CN114810137A - 基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统及方法 - Google Patents

基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于隧道施工技术领域，公开了一种基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统及方法，通过设计的六自由度传动组件和多传感信息获取组件，首先实现抓取平台与中隔墙的平行调整，再在此基础上实现抓取平台和中隔墙的中心定位孔对准和安装孔对准，进而能够实现抓取平台对中隔墙的自动定位、抓取，提高了对盾构隧道中隔墙预制件的中心定位孔以及抓取孔的定位精度，为实现盾构隧道中隔墙预制件自动化拼接提供了保证。

Description

基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统及方法
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，涉及盾构隧道预制件安装，尤其涉及盾构隧道中隔墙定位抓取技术。
背景技术
相对于传统暗挖隧道作业环境差、功效差、施工风险高等缺陷，盾构隧道已成为在城市密集区建设的首选方法。随着交通建设的不断发展进步，盾构隧道管片结构的预制拼装设计、生产与施工技术已十分成熟。近些年，随着地下工程预制拼装技术的发展，大直径盾构隧道内部结构的预制化受到了越来越多的关注。
以中隔墙预制件安装为例，在自动拼接预制中隔墙时，首先需要对抓取机构与中隔墙的位置和姿态进行相对调整，主要采用人工肉眼确认待抓取姿态是否合格，合格后，通过中隔墙抓取机构抓取墙体，以便后续进行旋转、姿态调整、拼接等操作。上述检测方法会存在如下问题：中隔墙墙体巨大，肉眼确认精度无数据支撑，工人易疲劳，安全无法保障。
因此，设计一种能够实现相对中隔墙预制件自动定位、抓取的系统及方法，是目前盾构隧道发展所要丞待解决的关键技术之一。
发明内容
针对现有技术中存在缺乏盾构隧道预制件自动定位系统的技术现状，本发明的目的旨在提供一种基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统及方法，能够实现抓取系统与中隔墙的自校准及定位，提高中隔墙安装效率和精度。
本发明的发明思路为：利用车辆平台等将待安装中隔墙运输至盾构隧道内，再将中隔墙与抓取平台调平行，然后获取中隔墙图像，求解出中隔墙上中心定位孔及安装孔的世界坐标，控制抓取平台到达中心位置，将抓取平台上的插销插入中隔墙安装孔，最终完成中隔墙的抓取。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，其包括：安装机，安装于安装机上的抓取平台，六自由度传动组件，多传感信息获取组件以及后台服务器；
所述抓取平台，用于抓取中隔墙，其一侧沿长度方向设计有与中隔墙外形适配的装配面；所述装配面上与中隔墙安装孔对应位置设置有插销；所述装配面上还嵌入安装有用于采集中隔墙图像的视觉相机；
六自由度传动组件，用于实现抓取平台六自由度运动，包括用于驱动抓取平台沿隧道径向进给的顶升油缸，用于驱动抓取平台旋转的旋转油缸，用于驱动抓取平台沿隧道水平方向进给的推进油缸，用于调整抓取平台俯仰角的俯仰油缸，用于调整抓取平台偏航的偏航油缸，以及用于驱动抓取平台沿隧道轴线进给的横移油缸；
多传感信息获取组件，用于采集六自由度传动组件各油缸位移信息及抓取平台与中隔墙之间距离信息；
所述后台服务器用于基于多传感信息获取组件获取的六自由度传动组件各油缸位移信息、抓取平台与中隔墙之间距离信息及视觉相机获取的中隔墙图像，确定六自由度传动组件各油缸调整量，从而实现抓取平台与中隔墙的准确定位和抓取。
