CN114777659A - 盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于掘进机施工技术领域，特别涉及一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置及方法，测量设备安装在盾构机推进油缸底座上来获取推进油缸对应管片和盾尾内壁间隙数据，并利用与测量设备连接的上位机来对测量设备获取的间隙数据进行分析处理，通过三维点云数据分析推理来获取间隙距离，不会因装置到管片距离的测量误差、管片生产加工引起的厚度误差等外部参数而增加盾尾间隙系统本身测量误差，保证测量精度，提升测量效率，摆脱传统人工测量，解放人力，能够实现盾尾间隙测量的自动化，使盾尾间隙自动测量摆脱对参照物或需要初始标定的依赖，减少可能引起测量误差的因素，具有较好的应用前景。

Description

盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置及方法
技术领域
本发明属于掘进机施工技术领域，特别涉及一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置及方法。
背景技术
近年来随着盾构机行业的发展，盾构机设备不断完善改进，再加之隧道施工越来越高的安全和技术要求，让以往一些不太受重视的功能被提上使用日程。再加上科技和新技术的完善发展，使得一些基于新技术的功能板块被发展应用起来，盾尾间隙自动测量系统就属于其中之一。由于该技术正式运用不算太久，因此虽然有了一些技术方案，但是现有的几种主要测量方式都有比较明显的局限性。人工测量方法费时费力，测量误差受管片加工误差影响较大，且测量误差因人而异；部分现有盾尾间隙自动测量方式中需要已知大小的参照物，如果参照物有变动或者有损坏测量结果则不准确，或者初始使用时需要测量标定，使用比较麻烦；市场现有的通过检测到盾体和管片的距离进而计算盾尾间隙的技术每环只能测一次，无法实时检测盾尾间隙；现有市场上采用传感器直接测量盾尾间隙的自动测量方法中安装拆卸不便是最大问题，特别是一些老旧盾构机，拆装很不方便。综上所示，现有测量方案中，在拆装可行性和便捷性上、抗光线干扰、测量精度等方面均存在明显缺陷，因此新的测量方法的研究很有必要。
发明内容
为此，本发明提供一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置及方法，直接利用测量设备来获取用于间隙计算的三维点云数据，避免引入其他外部参数，减少测量误差，提升测量精度和效率，便于实际场景应用。
按照本发明所提供的设计方案，提供一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，包含：安装在盾构机推进油缸底座上用于获取推进油缸对应管片和盾尾内壁间隙数据的测量设备，及与测量设备连接用于对测量设备获取的间隙数据进行分析处理的上位机。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，进一步地，所述测量设备包含：用于发射激光来定位管片和盾尾内壁间隙的激光发射器，及用于采集激光发射器激光定位数据的双目相机。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，进一步地，依据待测与盾尾内壁间隙的管片数量及使用需要，测量设备设置多个，且每个测量设备安装在与管片对应的盾构机推进油缸底座上。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，进一步地，包含：至少2个测量设备，利用设置的测量设备来获取每次管片安装过程中每个管片与盾尾内壁间隙数据。
进一步地，本发明还提供一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，基于上述的装置实现，该实现过程包含如下内容：
依据盾体内壁和管片断面、及盾构机轴线，并利用测量设备获取管片、盾尾内壁和两者之间间隙的所有覆盖区域范围内的点云坐标轨迹；
