CN113345104B - 基于vr的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端 - Google Patents

基于vr的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端 Download PDF

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CN113345104B CN202110668411.8A CN202110668411A CN113345104B CN 113345104 B CN113345104 B CN 113345104B CN 202110668411 A CN202110668411 A CN 202110668411A CN 113345104 B CN113345104 B CN 113345104B
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Abstract

本发明属于盾构施工技术领域，公开了一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端，利用三维建模工具和VR应用开发工具建立盾构机和管片的VR模型并生成盾构机和管片的VR模型库、开发管片拼装过程的VR场景，并生成管片拼装VR子系统；运行控制模块利用VR运行主机运行开发的管片拼装VR应用；交互模块利用VR交互设备接收控制指令，并向管片拼装VR场景发送控制指令；同时与用户进行交互；通信模块接收外部传感器采集的实时盾尾间隙、油缸行程差、盾构机位姿、盾构机前后点偏差、隧道设计轴线及其他施工数据。本发明增强了管片拼装过程的可视化程度，提升了操作人员的沉浸感和交互性。

Description

基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端
技术领域
本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端。
背景技术
目前，盾构法施工因具有施工速度快、对围岩及上部建筑物扰动小、安全性高等优点，其已成为国内外软土地质建设的首选隧道施工方法。
在盾构法施工的管片拼装过程中，盾构机和管片的相对位姿关系十分重要，这直接反应在盾尾间隙、油缸行程差等施工数据上。目前的管片选点方法为操作人员依据数字形式的施工数据选取待拼装管片的型号与点位，这种传统的只依据数字形式施工数据进行管片点位选取的方法，使得操作人员无法直观观察各种施工数据，不能较好判断盾构机与管片的相对位姿，且操作人员因对数字不敏感看错数字进而造成管片拼装点位错误选取的情况也时有发生；同时操作人员不能实时直观观察已拼装的整条隧道，不能直观地分析隧道的走势，管片拼装过程的真实感不强，操作人员与选点软件的交互方式单一、沉浸感较差。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有盾构管片选点与拼装过程可视化程度低、真实感不强、交互方式单一、沉浸感较差，还易发生管片点位错误选取的情况。
解决以上问题及缺陷的难度为：
因此亟需提高盾构管片选点过程的可视化程度，如何搭建盾构管片选点系统以及开发管片拼装VR子系统是一个难点，虚拟环境下管片位姿和盾构机位姿的计算是另一个难点。
解决以上问题及缺陷的意义为：
随着虚拟现实技术的日渐成熟与广泛应用，盾构法施工的管片选点与拼装过程也亟需结合虚拟现实技术，搭建管片选点与拼装过程的VR环境，提升管片选点与拼装过程的可视化程度以及管片和盾构机位姿显示的实时性，结合VR交互设备提升操作人员的交互性和沉浸感，在提升操作人员体验感的基础上，还能减小因对数字不敏感导致的管片点位错误选取的情况。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端。
本发明是这样实现的，一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，包括：
步骤一，构建管片拼装VR子系统，判断管片拼装VR子系统的管片模型库和盾构机模型库中是否具有与当前施工现场相同型号的管片VR模型和盾构机VR模型，若没有，执行步骤二；若有，则转向步骤四；
步骤二，利用三维建模工具，建立管片三维模型和盾构机三维模型，并导入到VR开发工具中建立盾构机VR模型和管片VR模型，并增加至管片拼装VR子系统的管片VR模型库和盾构机VR模型库中；
步骤三，基于管片拼装VR程序，利用VR开发工具打包新的管片拼装VR子系统；
步骤四，将基于VR的盾构虚拟拼装系统硬件连接好并在VR运行主机上运行管片拼装VR子系统，利用VR交互设备在管片拼装VR子系统中读取或输入当前施工现场的DTA数据；
步骤五，设置管片的几何尺寸，并自动计算管片拼装的位姿传递矩阵；对管片初始环进行VR环境下的位姿定位；
步骤六，于盾构机开始掘进时，通过管片的位姿以及传感器或计算机采集的盾尾间隙、油缸行程实时解算定位盾构机在VR环境中的位姿；
