CN112964236A - 一种用于竖井掘进机的激光导向系统及其导向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于竖井掘进机的激光导向系统及其导向方法，包括：设置于竖井掘进机中的激光靶和激光发射器；激光发射器安装于线锤上，线锤由拉绳悬挂于井口的牵拉装置上；驱动装置用于驱动所述牵拉装置，使得在掘进过程中，保持激光发射器距离激光靶上方预定高度。由于激光发射器与激光靶面之间距离一定，激光点亮度、大小不会随着掘进深度的加深发生变化，因此在图像处理过程中不容易误判，处理更加准确，效果更佳。

Description

一种用于竖井掘进机的激光导向系统及其导向方法

技术领域

本发明涉及竖井掘进的激光导向技术领域，特别是用于竖井掘进机的激光导向系统及其导向方法。

背景技术

SBM竖井掘进机是我国首台将隧道掘进理念引入竖井施工，实现了大型盲竖井施工的机械化，智能化，工厂化施工，既保障施工安全，又可以提高施工效率。掘进机位置及姿态的自动测定是竖井掘进机的核心问题之一。

公开号为CN109448048A中国专利申请披露了一种基于labview的竖井激光导向偏差计算方法及导向装置。如图1所示，在竖井盾构机中部设置有供激光穿过的通孔，在通孔下方的竖井盾构机内、刀盘1上方设置有激光靶2，激光靶的靶面21为PVC透明塑料板且与通孔相对应；激光发射器3设置在地面并通过通孔将发射的激光照射到激光靶的靶面上。在激光靶2的底部设置有倾角仪，倾角仪检测激光靶的倾斜角度并将检测信号通过光纤传输到地面的上位机内。在激光靶内安装有相机，相机的设置方向与激光靶的靶面垂直，并将拍摄的图像通过光纤传输到地面的上位机，上位机对采集的图像进行处理，识别激光点在靶面上的位置。用两束激光点和倾角仪可自动实时的观察掘进的方位变化；可同时测得东西南北方向的偏差，及掘进平面上X轴和Y轴上的倾斜角度及竖直向下方向的旋转角度，因此可提供给盾构司机掘进倾斜程度，及时矫正。

上述方案中，激光器发射器3固定在地面，随着钻进程度的增加，激光发射器4距离激光靶面21越来越远，则激光发射器3在激光靶面21上形成的光点强度逐步降低，这就导致对相机采集图像的处理难度增加，而且更加容易受到干扰，处理效果不佳，准确度降低。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于竖井掘进机的激光导向系统及其导向方法，用以解决现有技术处理效果较差的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于竖井掘进机的激光导向系统，包括设置于竖井掘进机中的激光靶和激光发射器，所述激光发射器安装于线锤上；所述线锤由拉绳悬挂于井口的牵拉装置上；驱动装置用于驱动所述牵拉装置，使得在掘进过程中，保持激光发射器距离激光靶上方预定高度。

本发明的有益效果是：由于激光发射器与激光靶面之间距离一定，激光点亮度、大小不会随着掘进深度的加深而发生变化。因此在图像处理过程中不容易误判，处理结果更加准确。而且，由于激光点特征不变，定位算法可以采用模板匹配的方式，这种算法容易实现，因此进一步了降低识别难度，提高识别准确性。

进一步的，所述驱动装置为电机。

进一步的，所述预定高度为1-2米。

进一步的，还包括控制装置，控制装置采集掘进机的信息，控制连接所述驱动装置。

本发明还提供了一种用于竖井掘进机的激光导向方法，步骤包括：

在掘进过程中，使激光发射器与激光靶同步下降，以保持激光发射器位于激光靶上方预定高度；采集激光靶图像，通过图像处理方法定位激光点坐标；根据激光点坐标判断竖井掘进机的姿态。

进一步的，所述预定高度为1-2米。

进一步的，掘进前，标定两个激光点的大地坐标，以及它们中点的大地坐标；在掘进过程中，根据这三个点的大地坐标和像素坐标确定坐标转换关系；根据所述坐标转换关系，以及靶面中心的像素坐标，计算靶面中心的大地坐标；将靶面中心的大地坐标与设计轴线进行比较以确定偏差。

