CN111305859A - 基于双目视觉的盾构机自动导向系统和方法 - Google Patents

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刘恒杰
钟庆丰
徐军哲
王玮
赵磊
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    • E21D9/093—Control of the driving shield, e.g. of the hydraulic advancing cylinders
    • G—PHYSICS
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying

Abstract

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种基于双目视觉的盾构机自动导向系统和方法，该系统包含：单独分散布设在盾构机上作为标识点的红外发光体；固定在管片和/或围岩和/或盾构机内部用于通过视觉拍照定位实时动态监测标识点的双目相机；所述双目相机通过通讯网络与电控室上位机连接，以通过电控室上位机的坐标数据处理来对盾构机进行自动导向定位。本发明通过双目相机对盾构机上的Mark点进行实时监视，无需直接接触测量，可实现小转弯半径盾构机自动定位导向及狭小空间对盾构机不同活动部位的自动定位功能，减少工作人员作业量和数据计算量，降低对数据处理平台运算性能要求，适用性强，使用灵活，具有很强应用的前景。

Description

基于双目视觉的盾构机自动导向系统和方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种基于双目视觉的盾构机自动导向系统和方法。
背景技术
在隧道施工中，掘进机设备逐渐向极端化发展，开挖直径最大或最小,灵活性超小转弯半径(小于常规盾构转弯能力)，特别是在空间狭小、转弯半径又小，掘进设备又灵活的施工环境下，常规测量设备无法直接对盾构机姿态进行测量定位，无法实现对运动的盾体精确控制，此时就需要一直无接触式测量方法，对盾构机的位姿进行空间定位，指引盾构机正常推进。
发明内容
为此，本发明提供一种基于双目视觉的盾构机自动导向系统和方法，通过双目相机对盾构机上的标识点进行实时监视，以实现盾构机位姿的空间定位，无需直接接触测量来指引盾构机正常推进，适用性强、灵活度高，大幅提高隧道现场施工效率。
按照本发明所提供的设计方案，一种基于双目视觉的盾构机自动导向系统，包含：
单独分散布设在盾构机上作为标识点的红外发光体；
固定在管片和/或围岩和/或盾构机内部用于通过视觉拍照定位实时动态监测标识点的双目相机；
所述双目相机通过通讯网络与电控室上位机连接，以通过电控室上位机的坐标数据处理来对盾构机进行自动导向定位。
作为本发明基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，所述通讯网络采用无线电台通信。
作为本发明基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，还包含锂电池，用于为电台和双目电机提供电能。
作为本发明基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，所述标识点至少设置3个。
作为本发明基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，所述双目相机包含两个，一个设于盾构机支撑盾上用于作为标识点，另一个设于管片和/或围岩上用于实时动态监测标识点以获取标识点中心三维坐标数据，两个双目相机均通过通讯网络连接至电控室上位机。
进一步地，本发明还提供一种基于双目视觉的盾构机自动导向方法，基于上述的基于双目视觉的盾构机自动导向系统实现，该实现过程包含如下内容：
固定双目相机和标识点，使标识点位于双目相机监视空间范围内；
测量盾构机轴线并获取其轴线中心的三维坐标，标定该三维坐标、标识点三维坐标的位置关系作为初始零位数据；
盾构机推进过程中，通过双目相机对标识点进行实时监视以获取各点位三维坐标；将获取到的各点位三维坐标与初始零位数据中的标识点三维坐标进行坐标转换，以获取盾构机轴线坐标，通过该轴线坐标来解算盾构机实时的姿态位置。
作为本发明基于双目视觉的盾构机自动导向方法，进一步地，坐标转换中，通过初始零位数据中标识点三维坐标和推进中三维坐标获取用于坐标转换的平移参数、旋转参数和尺度参数，依据平移参数、旋转参数和尺度参数解算出盾构机轴线坐标。
本发明的有益效果：
本发明通过双目相机对盾构机上的Mark点进行实时监视，无需直接接触测量，可实现小转弯半径盾构机自动定位导向及狭小空间对盾构机不同活动部位的自动定位功能；且双目相机安装简易方便，对安装位置环境要求较低，可实现快速安装定位，减少工作人员作业量；可在双目相机自身绝对坐标系下，对盾构机进行自动导向定位，减少数据计算量，降低对数据处理平台运算性能要求，适用性强，使用灵活，具有很强应用的前景。
附图说明：
图1为实施例中单双目相机的自动导向系统示意图；
图2为实施例中两个双目相机的自动导向系统示意图。
图中标号，标号1代表盾构机，标号11代表前盾，标号12代表支撑盾，标号13代表撑靴，标号14代表推进油缸，标号2代表标识点，标号3、31、32代表双目相机，标号4代表标准靶。