步骤七，于盾构机掘进完成后，基于得到掘进完成后的包含盾尾间隙、油缸行程差、盾构机前后点偏差以及铰接油缸的施工数据以及上一环管片点位，自动选取当前环管片最优管片点位；
步骤八，基于当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿，并在VR环境中显示，完成当前环管片的虚拟拼装；
步骤九，循环步骤六至步骤八，直至整条隧道拼装完成。
进一步，步骤一中，所述构建管片拼装VR子系统包括：
(1)收集若干常用管片和盾构机的几何尺寸，利用三维建模工具，建立若干管片三维模型和盾构机三维模型，并在VR开发工具中建立若干盾构机VR模型和管片VR模型，构建管片VR模型库和盾构机VR模型库；
(2)在VR开发工具中开发管片拼装VR场景；确定管片点位选取算法、管片位姿计算算法、盾构机位姿计算算法，利用VR开发工具实现算法，开发管片拼装VR程序；
(3)基于VR开发工具，打包管片拼装VR程序，生成管片拼装VR子系统。
进一步，所述步骤五中计算管片拼装的位姿传递矩阵的方法包括：
对于通用型管片只有一组位姿传递矩阵，对于标准型管片有和组成标准型管片的衬砌圆环数一致组数的位姿传递矩阵，每一组位姿传递矩阵的计算方法为：
在第i环管片的末端面中心建立右手直角坐标系，管片坐标系原点位于管片末端面中心，X轴垂直于管片末端面向外，Z轴位于楔形面上，指向封顶块中心处，Y轴由右手坐标系定则确定，在坐标系Oixyz上找4个点：坐标系原点Oi，X轴上一点Ai，Y轴与管片外表面交点Bi，Z轴与管片外表面交点Ki；
管片宽度为B,直径为D，楔形量为2s,有N组纵向螺栓孔，则第i环管片上的坐标系Oixyz原点Oi坐标为(0，0，0)，Ai坐标为(1，0，0)，Bi坐标为
Figure BDA0003117849990000031
Ki坐标为
Figure BDA0003117849990000032
其中
Figure BDA0003117849990000033
在管片拼装时，第i+1环管片与第i环管片接触面中心重合，接触面法向量平行，若管片有N组螺栓组，则第i+1环管片相对于第i环管片有N种相对位姿，对应着N个位姿变换矩阵；
点Oi-1为第i-1环管片末端面中心，即第i环管片始端面中心，可计算出点Oi-1的坐标为
Oi-1(-B·cosα，0，B·sinα)
第i环管片轴线向量为
Figure BDA0003117849990000041
前进面法向量
Figure BDA0003117849990000042
第i+1环管片拼装过程可以看作从第i环管片位置出发沿着轴线ai平移距离B，再将第i+1环管片绕轴线向量ai旋转180°，此时两管片环面完全贴合，然后绕着第i环管片法向量ni旋转相应角度，即为选择不同点位进行拼装；
点Oi、Ai、Bi、Ki沿着轴线向量ai平移距离B后的对应点
O′i+1、A′i+1、B′i+1、K′i+1的坐标分别为
Figure BDA0003117849990000043
点A′i+1、W′i+1、H′i+1、F′i+1绕轴线向量Vai旋转180°对应旋转矩阵为T，对应点A″i+1、W″i+1、H″i+1、F″i+1的坐标分别为
Figure BDA0003117849990000044
Figure BDA0003117849990000051
ax＝cosα，ay＝0，az＝-sinα，θ＝180°；
点O″i+1、A″i+1、B″i+1、K″i+1绕第i环管片前进面法向量Vni旋转β角，对应旋转矩阵Pm，对应点
Figure BDA0003117849990000052
的坐标分别为
Figure BDA0003117849990000053
Figure BDA0003117849990000054
其中ax＝1，ay＝0，az＝0，
Figure BDA0003117849990000055
N为螺栓组数，m＝1，…，N，为当前环管片选取的点位；
第(i+1)环管片的坐标系的X轴、Y轴、Z轴在第i环管片坐标系中的向量表示Vx、Vy、Vz分别为
Figure BDA0003117849990000056
Figure BDA0003117849990000057
则第(i+1)环管片的坐标系相对于第i环管片坐标系的变换矩阵Q为
Figure BDA0003117849990000061
进一步，步骤五中对管片初始环进行VR环境下的位姿定位包括：
在VR环境中的世界坐标系下第1环管片的位姿设置为
x1、y1、z1、α1、β1、γ1，在世界坐标系中的位姿齐次矩阵表示为
Figure BDA0003117849990000062
进一步，所述步骤八基于当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿包括：
第i环(i≥1)的管片位姿参数为xi、yi、zi、αi、βi、γi，在世界坐标系中的位姿齐次变换矩阵为
Figure BDA0003117849990000063
第i+1环管片相对于第i环管片的位姿转换矩阵为Qi+1位姿，则第i+1环管片在世界坐标系下的位姿为：
Figure BDA0003117849990000064
由矩阵Ti+1反解出第i+1环管片的位姿参数
xi+1、yi+1、zi+1、αi+1、βi+1、γi+1。