进一步的，还包括：根据刀盘与靶面的位置关系，由靶面中心的大地坐标计算刀盘的大地坐标，并且与设计轴线进行比较。

进一步的，所述激光导向方法采用二维坐标或者三维坐标。

进一步的，确定三维坐标系下的坐标转换关系时，利用倾角仪测量靶面的俯仰角和翻滚角，通过两个激光点测量偏航角。

本发明的方法能够准确计算出偏差情况，保证掘进过程中及时进行控制修正。

附图说明

图1是现有技术的激光导向系统；

图2是本发明的激光导向系统；

图3是靶面坐标系示意图。

具体实施方式

本实施例的用于竖井掘进机的激光导向系统，如图2所示，包括竖井掘进机中的激光靶2，激光靶2设置在刀盘1上方。地面上设置有牵拉装置5，牵拉装置5通过拉绳(例如钢丝绳)牵拉两个线锤3，每个线锤3下侧固定一个激光发射器4。牵拉装置5包括卷扬机、滑轮等，由电机6进行驱动。

本发明的方法创新在于，在掘进仅掘进过程中，牵拉装置5下放线锤3，使线锤3(与激光发射器4)与激光靶面21始终维持一个预定的高度，该高度在1-2米之间。线锤3用于提供一定的重量，使激光发射器4在下降过程中容易保持稳定。

使线锤3(与激光发射器4)与激光靶面21始终维持一个预定的高度，需要保证掘进机与牵拉装置5同步动作，也就是说，当掘进机掘进距离h，则牵拉装置5也就相应的下放h长度的钢绳。实现的手段为：设置控制装置，控制装置与掘进机进行通讯，获取掘进机掘进距离的数据，同时控制装置控制电机6，使电机运行，下放拉绳。

这样，随着掘进深度的加深，由于激光发射器与激光靶面之间距离一定，激光点亮度、大小不会随着掘进深度的加深而发生变化。因此，相对于现有技术，在图像处理过程中时不易误判，处理结果更加准确。而且，由于激光点特征不变，定位算法可以采用模板匹配的方式，这种算法容易实现，因此进一步了降低识别难度，提高了识别的准确性。

例如，图像处理的方法包括：首先创建标准模板：对样本图像进行图像预处理，进行相关的形态学滤波，使激光点形成圆形光斑，以一个光斑圆点的图像创建标准模板；在读取待识别的图像后，首先进行图像预处理，然后根据所述标准模板进行匹配，找出两个激光点，最后定位激光点的中心坐标。

在定位出激光点坐标后，则需要进一步技术掘进机的姿态，包括偏差计算，用于实现导向控制，下面具体介绍。

偏差计算实施方式一：

掘进前，建立坐标系：以相机拍摄的图片的像素坐标系建立激光靶面的坐标系，因相机设定拍摄位置，所拍摄图片范围设定为激光靶面，故相机视角的左上角为原点A(0,0)，激光靶AC的连线为X轴正向，AB的连线为Y轴正向。本文中，将各个点在图像中的坐标称为像素坐标，以区别于大地坐标。两个激光点的像素坐标M(x1’,y1’)，N(x2’,y2’)，靶面中心(即设备轴向)的像素坐标O(x3’，y3’),如图3所示。

最后进行标定：通过全站仪测量M，N点的大地坐标。M(x1,y1)，N(x2,y2)。

完成标定后，掘进过程中，M，N点的大地坐标是始终不会变化的，因此，每次进行测量时，首先根据坐标转换公式x＝x’cost-y’sint+x0，y＝x’sint+y’cost+y0，其中x，y表示大地坐标，x’，y’表示像素坐标。其中，由于sint，cost有关联性，可以认为是一个参数，因此，需要2个点的像素坐标和大地坐标即可进行解算。

然后，由于靶面中心的像素坐标O(x3’，y3’)始终是不变的，将该像素坐标带入坐标转换公式即可计算出靶面中心的大地坐标O(x3，y3)，将靶面中心的大地坐标与设计轴线(X0，Y0)进行比较，即可得出设备轴线与设计轴线在X方向和Y方向的偏差。