上述盾构隧道中隔墙定位抓取系统，所述安装机呈门式框架，其包括沿安装机长度方向滑动安装于门式框架横梁上的第一安装滑块，以及沿竖直方向与第一安装滑块转动连接在一起的第二安装滑块。所述顶升油缸安装在安装机本体周向底部，实现安装机本体的升降调整，从而实现抓取平台沿盾构隧道径向(也即竖直方向)调整进给；所述旋转油缸，垂直安装在抓取平台与第二安装滑块连接处，实现抓取平台的旋转调整；所述推进油缸沿盾构隧道水平方向平行固定安装于第二安装滑块上，其伸缩杆与旋转油缸连接，实现抓取平台的水平推进与缩回；所述俯仰油缸垂直安装在第一安装滑块与第二安装滑块之间，通过调整第二安装滑块的俯仰角，实现抓取平台的俯仰角度调整；所述偏航油缸经安装于旋转油缸上的安装支架与抓取平台连接，实现抓取平台的偏航角度调整；所述横移油缸平行盾构隧道轴线安装于第一安装滑块与安装机顶部梁之间，实现抓取平台沿盾构隧道轴线进给。所述顶升油缸、旋转油缸、推进油缸、俯仰油缸、偏航油缸及横移油缸均为步进式油缸。本发明中，顶升油缸数量为四个，俯仰油缸、偏航油缸数量为各两个，推进油缸、横移油缸和旋转油缸数量均为1个。
上述盾构隧道中隔墙定位抓取系统，所述多传感信息获取组件包括顶升油缸位移传感器、旋转油缸位移传感器、推进油缸位移传感器、俯仰油缸位移传感器、偏航油缸位移传感器、横移油缸位移传感器以及分别设置于抓取平台各边的激光测距传感器。上述位移传感器可以选自本领域已经披露的常规位移传感器。本发明中，中隔墙为矩形结构，因此对应抓取平台也为矩形结构，其包括四条边，因此，这里可以在其四边分别安装一个激光测距传感器。
上述盾构隧道中隔墙定位抓取系统，后台服务器可以采用具有图像处理功能的计算机或处理器来实现。后台服务器可以集成于安装机上，也可以与安装机分离，单独放置。
本发明进一步提供了一种基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取方法，使用上述盾构隧道中隔墙定位抓取系统按照以下步骤进行：
S1抓取平台与中隔墙平行度调整
基于测量的抓取平台各边到中隔墙的距离，确定中隔墙的俯仰角和偏航角；再利用六自由度传动组件调整抓取平台至抓取平台装配面与中隔墙相应面平行；
S2抓取平台与中隔墙定位
获取中隔墙图像，然后依据获取的中隔墙图像获取其中心定位孔和安装孔圆心在世界坐标系下的坐标；并将获取中隔墙中心定位孔和安装孔圆心的坐标与中隔墙中心定位孔和安装孔圆心预定坐标比较，确定确定抓取平台装配面相对于中隔墙对应面的旋转角、沿盾构隧道轴向的轴向位移和沿盾构隧道径向的径向(高度)位移；再利用旋转油缸、横移油缸和顶升油缸依据旋转角、轴向位移和径向位移驱动抓取平台，实现抓取平台与中隔墙对准、定位；
S3抓取中隔墙
通过控制推进油缸，驱动抓取平台水平推进至抓取平台装配面上的插销插入中隔墙安装孔，完成中隔墙的定位抓取工作。
上述步骤S1中，利用抓取平台各边安装的激光测距传感器测量抓取平台各边到中隔墙的距离，然后根据姿态调整算法计算出中隔墙相对于抓取平台的俯仰角和偏航角，再将俯仰角、偏航角及旋转角转换成俯仰油缸和偏航油缸变化量，进而通过驱动俯仰油缸和偏航油缸来调整抓取平台装配面；重复上述过程直至抓取平台装配面与中隔墙相应面平行度满足设定要求。这里的俯仰角是指中隔墙在垂向上相对于抓取平台的偏离角度；偏航角是指中隔墙在同一水平面内偏离抓取平台的角度。此外，旋转角是指中隔墙在垂直面内相对于抓取平台的旋转角度。本发明中通过偏航油缸来调整偏航角，通过俯仰油缸来调整俯仰角，通过旋转油缸来调整旋转角。
上述步骤S2的目的是实现中隔墙中心定位孔和和安装孔的定位，具体分为两步，首先对抓取平台中心与中隔墙中心定位孔进行对准，再对安装孔进行对准，对准过程中用于作为待抓取中隔墙位姿调整依据的中心定位孔和安装孔预定坐标(包括世界坐标和像素坐标)可以来自已经完成抓取任务的中隔墙。本步骤中，以抓取平台中心位置作为世界坐标原点，世界坐标即相对于抓取平台中心位置的坐标。
步骤S2具体实现方式中包括以下分步骤：