剔除点云坐标轨迹中盾尾内壁和管片断面之外的点，并寻找盾尾间隙位置的坐标区域，通过数据比对来获取盾尾内壁和管片两者之间间隙的端点坐标，利用端点坐标来确定待测盾尾间隙大小。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，进一步地，所述测量设备包含：用于发射激光来定位管片和盾尾内壁间隙所有覆盖区域的激光发射器，及用于采集激光发射器激光定位数据的双目相机，其中，激光发射器在间隙覆盖区域定位过程中，至少通过发射激光定位出：盾尾内壁和管片断面，及盾构机轴线，且激光发射面所在平面指向盾构机轴线。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，进一步地，以测量设备正面的中心为坐标系原点，测量设备正前方为坐标系Z轴方向，来构建统一的三维笛卡尔坐标系；通过统一的三维笛卡尔坐标系来获取间隙覆盖区域内的有效点，并依据获取的有效点来构建点云坐标轨迹。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，进一步地，获取间隙的端点坐标中，构建管片断面上距离测量设备最近的直线段，并通过直线段上坐标点的Z轴方向坐标值大小筛选出直线段上的用于确定待测盾尾间隙大小的直线段候选坐标数据；利用直线段候选坐标数据来构建直线段的空间直线方程；再通过管片断面上坐标点的Z轴方向坐标值大小和坐标顺序筛选出管片上的一个间隙端点，依据待测盾尾间隙两端点所在直线与直线段所在直线平行，构建盾尾间隙两端点所在的空间直线方程，并确定盾尾内壁上的另一个间隙端点所在的坐标。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，进一步地，构建直线段的空间直线方程中，依据直线段坐标点数将直线段划分为若干细分段，依据每细分段的首尾坐标来求解空间直线方程中的系数，并汇总各细分段中空间直线方程系数，通过对各系数进行求和和去均值来确定直线段的空间直线方程系数。
作为本发明盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，进一步地，依据获取的间隙的两个端点B(XB,YB,ZB)和G(XG,YG,ZG)，通过公式
Figure BDA0003624429870000021
来计算出待测盾尾间隙大小。
本发明的有益效果：
本发明利用测量设备并结合上位机对管片与盾体之间的间隙进行测量，摆脱传统人工测量，解放人力，能够实现盾尾间隙测量的自动化，使盾尾间隙自动测量摆脱对参照物或需要初始标定的依赖，减少可能引起测量误差的因素，提升测量精度和效率，避免现有市场上采用传感器直接测量盾尾间隙的自动测量方案中安装拆卸不便等问题，本案方案中所需硬件安装灵活，便于实现测量，具有较好的应用前景。
附图说明：
图1为实施例中测量设备安装示意；
图2为实施例中测量设备视野范围示意；
图3为实施例中测量过程中管片断面处理示意。
图中标号，标号1代表盾体，标号2代表管片，标号3代表测量设备，标号4代表待测间隙。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
双目立体视觉：机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。盾尾间隙：指盾构机尾盾内侧与对应管片的外侧之间的间隙大小，常作为管片选型的重要依据。本发明实施例，提供一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，包含：安装在盾构机推进油缸底座上用于获取推进油缸对应管片和盾尾内壁间隙数据的测量设备，及与测量设备连接用于对测量设备获取的间隙数据进行分析处理的上位机。
针对现有部分盾尾间隙自动测量方式中需要已知大小的参照物等问题，本案实施例中，利用测量设备并结合上位机对管片与盾体之间的间隙进行测量，免除初始使用时需要进行测量标定，解决现有市场上应用拍照分析原理的盾尾间隙自动测量方案中抗外界光干扰能力差、及采用传感器直接测量原理的盾尾间隙自动测量方案中安装不便等问题，摆脱传统人工测量，解放人力，能够实现盾尾间隙测量的自动化，提升测量精度和效率。
进一步地，本案实施例中，所述测量设备包含：用于发射激光来定位管片和盾尾内壁间隙的激光发射器，及用于采集激光发射器激光定位数据的双目相机。或者，在不影响测量效果的同时，也可使用其他能够实现定位数据采集功能的传感器或测量仪等。
管片刚安装后被盾体包裹着，盾尾间隙就是刚安装的当前环的管片和盾体内壁的间隙距离。如图1所示，可将测量设备安放于盾构机推进油缸底部附近，使得线激光打在盾体内壁和管片断面上，且线激光呈现方向指向盾构机轴线，测量设备发出的两条虚线表示激光覆盖区域；通过测量设备检测激光线上的各个点的三维坐标数据，即图1中盾体内壁和管片断面上点云的坐标数据，得到这些点的坐标后，通过上位机去分析各个点，并利用相应算法剔除偏差明显的不合格数据，并排除盾体内壁和管片断面之外的点，确定出盾体内壁和管片断面上的所有范围内的点云数据，进而可利用上位机通过分析数据找到盾尾间隙位置的坐标区域，并通过数据处理比对找到间隙的两个端点，最终推算出所测位置的盾尾间隙大小。
进一步地，本案实施例中，依据待测与盾尾内壁间隙的管片数量及使用需要，测量设备设置多个，且每个测量设备安装在与管片对应的盾构机推进油缸底座上。管片每次都是拼装一圈，根据实际应用需求，可将测量设备对应安装到盾构机推进油缸底座上，以测量该油缸前面对应的管片盾尾间隙。进一步地，可利用至少2个测量设备来获取每次管片安装过程中每个管片与盾尾内壁间隙数据。