进一步，所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法或采用以下步骤：
从外部获取盾构机位姿参数、根据施工数据计算起始环管片位姿，后续管片位姿通过位姿传递矩阵计算，并定期实际测量外部某一管片位姿，并在VR环境中进行管片位姿的更新。
本发明的另一目的在于提供一种基于VR的盾构管片虚拟拼装系统，包括：
模型构建拼装模块，与运行控制模块连接，用于利用三维建模工具和VR应用开发工具建立盾构机和管片的VR模型并生成盾构机和管片的VR模型库、开发管片拼装过程的VR场景，并生成管片拼装VR子系统；
运行控制模块，与模型构建拼装模块、交互模块、通信模块连接；用于利用VR运行主机运行开发的管片拼装VR子系统；
交互模块，与运行控制模块连接，用于利用VR交互设备获取操作者的控制指令，并将控制指令发送至管片拼装VR子系统；同时管片拼装VR子系统的反馈信号也通过VR交互设备作用于操作者；
通信模块，与运行控制模块连接，用于接收外部传感器或计算机采集的实时盾尾间隙、油缸行程差、盾构机位姿、盾构机前后点偏差、隧道设计轴线及其他施工数据。
进一步，所述三维建模工具和VR应用开发工具包括：
所述三维建模工具包括SolidWorks、ProE、UG、CATIA、3DsMax；
所述VR开发工具包括Unity3D、UE4、CryENGINE、Source Engine；
所述VR交互设备包括VR头显、VR手柄、VR键盘、VR座椅、VR脚控外设、方向盘、动作捕捉传感器。
进一步，所述管片拼装VR子系统包括：
DTA设置模块，用于读取并显示VR开发主机上的连续型或离散型DTA文件，并对读取的轴线数据进行修改和保存；
管片参数设置模块，用于输入用于盾构隧道拼装的管片参数，并基于相应参数从管片模型库中选择对应的管片模型；
盾构机几何参数设置模块，用于输入用于盾构隧道掘进的盾构机几何参数，并从盾构机模型库中选择对应的盾构机模型；
管片点位选取模块，用于基于包含盾构机前后点偏差、盾尾间隙、油缸行程差、上一环管片的点位的施工数据，选取当前环管片点位；并在VR环境中正确的显示管片位姿和盾构机位姿；
数据记录模块，用于将选取的当前环管片点位以及拼装前后的施工数据进行记录和显示；所述管片参数包括：管片类型和管片几何参数；
所述管片类型包括通用型管片、标准型管片及组成标准型管片的衬砌环；
所述管片几何参数包括：管片外径、管片内径、管片标准宽度、管片楔形量、管片点位数及其他信息；
所述盾构机参数包括：盾尾外径、盾尾内径、盾尾宽度信息；
所述管片拼装VR子系统还设置有多个相机系统用于在VR环境下直观观察管片位姿、盾构机位姿及他们的相对位姿以及施工数据。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明将盾构管片选点与拼装过程和虚拟现实技术相结合，建立管片和盾构机的VR模型和拼装过程的VR场景，基于管片几何参数设计管片位姿传递算法，对管片和盾构机在VR环境下进行实时定位，使得操作人员可以直观的观察盾构机与管片的相对位姿及各种施工数据进而更好的选取管片点位，同时还在VR环境中显示盾构机掘进过程和管片拼装过程。本发明增强了管片选点与拼装过程的可视化程度，提升了操作人员的沉浸感和交互性，解决了现有的管片选点与拼装过程可视化差、交互方式单一、操作人员沉浸感差的问题，填补了业内空白。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于虚拟现实的盾构管片选点系统架构图。
图2是本发明实施例提供的基于VR的盾构管片虚拟拼装方法流程图。
图3是本发明实施例提供的管片示意图。
图4是本发明实施例提供的管片坐标系及特殊点建立示意图。
图5是本发明实施例提供的管片拼装过程坐标系及特殊点的位姿变换示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟现实的盾构管片选点系统与方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于VR的盾构管片虚拟拼装系统基包括：
模型构建拼装模块，与运行控制模块连接，用于利用基于三维建模工具和VR应用开发工具建立盾构机和管片的VR模型并生成盾构机和管片的VR模型库、开发管片拼装过程的VR场景，并生成管片拼装VR子系统；
运行控制模块，与模型构建拼装模块、交互模块、通信模块连接；用于利用VR运行主机运行开发的管片拼装VR应用；
交互模块，与运行控制模块连接，用于利用VR交互设备接收控制指令，并向管片拼装VR场景发送控制指令；同时与用户进行交互；
通信模块，与运行控制模块连接，用于接收外部传感器采集的实时盾尾间隙、油缸行程差、盾构机位姿、盾构机前后点偏差、隧道设计轴线及其他施工数据。
本发明实施例提供的三维建模工具和VR应用开发工具包括：
三维建模工具包括但不限于Solidworks、ProE、UG、CATIA、3DMax；
VR开发工具包括但不限于Unity3D、UE4、CryENGINE、Source Engine。
本发明实施例提供的VR交互设备包括但不限于VR头显、VR手柄、VR键盘、VR座椅、VR脚控外设、方向盘、动作捕捉传感器。