S21获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，识别中隔墙中心定位孔位置，并计算出中心定位孔在世界坐标系下的坐标，将其与中心定位孔预定坐标比较，确定沿盾构隧道轴向的第一轴向位移和沿盾构隧道径向的第一径向位移，控制顶升油缸和横移油缸驱动抓取平台移动，使抓取平台中心与中隔墙中心定位孔初对准；
S22重新获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，确定中心定位孔与安装孔之间的位置关系，并将其与中心定位孔与安装孔预定坐标比对，确定抓取平台装配面相对于中隔墙相应面的旋转角，控制旋转油缸驱动抓取平台旋转，使抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔对齐；
S23重新获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，获取中心定位孔或/和安装孔的图像坐标，并计算出中心定位孔或/和安装孔在世界坐标系下的坐标，将其与中心定位孔或/和安装孔预定坐标比较，确定沿盾构隧道轴向的第二轴向位移和沿盾构隧道径向的第二径向位移，控制顶升油缸和横移油缸驱动抓取平台移动，使抓取平台中心与中隔墙中心定位孔以及抓取平台上插销与中隔墙上安装孔对准。
重复上述步骤S21-S23直至获取中隔墙中心定位孔和安装孔圆心的坐标与中隔墙中心定位孔和安装孔圆心预定坐标误差满足设定要求，也即抓取平台中心定位孔与中隔墙中心定位孔相对，同时抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔相对，完成抓取平台与中隔墙的对准。
上述步骤S21中，采用嵌入抓取平台的视觉相机对中隔墙预制件进行拍摄采集，主要采集内容为中隔墙上的中心定位孔以及用于抓取的两个以上的安装孔。为了获取最佳中隔墙图像，当抓取平台装配面与中隔墙相应面平行后，再次基于激光测距仪采集的数据判断中隔墙是否处于相机最佳物距范围之内，如果不在，则通过控制推进油缸，驱动抓取平台水平移动至视觉相机能拍摄到清洗的墙面图像。
由于圆形标志点经过相机透镜投影变换后一般为平面椭圆，因此，本发明采用Hough变换算法来拟合椭圆，定位目标中心。
椭圆识别与中心位置解算方法采用椭圆的Hough变换算法。通过Hough变换进行椭圆拟合的原理可以表述为：以椭圆的两个轴(长轴和短轴)及旋转角为参数，将图像空间中的点变换到参数空间，并在此空间内部对每组参数设置相应计数器，对相关的图像空间点进行累加处理，统计图像空间点中有多少是符合同属一个椭圆的要求，并取累加器最大的计数器所表示的参数作为最后拟合出来的椭圆参数。如图1所示，其中a，b为椭圆长轴和短轴的半轴长度，(u0，v0)为椭圆中心坐标，θ为椭圆长轴与坐标轴u正方向之间的夹角。故椭圆的方程可以表示成：
Figure BDA0003632914980000041
通过二次曲线的一般方式进行表示，椭圆方程可表示为：
Figure BDA0003632914980000051
式中，B、C、D、E、F分别表示中间变量。
比较上述两个式子，有：
Figure BDA0003632914980000052
采用Hough变换原理，设置5维的参数矩阵，设置相关累加器进行叠加求解即可求出椭圆中心。
因此，先采用椭圆的Hough变换算法获得中隔墙中心定位孔在像素坐标系的中心位置坐标；然后，将获得中隔墙中心定位孔在像素坐标系中的椭圆中心位置转换为世界坐标系中的位置坐标(xw，yw)，并将其与中心定位孔在世界坐标系中的预定坐标比较，确定横移油缸和顶升油缸调整量(Δx,Δy)，也即沿盾构隧道轴向的第一轴向位移和沿盾构隧道径向的第一径向位移，进而控制抓取机构横向和径向移动，使抓取平台中心位置对准中隔墙中心孔。
在视觉相机得到的图像中，需要进行像素坐标至世界坐标的转换，从而解算世界坐标系下的偏差量，引导抓取平台进行移动。总结步骤如下：
像素坐标与世界坐标的转换
Figure BDA0003632914980000053
