CN109356614A - 隧道喷射机控制设备、方法及隧道喷射机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种隧道喷射机控制设备、隧道喷射机控制方法、以及包含所述隧道喷射机控制设备的隧道喷射机，该系统包括：接收器，用于接收施工工艺及工法参数；以及控制器，用于根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果，进行施工路径规划，并根据所规划的路径对所述喷射机的臂架运动以及喷射作业进行控制，以进行施工作业。本发明的方案所提供的全自动控制模式可全自动实现喷射作业，无须人工参与喷射作业，操作简单，安全系数高。

Description

隧道喷射机控制设备、方法及隧道喷射机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地涉及一种隧道喷射机控制设备、隧道喷射机控制方法、以及包含所述隧道喷射机控制设备的隧道喷射机。

背景技术

随着我国基础设施建设不断加快，铁路和公路建设对施工要求越来越高。隧道施工越来越多，难度越来越大，风险也随着越来越高。混凝土喷射机作为隧道施工的重要设备，被广泛应用在隧道混凝土搅拌和喷射施工中。传统的喷射机操作是通过遥控器控制完成的，操作要求高，操作手工作强度大，长时间在恶劣的隧道施工环境下工作，有损操作手身心健康，甚至有可能威胁其生命安全。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种隧道喷射机控制设备、隧道喷射机控制方法、以及包含所述隧道喷射机控制设备的隧道喷射机，其可实现隧道喷射机的全自动作业。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种隧道喷射机控制设备，该系统包括：接收器，用于接收施工工艺及工法参数；以及控制器，用于根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果，进行施工路径规划，并根据所规划的路径对所述喷射机的臂架运动以及喷射作业进行控制，以进行施工作业。

可选的，所述施工工艺及工法参数包含所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d、沿隧道截面的轨迹点数m、沿垂直于隧道截面的隧道方向的轨迹点条k、以及施工路径选择参数，所述施工路径选择参数指示是选择沿隧道截面方向进行施工还是沿隧道方向进行施工。

可选的，所述根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果进行施工路径规划包括：从预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果中，沿所述隧道方向取k条扫描线，每条扫描线包含沿隧道截面的多个数据点，每一数据点指示该数据点所对应的隧道轮廓点的位置；针对所述k条扫描线中的每一条扫描线，从该扫描线上的多个数据点中取m个数据点，由此得到所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点；根据所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d，对所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点所指示的位置进行处理，以得出所述喷射机的喷嘴的多个轨迹点；以及根据所述施工路径选择参数所指示的施工方向，确定所述喷射机的喷嘴的所述多个轨迹点的遍历顺序，以规划出所述喷嘴的施工路径。

可选的，所述k条扫描线沿所述隧道方向均匀分布；和/或所述m个数据点在该m个数据点所位于的扫描线上均匀分布。

可选的，在施工作业完成之后，所述接收器还接收关于施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果；以及所述控制器还用于将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较，根据比较结果评价施工作业的效果。

可选的，所述将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较并根据比较结果评价施工作业的效果包括：确定所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一轮廓点的位置与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一对应轮廓点的位置之间的距离；以及在该距离中的最大值大于阈值时，判定施工作业不合格。

另一方面，本发明实施例还提供一种隧道喷射机控制方法，该方法包括：接收施工工艺及工法参数；以及根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果，进行施工路径规划，并根据所规划的路径对所述喷射机的臂架运动以及喷射作业进行控制，以进行施工作业。

可选的，所述施工工艺及工法参数包含所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d、沿隧道截面的轨迹点数m、沿垂直于隧道截面的隧道方向的轨迹条数k、以及施工路径选择参数，所述施工路径选择参数指示是选择沿隧道截面方向进行施工还是沿隧道方向进行施工。