具体实施方式：
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。
针对现有盾构机姿态常规测量中无法适应狭小空间等施工环境的情形，本发明实施例中提供一种基于双目视觉的盾构机自动导向系统，参见图1所示，包含：单独分散布设在盾构机上作为标识点的红外发光体；固定在管片和/或围岩和/或盾构机内部用于通过视觉拍照定位实时动态监测标识点的双目相机；所述双目相机通过通讯网络与电控室上位机连接，以通过电控室上位机的坐标数据处理来对盾构机进行自动导向定位。通过双目相机对盾构机上的Mark点进行实时监视，无需直接接触测量，可实现小转弯半径盾构机自动定位导向及狭小空间对盾构机不同活动部位的自动定位功能，适用性强，使用灵活、方便。
作为本发明实施例中的基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，所述通讯网络采用无线电台通信。在双目相机和双目相机与电控室上位机连接线路上分别安装发送和接收天线等无线电信号收发设备，以实现两者之间的数据传输，以较好地适应隧道施工环境。
作为本发明实施例中的基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，还包含锂电池，用于为电台和双目电机提供电能，提升设备使用时长，较少施工环境中设备的维护更换频率。
作为本发明实施例中的基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，所述标识点至少设置3个，能够提高坐标数据的精确度。
作为本发明实施例中基于双目视觉的盾构机自动导向系统，进一步地，所述双目相机包含两个，一个设于盾构机支撑盾上用于作为标识点，另一个设于管片和/或围岩上用于实时动态监测标识点以获取标识点中心三维坐标数据，两个双目相机均通过通讯网络连接至电控室上位机。参见图2所示，现有通过在盾构机前盾、支撑盾和推进油缸中分别设置标靶、激光靶和红外发光体并在围岩内壁设置全站仪和棱镜来实现通过全站仪和激光靶的施工定位，在现有基础上，将激光靶和全站仪更换为两个双目相机，通过双目相机进行视觉拍照定位来确定前盾姿态，可实现毫米级定位精度，拍照视野具有可调节性，可适应不同测量环境，完全满足现场掘进机精确定位问题，具有良好的可实现性和经济性。
进一步地，基于上述的基于双目视觉的盾构机自动导向系统实现，本发明实施例还提供一种基于双目视觉的盾构机自动导向方法，该实现过程包含如下内容：
固定双目相机和标识点，使标识点位于双目相机监视空间范围内；
测量盾构机轴线并获取其轴线中心的三维坐标，标定该三维坐标、标识点三维坐标的位置关系作为初始零位数据；
盾构机推进过程中，通过双目相机对标识点进行实时监视以获取各点位三维坐标；将获取到的各点位三维坐标与初始零位数据中的标识点三维坐标进行坐标转换，以获取盾构机轴线坐标，通过该轴线坐标来解算盾构机实时的姿态位置。
作为本发明实施例中的基于双目视觉的盾构机自动导向方法，进一步地，坐标转换中，通过初始零位数据中标识点三维坐标和推进中三维坐标获取用于坐标转换的平移参数、旋转参数和尺度参数，依据平移参数、旋转参数和尺度参数解算出盾构机轴线坐标。
本发明实施例中，高精度双目工业相机，其主要功能是对安装在盾构机上的Mark点即标识点进行实时动态监测，读取Mark点圆心的三维坐标(x,y,z)；Mark点，可采用波长为940nm的圆形红外装置，例如红外发光笔等，尺寸较小能够单独分散固定在盾构机内，也可以加工成不同形状的结构件装置固定在盾体内，其Mark点至少要保证3个以上(≥3)。测量过程及原理：把高精度双目工业相机固定在管片，围岩或者盾构机内部稳定部位，保证其稳定；把Mark点固定在双目相机可以监视到的空间内，通电使其处于工作状态；通过其他测量设备对盾构机轴线进行初始测量，计算出盾构机轴线中心三维坐标；标定盾构机轴线中心三维坐标、Mark点三维坐标的空间位置关系作为初始零位数据；盾构机开始推进，双目相机对盾构机内的Mark点进行实时监视，计算出各个点位三维坐标。
推进中的Mark点的三维坐标与初始标定的Mark点的三维坐标进行参数转换求出转换参数，实时计算盾构机的姿态位置，坐标转换计算过程(通用七参数求解)：
a)初始零位坐标即Mark点三维坐标和盾构机推进过程中Mark点三维坐标；
b)已知零位Mark点坐标和过程中推进中三维坐标即可建立转换关系，求解七参数，包括3个平移参数、3个旋转参数、1个尺度参数(Δx、Δy、Δz、θ1、θ2、θ3、K)，进而解算出盾构机的轴线坐标。
根据坐标转换公式如下，式(1)：
Figure BDA0002417175750000071
推进一段距离后，当需要进行换站操作，即双目相机要重新往掘进方向安装固定；换站过程为：通过换站前双目相机最后一次计算的盾构机轴线中心三维坐标和换站后，双目相机重新获得的Mark点三维坐标为基准，再次重新标定，返回标定初始零位数据步骤进行循环操作。推进一段距离后，可通过其他测量设备复核盾构机姿态，达到动态纠正的目的，返回标定初始零位数据步骤，继续推进，以实现通过无接触式测量对盾构机的位姿进行空间定位，指引盾构机正常推进。
可以理解的是，前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (7)