其中，s表示深度，(u,v)表示像素坐标，
Figure BDA0003632914980000054
表示相机内参数矩阵，
Figure BDA0003632914980000055
表示相机外参数矩阵，(x,y,z)表示世界坐标系下的坐标。
变换流程如下所述：
(1)从像素坐标pixel至相机坐标camera，使用内参变换
Figure BDA0003632914980000061
式中，Pcamera(3×1)表示目标点在相机坐标系中的坐标值，
Figure BDA0003632914980000062
表示像素坐标系至相机坐标系的旋转矩阵，Ppixel(3×1)表示目标点在像素坐标系的像素坐标，depth表示深度；
(2)从相机坐标camera至世界坐标world，使用外参变换
Figure BDA0003632914980000063
式中，Pworld(4×1)表示目标点在世界坐标系中的坐标值，
Figure BDA0003632914980000064
表示相机坐标系至世界坐标系的旋转矩阵，Pcamera(4×1)表示目标点在相机坐标系中的坐标值。
注意事项：两个变换之间的矩阵大小不同，需要分开计算，从像素坐标pixel至相机坐标camera获得的相机坐标为非齐次，需转换齐次坐标再进行下一步变换。而在进行从相机坐标camera至世界坐标world时，需将外参矩阵转换为齐次再进行计算。
经过上述两个步骤，即可将像素坐标转换为可供计算使用的世界坐标。
上述步骤S22中，具体实现过程中包括以下分步骤：
(1)对获取的中隔墙图像进行自动阈值分割
实际情况下的环境背景并不是一成不变的，因此采用自动阈值分割提取有用信息是关键。本发明采用了大津法，即OTSU自动阈值分割，通过计算出一个阈值，然后使用这个阈值对图像进行分割，这里的阈值是自动计算出来的。当所取阈值为最佳阈值时，图像的前景和背景两部分的差别是最大的，即类间方差最大。
在opencv中，使用cv2.threshold()来实现大津算法：
t,otsu＝cv2.threshold(img,0,255,cv2.THRESH_BINARY+cv2.THRESH_OTSU)
与固定阈值分割法的区别在于以下几点：
(i)参数多了一个cv2.THRESH_OTSU；
(ii)第二个参数为0，是遍历检索的初始值；
(iii)返回值是遍历所有可能的阈值后，得出的使得类间方差最大的最优阈值。
(2)对自动阈值分割后的图像进行连通域分割
这里是将前景目标提取出来以便后续进行处理。首先需将图像二值化，并使用connectedComponentsWithStats进行分割，将二值图分割成多个区域，可以提取多个区域中的任何一块。可以利用特征量(例如面积、长度、圆度等)对区域进行筛选。
(3)对连通域分割后的图像进行圆度匹配以及个数检测
当图像中找到的圆孔个数与中隔墙中心定位孔和安装孔个数相等时，认为待抓取中隔墙吊装位置处于可自动识别抓取范围，否则需要将承载中隔墙的车辆平台进行调整，再重新返回步骤S1；
(4)依据中心定位孔与安装孔之前的位置关系，提取位于中心定位孔同侧的两个安装孔的像素坐标，结合这两个安装孔的预定像素坐标，经拟合得到两条交线，两条交线在竖直方向上的夹角，即为抓取平台装配面相对于中隔墙相应面的旋转角，控制旋转油缸驱动抓取平台旋转，使抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔对齐。
与现有技术相比，本发明提供的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统及方法具有以下有益效果：
1、本发明通过设计的六自由度传动组件和多传感信息获取组件，首先实现抓取平台与中隔墙的平行调整，再在此基础上实现抓取平台和中隔墙的中心定位孔对准和安装孔对准，进而能够实现抓取平台对中隔墙的自动定位、抓取，提高了对盾构隧道中隔墙预制件的中心定位孔以及抓取孔的定位精度，为实现盾构隧道中隔墙预制件自动化拼接提供了保证。