上述方法中，利用M，N点的大地坐标是始终不变的性质，只需要标定一次即可在掘进过程的每次测量中使用，进而实现了偏差的计算。

进一步的，还可以结合靶面与刀盘的关系，得到刀盘的偏差。

偏差计算实施方式二：

在上述偏差计算实施方式一的基础上，考虑靶面相对水平面的倾斜，还可以在上述靶面中心的大地坐标O(x3，y3)根据倾角仪测量的倾斜角度，计算在水平面上的投影坐标O(x3_投，y3_投)，用该投影坐标O(x3_投，y3_投)与设计轴线(X0，Y0)进行比较。

偏差计算实施方式三：

实施方式三采用三维坐标，在实施方式一的基础上，增加Z方向(垂直于靶面方向)。两个激光点的像素坐标M(x1’,y1’，0)，N(x2’,y2’，0)，靶面中心(即设备轴向)的像素坐标O(x3’，y3’，0)，如图3所示。通过全站仪测量标定M，N点的大地坐标，M(x1,y1，z1)，N(x2,y2，z2)。

完成标定后，掘进过程中，M，N点的大地坐标是始终不会变化的，因此，每次进行测量时，首先根据坐标转换公式计算出参数x0，y0和z0。

其中x，y，z表示大地坐标，x’，y’，z’表示像素坐标。其中α、β、γ为靶面的俯仰角、翻滚角和偏航角，利用倾角仪测量靶面的俯仰角和翻滚角，通过两个激光点测量偏航角。

然后，由于靶面中心的像素坐标O(x3’，y3’，0)始终是不变的，将该像素坐标带入坐标转换公式即可计算出靶面中心的大地坐标O(x3，y3，z3)，将靶面中心的大地坐标与设计轴线(X0，Y0，Z0)进行比较，即可得出设备轴线与设计轴线在X方向和Y方向的偏差。或者，进一步，结合靶面与刀盘的关系(靶面与刀盘的关系是固定的，可以通过标定得出)，得到刀盘中心(x_刀，y_刀，z_刀)，再与设计轴线进行比较，得到刀盘的偏差。

上述偏差计算方法，能够快速确定偏差，为控制修正刀盘提供了控制依据。

Claims (10)

1.一种用于竖井掘进机的激光导向系统，包括设置于竖井掘进机中的激光靶和激光发射器，其特征在于，所述激光发射器安装于线锤上；所述线锤由拉绳悬挂于井口的牵拉装置上；驱动装置用于驱动所述牵拉装置，使得在掘进过程中，保持激光发射器距离激光靶上方预定高度。

2.根据权利要求1所述的激光导向系统，其特征在于，所述驱动装置为电机。

3.根据权利要求1所述的激光导向系统，其特征在于，所述预定高度为1-2米。

4.根据权利要求1所述的激光导向系统，其特征在于，还包括控制装置，控制装置采集掘进机的信息，控制连接所述驱动装置。

5.一种用于竖井掘进机的激光导向方法，其特征在于，步骤包括：

在掘进过程中，使激光发射器与激光靶同步下降，以保持激光发射器位于激光靶上方预定高度；

采集激光靶图像，通过图像处理方法定位激光点坐标；

根据激光点坐标判断竖井掘进机的姿态。

6.根据权利要求5所述的激光导向方法，其特征在于，所述预定高度为1-2米。

7.根据权利要求5所述的激光导向方法，其特征在于，掘进前，标定两个激光点的大地坐标，以及它们中点的大地坐标；在掘进过程中，根据这三个点的大地坐标和像素坐标确定坐标转换关系；根据所述坐标转换关系，以及靶面中心的像素坐标，计算靶面中心的大地坐标；将靶面中心的大地坐标与设计轴线进行比较以确定偏差。

8.根据权利要求7所述的激光导向方法，其特征在于，还包括：根据刀盘与靶面的位置关系，由靶面中心的大地坐标计算刀盘的大地坐标，并且与设计轴线进行比较。

9.根据权利要求7所述的激光导向方法，其特征在于，所述激光导向方法采用二维坐标或者三维坐标。

10.根据权利要求9所述的激光导向方法，其特征在于，确定三维坐标系下的坐标转换关系时，利用倾角仪测量靶面的俯仰角和翻滚角，通过两个激光点测量偏航角。

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