具体地，本实施例中，模型构建拼装模块采用PC机，基于SolidWorks和3DsMax建立管片和盾构机的三维模型，导出fbx格式在Unity3D中开发管片和盾构机的VR模型，并开发包含泥土、地面设施等VR场景，生成管片拼装VR子系统；运行控制模块仍然采用PC机，在其上运行管片拼装VR子系统，接收由HTC VIVE Pro EYE头盔和手柄组成的交互模块的指令，并反馈VR图形信息给头盔，反馈预警振动信息给手柄，运行控制模块接收外部计算机上的实时盾尾间隙、油缸行程差、盾构机位姿、盾构机前后点偏差、隧道设计轴线及其他施工数据，为管片选点提供参考数据。
本发明实施例提供的管片拼装VR子系统包括：
DTA设置模块，用于读取并显示VR开发主机上的连续型或离散型DTA文件，并对读取的轴线数据进行修改和保存；
管片参数设置模块，用于输入用于盾构隧道拼装的管片参数，并基于相应参数从管片模型库中选择对应的管片模型；
盾构机几何参数设置模块，用于输入用于盾构隧道掘进的盾构机参数，并从盾构机模型库中选择对应的盾构机模型；
管片点位选取模块，用于基于包含盾构机位姿、盾构机前后点偏差、盾尾间隙、油缸行程差、上一环管片的点位的施工数据，选取当前环管片点位；并在VR环境中正确的显示管片位姿和盾构机位姿；
数据记录模块，用于将选取的当前环管片点位以及拼装前后的施工数据进行记录和显示。
本发明实施例提供的管片参数包括：管片类型和管片几何参数；
管片类型包括通用型管片、标准型管片及组成标准型管片的衬砌环；
管片几何参数包括：管片外径、管片内径、管片标准宽度、管片楔形量、管片点位数及其他信息。
本发明实施例提供的盾构机参数包括：盾尾外径、盾尾内径、盾尾宽度及其他信息。
本发明实施例提供的管片拼装VR子系统还设置有多个相机系统，用于采集管片位姿、盾构机位姿以及各种施工图像数据。
如图2所示，本发明实施例提供的基于VR的盾构管片虚拟拼装方法包括：
S101，构建管片拼装VR子系统，判断管片拼装VR子系统的管片模型库和盾构机模型库中是否具有与当前施工现场相同型号的管片VR模型和盾构机VR模型，若没有，执行步骤S102；若有，则转向步骤S104；
S102，利用三维建模工具，建立管片三维模型和盾构机三维模型，并导入到VR开发工具中建立盾构机VR模型和管片VR模型，并增加至管片拼装VR子系统的管片VR模型库和盾构机VR模型库中；
S103，基于管片拼装VR程序，利用VR开发工具打包新的管片拼装VR子系统；
S104，将基于VR的盾构虚拟拼装系统硬件连接好并在VR运行主机上运行管片拼装VR子系统，利用VR交互设备在管片拼装VR子系统中的读取或输入当前施工现场的DTA数据；
S105，设置管片的几何尺寸，并自动计算管片拼装的位姿传递矩阵；对管片初始环进行VR环境下的位姿初定位；
S106，于盾构机开始掘进时，通过管片的位姿以及传感器采集的盾尾间隙、油缸行程实时解算定位盾构机在VR环境中的位姿；
S107，于盾构机掘进完成后，基于得到掘进完成后的包含盾尾间隙、油缸行程差、盾构机前后点偏差以及铰接油缸的施工数据，自动选取最优管片点位；
S108，基于当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿，并在VR环境中显示，进行当前环管片的虚拟拼装；
S109，计算选取当前环管片点位后盾尾间隙、油缸行程差的变化公式计算拼装完成后的盾尾间隙和油缸行程差，并据此计算盾构机的位姿并在VR环境中显示；循环步骤S106至步骤S108，直至整条隧道拼装完成。
本发明实施例提供的构建管片拼装VR子系统包括：
(1)收集若干常用管片和盾构机的几何尺寸，利用三维建模工具，建立若干管片三维模型和盾构机三维模型，并利用VR开发工具中建立若干盾构机VR模型和管片VR模型，构建管片VR模型库和盾构机VR模型库；
(2)在VR开发工具中开发管片拼装VR场景；基于VR开发工具，确定管片点位选取算法、管片位姿计算算法、盾构机位姿计算算法，开发管片拼装VR程序；
(3)基于VR开发工具，打包管片拼装VR程序，生成管片拼装VR子系统。
需要说明的是，管片是指由若干拼装块组成的具有一定楔形量的圆环柱状结构，拼装块之间由周向螺栓孔连接，管片之间由轴向螺栓孔连接。管片的安装需要考虑各种影响因素，在上一环管片的端面选取合理的点位进行拼装。通过选择不同的点位使得管片在轴向和径向获得不同的楔形量，从而拟合出不同的隧道轴线。例如，如图3所示，是由6块拼装块组成的具有10个点位(如左图中的10个圆圈所示)的楔形量为2s的通用型管片，s表示单边楔形量。
在本发明的一些实施例中，VR交互设备包括但不限于VR头显、VR手柄、VR键盘、VR座椅、VR脚控外设、方向盘、动作捕捉传感器等。
在本发明的一些实施例中，3D建模工具包括但不限于Solidworks、ProE、UG、CATIA、3DMax等；所述VR开发工具包括但不限于Unity3D、UE4、CryENGINE、Source Engine等。
管片拼装VR应用包括DTA设置模块、管片参数设置模块、盾构机几何参数设置模块、管片预拼装模块、管片点位选取模块和数据记录模块，其中，
DTA设置模块，读取并显示VR开发主机上的连续型或离散型DTA文件，并可对读取的轴线数据进行修改和保存；
