CN110568448B - 一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置及其方法。该装置包括一组导轨，该组所述导轨布置在硬岩隧道掘进机主梁底部；一组旋转机构，该组所述旋转机构通过转接架固定在导轨相应的滑块上；一对工业相机，该对所述工业相机组成双目视觉系统，并通过T形板安装在旋转机构上；一个2D激光雷达，该所述激光雷达固定在导轨相应的滑块上。本发明装置的双目视觉系统和激光雷达可以通过导轨实现沿隧道挖掘方向上的移动，从而获得隧道底部的积渣图像与点云信息，对图像信息和点云信息进行融合等后处理，实现对隧道底部积渣的识别。

Description

一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置及其方法
技术领域
本发明涉及钢拱架智能拼装领域，具体地说是一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置及其方法。
技术背景
全断面硬岩隧道掘进机(Hard Rock-Tunnel Boring Machine,简称TBM)是一种针对硬岩地层掘进的大型隧道施工机械，是通过电力或液力驱动刀盘旋转，在推进系统作用下刀盘顶紧岩石层，通过刀盘上的刀具开挖岩石断面，从而形成完整隧道断面的一种新型施工机械。
隧道底部积渣识别是钢拱架拼装支护智能作业的关键步骤，及时有效的钢拱架拼装支护是确保开挖隧道的安全与质量的关键，TBM掘进过程中，渣料形态成块状、片状或粉状，且常常伴有岩爆、顶部坍塌掉块现象，导致主梁下部积渣严重，若渣土石块清理速度跟不上，则导致仰拱块、轨道铺设不及时而制约施工进度。及时高效的智能清理积渣是后续工作顺利开展的保障。目前，对于隧道底部积渣的识别和清理仍然采用人工作业的方式，存在着工人工作量大、时间长、风险高等问题，制约着TBM的施工效率、施工质量与安全。
发明内容
针对以上问题，本发明目的在于提出一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置及其方法，解决隧道底部积渣的识别问题，实现对隧道底部积渣分布以及体量特征的获取，为积渣清理提供关键信息。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置，其特征在于：包括支撑架、隧道壁底座、导轨、激光雷达装置、双目视觉装置、主梁；其中，主梁固定在支撑架上，支撑架通过螺栓与隧道壁底座固连，导轨安装在主梁底部，2D激光雷达固定在激光雷达滑块上，转接架固定安装在相机滑块上，旋转台安装在转接架的另一个直角面，两个工业相机固定在T形板上，T形板通过螺栓安装在旋转台的旋转面上，激光雷达滑块和相机滑块分别与导轨构成直线滑块机构。
所述导轨安装在主梁底部，用来为激光雷达和工业相机提供运动路径。
所述激光雷达装置是通过激光雷达滑块与导轨构成滚珠导轨式移动副，包括2D激光雷达与激光雷达滑块，激光雷达滑块下部通过螺栓安装2D激光雷达。
所述双目视觉装置是通过相机滑块与导轨构成滚珠导轨式移动副，包括两个工业相机，T形板，转接架，相机滑块。
所述工业相机组成双目相机，固定在T形板上，T形板通过螺栓固定在旋转台旋转面上，旋转台底部安装在转接架的一个直角面上，转接架的另一个直角面安装在相机滑块的底部。
所述的工业相机与激光雷达获取积渣分布与体量特征，包括以下步骤：
工业相机的标定：将已知标定板作为标定图像的采集对象，利用双目相机采集标定图像，建立起三维世界坐标到双目相机图像坐标的映射关系，进行标定得到标定参数；
定位三维位置：双目相机采集目标图像，并根据世界坐标系到图像坐标系的转化关系，获得积渣的三维位置信息；
获取体量特征：通过双目相机对目标图像进行拼接，降噪，加强对比度，均匀光照等预处理，进行特征提取，获得积渣的体谅特征。
信息融合：将2D激光雷达获得的点云数据与双目视觉进行融合，得到更高精度的积渣分布信息与体量特征。
所述工业相机的标定具体如下：
安装工业相机、光源与2D激光雷达，将工业相机、激光雷达分别与工控机通过以太网线相连接，并且对两个工业相机组成的双目视觉进行标定，获得工业相机标定参数。得到积渣的世界坐标系与图像坐标系转换对应关系，通过工控机控制双目相机的图像采集和激光雷达的点云数据获取。