可选的，所述根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果进行施工路径规划包括：从预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果中，沿所述隧道方向取k条扫描线，每条扫描线包含沿隧道截面的多个数据点，每一数据点指示该数据点所对应的隧道轮廓点的位置；针对所述k条扫描线中的每一条扫描线，从该扫描线上的多个数据点中取m个数据点，由此得到所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点；根据所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d，对所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点所指示的位置进行处理，以得出所述喷射机的喷嘴的多个轨迹点；以及根据所述施工路径选择参数所指示的施工方向，确定所述喷射机的喷嘴的所述多个轨迹点的遍历顺序，以规划出所述喷嘴的施工路径。

可选的，所述k条扫描线沿所述隧道方向均匀分布；和/或所述m个数据点在该m个数据点所位于的扫描线上均匀分布。

可选的，在施工作业完成之后，该方法还包括：接收关于施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果；以及将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较，根据比较结果评价施工作业的效果。

可选的，所述将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较并根据比较结果评价施工作业的效果包括：确定所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一轮廓点的位置与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一对应轮廓点的位置之间的距离；以及在该距离中的最大值大于阈值时，判定施工作业不合格。

相应的，本发明实施例还提供一种喷射机，其特征在于，该喷射机包含上述隧道喷射机控制设备。

另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述隧道喷射机控制方法。

通过上述技术方案，可根据施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果，进行施工路径规划，并根据所规划的路径对所述喷射机的臂架运动以及喷射作业进行控制，以使得臂架末端的喷头沿着所述施工路径进行运动，并在运动的过程中进行作业(例如，喷射混凝土)，从而最终实现喷射机的全自动控制，无需操作员是通过遥控器来不断地控制臂架动作。本发明的方案所提供的全自动控制模式可全自动实现喷射作业，无须人工参与喷射作业，操作简单，安全系数高。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的隧道喷射机控制系统的结构示意图；

图2为隧道扫描系统的结构示意图；

图3为隧道扫描系统于作业车上的安装示意图；

图4为图3所示的隧道扫描系统的工作过程示意图；

图5为隧道三维重建过程的流程图；以及

图6为隧道三维重建结果的示意图；

图7为隧道激光扫描示意图；

图8为沿着隧道截面方向进行隧道轮廓三维重建及路径规划结果的示意图；

图9为沿着隧道方向进行隧道轮廓三维重建及路径规划结果的示意图；以及

图10为本发明一实施例提供的隧道喷射机控制系统的工作流程图。

附图标记说明

10 安装台 20 扫描设备

30 控制装置 40 作业车

100 隧道

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1为本发明一实施例提供的隧道喷射机控制系统的结构示意图。如图1所示，本发明一实施例提供了一种隧道喷射机控制系统，该系统包括：扫描系统、上位PC机、遥控器、控制设备及传感器。

所述扫描系统包括扫描仪(例如，激光扫描仪)，该扫描仪安装在喷射机的伸缩臂的前端，用于扫描隧道轮廓以获取隧道的轮廓尺寸。

所述上位PC机可为嵌入式工控计算机，用于实现三维重建、路径规划、控制算法计算、控制指令下发以及喷射机臂架当前状态的显示。

所述传感器用于采集臂架状态数据，该臂架状态数据可为控制器进行臂架路径规划以及臂架末端位置计算提供支持，例如控制器可根据臂架状态数据并结合正运动算法确定出臂架末端的位置，控制器还可根据目标臂架末端位置并结合逆运动算法而确定出所需的目标臂架状态。

遥控器和遥控器接收器成对使用，遥控器支持三种控制模式，全自动、半自动和手动控制模式，全自动模式下，喷射机自动完成全部作业步骤；半自动控制模式下，多个关节臂架联动，通过遥控器的一个遥杆控制喷射机臂架末端，另一个遥杆控制喷嘴完成喷射作业，操作简单；手动控制模式下，通过遥控器的多个遥杆控制多个关节臂架的空间运动来完成喷射作业，即传统的作业方式。