需要说明的是，连续型DTA包括直线、圆曲线和缓和曲线，离散型DTA是将上述连续线型离散为等距的直线段，用折线来拟合DTA；
管片参数设置模块，用户输入用于盾构隧道拼装的管片参数从而从管片模型库中选择出对应的管片模型。输入的参数包括管片类型和管片几何参数，管片几何参数包括管片外径、管片内径、管片标准宽度、管片楔形量、管片点位数等信息；
需要说明的是，管片类型主要有通用型管片和标准型管片，通用型管片是仅用一种具有一定楔形量的衬砌圆环来拟合整段盾构隧道；标准型管片是通过几种衬砌圆环的组合来拟合盾构隧道，最常见的组合方式为直线环、左转环、右转环。此处输入参数管片外径包含通用型管片和标准型管片，如果是通用型管片，则只需要输入一种衬砌圆环的几何参数，如果是通用型管片，则需要输入多种衬砌圆环的几何参数。
盾构机几何参数设置模块，用户输入用于盾构隧道掘进的盾构机的参数从而从盾构机模型库中选择出对应的盾构机模型。输入的参数包括盾尾外径、盾尾内径、盾尾宽度等信息；
管片点位选取模块是根据通信模块接收传感器或计算机传入的包含盾构机位姿、盾构机前后点偏差、盾尾间隙、油缸行程差、上一环管片的点位的施工数据，人工或者自动选取当前环管片点位；并在VR环境中正确的显示管片位姿和盾构机位姿，从而可以更直观的观察各种施工数据，提高管片拼装过程的可视化；
需要说明的是，管片点位选取模块中植入了自动选点算法，可根据施工数据自动选取待拼装管片的最佳点位，同时施工人员也可以依据施工数据根据自己的经验人工选取管片点位。
所述数据记录模块是将所述管片点位选取模块产生的当前环管片点位以及拼装前后的施工数据进行记录和显示。
优选地，管片拼装VR应用开发步骤为：
S1调研，收集若干常用管片和盾构机的几何尺寸；
S2，利用三维建模工具，建立若干管片三维模型和盾构机三维模型，导入到VR开发工具中建立若干盾构机VR模型和管片VR模型，形成管片VR模型库和盾构机VR模型库；
S3，在VR开发工具中开发管片拼装VR场景；
需要说明的是，开发管片拼装VR场景包含土质、泥水、地面设施等场景；
S4，基于VR开发工具，设计管片点位选取算法、管片位姿计算算法、盾构机位姿计算算法，开发管片拼装VR程序；
S5，基于VR开发工具，打包管片拼装VR程序，生成管片拼装VR应用；
管片拼装VR应用设置有多个相机系统，可以自由切换视角，使得操作人员可以自由的观察管片位姿、盾构机位姿以及各种施工数据。
需要说明的是，相机系统包含管片拼装过程的第三相机视角、从上到下观察整段隧道的主视角、跟随盾构机和管片不断前进的跟随视角、可以在场景中自由移动进行观察的自由视角、用于观察盾尾间隙、油缸行程差等施工数据的局部视角等。
下面结合具体实施例对本发明技术的方案作进一步描述。
实施例1
本发明提供一种基于虚拟现实的盾构管片虚拟拼装方法，步骤如下：
S1，判断管片拼装VR子系统的管片模型库和盾构机模型库中是否具有与当前施工现场相同型号的管片VR模型和盾构机VR模型，如有，直接执行步骤S4～S12，否则执行步骤S2～S12；
S2，利用三维建模工具，建立管片三维模型和盾构机三维模型，并导入到VR开发工具中建立盾构机VR模型和管片VR模型，并增加至管片拼装VR应用的管片VR模型库和盾构机VR模型库中；
S3，基于管片拼装VR程序，利用VR开发工具打包新的管片拼装VR应用；
S4，将基于VR的管片虚拟拼装系统硬件连接好并在VR运行主机上运行管片拼装VR应用，操作人员佩戴VR交互设备进行步骤S5～S12的操作；
S5，在管片拼装VR应用中的DTA设置模块读取或输入当前施工现场的DTA数据；
S6，在管片参数设置模块中设置管片的几何尺寸，包括管片类型和管片几何参数，依据上述参数自动计算管片拼装的位姿传递矩阵。
对于通用型管片只有一组位姿传递矩阵，对于标准型管片有和组成标准型管片的衬砌圆环数一致组数的位姿传递矩阵，每一组位姿传递矩阵的计算方法为：
S6中的位姿传递矩阵的计算方法为：
如图4所示，在第i环管片的末端面中心建立右手直角坐标系，管片坐标系原点位于管片末端面中心，X轴垂直于管片末端面向外，Z轴位于楔形面上，指向封顶块中心处，Y轴由右手坐标系定则确定，在坐标系Oixyz上找4个点：坐标系原点Oi，X轴上一点Ai，Y轴与管片外表面交点Bi，Z轴与管片外表面交点Ki；
如图5所示，设管片宽度为B，直径为D，楔形量为2s，有N组纵向螺栓孔，则第i环管片上的坐标系Oixyz原点Oi坐标为(0，0，0)，Ai坐标为(1，0，0)，Bi坐标为
Figure BDA0003117849990000151
Ki坐标为
Figure BDA0003117849990000152
其中
Figure BDA0003117849990000153
在管片拼装时，第i+1环管片与第i环管片接触面中心重合，接触面法向量平行，若管片有N组螺栓组，则第i+1环管片相对于第i环管片有N种相对位姿，对应着N个位姿变换矩阵。
点Oi-1为第i-1环管片末端面中心，也即第i环管片始端面中心，可计算出点Oi-1的坐标为
Oi-1(-B·cosα，0，B·sinα)
第i环管片轴线向量为
Figure BDA0003117849990000154
前进面法向量