2、本发明在抓取平台与中隔墙的平行调整过程中，首先基于两者之间各边之间的距离，对抓取平台姿态进行分解，得到中隔墙相对于抓取平台的俯仰角、偏航角，进而通过控制俯仰油缸、偏航油缸来实现调整，不仅简化了调整操作，而且具有较好的调平效果；并提高了视觉相机所拍摄到中心定位孔与抓取孔的圆度，从而提高抓取质量及抓取效率；
3、本发明在抓取平台和中隔墙的中心定位孔对准和安装孔对准过程中，先进行中心定位孔对准，再进行安装孔对准，最后重新利用中心定位孔或/和安装孔进行定位，这样能够实现对中心定位孔和安装孔的精准定位，定位精度高。
4、本发明在抓取平台和中隔墙的中心定位孔对准和安装孔对准过程中，引入通过Hough变换，能够解决拍摄图像圆度不足的问题；而通过引入图像识别，能够便于确定偏纹理的大工件的准确位置，从而使抓取平台方便地被移动到期望位置，并便于获取所需旋转角度，调整为期望姿态。
附图说明
图1为椭圆参数示意图。
图2为基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统工作状态示意图。
图3为去除抓取平台之后的盾构隧道中隔墙定位抓取系统结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图5为中隔墙中心定位孔及安装孔在不同状态下的示意图；其中，(a)为视觉相机采集的中隔墙图像；(b)为中隔墙中心定位孔和安装孔预定坐标。
图6为像素坐标下不同状态中隔墙中心定位孔及安装孔坐标示意图；(a)为视觉相机采集的中隔墙图像；(b)为中隔墙中心定位孔和安装孔预定坐标。
图7为抓取平台中隔墙平行度关系示意图。
图8为俯仰油缸/偏航油缸调整原理示意图。
图中，1-中隔墙，2-安装机，21-第一安装滑块，22-第二安装滑块，23-横梁，24-滑槽，3-抓取平台，31-装配面，32-插销，33-安装部，4-顶升油缸，5-旋转油缸，51-安装支架6-推进油缸，7-俯仰油缸，8-偏航油缸，9-横移油缸，10-油缸电控装置。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
实施例1
本实施例针对的中隔墙为安装于盾构隧道中的中隔墙1，其为长方体形，其上分别开设有中心定位孔和安装孔。
针对上述中隔墙，本实施例提供的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，如图2至图4所示，其包括安装机2，安装于安装机2上的抓取平台3、六自由度传动组件，多传感信息获取组件以及后台服务器。
安装机2呈门式框架，为长方体结构。安装机还包括第一安装滑块21和第二安装滑块22。第一安装滑块21沿安装机长度方向经与之固连的可移动滑块滑动安装于门式框架横梁23上设置的滑槽24内。第二安装滑块沿竖直方向与第一安装滑块转动连接在一起，第二安装滑块22随第一安装滑块21移动。
抓取平台3，用于抓取中隔墙1，其一侧沿长度方向设计有与中隔墙外形适配的装配面31；装配面上与中隔墙安装孔对应位置设置有插销32；装配面还嵌入安装有用于采集中隔墙图像的视觉相机。这里视觉相机采用的是单目视觉相机。
六自由度传动组件，用于实现抓取平台六自由度运动，包括顶升油缸4、旋转油缸5、推进油缸6、俯仰油缸7、偏航油缸8和横移油缸9。顶升油缸4用于驱动抓取平台沿隧道径向进给，数量为四个，分别安装在安装机门式框架四个角的底部。旋转油缸5用于驱动抓取平台旋转，数量为一个，垂直安装在抓取平台与第二安装滑块22连接处。推进油缸6用于驱动抓取平台沿隧道水平方向进给，其沿盾构隧道水平方向平行固定安装于第二安装滑块22上，其伸缩杆与旋转油缸5缸体固定连接。俯仰油缸7用于调整抓取平台俯仰角，数量为两个，垂直安装在第一安装滑块21与第二安装滑块22之间；具体实现方式中，第一安装滑块一侧通过设置固定转轴与第二安装滑块同侧突出的连接耳铰接，另一侧通过两个俯仰油缸7连接在一起，可以将俯仰油缸缸体与第一安装滑块固定连接，俯仰油缸伸缩杆与第二安装滑块固定连接，通过控制俯仰油缸伸缩杆的伸缩调整第二安装滑块22的俯仰角，进而实现抓取平台的俯仰角度调整。