进一步地，基于上述的装置，本发明实施例还提供一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，包含如下内容：
依据盾体内壁和管片断面、及盾构机轴线，并利用测量设备获取管片与盾尾内壁间隙所有覆盖区域范围内的点云坐标轨迹；
剔除点云坐标轨迹中盾尾内壁和管片断面之外的点，并寻找盾尾间隙位置的坐标区域，通过数据比对来获取盾尾内壁和管片两者之间间隙的端点坐标，利用端点坐标来确定待测盾尾间隙大小。
无需在管片或其他位置添加测量特征点位，无需在测量或读取其它外部数据，如测量装置到管片距离、管片厚度等，本案实施例中，直接仅利用测量设备来获取管片与盾体间隙测量坐标数据，全程只需测量测量独立完成，测量设备直接测得三维点云数据，进而通过三维点云数据分析推理来获取间隙距离，不会因装置到管片距离的测量误差、管片生产加工引起的厚度误差等外部参数而增加盾尾间隙系统本身测量误差，保证测量精度，提升测量效率。
进一步地，激光发射器在间隙覆盖区域定位过程中，至少通过发射激光定位出：盾尾内壁和管片断面，及盾构机轴线，且激光发射面所在平面指向盾构机轴线。进一步地，以测量设备正面的中心为坐标系原点，测量设备正前方为坐标系Z轴方向，来构建统一的三维笛卡尔坐标系；通过统一的三维笛卡尔坐标系来获取间隙覆盖区域内的有效点，并依据获取的有效点来构建点云坐标轨迹。
参见图2所示，建立系统内统一的坐标系，并依据测量单元分析计算出激光线所处位置上所有有效点A到B和C到D的坐标。以测量单元正面的中心作为三维笛卡尔坐标系的原点，测量单元正前方为坐标系Z轴方向；坐标系采用测量单元给定坐标系。由于管片内壁以里是隧道、管片外壁与盾体内壁之间是间隙，都无直接遮挡物，所以视野内可检测到的激光线有两部分，分别为A到B和C到D。
进一步地，本案实施例中，获取间隙的端点坐标中，构建管片断面上距离测量设备最近的直线段，并通过直线段上坐标点的Z轴方向坐标值大小筛选出直线段上的用于确定待测盾尾间隙大小的直线段候选坐标数据；利用直线段候选坐标数据来构建直线段的空间直线方程；再通过管片断面上坐标点的Z轴方向坐标值大小和坐标顺序筛选出管片上的一个间隙端点，依据待测盾尾间隙两端点所在直线与直线段所在直线平行，构建盾尾间隙两端点所在的空间直线方程，并确定盾尾内壁上的另一个间隙端点所在的坐标。进一步地，构建直线段的空间直线方程中，依据直线段坐标点数将直线段划分为若干细分段，依据每细分段的首尾坐标来求解空间直线方程中的系数，并汇总各细分段中空间直线方程系数，通过对各系数进行求和和去均值来确定直线段的空间直线方程系数。
由于管片的前端面不是一个完整平面，且有管片贴，所以A到B不是一条直线，如图3。激光线在平面上从点E到点F可以看做直线段，设直线段EF的空间直线方程为：
Ax+By+Cz＝1 (1)
设从A到点B、从C到点D的各个坐标点的坐标依次为Qn(Xn,Yn,Zn)，其中n为从1依次增加的正整数，最大值n根据测量单元配置变动。
由于测量单元正面所在平面与隧道断面接近平行，且Z轴垂直于测量单元正面所在平面，则Z轴与管片前端面接近垂直。由图3可知，激光线EF段上的坐标点距离测量单元最近，则其坐标点的Z值比管片上其他坐标点Z值小。因此，可根据以下两个依据筛选出EF段激光线上的所有坐标数据，如下：(1)相比于管片上其它激光点坐标，EF段上各坐标点的Z值偏小，且大小变化均匀；(2)点E和点F同EF两侧靠近的坐标点相比，Z值都有一个较明显的变化。可通过上述规律筛选出EF段激光线上的所有坐标数据，设这些数据为P1(X1,Y1,Z1)，P2(X2,Y2,Z2)，P3(X3,Y3,Z3)…Pn(Xn,Yn,Zn),其中n为正整数，是EF端激光线上的坐标点数，n的值由EF的长度和测量单元实际测得的坐标点数决定。
计算EF段的空间直线方程中，若n为偶数，将EF分为n/2段，分别为点P1-点P(n/2+1)段、点P2-点P(n/2+2)段…Pn/2-点P2段，根据每段的首尾两点坐标求得如方程(1)的形式，则求得各直线A、B、C对应的值分别为A1、B1、C1，A2、B2、C2…An/2、Bn/2、Cn/2。最后将n/2组数组求和取均值，得到A、B、C的值。若n为奇数，将EF分为n/2段，分别为点P1-点P(n+1)/2段、点P2-点P(n+3)/2段…P(n-1)/2-点P(n-1)段，根据每段的首尾两点坐标求得如方程(1)的形式，则求得各直线A、B、C对应的值分别为A1、B1、C1、D1，A2、B2、C2、D2…A(n-1)/2、B(n-1)/2、C(n-1)/2。最后将(n-1)/2组数组求和取均值，得到A、B、C的值分别为AEF、BEF、CEF。