Figure BDA0003117849990000161
第i+1环管片拼装过程可以看作从第i环管片位置出发沿着轴线ai平移距离B，再将第i+1环管片绕轴线向量ai旋转180°，此时两管片环面完全贴合，然后绕着第i环管片法向量ni旋转相应角度，即为选择不同点位进行拼装。
点Oi、Ai、Bi、Ki沿着轴线向量ai平移距离B后的对应点
O′i+1、A′i+1、B′i+1、K′i+1的坐标分别为
Figure BDA0003117849990000162
点A′i+1、W′i+1、H′i+1、F′i+1绕轴线向量Vai旋转180°对应旋转矩阵为T，对应点A″i+1、W″i+1、H″i+1、F″i+1的坐标分别为
Figure BDA0003117849990000163
Figure BDA0003117849990000164
ax＝cosα，ay＝0，az＝-sinα，θ＝180°。
点O″i+1、A″i+1、B″i+1、K″i+1绕第i环管片前进面法向量Vni旋转β角，对应旋转矩阵Pm，对应点
Figure BDA0003117849990000165
的坐标分别为
Figure BDA0003117849990000171
Figure BDA0003117849990000172
其中ax＝1，ay＝0，az＝0，
Figure BDA0003117849990000173
N为螺栓组数，m＝1，…，N，为当前环管片选取的点位。
第(i+1)环管片的坐标系的X轴、Y轴、Z轴在第i环管片坐标系中的向量表示Vx、Vy、Vz分别为
Figure BDA0003117849990000174
Figure BDA0003117849990000175
则第(i+1)环管片的坐标系相对于第i环管片坐标系的变换矩阵Q为
Figure BDA0003117849990000176
S7，对管片初始环进行VR环境下的位姿初定位；
例如，设在世界坐标系下第1环管片的位姿设置为x1、y1、z1、α1、β1、γ1，在世界坐标系中的位姿齐次矩阵表示为
Figure BDA0003117849990000177
S8，盾构机开始掘进，盾构机在VR环境中的位姿通过管片的位姿以及传感器实时传入的盾尾间隙、油缸行程实时解算并进行定位；
S9，盾构机掘进完成后，传感器得到掘进完成后的包含盾尾间隙、油缸行程差、盾构机前后点偏差以及铰接油缸的施工数据，依据施工数据由操作人员人工选点或者选点算法自动选取最优管片点位；
S10，由当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿，并在VR环境中显示，完成当前环管片的虚拟拼装；
S10中当前环管片位姿计算方法为：
设第i环的管片位姿参数为xi、yi、zi、αi、βi、γi，在世界坐标系中的位姿齐次变换矩阵为
Figure BDA0003117849990000181
第i+1环管片相对于第i环管片的位姿转换矩阵为Qi+1位姿，则第i+1环管片在世界坐标系下的位姿为：
Figure BDA0003117849990000182
由矩阵Ti+1可以反解出第i+1环管片的位姿参数
xi+1、yi+1、zi+1、αi+1、βi+1、γi+1。
S11，循环步骤S8～S10，直至整条隧道拼装完成。
实施例2
从外部获取盾构机位姿参数、根据施工数据计算起始环管片位姿，后续管片位姿通过位姿传递矩阵计算，并定期实际测量外部某一管片位姿，并在VR环境中进行管片位姿的更新。
与第一种管片虚拟拼装方法的区别在于：第一种是先在VR环境下对管片初始化位姿进行定位，然后根据施工数据计算盾构机位姿，后续管片位姿通过位姿传递矩阵计算。与现场实际的盾构机位姿和管片位姿无关。
具体步骤如下：
S1，判断管片拼装VR应用的管片模型库和盾构机模型库中是否具有与当前施工现场相同型号的管片VR模型和盾构机VR模型，如有，直接执行步骤S4～S11，否则执行步骤S2～S11；
S2，利用三维建模工具，建立管片三维模型和盾构机三维模型，并导入到VR开发工具中建立盾构机VR模型和管片VR模型，并增加至管片拼装VR应用的管片VR模型库和盾构机VR模型库中；
S3，基于管片拼装VR程序，利用VR开发工具打包新的管片拼装VR应用；
S4，将基于VR的管片虚拟拼装系统硬件连接好并在VR运行主机上运行管片拼装VR应用，操作人员佩戴VR交互设备进行步骤S5～S12的操作；
S5，在管片拼装VR应用中的DTA设置模块读取或输入当前施工现场的DTA数据；
S6，在管片参数设置模块中设置管片的几何尺寸，包括管片类型和管片几何参数，依据上述参数自动计算管片拼装的位姿传递矩阵。
S7，盾构机开始掘进，由通信模块接收外部传感器或计算机采集的盾构机位姿，从而在VR环境下对盾构机进行实时定位；由通信模块接收外部传感器或计算机采集的盾尾间隙、油缸行程等施工数据，计算管片位姿，在VR环境中进行定位。
S8，盾构机掘进完成后，传感器得到掘进完成后的包含盾尾间隙、油缸行程差、盾构机前后点偏差以及铰接油缸的施工数据，依据施工数据由操作人员人工选点或者选点算法自动选取最优管片点位；
S9，由当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿，并在VR环境中显示，完成当前环管片的虚拟拼装；
