CN109635406A - 一种基于点云切片的隧道全自动喷浆轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于点云切片的隧道全自动喷浆轨迹规划方法，其针对隧道喷浆支护作业的喷浆机喷浆轨迹问题，通过点云切片技术处理并分析隧道三维点云数据，将数据维度从三维降至二维，并采用混凝土逐层叠加喷浆算法，依据法向距离偏差判断喷浆厚度，而形成结合隧道特征的全自动喷浆轨迹方法，用于喷浆机在无人操作下智能完成隧道喷浆支护任务，可广泛应用于高速公路隧道、高铁隧道、地铁隧道的全自动喷浆支护。

Description

一种基于点云切片的隧道全自动喷浆轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及一种主要应用于隧道喷浆支护作业中全自动喷浆轨迹规划方法，具体涉及一种运用结合混凝土喷射模型的点云切片技术、相邻切片临近点匹配算法、基于法向距离偏差的逐层叠加算法得到一系列隧道喷浆轨迹的方法。
背景技术
目前，隧道喷浆支护作业大部分是人工操控喷浆机在极其恶劣的环境下完成的，要求操控者技术娴熟、长时间精力集中，但其对身体伤害大。同时，市场上尚未出现任何一款全自动喷浆机器人来完成隧道喷浆支护作业。与之最相近的产品为喷涂机器人。喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。它只能在规则的器件表面进行薄层喷涂，操作相对简单。在隧道这一个大空间、复杂度高的环境下，喷涂机器人便无法适用了。
结合隧道特征的喷浆轨迹规划是全自动喷浆机器人关键技术之一，当前并没有相关技术出现。为了减小恶劣环境对操控者的身体伤害和提高隧道喷浆行业的智能化，目前极需开发一种新的隧道全自动喷浆轨迹规划方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种基于点云切片的隧道全自动喷浆轨迹规划方法，能摆脱喷浆机对操控者技能的依赖，通过对隧道三维点云数据的处理生成轨迹点的位置和朝向，进而提供给喷浆机器人控制部分使喷枪按照轨迹点要求完成喷浆作业。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于点云切片的隧道全自动喷浆轨迹规划方法，该方法步骤如下：
第一步，建立人为可调的参数化喷浆机混凝土圆锥形喷射模型，采用高斯函数对喷浆层累积速率建模以分析喷浆情况；其中，可调的参数为混凝土反弹系数和喷浆壁面附着半径；
第二步，于隧道内采集三维点云数据，建立隧道三维点云模型；由隧道三维点云模型判断喷枪的移动方向，根据喷枪移动方向设定点云切片方向，喷枪移动方向即为点云切片方向，并根据喷浆机混凝土喷射数学模型的喷射直径设定切片厚度，切片厚度在数值上等于喷枪的行间距，然后通过一系列平行平面去切割隧道三维点云模型，得到多段点云数据，以每相邻的两段点云数据为一组，将该多段点云数据依次进行划分；
第三步，运用相邻数据点插值法，计算获取每组的两段点云数据中互为最近点的匹配点对，组成匹配点集，将匹配点集分别连线后而与切片相交于多个点，而得到隧道面的待喷点；
第四步，利用平面拟合的方式提取隧道面的待喷点的点云数据的表面法向量，并且将该各待喷点沿着表面法向量方向偏移1～1.5m，得到偏移后的待喷轨迹点，依次首尾连接偏移后的待喷轨迹点，得到喷浆机的喷枪轨迹；
第五步，在喷浆机的喷枪轨迹的空间位置点的基础上，一方面在两个工字钢之间的隧道面部分，喷枪朝向与该隧道面的表面法向量相同的方向喷浆，另一方面在靠近工字钢的待喷部分，喷枪朝向与该待喷部分的表面法向量成45°的方向斜喷，以保证工字钢里面不留空隙；
第六步，喷浆时，先设定隧道面上需要喷浆完成后的目标面，以该目标面与其对应的隧道面之间于该隧道面的表面法向量方向上的法向距离为判断依据，同时考虑混凝土需要凝固的时间，采用逐层叠加喷浆的方法，依前述第五步的喷枪朝向调节喷枪位置，来回多次喷浆不断减小法向距离的偏差，当法向距离的偏差在-5～5cm内时，则表示喷浆任务达到要求，喷浆完成。
上述提及的人为可调的参数化喷浆机混凝土圆锥形喷射模型等未作特别详细叙述的部分皆为现有技术。
本发明解决了在复杂度高的隧道三维空间中数据处理难度大的问题，通过采用结合混凝土喷射模型的点云切片技术，切片厚度与混凝土喷射模型相匹配，一次喷射可以覆盖一个切片的厚度，将轨迹规划空间维度降至二维，既降低了轨迹规划的难度，又能提高喷浆支护任务的效率；解决了喷浆机自动搜索隧道待喷面问题，通过采用两两相邻隧道点云切片的相邻数据点插值法，获得切片平面和隧道平面的交点，替代人工找到更精确的隧道待喷面位置，为喷浆机的智能化、全自动喷浆奠定基础；解决了如何在复杂隧道表面完成喷浆任务问题，通过采用结合高斯和涂层累积速率模型的逐层叠加壁面湿喷算法，喷浆厚度和喷浆时间相匹配，在不同超挖情况下喷浆厚度不同，同时大范围来回移动叠加保证了给予混凝土足够的凝固时间，高质量完成喷浆任务；解决了隧道喷浆壁面平整度判断问题，通过采用基于目标面为标准的法向距离偏差算法，以法向距离偏差的方差为判断依据，替代人工判断隧道喷浆的平整度，进一步提高了隧道喷浆支护的质量，为隧道全自动喷浆效果提供保障。
本发明针对隧道特有的大空间、不规则的施工壁面，对隧道三维点云数据关键点处理和分析，将数据维度从三维降至二维，极大地提高了数据处理效率，降低轨迹规划的难度。针对超挖程度不一的隧道壁面填充支护问题，采用混凝土逐层叠加方法，依据法向距离偏差判断喷浆厚度，进一步提高喷浆施工效果。喷浆机的喷枪按照既定轨迹喷浆即可完成支护作业，可应用于高速公路隧道、高铁隧道、地铁隧道的全自动喷浆支护，适用工程领域广泛。
附图说明
图1是本发明的隧道点云切片示意图。
图2是切片平面与点云求交点示意图。
图3是逐层叠加壁面湿喷方法示意图。
具体实施方式
本发明为一种基于点云切片的隧道全自动喷浆轨迹规划方法，该方法步骤如下：
第一步，建立人为可调的参数化喷浆机混凝土圆锥形喷射模型，采用高斯函数对喷浆层累积速率建模以分析喷浆情况；其中，可调参数为混凝土反弹系数和喷浆壁面附着半径；
第二步，于隧道内采集三维点云数据，建立隧道三维点云模型；由隧道三维点云模型判断喷枪的移动方向，根据喷枪移动方向设定点云切片方向，喷枪移动方向即为点云切片方向，并根据喷浆机混凝土喷射数学模型的喷射直径设定切片厚度，切片厚度在数值上等于喷枪的行间距，然后通过一系列平行平面去切割隧道三维点云模型，得到多段点云数据，以每相邻的两段点云数据为一组将该多段点云数据依次进行划分，结合参见图1，图中显示的E1、E2、E3为平行切割平面(即切割面)，E1与E2之间的切割部分即为一模型切片，亦为一段点云数据；
第三步，运用相邻数据点插值法，计算获取每组的两段点云数据中互为最近点的匹配点对，组成匹配点集，将匹配点集分别连线后而与切割面相交于多个点，而得到隧道面的待喷点，结合参见图2，E1、E、Er为切割面，切割面E与各匹配点集连线的交点即为所需要的隧道面待喷点；
第四步，利用平面拟合的方式提取隧道面的待喷点的点云数据的表面法向量，并且将该各待喷点沿着表面法向量方向偏移1～1.5m，得到偏移后的待喷轨迹点，依次首尾连接偏移后的待喷轨迹点，得到喷浆机的喷枪轨迹；
第五步，在喷浆机的喷枪轨迹的空间位置点的基础上，一方面在两个工字钢之间的隧道面部分，喷枪朝向与该隧道面的表面法向量相同的方向喷浆，另一方面在靠近工字钢的待喷部分，喷枪朝向与该待喷部分的表面法向量成45°的方向斜喷，以保证工字钢里面不留空隙；
第六步，喷浆时，先设定隧道面上需要喷浆完成后的目标面，以该目标面与其对应的隧道面之间于该隧道面的表面法向量方向上的法向距离为判断依据，同时考虑混凝土需要凝固的时间，采用逐层叠加喷浆的方法，依前述第五步的喷枪朝向来调节喷枪位置，来回多次喷浆不断减小法向距离的偏差，结合参见图3，当法向距离的偏差在-5～5cm内时，则表示喷浆任务达到要求，喷浆完成。
本发明的应用过程为：喷浆机驶入隧道后，依据采集好的隧道三维点云模型规划出喷浆机从头到尾喷浆一遍的喷枪末端路径和朝向，通过判断待喷点法向距离大小，来回多次喷浆，不断减小法向距离的偏差，当法向距离的偏差在-5～5cm内时，则表示喷浆任务达到要求，喷浆完成。