由于EF所在直线指向隧道中心轴线且接近平行隧道断面，因此可将间隙两端点所在的直线与EF所在直线看做是平行关系。设间隙两端点所在直线的空间直线方程为：
Ax+By+Cz+D＝0 (2)
由于该直线与EF所在直线平行，则其A、B、C分别为AEF、BEF、CEF；将间隙端点B带入到方程(2)中，即可计算得到D的值DBG,则间隙两端点所在直线的空间直线方程为AEFx+BEFy+CEFz+DBG＝0。
点G在线段CD上，将CD线段上的点一一带入AEFx+BEFy+CEFz+DBG，AEFx+BEFy+CEFz+DBG的值最接近于0的点即为点G。盾尾间隙为点B(XB,YB,ZB)和点G(XG,YG,ZG)的距离，进而根据两点间的距离公式可得出盾尾间隙为
Figure BDA0003624429870000061
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，其特征在于，包含：安装在盾构机推进油缸底座上用于获取推进油缸对应管片和盾尾内壁间隙数据的测量设备，及与测量设备连接用于对测量设备获取的间隙数据进行分析处理的上位机。
2.根据权利要求1所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，其特征在于，所述测量设备包含：用于发射激光来定位管片和盾尾内壁间隙的激光发射器，及用于采集激光发射器激光定位数据的双目相机。
3.根据权利要求1或2所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，其特征在于，依据待测与盾尾内壁间隙的管片数量以及使用需要，测量设备设置多个，且每个测量设备安装在与管片对应的盾构机推进油缸底座上。
4.根据权利要求1或2所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量装置，其特征在于，包含：至少2个测量设备，利用设置的测量设备来获取所测位置的管片与盾尾内壁间隙数据。
5.一种盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的装置实现，该实现过程包含如下内容：
依据盾体内壁和管片断面、及盾构机轴线，并利用测量设备获取管片、盾尾内壁和两者之间间隙的所有覆盖区域范围内的点云坐标轨迹；
剔除点云坐标轨迹中盾尾内壁和管片断面之外的点，并寻找盾尾间隙位置的坐标区域，通过数据比对来获取盾尾内壁和管片两者之间间隙的端点坐标，利用端点坐标来确定待测盾尾间隙大小。
6.根据权利要求5所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，其特征在于，所述测量设备包含：用于发射激光来定位管片和盾尾内壁间隙所有覆盖区域的激光发射器，及用于采集激光发射器激光定位数据的双目相机，其中，激光发射器在间隙覆盖区域定位过程中，至少通过发射激光定位出：盾尾内壁和管片断面，及盾构机轴线，且激光发射面所在平面指向盾构机轴线。
7.根据权利要求5或6所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，其特征在于，以测量设备正面的中心为坐标系原点，测量设备正前方为坐标系Z轴方向，来构建统一的三维笛卡尔坐标系；通过统一的三维笛卡尔坐标系来获取间隙覆盖区域内的有效点，并依据获取的有效点来构建点云坐标轨迹。
8.根据权利要求7所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，其特征在于，获取间隙的端点坐标中，构建管片断面上距离测量设备最近的直线段，并通过直线段上坐标点的Z轴方向坐标值大小筛选出直线段上的用于确定待测盾尾间隙大小的直线段候选坐标数据；利用直线段候选坐标数据来构建直线段的空间直线方程；再通过管片断面上坐标点的Z轴方向坐标值大小和坐标顺序筛选出管片上的一个间隙端点，依据待测盾尾间隙两端点所在直线与直线段所在直线平行，构建盾尾间隙两端点所在的空间直线方程，并确定盾尾内壁上的另一个间隙端点所在的坐标。
9.根据权利要求8所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，其特征在于，构建直线段的空间直线方程中，依据直线段坐标点数将直线段划分为若干细分段，依据每细分段的首尾坐标来求解空间直线方程中的系数，并汇总各细分段中空间直线方程系数，通过对各系数进行求和和去均值来确定直线段的空间直线方程系数。
10.根据权利要求5所述的盾构机施工过程中盾尾间隙测量方法，其特征在于，依据获取的间隙的两个端点B(XB,YB,ZB)和G(XG,YG,ZG)，通过公式
Figure FDA0003624429860000021
来计算出待测盾尾间隙大小。
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