S10，重复步骤S7～S9，直到施工现场对某一已拼装管片位姿进行测量，在VR环境中对该环管片位姿进行纠正，其后拼装的管片位姿仍根据步骤S9的方法进行定位；
S11，重复上述步骤，直至整条隧道拼装完成。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法包括：
步骤一，构建管片拼装VR子系统，判断管片拼装VR子系统的管片模型库和盾构机模型库中是否具有与当前施工现场相同型号的管片VR模型和盾构机VR模型，若没有，执行步骤二；若有，则转向步骤四；
步骤二，利用三维建模工具，建立管片三维模型和盾构机三维模型，并导入到VR开发工具中建立盾构机VR模型和管片VR模型，并增加至管片拼装VR子系统的管片VR模型库和盾构机VR模型库中；
步骤三，基于管片拼装VR程序，利用VR开发工具打包新的管片拼装VR子系统；
步骤四，将基于VR的盾构虚拟拼装系统硬件连接好并在VR运行主机上运行管片拼装VR子系统，利用VR交互设备在管片拼装VR子系统中读取或输入当前施工现场的DTA数据；
步骤五，设置管片的几何尺寸，并自动计算管片拼装的位姿传递矩阵；对管片初始环进行VR环境下的位姿定位；
步骤六，于盾构机开始掘进时，通过管片的位姿以及传感器或计算机采集的盾尾间隙、油缸行程实时解算定位盾构机在VR环境中的位姿；
步骤七，于盾构机掘进完成后，基于得到掘进完成后的包含盾尾间隙、油缸行程差、盾构机前后点偏差以及铰接油缸的施工数据以及上一环管片点位，自动选取当前环管片最优管片点位；
步骤八，基于当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿，并在VR环境中显示，完成当前环管片的虚拟拼装；
步骤九，循环步骤六至步骤八，直至整条隧道拼装完成。
2.如权利要求1所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，步骤一中，所述构建管片拼装VR子系统包括：
(1)收集若干常用管片和盾构机的几何尺寸，利用三维建模工具，建立若干管片三维模型和盾构机三维模型，并在VR开发工具中建立若干盾构机VR模型和管片VR模型，构建管片VR模型库和盾构机VR模型库；
(2)在VR开发工具中开发管片拼装VR场景；确定管片点位选取算法、管片位姿计算算法、盾构机位姿计算算法，利用VR开发工具实现算法，开发管片拼装VR程序；
(3)基于VR开发工具，打包管片拼装VR程序，生成管片拼装VR子系统。
3.如权利要求1所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，所述步骤五中计算管片拼装的位姿传递矩阵的方法包括：
对于通用型管片只有一组位姿传递矩阵，对于标准型管片有和组成标准型管片的衬砌圆环数一致组数的位姿传递矩阵，每一组位姿传递矩阵的计算方法为：
在第i环管片的末端面中心建立右手直角坐标系，管片坐标系原点位于管片末端面中心，X轴垂直于管片末端面向外，Z轴位于楔形面上，指向封顶块中心处，Y轴由右手坐标系定则确定，在坐标系Oixyz上找4个点：坐标系原点Oi，X轴上一点Ai，Y轴与管片外表面交点Bi，Z轴与管片外表面交点Ki；
管片宽度为B,直径为D，楔形量为2s,有N组纵向螺栓孔，则第i环管片上的坐标系Oixyz原点Oi坐标为(0，0，0)，Ai坐标为(1，0，0)，Bi坐标为
Figure FDA0003117849980000021
Ki坐标为
Figure FDA0003117849980000022
其中
Figure FDA0003117849980000023
在管片拼装时，第i+1环管片与第i环管片接触面中心重合，接触面法向量平行，若管片有N组螺栓组，则第i+1环管片相对于第i环管片有N种相对位姿，对应着N个位姿变换矩阵；
点Oi-1为第i-1环管片末端面中心，即第i环管片始端面中心，可计算出点Oi-1的坐标为Oi-1(-B·cosα，0，B·sinα)
第i环管片轴线向量为
Figure FDA0003117849980000031
前进面法向量
Figure FDA0003117849980000032
第i+1环管片拼装过程可以看作从第i环管片位置出发沿着轴线ai平移距离B，再将第i+1环管片绕轴线向量ai旋转180°，此时两管片环面完全贴合，然后绕着第i环管片法向量ni旋转相应角度，即为选择不同点位进行拼装；
点Oi、Ai、Bi、Ki沿着轴线向量ai平移距离B后的对应点O′i+1、A′i+1、B′i+1、K′i+1的坐标分别为
Figure FDA0003117849980000033
点A′i+1、W′i+1、H′i+1、F′i+1绕轴线向量Vai旋转180°对应旋转矩阵为T,对应点A″i+1、W″i+1、H″i+1、F″i+1的坐标分别为
Figure FDA0003117849980000034
Figure FDA0003117849980000035
ax＝cosα，ay＝0，az＝-sinα，θ＝180°；
点O″i+1、A″i+1、B″i+1、K″i+1绕第i环管片前进面法向量Vni旋转β角，对应旋转矩阵Pm，对应点