偏航油缸8用于调整抓取平台偏航角，数量为两个，两个偏航油缸缸体对称安装于旋转油缸设置的安装支架51上，两个偏航油缸的伸缩杆分别与抓取平台后部的安装部33两侧连接；同时抓取平台后部的安装部与安装支架转动连接。横移油缸用于驱动抓取平台沿隧道轴线进给，数量为1个，平行盾构隧道轴线安装于第一安装滑块21与安装机顶部梁之间。顶升油缸4、旋转油缸5、推进油缸6、俯仰油缸7、偏航油缸8和横移油缸9均与油缸电控装置10连接，由油缸电控装置控制各个油缸动作。
多传感信息获取组件，用于采集六自由度传动组件各油缸位移信息及抓取平台与中隔墙之间距离信息。本实施例中，多传感信息获取组件包括分别安装于上述各油缸的顶升油缸位移传感器、旋转油缸位移传感器、推进油缸位移传感器、俯仰油缸位移传感器、偏航油缸位移传感器和横移油缸位移传感器。上述位移传感器可以选自本领域已经披露的常规位移传感器。多传感信息获取组件还包括设置于抓取平台各边上的高精度激光测距传感器，数量为四个，相对的两个激光测距传感器对称设置。
所述后台服务器用于基于多传感信息获取组件获取的六自由度传动组件各油缸位移信息、抓取平台与中隔墙之间距离信息及视觉相机获取的中隔墙图像，确定六自由度传动组件各油缸调整量，从而实现抓取平台与中隔墙的准确定位和抓取。后台服务器可以采用具有图像处理功能的计算机或处理器来实现。后台服务器可以集成于安装机上，也可以与安装机分离，单独放置。上述各油缸位移传感器、激光测距传感器以及视觉相机采集的数据可以实时在与后台服务器连接的显示界面上显示。
上述基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，首先利用多传感信息获取组件获取抓取平台与中隔墙之间距离信息及视觉相机获取的中隔墙图像，利用后台服务器确定六自由度传动组件各油缸调整量，再控制各油缸，驱动抓取平台移动或旋转，实现抓取平台与中隔墙的自动定位和抓取。
实施例2
承载中隔墙的车辆平台将待安装中隔墙运输至盾构隧道内相应位置，然后利用抓取平台对中隔墙进行抓取。本实施例提供了一种基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取方法，使用实施例1中给出的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，按照以下步骤进行：
S1抓取平台与中隔墙平行度调整
基于测量的抓取平台各边到中隔墙的距离，确定中隔墙相对于抓取平台装配面的俯仰角和偏航角；再利用六自由度传动组件调整抓取平台至抓取平台装配面与中隔墙相应面平行。
利用抓取平台各边安装的激光测距传感器测量抓取平台各边到中隔墙的距离，然后根据姿态调整算法计算出中隔墙相对于抓取平台的俯仰角和偏航角，再将俯仰角、偏航角转换成俯仰油缸和偏航油缸变化量，进而通过驱动俯仰油缸和偏航油缸来调整抓取平台装配面；在进行偏航角调整时，需要先利用旋转油缸，将两个偏航油缸调整至在同一竖直面内。重复上述过程直至抓取平台装配面与中隔墙相应面平行度满足设定要求。
如图7及图8所示，本实施例中，抓取平台四条边分别安装有一个激光测距传感器，通过激光测距传感器测量抓取平台2装配面与中隔墙3相应面之间的距离，根据激光测距判断中隔墙是否在视觉相机景深范围内，当抓取平台上4个激光测距传感器所测平均距离为1m时，4个激光数据两两处理，由激光射线1与射线4长度差值Δd1与两激光安装距L1的关系：α＝arctan(Δd1/L1)，可求得中隔墙相对于抓取平台的俯仰角α，俯仰油缸满足以下关系公式(7)：
Figure BDA0003632914980000101