1.一种基于双目视觉的盾构机自动导向系统，其特征在于，包含：
单独分散布设在盾构机上作为标识点的红外发光体；
固定在管片和/或围岩和/或盾构机内部用于通过视觉拍照定位实时动态监测标识点的双目相机；
所述双目相机通过通讯网络与电控室上位机连接，以通过电控室上位机的坐标数据处理来对盾构机进行自动导向定位。
2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的盾构机自动导向系统，其特征在于，所述通讯网络采用无线电台通信。
3.根据权利要求2所述的基于双目视觉的盾构机自动导向系统，其特征在于，还包含锂电池，用于为电台和双目电机提供电能。
4.根据权利要求1所述的基于双目视觉的盾构机自动导向系统，其特征在于，所述标识点至少设置3个。
5.根据权利要求1所述的基于双目视觉的盾构机自动导向系统，其特征在于，所述双目相机包含两个，一个设于盾构机支撑盾上用于作为标识点，另一个设于管片和/或围岩上用于实时动态监测标识点以获取标识点中心三维坐标数据，两个双目相机均通过通讯网络连接至电控室上位机。
6.一种基于双目视觉的盾构机自动导向方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于双目视觉的盾构机自动导向系统实现，该实现过程包含如下内容：
固定双目相机和标识点，使标识点位于双目相机监视空间范围内；
测量盾构机轴线并获取其轴线中心的三维坐标，标定该三维坐标、标识点三维坐标的位置关系作为初始零位数据；
盾构机推进过程中，通过双目相机对标识点进行实时监视以获取各点位三维坐标；将获取到的各点位三维坐标与初始零位数据中的标识点三维坐标进行坐标转换，以获取盾构机轴线坐标，通过该轴线坐标来解算盾构机实时的姿态位置。
7.根据权利要求6所述的基于双目视觉的盾构机自动导向方法，其特征在于，坐标转换中，通过初始零位数据中标识点三维坐标和推进中三维坐标获取用于坐标转换的平移参数、旋转参数和尺度参数，依据平移参数、旋转参数和尺度参数解算出盾构机轴线坐标。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113006811A (zh) * 2021-03-19 2021-06-22 中铁工程装备集团有限公司 复合破岩施工方法
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