控制设备可接收遥控器或上位PC机的控制指令，根据指令控制各级臂的运动，并将臂架当前状态传送给上位PC机进行显示。

喷射机的控制模式可通过遥控器上的两个按钮组合来控制，其组合方式如表1所示。默认情况下，两个按钮均弹起，不能进行任何操作；当按钮1按下，按钮2弹起时，进入手动控制模式；当按钮1弹起，按钮2按下时，进入半自动控制模式；当按钮1和按钮2同时被按下时，进入全自动控制模式。

表1控制模式

虽然此处通过两个按钮的组合的方式来控制喷射机的控制模式，但本发明并不限于此，可通过任意指令输入方式来控制所述喷射机的控制模式，例如可通过使用开关等实现组合来进行控制模式控制。

以下将对各个控制模式下的控制操作进行详细说明。

手动控制模式

在手动控制模式下，通过遥控器的多个遥杆控制多个关节臂架的空间运动来完成喷射作业，即传统的作业方式。

半自动控制模式

在半自动控制模式下，多个关节臂架联动，通过遥控器的一个遥杆控制喷射机臂架末端，另一个遥杆控制喷嘴完成喷射作业，操作简单。

全自动控制模式

在全自动控制模式下，喷射机停在指定位置，上位PC机可向控制器内导入施工工艺及工法参数以及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果。当然，该关于所述隧道的轮廓扫描结果亦可在进入全自动控制模式之后进行扫描而得出。

所述喷射机可包含隧道扫描系统，以下对该隧道扫描系统进行详细介绍。

隧道扫描系统

图2为隧道扫描系统的结构示意图。如图2所示，该系统包括：安装台10，该安装台10能够驱动安装在该安装台的扫描设备在垂直于地平面的平面内转动；扫描设备20，安装于所述安装台10上，在所述安装台10的驱动下进行转动，并在转动期间发出射线(例如，其可以以多个角度呈扇形来发出多条射线，以覆盖隧道的截面)，测量该扫描设备20与所述隧道的被扫描点之间的距离；以及控制装置30，用于控制所述安装台10在一预定转动角度范围内转动，所述扫描设备20的与该预定转动角度范围对应的扫描范围能够覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。

所述安装台例如可为云台，该云台目前在摄像头领域已存在广泛应用，其可带有承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置，把摄像机装在云台上能使摄像机从多个角度进行摄像。一般而言，云台内装两个电动机，水平及垂直转动的角度大小可通过限位开关进行调整。就本发明而言，所述云台可为一单轴云台或多轴云台，其可驱动所述扫描设备在一个或多个方向上旋转，从而控制装置可通过控制该云台转动而实现所述扫描设备对所述隧道的扫描面的扫描。所述安装台可以隔离作业车体及外界环境对扫描设备的扰动，维持扫描设备平衡，使扫描设备的扫描结果更加平稳。所述安装台可通过金属杆垂直安装于喷射机车头顶部，安装位置可与该喷射机车上的臂架在同一条直线上。虽然本文中所采用的是术语安装台，但其他与该安装台具备相似功能的设备均可适用于此，诸如普通转台等等。

所述扫描设备可为激光扫描设备、红外扫描设备等等，其可发射波束，该波束在遇到隧道的扫描面之后可被反射，并由扫描设备接收，该扫描设备可根据发射波束及反射波束之间的时间差来确定隧道的扫描面上的反射点与扫描设备之间的距离。所述扫描设备一次扫描可发射多个角度的波束，该多个角度的波束可构成一波束面，从而一次扫描可获得该波束面与隧道的交点，该交点可构成一条关于隧道的轮廓曲线。多次扫描可得到一系列曲线，后续可对该一系列曲线进行处理，以得出关于隧道的三维重建结果。

在开始进行扫描之后，所述控制装置可控制所述安装台在一预定转动角度范围内转动，该预定转动角度范围可根据扫描设备距离隧道入口的距离、隧道的高度、扫描设备的高度等而定，确保扫描设备的与该预定转动角度范围对应的扫描范围能够覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围，从而在对隧道的整个扫描过程中，无需对扫描设备进行空间上的移动(上述转动除外)，从而可避免了因移动而造成扫描设备的抖动，进而避免了因抖动而导致扫描结果失真问题。