其中，l1、l2分别表示油缸两端相对于固定转轴的安装距；l3表示调整前油缸活塞杆端部至油缸底部的长度(即油缸伸缩杆没有伸出时的固定长度(600mm)和当前油缸伸缩杆伸出值之和)，单位为mm；l5表示中间变量，表示调整后油缸活塞杆端部至油缸底部的长度；Angel-fy表示俯仰角α(或偏航角β)的弧度制；YGZX_NOW表示油缸当前伸出值，由油缸位移传感器测量得到；delta_D表示油缸调整前后变化量。这里的油缸指的是俯仰油缸或偏航油缸。
根据关系公式(7)可求得俯仰油缸变化量delta_D，以此调整俯仰角。
由激光射线2与射线3长度差值Δd2与两激光安装距L2的关系：β＝arctan(Δd2/L2)，可求得中隔墙相对于抓取平台的偏航角β，同理推进油缸同样满足上述关系公式(7)，根据关系公式(7)可求得推进油缸变化量delta_D，以调整偏航角。当调整至四个距离中有三个距离在误差范围内相等，则认为抓取机构面与中隔墙表面两平面平行。
S2抓取平台与中隔墙定位
获取中隔墙图像，然后依据获取的中隔墙图像获取其中心定位孔和安装孔圆心在世界坐标系下的坐标；并将获取中隔墙中心定位孔和安装孔圆心的坐标与中隔墙中心定位孔和安装孔圆心预定坐标比较，确定抓取平台装配面相对于中隔墙对应面的旋转角、沿盾构隧道轴向的轴向位移和沿盾构隧道径向的径向(高度)位移；再利用旋转油缸、横移油缸和顶升油缸依据旋转角、轴向位移和径向位移驱动抓取平台，实现抓取平台与中隔墙对准、定位。
本步骤具体实现方式中包括以下分步骤：
S21抓取平台中心与中隔墙中心定位孔初对准
获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，识别中隔墙中心定位孔位置，并计算出中心定位孔在世界坐标系下的坐标，将其与中心定位孔预定坐标比较，确定沿盾构隧道轴向的第一轴向位移和沿盾构隧道径向的第一径向位移，控制顶升油缸和横移油缸驱动抓取平台移动，使抓取平台中心与中隔墙中心定位孔初对准。
本实施例中，首先使用视觉相机采集中隔墙图像。前面已经指出，由于圆形标志点经过相机透镜投影变换后一般为平面椭圆，因此需要采用椭圆的Hough变换算法来拟合椭圆，定位目标中心。
前面已经对椭圆的Hough变换算法进行了详细的解释。基于前面的解释，对采集的中隔墙图像进行处理，可得到中心定位孔和两个安装孔在像素坐标系下的圆心坐标。然后按照前面给出的像素坐标与世界坐标的转换关系(公式(5)-(6))，可得到中心定位孔和两个安装孔(这里以两个安装孔为例，实际安装孔数量可以根据实际情况来开设)在世界坐标系下的圆心坐标。如图5所述，(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2)为中心定位孔和两个安装孔预定目标在世界坐标系下的三个圆心坐标，即在能够完成抓取的情况下预先的对应于左上、左下以及中心孔的位置坐标，可以从已经完成抓取任务的中隔墙数据中获取。(x′0,y′0),(x′1,y′1),(x′2,y′2)为在调整抓取平台与待抓取中隔墙平行姿态后的任一时刻所拍摄到的三个孔位进行坐标变换后得到的世界坐标位置。两者比较，可确定横移油缸和顶升油缸调整量，(Δx,Δy)，也即沿盾构隧道轴向的第一轴向位移和沿盾构隧道径向的第一径向位移，进而控制抓取机构横向和径向移动，使抓取平台中心位置与中隔墙中心孔进行初对准。
S22重新获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，确定中心定位孔与安装孔之间的位置关系，并将其与中心定位孔与安装孔预定坐标比对，确定抓取平台装配面相对于中隔墙相应面的旋转角，控制旋转油缸驱动抓取平台旋转，使抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔对齐。
抓取平台中心位置与中隔墙中心定位孔进行初对准后，视觉相机重新采集中隔墙图像，然后按照以下图像处理方式进行处理，确定此时中隔墙中心定位孔和两个安装孔像素坐标，并将其与中隔墙中心定位孔和两个安装孔预定像素坐标对比，确定抓取平台旋转角度：
(1)对获取的中隔墙图像进行自动阈值分割