Figure FDA0003117849980000036
的坐标分别为
Figure FDA0003117849980000041
Figure FDA0003117849980000042
其中ax＝1，ay＝0，az＝0，
Figure FDA0003117849980000043
N为螺栓组数，m＝1,…,N，为当前环管片选取的点位；
第(i+1)环管片的坐标系的X轴、Y轴、Z轴在第i环管片坐标系中的向量表示Vx、Vy、Vz分别为
Figure FDA0003117849980000044
Figure FDA0003117849980000045
则第(i+1)环管片的坐标系相对于第i环管片坐标系的变换矩阵Q为
Figure FDA0003117849980000046
4.如权利要求1所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，步骤五中对管片初始环进行VR环境下的位姿定位包括：
在VR环境中的世界坐标系下第1环管片的位姿设置为x1、y1、z1、α1、β1、γ1，在世界坐标系中的位姿齐次矩阵表示为
Figure FDA0003117849980000047
5.如权利要求1所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，所述步骤八基于当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿包括：
第i环(i≥1)的管片位姿参数为xi、yi、zi、αi、βi、γi，在世界坐标系中的位姿齐次变换矩阵为
Figure FDA0003117849980000051
第i+1环管片相对于第i环管片的位姿转换矩阵为Qi+1位姿，则第i+1环管片在世界坐标系下的位姿为：
Figure FDA0003117849980000052
由矩阵Ti+1反解出第i+1环管片的位姿参数xi+1、yi+1、zi+1、αi+1、βi+1、γi+1。
6.如权利要求1所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法还包括：
从外部获取盾构机位姿参数、根据施工数据计算起始环管片位姿，后续管片位姿通过位姿传递矩阵计算，并定期实际测量外部某一管片位姿，并在VR环境中进行管片位姿的更新。
7.一种基于VR的盾构管片虚拟拼装系统，其特征在于，所述基于VR的盾构管片虚拟拼装系统包括：
模型构建拼装模块，与运行控制模块连接，用于利用三维建模工具和VR应用开发工具建立盾构机和管片的VR模型并生成盾构机和管片的VR模型库、开发管片拼装过程的VR场景，并生成管片拼装VR子系统；
运行控制模块，与模型构建拼装模块、交互模块、通信模块连接；用于利用VR运行主机运行开发的管片拼装VR子系统；
交互模块，与运行控制模块连接，用于利用VR交互设备获取操作者的控制指令，并将控制指令发送至管片拼装VR子系统；同时管片拼装VR子系统的反馈信号也通过VR交互设备作用于操作者；
通信模块，与运行控制模块连接，用于接收外部传感器或计算机采集的实时盾尾间隙、油缸行程差、盾构机位姿、盾构机前后点偏差、隧道设计轴线及其他施工数据。
8.如权利要求7所述基于VR的盾构管片虚拟拼装系统，其特征在于，所述三维建模工具和VR应用开发工具包括：
所述三维建模工具包括SolidWorks、ProE、UG、CATIA、3DsMax；
所述VR开发工具包括Unity3D、UE4、CryENGINE、Source Engine；
所述VR交互设备包括VR头显、VR手柄、VR键盘、VR座椅、VR脚控外设、方向盘、动作捕捉传感器。
9.如权利要求7所述基于VR的盾构管片虚拟拼装系统，其特征在于，所述管片拼装VR子系统包括：
DTA设置模块，用于读取并显示VR开发主机上的连续型或离散型DTA文件，并对读取的轴线数据进行修改和保存；
管片参数设置模块，用于输入用于盾构隧道拼装的管片参数，并基于相应参数从管片模型库中选择对应的管片模型；
盾构机几何参数设置模块，用于输入用于盾构隧道掘进的盾构机几何参数，并从盾构机模型库中选择对应的盾构机模型；
管片点位选取模块，用于基于包含盾构机前后点偏差、盾尾间隙、油缸行程差、上一环管片的点位的施工数据，选取当前环管片点位；并在VR环境中正确的显示管片位姿和盾构机位姿；
数据记录模块，用于将选取的当前环管片点位以及拼装前后的施工数据进行记录和显示；所述管片参数包括：管片类型和管片几何参数；
所述管片类型包括通用型管片、标准型管片及组成标准型管片的衬砌环；
所述管片几何参数包括：管片外径、管片内径、管片标准宽度、管片楔形量、管片点位数及其他信息；
盾构机参数包括：盾尾外径、盾尾内径、盾尾宽度信息；
所述管片拼装VR子系统还设置有多个相机系统用于在VR环境下直观观察管片位姿、盾构机位姿及它们 的相对位姿以及施工数据。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～6任意一项所述的 基于VR的盾构管片虚拟拼装方法。
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