当然，虽然上述提及了“扫描设备距离隧道入口的距离”，但这仅仅是针对扫描设备处于隧道入口之前的情形而言的。假设无需在隧道入口之前对隧道进行完整扫描，而是使得扫描设备处于隧道内以对隧道内的部分扫描面进行扫描的情况下，可不必考虑该距离，且所述预定转动角度范围亦可不限于上述设置，即所述扫描设备20的与该预定转动角度范围对应的扫描范围可无需覆盖在所述隧道的高度方向上从所述隧道的截面的顶部至底部的范围。在此情况下，可仅仅利用本发明所提供的“安装台”与“扫描设备”的组合布置方式而实施隧道扫描，且相较于现有技术的将“扫描设备”安装于“臂架”的方式，可减少因臂架抖动而导致扫描结果失真。

图3为隧道扫描系统于作业车上的安装示意图，图4为图3所示的隧道扫描系统的工作过程示意图。如图3及图4所示，本发明的隧道扫描系统可布置在作业车(该作业车可为喷射机，亦可为专用于进行隧道扫描的作业车，还可为其他工程机械)40上，该作业车40可诸如为喷射机、混凝土喷浆设备等等可于施工作业之前或施工作业时利用隧道扫描系统获取隧道信息的工程机械设备，亦可为专用于搭载所述隧道扫描系统来通过移动所述隧道扫描系统而实施隧道信息扫描的专用移动设备。

在实施过程中，驾驶员可将所述作业车40驾驶到位于所述隧道100的入口之前的一预定距离处，且尽可能停靠在隧道中心线位置上。所述预定距离满足以下等式：

L2＝L1*H2/H1，

其中，L2为所述预定距离，L1为所述扫描设备在平行于地面方向上距离所述作业车靠近所述隧道的一端的距离，H1为所述扫描仪在垂直于地面方向上距离所述作业车表面的距离，H2为所述作业车的高度。

通过此位置布置，可避免因作业车遮挡扫面设备的扫描范围而导致无法扫描到隧道全貌

在图3及图4所述的隧道与隧道扫描系统之间的位置关系的情况下，所述预定转动角度范围可满足：

其中，A为所述预定转动角度范围，H3为所述隧道的高度，L2为所述作业车与所述隧道的入口之间的距离，L1为所述扫描设备在平行于地面方向上距离所述作业车靠近所述隧道的一端的距离，H1为所述扫描仪在垂直于地面方向上距离所述作业车表面的距离，H2为所述作业车的高度。

控制装置可控制安装台沿垂直于隧道截面的方向匀速转动，扫描设备自动以多个发射角度发出射线，测量扫描设备中心与隧道面上相应点之间的距离，扫描仪每次扫描后得到单一曲线，当安装台转动经历所述预定转动角度范围后，即可得到一系列曲线，供后续三维重建处理。在整个扫描过程中，无需移动作业车及扫描设备即可完成整个隧道的扫描，可避免因移动作业车及扫描设备而造成的抖动，提升扫描结果的准确性。

在完成隧道扫描之后，控制装置或其他上位机可以以特定频率读取安装台当前转动角度和激光扫描结果，根据安装台的转动角度，所测量的隧道表面距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算隧道扫描面上各点在一三维直角坐标系下的坐标，该坐标系可以以安装台为原点，三轴的方向分别为作业车朝向在水平面上的投影方向，水平面上与投影方向垂直的方向以及与水平面垂直的方向。

图5为隧道三维重建过程的流程图。以下结合图5对如何利用扫描结果进行隧道三维重建进行介绍。

所述控制装置或其他上位机可执行以下操作：根据所述安装台的转动角度、所述扫描设备所测量的该扫描设备与所述隧道的被扫描点之间的距离以及测量该距离所发出射线的角度，计算所述隧道的扫描面上的各个点在一三维直角坐标系下的坐标；根据所述坐标，生成关于隧道的扫描面上的各个点的点云数据；以及根据所述点云数据，对所述隧道的扫描面进行曲面拟合，以生成关于所述隧道的三维网格图。