本发明的一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置，利用机器视觉技术，将机器双目立体视觉和激光雷达结合，协作完成硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别，识别系统包括数据采集单元和数据处理单元，其中，工业相机、光学镜头、光源、2D激光雷达、相机、2D激光雷达安装定位部件和数据传输线缆等构成图像集采单元，工控机、图像采集卡和图像处理软件等构成图像处理单元。首先在工作现场安装工业相机、光源激光雷达，确定设备间连接和供电无误，相机固定后，调节相机使其成像清晰，在采集图像时相机和标定板目标的相对位姿要适当的变化，分别采集不同位姿下标定板目标物图像，对相机进行双目标定和手眼标定，得到对应的标定参数，然后在工控机内部安装有相关的图像处理软件，通过数据采集单元中的工业相机采集的目标图像和激光雷达采集的目标深度信息，由数据处理单元结合相机标定的参数对所采集的图像进行处理分析，并对双目相机和激光雷达获得的数据融合，从而得到隧道底部积渣分布与体量特征，完成对隧道底部积渣的识别。
本发明为机械臂自动化分类清渣提供了决策依据，隧道底部的积渣特征也是表征硬岩隧道掘进机机械性能以及地质的重要依据，不再需要人工进行分类识别做出决策，工人不用长期处在环境恶劣的施工现场，降低安全隐患，进行高效智能的积渣识别，提高隧道施工效率。
附图说明
图1是本发明的轴测图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的左视图；
图4是本发明激光雷达装置、双目视觉装置与导轨配合的轴测图；
图5是本发明双目视觉装置与导轨配合的正视图；
图6是本发明双目视觉装置与导轨配合的轴测图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明包括支撑架1、隧道壁底座2、导轨3、激光雷达装置4、双目视觉装置5、主梁6；其中，主梁6固定在支撑架1上，支撑架1通过螺栓与隧道壁底座2固连，导轨3安装在主梁6底部，激光雷达装置4和双目视觉装置5分别与导轨3构成直线滑块机构。
如图4所示，激光雷达装置4包括激光雷达滑块41和2D激光雷达42；其中2D激光雷达42通过螺栓连接固定在激光雷达滑块41底部；双目视觉装置5包括相机滑块51、转接架52、旋转台53、工业相机54、T形板55和步进电机56；其中，步进电机56的输出轴与旋转台53内部的蜗杆轴通过联轴器连接，转接架52固定安装在相机滑块51上，旋转台53安装在转接架52的另一个直角面，两个工业相机54固定在T形板55上，T形板55通过螺栓安装在旋转台53的旋转面上。
本发明的一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置，分为数据采集单元和数据处理单元，其中，工业相机、光学镜头、光源、2D激光雷达、相机、2D激光雷达安装定位部件和数据传输线缆等构成图像集采单元，工控机、图像采集卡和图像处理软件等构成图像处理单元。首先在工作现场安装工业相机、光源激光雷达，确定设备间连接和供电无误，相机固定后，调节相机使其成像清晰，在采集图像时相机和标定板目标的相对位姿要适当的变化，分别采集不同位姿下标定板目标物图像，对相机进行双目标定和手眼标定，得到对应的标定参数，然后在工控机内部安装有相关的图像处理软件，通过数据采集单元中的工业相机采集的目标图像和激光雷达采集的目标深度信息，由数据处理单元结合相机标定的参数对所采集的图像进行处理分析，并对双目相机和激光雷达获得的数据融合，从而得到隧道底部积渣分布与体量特征，完成对隧道底部积渣的识别。
一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别方法，包括以下步骤：
步骤一：工业相机标定：将已知标定板作为标定图像的采集对象，利用双目相机采集标定图像，建立起三维世界坐标到双目相机图像坐标的映射关系，进行标定得到标定参数。
步骤二：数据采集单元中的激光雷达装置在接收到操作指令后，激光雷达滑块带动着2D激光雷达沿隧道掘进方向连续移动，获取目标区域内积渣的深度信息，并将信息通过以太网线实时传输至工控机。
