机的三维坐标；
D、根据所述相机的三维坐标、所述相机位置与盾构机中心的相对关系，利用空间解析几何原理算出盾构机刀盘中心、盾尾中心的三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角，然后与预先规划的行进路径进行比对，实现盾构机的实时导向。
较佳的，步骤D之后还包括以下步骤：
E、当盾构机掘进一端距离后，人工将标志点前移并固定形成新标志点，然后相机对新标志点进行摄影，对影像文件进行处理并结合相机的三维坐标，根据摄影测量前方交会原理算出新标志点的坐标；
F、重复步骤C、D、E，实现对盾构机长距离的实时导向。
较佳的，步骤A中的所述相机数量至少为三个。
更进一步的，步骤A中的所述相机数量为三个，且呈品字型安装于盾构机尾端。
较佳的，步骤A中的所述标志点的数量为四至十五个，本实施例中优选九个。
如图2所示，本发明还提供了一种基于机器视觉的盾构机导向系统，包括设置于盾构机1尾端的多个已标定参数的相机3、设置于盾构隧道固定管环2上且数量不少于四个的标志点4、工业PC机6、盾构机PLC7，多个所述相机3通过线缆5与所述工业PC机6相联，所述工业PC机6与所述盾构机PLC7相联。
其中，所述相机3数量不少于三个。较佳的，所述相机3数量为三个，且呈品字型安装于盾构机1尾端。
其中，所述标志点4由定向反光材料制成。较佳的，所述标志点4的数量为四至十五个，本实施例中优选九个，由三个标志短杆组成，每个依次排列三个标志点共计九个标志点。
具体的，所述相机3与所述标志点4相互通视，其测量通道为盾构机1台车上部与盾构隧道固定管环2上部的空间。
该系统工作前，先测定相机3位置与盾构机1中心的相对关系并人工测量确定标志点4的三维坐标，并将相应数据输入工业PC机6。工作时，盾构机1掘进前移，标志点4静止，位置不变，驱动相机3对标志点4进行实时摄影，工业PC机6对接收的影像文件进行处理，并结合标志点4的三维坐标通过摄影测量后方交会原理计算出相机3的三维坐标，再结合相机3位置与盾构机1中心的相对关系结合空间解析几何原理计算出盾构机1位置姿态信息，位置姿态信息包括盾构机1刀盘中心、盾尾中心的三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角，工业PC机6可通过盾构机PLC7获取盾构机1机器状况信息，然后与预先规划的行进路径进行比对，实现盾构机1的实时导向。当盾构机1掘进一段距离后，为了避免相机3与标志点4不能相互通视，人工将标志点4前移并固定形成新标志点，然后驱动相机3对新标志点进行摄影，工业PC机6对影像文件进行处理并结合相机3的三维坐标，根据摄像前方交会原理计算出新标志点的三维坐标。然后重复上述根据标志点4得出盾构机1位置姿态信息实现实时导向的过程，从而实现盾构机1的长距离实时导向。
对上述方法及系统的实现原理做进一步的如下说明：
1)盾构机1是一个刚体，要唯一确定一个刚体在空间的几何位置信息，至少需测量刚体上三个点的三维坐标。由于三个相机3是固定在盾构机1上，能确定相机3的三维坐标就可以唯一地测量出盾构机1的空间位置。盾构机1三点法姿态测量原理：根据三点决定一个平面的原理，通过在盾构机1布置测量控制点(即本发明中所述的相机3位置)，对其三维坐标进行测量，根据空间解析几何原理，计算出盾构机1刀盘中心、盾尾中心的三维坐标及俯仰角、横摆角、扭转角。
2)根据摄影测量后方交会原理，标志点4坐标已知，通过量取摄影图像上标志点4的图像坐标及相应的已知相机参数可唯一地确定相机3的内外方位元素。摄影测量后方交会原理：由于像控点(即本发明中所述的标志点4)的三维坐标、像控点的影像坐标及相机参数的关系是摄影测量中的共线条件方程，利用数个像控点的三维坐标、像控点的影像坐标组成共线条件方程组，就可解算出相机3的内外方位元素，包括相机3的三维坐标。