鉴于本发明所重建的隧道三维结果可能是需要应用于对隧道进行施工作业(例如，喷湿、喷混凝土、喷硅藻泥等)的工程机械的，而该工程机械一般会具有转台及臂架，其可根据所重建的隧道三维结果来控制转台及臂架，以此保证施工位置的正确性。因此，可进行坐标转换，以使得本发明所重建的隧道三维结果的坐标系适用于上述工程机械。由于臂架运动控制是以转台为中心而建立的空间坐标系，该坐标系以转台为中心，臂架在水平面上的投影方向为x轴，水平面上与投影方向垂直的方向为y轴，与水平面垂直的方向为z轴。以转台为原点的坐标系与以安装台为原点的坐标系三轴方向一致，只需将扫描得到的点坐标平移即可得到以转台为原点坐标系下的坐标。

在根据所述点云数据对所述隧道的扫描面进行曲面拟合之前，所述控制装置还用于执行以下操作中的一者或多者：利用滤波算法对所述点云数据进行预处理，以去除噪声点；以及对所述点云数据进行降采样处理。

在隧道扫描中,由于外界干扰，隧道表面质量较差，扫描结果会产生噪声点，如果不去除这些噪声点，会影响后续的隧道三维重建效果，可能得到与实际隧道差异过大的三维曲面模型，从而不能表征物体真实的三维模型，影响后续的喷射路径规划。故需对点云数据进行预处理，本方案采用中值滤波算法对数据进行预处理，去除噪声点。

中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术，中值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近的真实值，从而消除孤立的噪声点。当然，本发明并不限于中值滤波算法，其他可消除噪声点的滤波算法亦是可以使用的。

另外，由于扫描设备的扫描时间间隔短，导致所产生的点云数据庞大，消耗了大量的存储和计算资源，导致处理速度慢，三维重建效率低下。故在保证精度的前提下，可对点云数据降采样处理，本方案采用体素网络法对点云数据进行降采样处理，体素网格大小参数可被设置为5*5*5cm，减少点数量的同时保留点云的形状特征。当然，本发明并不限于体素网络法及其相关设置，还可采用其他下采样算法。

上述曲面拟合可采用滑动最小二乘法对隧道曲面进行拟合，拟合曲面阶数设置为4，搜索半径设置为10，上采样半径设置为1，采样间隔设置为0.1，搜索方式设置为KD树，加快搜索速度。当然，本发明并不限于滑动最小二乘法及其相关设置，还可采用其他曲面拟合算法。

在根据所述点云数据对所述隧道的扫描面进行曲面拟合之后，所述控制装置还曲面拟合后的点云进行三角网格化处理。可采用贪婪投影算法对曲面拟合后的点云进行三角网格化。针对贪婪投影算法，可进行以下设置以加快搜索速度：设置搜索半径为10，搜索方法设置为KD树，加权因子设置为2.5，邻近搜索点数最大值设置为300，三角形最大和最小角度分别设置为120度和10度，两点法向量角度差最大值设置为45度。当然，本发明并不限于贪婪投影算法及其相关的上述设置，其他可实现三角网格化处理的算法及设置亦是可以使用的。