步骤三：数据采集单元中的双目视觉装置在接收到操作指令后，相机滑块带动着双目相机沿隧道掘进方向间歇移动，到达第一个采集点时，相机滑块停止运动，在步进电机驱动下双目相机随着旋转台中的旋转面运动到与隧道横截面铅垂中心线成+20°夹角的工位对隧道底部进行图像采集后，再旋转至与隧道横截面铅垂中心线成-20°的工位再次进行图像采集，两次图像采集完成后，在动力源的驱动下，相机滑块51沿导轨3向隧道挖掘方向移动，直至到达下一个采集点继续重复两个工位的图像采集，并将图像通过以太网线实时传输至工控机，进行图像拼接、对比度增强、均匀亮度、特征提取等处理。
步骤四：将由激光雷达得到的深度信息和双目相机得到的图像信息进行融合，得到更高精度的积渣分布情况和体量特征，完成隧道底部积渣的识别。

Claims (5)

1.一种基于硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置的隧道底部积渣识别方法，所述的硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置包括支撑架(1)、隧道壁底座(2)、导轨(3)、激光雷达装置(4)、双目视觉装置(5)、主梁(6)；其中，主梁(6)固定在支撑架（1）顶部，支撑架（1）通过螺栓与隧道壁底座（2）固连，导轨（3）安装在主梁（6）底部，激光雷达装置（4）和双目视觉装置（5）安装在导轨（3）上，激光雷达装置(4)包括激光雷达滑块（41）和2D激光雷达（42），2D激光雷达（42）固定在激光雷达滑块（41）上；双目视觉装置(5)包括相机滑块（51）、转接架（52）、旋转台（53）、工业相机（54）和在T形板（55）；转接架（52）通过其一个直角面固定安装在相机滑块（51）上，旋转台（53）安装在转接架（52）的另一个直角面，T形板（55）通过螺栓安装在旋转台（53）的旋转面上，两个工业相机（54）固定在T形板（55）上，激光雷达滑块（41）和相机滑块（51）分别与导轨（3）构成直线滑块机构；
其特征在于，所述的隧道底部积渣识别方法中通过双目视觉获得积渣分布与体量特征，包括以下步骤：
步骤一：工业相机标定：将已知标定板作为标定图像的采集对象，利用双目相机采集标定图像，建立起三维世界坐标到双目相机图像坐标的映射关系，进行标定得到标定参数；
步骤二：数据采集单元中的激光雷达装置在接收到操作指令后，激光雷达滑块带动着2D激光雷达沿隧道掘进方向连续移动，获取目标区域内积渣的深度信息，并将信息通过以太网线实时传输至工控机；
步骤三：数据采集单元中的双目视觉装置在接收到操作指令后，相机滑块带动着双目相机沿隧道掘进方向间歇移动，到达第一个采集点时，相机滑块停止运动，在步进电机驱动下双目相机随着旋转台中的旋转面运动到与隧道横截面铅垂中心线成+20°夹角的工位对隧道底部进行图像采集后，再旋转至与隧道横截面铅垂中心线成-20°的工位再次进行图像采集，两次图像采集完成后，在动力源的驱动下，相机滑块沿导轨向隧道挖掘方向移动，直至到达下一个采集点继续重复两个工位的图像采集，并将图像通过以太网线实时传输至工控机，进行图像拼接、对比度增强、均匀亮度、特征提取处理；
步骤四：将由激光雷达得到的深度信息和双目相机得到的图像信息进行融合，得到积渣分布情况和体量特征，完成隧道底部积渣的识别。
2.根据权利要求1所述的隧道底部积渣识别方法，其特征在于：2D激光雷达(42)背面使用螺栓固定在激光雷达滑块（41）底部，激光雷达滑块（41）通过其内部的钢珠与导轨（3）构成滚珠导轨式移动副。
3.根据权利要求1所述的隧道底部积渣识别方法，其特征在于：激光雷达滑块（41）在动力源的驱动下，带着2D激光雷达（42）沿隧道挖掘方向移动，对硬岩隧道掘进机刀盘和盾体后部的隧道底部进行扫描。
4.根据权利要求1所述的隧道底部积渣识别方法，其特征在于：两个工业相机（54）组成双目相机。
5.根据权利要求1所述的隧道底部积渣识别方法，其特征在于：步进电机驱动旋转台（53）在隧道横截面内做旋转运动，两个工业相机（54）以旋转台（53）中心为圆心，以双目相机基线与T形板（55）对称轴交点到旋转平面中心距离为半径，做圆弧运动，工业相机（54）所做圆弧运动的两个极限位置是与隧道横截面铅垂中心线成±20°。
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