Claims (1)

1.一种基于点云切片的隧道全自动喷浆轨迹规划方法，其特征在于：该方法步骤如下：
第一步，建立人为可调的参数化喷浆机混凝土圆锥形喷射模型，采用高斯函数对喷浆层累积速率建模以分析喷浆情况；其中，可调参数为混凝土反弹系数和喷浆壁面附着半径；
第二步，于隧道内采集三维点云数据，建立隧道三维点云模型；由隧道三维点云模型判断喷枪的移动方向，根据喷枪移动方向设定点云切片方向，喷枪移动方向即为点云切片方向，并根据喷浆机混凝土喷射数学模型的喷射直径设定切片厚度，切片厚度在数值上等于喷枪的行间距，然后通过一系列平行平面去切割隧道三维点云模型，得到多段点云数据，以每相邻的两段点云数据为一组，将该多段点云数据依次进行划分；
第三步，运用相邻数据点插值法，计算获取每组的两段点云数据中互为最近点的匹配点对，组成匹配点集，将匹配点集分别连线后而与切片相交于多个点，而得到隧道面的待喷点；
第四步，利用平面拟合的方式提取隧道面的待喷点的点云数据的表面法向量，并且将各待喷点沿着表面法向量方向偏移1～1.5m，得到偏移后的待喷轨迹点，依次首尾连接偏移后的待喷轨迹点，得到喷浆机的喷枪轨迹；
第五步，在喷浆机的喷枪轨迹的空间位置点的基础上，一方面在两个工字钢之间的隧道面部分，喷枪朝向与该隧道面部分的表面法向量相同的方向喷浆，另一方面在靠近工字钢的待喷部分，喷枪朝向与该待喷部分的表面法向量成45°的方向斜喷；
第六步，喷浆时，先设定隧道面上需要喷浆完成后的目标面，以该目标面与其对应的隧道面之间于该隧道面的表面法向量方向上的法向距离为判断依据，同时考虑混凝土需要凝固的时间，采用逐层叠加喷浆的方法，调节喷枪位置，来回多次喷浆不断减小法向距离的偏差，当法向距离的偏差在-5～5cm内时，则喷浆完成。
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