通过上述隧道三维重建过程，最终生成的三维重建结果如图6所示。

当然，隧道扫描系统亦可不限于上述介绍的隧道扫描系统，其还可按照如下方式来实施。

如图7所示，扫描仪可直接安装在喷射机的伸缩臂末端。控制装置可控制喷射机的伸缩臂匀速v沿Z轴方向向前运动，扫描仪扫描角度范围为0～180度，以0.5度为扫描间隔，在时间t_i以角度θ_in发出射线，测量扫描仪中心与隧道面上相应点之间的距离d_in，每次扫描共得到n+1个数据点，n＝180/0.5＝360，此361个数据点在XY平面组成一条扫描线，经过时间t后停止伸缩臂运动，完成了隧道轮廓的扫描。扫描仪中心到喷射机转台的中心距离为L₀，时间t_i下的扫描结果是以扫描仪中心为原点的极坐标系下的坐标，为(d_in，θ_in)，n＝0～360，经过时间t_i后，L_i等于v×t_i+L₀。扫描数据通过以太网传输给上位PC机，经过坐标变换、数据预处理、点云数据降采样、曲面拟合和三角网格化等处理后，获得了隧道轮廓及其尺寸，由速度v和时间t可得当前施工段的隧道长度总长度L＝v×t，对d_in取平均值可得到隧道的半径D。坐标变换将极坐标系的坐标变换成XYZ三维坐标系，以喷射机转台为中心的XYZ三维坐标为(d_in cosθ_in，d_insinθ_in，L_i)。

在全自动控制模式，控制器可结合施工工艺及工法参数以及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果(或者在该全自动控制模式下临时构建的轮廓扫描结果)，进行施工路径规划，并根据所规划的路径对所述喷射机的臂架运动以及喷射作业进行控制，以进行施工作业。

具体的，所述施工工艺及工法参数可包含与施工需求有关的所有参数。例如，所述施工工艺及工法参数可包含例如特定施工位置以及该特定施工位置的混凝土施工厚度需求。例如，某些位置能够需要喷射较多的混凝土，某些位置可能要求喷射较少的混凝土或者不喷射混凝土，而这些均决定了对所述喷射机的行走速度的控制、某一路径轨迹点的停留时间控制和/或喷射速率的控制，也决定了对喷头轨迹的控制，均是在进行施工轨迹规划时需要考虑的内容。

在本发明一实施例中，所述施工工艺及工法参数可包含所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d、沿隧道截面的轨迹点数m、沿垂直于隧道截面的隧道方向的轨迹条数k、以及施工路径选择参数，所述施工路径选择参数指示是选择沿隧道截面方向进行施工还是沿隧道方向进行施工。所述根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果进行施工路径规划可包括：从预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果中，沿所述隧道方向取k条扫描线(例如，该k条扫描线可沿所述隧道方向均匀分布)，每条扫描线包含沿隧道截面的多个数据点，每一数据点指示该数据点所对应的隧道轮廓点的位置；针对所述k条扫描线中的每一条扫描线，从该扫描线上的多个数据点中取m个数据点(例如，所述m个数据点在该m个数据点所位于的扫描线上均匀分布)，由此得到所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点；根据所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d，对所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点所指示的位置进行处理，以得出所述喷射机的喷嘴的多个轨迹点；以及根据所述施工路径选择参数所指示的施工方向，确定所述喷射机的喷嘴的所述多个轨迹点的遍历顺序，以规划出所述喷嘴的施工路径。例如，在所述施工路径选择参数所指示的施工方向为隧道截面方向的情况下，可控制喷射机的喷嘴逐个扫描截面进行遍历，例如在遍历完一个隧道截面上的多个轨迹点之后接着遍历下一个扫描截面上的多个轨迹点；在所述施工路径选择参数所指示的施工方向为隧道方向的情况下，可控制喷射机的喷嘴逐个平行于隧道方向的轨迹线(例如，该轨迹线由多个隧道截面上位于该轨迹线的轨迹点构成)进行遍历，例如在遍历完平行于隧道方向的轨迹线上的多个轨迹点之后接着遍历下一个平行于隧道方向的轨迹线上的多个轨迹点。当然，在确定遍历顺序时，还可考虑遍历的连续性，避免喷嘴单纯的作出长距离移动而无喷射动作。

以下结合图7所示的隧道激光扫描示意图对上述路径规划过程进行具体说明。

首先，可从根据图7的激光扫描结果内沿Z方向(即，隧道方向)取k条扫描线。之后，对该k条扫描线中的每一条扫描线，每间隔360/m个数据取一个扫描数据点。之后，根据施工路径选择参数所指示的施工方向来确定施工路径。