3)根据摄影测量前方交会原理，通过量取两张或多张摄影图像上匹配新标志点的像坐标及相应的已知相机参数可确定新标志点的三维坐标。摄影测量前方交会原理：由于像控点(即本发明中所述的新标志点)的三维坐标、像控点的影像坐标及相机参数的关系是摄影测量中的共线条件方程，通过左右两影像的内、外方位元素和同名像控点的影像坐标测量值来确定该点的物方空间坐标，称为立体像对的空间前方交会。本方案中已知三相机3的三维坐标(摄影测量后方交会原理得到)、相机参数，同名像控点的量测坐标，通过共线条件方程的解算就可得到新标志点的三维坐标。
所有的摄影测量后方交会原理、前方交会原理的计算都是基于如图3所示的摄影测量的共线条件方程式。其中各参数的含义如下：
1、f相机镜头焦距，x0,y0为像主点的像平面坐标。可在相机安装前后在室内或现场通过黑白棋格法或直接线性变换等方法进行精确标定。当然还可标定相机镜头的畸变误差参数。
2、x',y'为标志点的像点坐标，通过工业PC机进行精确测定。
3、XS,YS,ZS为相机的大地坐标。X,Y,Z为标志点的大地坐标。
4、a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3为方程参数，它是一个包含相机方位、偏转、俯仰角度等等的一个函数。
共线条件方程是摄影测量的最基本的方程式。
当然，容易想到的是，在本发明的其他实施例中，可采用两台相机加倾角传感器来实现盾构机姿态测量。先测量两相机坐标，再由两相机坐标决定盾构机方位；增加倾角传感器测量盾构机的滚动角、盾构机坡度角来实现盾构机姿态测量。两者原理是一样的，均需由摄影测量方法来计算盾构机相关三维坐标和盾构机方位。这类不脱离本发明构思的前提下，做出若干简单推演或替换的方案都属于本发明的保护范围。
本发明采用机器视觉技术，不需测量机器人、激光靶、倾角传感器、陀螺仪、无线电台、棱镜基座，采用常规的工业相机作为测量工具；从而实现了：成本低，关健部件不受国外进口封锁限制；不需安装测量吊蓝，极大地减轻现场工作强度；轻松实现节点转换，不再占用盾构掘进时间，提高了盾构施工效率；实现亚毫米级精度测量，精度更高，施工更有保障；无需大量的系统附件，系统简练，维护保障大大简化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的盾构机导向方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在盾构机尾端安装多个标定参数的相机，在盾构隧道固定管环上安置不少于四个标志点；
B、测定多个相机位置与盾构机中心的相对关系，初次测量时，人工测量确定标志点的三维坐标；
C、盾构掘进时，多个相机对标志点进行实时摄影，对影像文件进行处理并根据摄影测量后方交会原理算出多个相机的三维坐标；
D、根据所述相机的三维坐标、所述相机位置与盾构机中心的相对关系，利用空间解析几何原理算出盾构机刀盘中心、盾尾中心的三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角，然后与预先规划的行进路径进行比对，实现盾构机的实时导向。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的盾构机导向方法，其特征在于，步骤D之后还包括以下步骤：
E、当盾构机掘进一段距离后，人工将标志点前移并固定形成新标志点，然后相机对新标志点进行摄影，对影像文件进行处理并结合相机的三维坐标，根据摄影测量前方交会原理算出新标志点的坐标；
F、重复步骤C、D、E，实现对盾构机长距离的实时导向。
3.根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的盾构机导向方法，其特征在于，步骤A中的所述相机数量至少为三个。
4.根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的盾构机导向方法，其特征在于，步骤A中的所述相机数量为三个，且呈品字型安装于盾构机尾端。
5.根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的盾构机导向方法，其特征在于，步骤A中的所述标志点的数量为四至十五个。
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