如果施工路径为沿隧道截面(XY平面)方向施工，则从所述k条扫描线中，将扫描线序号为偶数的扫描线数据点倒序，以保证路径的连续，最后对数据点进行缩小处理得到最终的规划路径，缩小系数为该缩小处理旨在使得规划路径上的轨迹点相比于隧道轮廓点之间预留一定距离(即，距离d)，因为喷头不可能完全接触隧道轮廓点。在模拟隧道中进行扫描后，三维重建及路径规划结果如图8所示。

如果施工路径为沿隧道(Z坐标轴)方向施工，则将k条扫描线数据沿Z轴方向重新排列成m条扫描线，即在k条扫描线中，取每一条扫描线的第一个数据点组成m条扫描线的第一条扫描线，依次类推，在k条扫描线中，取每一条扫描线的第q个点组成m条扫描线的第q条扫描线(q＝0,1…m-1)，重新形成了m条扫描线。在m条扫描线中，将扫描线序号为偶数的扫描线数据倒序，以保证路径的连续，最后对数据进行缩小处理得到最终的规划路径，缩小系数为在模拟隧道中进行扫描后，三维重建及路径规划结果如图9所示。

最后，可将所述规划路径保存为txt文件。

控制器可控制喷射机臂架末端沿规划的喷射路径进行移动，并在移动过程中控制喷射装置进行喷射作业，具体操作为：将规划的路径划分为多条子路径，对于每一条子路径，计算臂架末端在设定时间内其能够移动的距离，确定子目标位置，同时通过传感器采集臂架各关节的当前位置信息，按照逆运动学原理，根据臂架末端能够到达的子目标位置，计算臂架各关节需要移动的角度信息，将得到的各关节角度信息转换为控制指令，控制器根据控制指令控制各关节移动。对于每一条子路径，重复以上步骤，从而覆盖了整个施工路径。

图10为本发明一实施例提供的隧道喷射机控制系统的工作流程图。如图10所示，在施工结束之后，上位PC机可控制扫描系统再次对隧道进行扫描，并获得施工后的隧道轮廓信息，与预设的轮廓信息比较，根据比较结果，评价喷射机执行完喷射作业后，是否满足要求。具体而言，将施工后的隧道轮廓信息中的每个轮廓点的坐标与预设的轮廓信息的对应轮廓点的坐标进行作差运算，得到差值的最大值，与阈值(该阈值的设定可考虑施工工艺需求，例如施工工艺要求的混凝土喷射厚度)比较，如果大于阈值，则判为不合格，小于阈值即为合格。当然，评价方法并不限于上述特定评价方法，例如，评价方法还可为判断所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一轮廓点的位置与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一对应轮廓点的位置之间的距离大于阈值的轮廓点的数目，并在该数目较多时，判断施工不合格。

本发明的方案所提供的全自动控制模式可全自动实现喷射作业，无须人工参与喷射作业，操作简单，安全系数高。

需要说明的是，上述提及了“上位PC机”、“控制设备”、“控制装置”可通过一个控制模块来实现，也可根据实际需要而将上述所提及的控制功能(诸如，隧道扫描期间的控制功能、路径规划功能、以及施工控制方面的控制)分散到多个控制模块来实现，本发明并不限于此。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (13)

1.一种隧道喷射机控制设备，其特征在于，该设备包括：

接收器，用于接收施工工艺及工法参数；以及

控制器，用于根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果，进行施工路径规划，并根据所规划的路径对所述喷射机的臂架运动以及喷射作业进行控制，以进行施工作业。

2.根据权利要求1所述的隧道喷射机控制设备，其特征在于，所述施工工艺及工法参数包含所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d、沿隧道截面的轨迹点数m、沿垂直于隧道截面的隧道方向的轨迹条数k、以及施工路径选择参数，所述施工路径选择参数指示是选择沿隧道截面方向进行施工还是沿隧道方向进行施工。

3.根据权利要求2所述的隧道喷射机控制设备，其特征在于，所述根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果进行施工路径规划包括：

从预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果中，沿所述隧道方向取k条扫描线，每条扫描线包含沿隧道截面的多个数据点，每一数据点指示该数据点所对应的隧道轮廓点的位置；

针对所述k条扫描线中的每一条扫描线，从该扫描线上的多个数据点中取m个数据点，由此得到所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点；

根据所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d，对所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点所指示的位置进行处理，以得出所述喷射机的喷嘴的多个轨迹点；以及

根据所述施工路径选择参数所指示的施工方向，确定所述喷射机的喷嘴的所述多个轨迹点的遍历顺序，以规划出所述喷嘴的施工路径。

4.根据权利要求3所述的隧道喷射机控制设备，其特征在于，

所述k条扫描线沿所述隧道方向均匀分布；和/或

所述m个数据点在该m个数据点所位于的扫描线上均匀分布。

5.根据权利要求1所述的隧道喷射机控制设备，其特征在于，在施工作业完成之后，

所述接收器还接收关于施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果；以及

所述控制器还用于将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较，根据比较结果评价施工作业的效果。

6.根据权利要求5所述的隧道喷射机控制设备，其特征在于，所述将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较并根据比较结果评价施工作业的效果包括：

确定所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一轮廓点的位置与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一对应轮廓点的位置之间的距离；以及

在该距离中的最大值大于阈值时，判定施工作业不合格。

7.一种隧道喷射机控制方法，其特征在于，该方法包括：

接收施工工艺及工法参数；以及

根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果，进行施工路径规划，并根据所规划的路径对所述喷射机的臂架运动以及喷射作业进行控制，以进行施工作业。

8.根据权利要求7所述的隧道喷射机控制方法，其特征在于，所述施工工艺及工法参数包含所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d、沿隧道截面的轨迹点数m、沿垂直于隧道截面的隧道方向的轨迹条数k、以及施工路径选择参数，所述施工路径选择参数指示是选择沿隧道截面方向进行施工还是沿隧道方向进行施工。

9.根据权利要求8所述的隧道喷射机控制设备，其特征在于，所述根据所述施工工艺及工法参数及预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果进行施工路径规划包括：

从预先构建的关于所述隧道的轮廓扫描结果中，沿所述隧道方向取k条扫描线，每条扫描线包含沿隧道截面的多个数据点，每一数据点指示该数据点所对应的隧道轮廓点的位置；

针对所述k条扫描线中的每一条扫描线，从该扫描线上的多个数据点中取m个数据点，由此得到所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点；

根据所述喷射机的喷嘴距离所述隧道的距离d，对所述k条扫描线中的每一条扫描线的m个数据点所指示的位置进行处理，以得出所述喷射机的喷嘴的多个轨迹点；以及

根据所述施工路径选择参数所指示的施工方向，确定所述喷射机的喷嘴的所述多个轨迹点的遍历顺序，以规划出所述喷嘴的施工路径。

10.根据权利要求9所述的隧道喷射机控制方法，其特征在于，

所述k条扫描线沿所述隧道方向均匀分布；和/或

所述m个数据点在该m个数据点所位于的扫描线上均匀分布。

11.根据权利要求7所述的隧道喷射机控制方法，其特征在于，在施工作业完成之后，该方法还包括：

接收关于施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果；以及

将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较，根据比较结果评价施工作业的效果。

12.根据权利要求11所述的隧道喷射机控制方法，其特征在于，所述将所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息进行比较并根据比较结果评价施工作业的效果包括：

确定所述施工作业完成之后所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一轮廓点的位置与所述施工作业完成之前的关于所述隧道的轮廓扫描结果中的轮廓信息中的每一对应轮廓点的位置之间的距离；以及

在该距离中的最大值大于阈值时，判定施工作业不合格。

13.一种喷射机，其特征在于，该喷射机包含根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的隧道喷射机控制设备。