采用OTSU自动阈值分割法对获取的中隔墙图像进行分割。
(2)对自动阈值分割后的图像进行连通域分割
首先需将图像二值化，并使用connectedComponentsWithStats进行分割，将二值图分割成多个区域，然后基于设定的圆度阈值范围进行筛选，筛选出其中的圆形区域，即为圆孔。
(3)对连通域分割后的图像进行圆度匹配以及个数检测
当图像中找到的圆孔个数与中隔墙中心定位孔和安装孔个数相等时(这里即圆孔数量为三个)，认为待抓取中隔墙吊装位置处于可自动识别抓取范围，否则需要将承载中隔墙的车辆平台进行调整，再重新返回步骤S1。
(4)依据中心定位孔与安装孔之前的位置关系，提取位于中心定位孔同侧的两个安装孔的像素坐标，结合这两个安装孔的预定像素坐标，经拟合得到两条交线。如图6所示，(u0,v0),(u1,v1),(u2,v2)为中心定位孔和两个安装孔预定目标在像素坐标系下的三个圆心坐标，即在能够完成抓取的情况下预先的对应于左上、左下以及中心孔的位置坐标，可以从已经完成抓取任务的中隔数据中获取。(u′0,y′0),(u′1,v′1),(u′2,v′2)为经图像处理后得到的三个孔位像素坐标。
通过两个安装孔在图像中的行列像素坐标值(u′1,v′1),(u′2,v′2)，以及预置两目标点位(u1,v1),(u2,v2)，进行拟合计算求出两条交线在垂直方向，即u方向上的夹角，该夹角即抓取平台上旋转油缸需要转动的角度，该调节数据可显示于与后台服务器连接的显示界面。同时控制旋转油缸驱动抓取平台旋转，使抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔对齐。
S23重新获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，获取中心定位孔或/和安装孔的图像坐标，并计算出中心定位孔或/和安装孔在世界坐标系下的坐标，将其与中心定位孔或/和安装孔预定坐标比较，确定沿盾构隧道轴向的第二轴向位移和沿盾构隧道径向的第二径向位移，控制顶升油缸和横移油缸驱动抓取平台移动，使抓取平台中心与中隔墙中心定位孔以及抓取平台上插销与中隔墙上安装孔对准。
本实施例中，采用视觉相机重新获取中隔墙图像，并通过前面给出的椭圆的Hough变换算法获取中心定位孔的图像坐标，并按照前面给出的像素坐标与世界坐标的转换关系(公式(5)-(6))，可得到中心定位孔在世界坐标系下的圆心坐标计算出中心定位孔在世界坐标系下的坐标，将其与中心定位孔预定坐标比较，确定沿盾构隧道轴向的第二轴向位移和沿盾构隧道径向的第二径向位移，该调节数据可显示于与后台服务器连接的显示界面，同时控制顶升油缸和横移油缸驱动抓取平台移动，使抓取平台中心与中隔墙中心定位孔以及抓取平台上插销与中隔墙上安装孔对准。
再次利用视觉相机采集中隔墙图像，获得经过一次旋转调节以及横向纵向调节后的位置信息，若当前误差信息满足抓取要求，则进入下一步；若不满足精度要求，则重复上述步骤S21-S23，再次调整抓取平台，直至获取中隔墙中心定位孔和安装孔圆心的坐标与中隔墙中心定位孔和安装孔圆心预定坐标误差满足设定要求，也即抓取平台中心定位孔与中隔墙中心定位孔相对，同时抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔相对，完成抓取平台与中隔墙的对准。
S3抓取中隔墙
通过控制推进油缸，驱动抓取平台水平推进至抓取平台装配面上的插销插入中隔墙安装孔，完成中隔墙的定位抓取工作。

Claims (10)

1.一种基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，其特征在于，包括：安装机(2)，安装于安装机(2)上的抓取平台(3)，六自由度传动组件，多传感信息获取组件以及后台服务器；
所述抓取平台(3)，用于抓取中隔墙，其一侧沿长度方向设计有与中隔墙外形适配的装配面(31)；所述装配面上与中隔墙安装孔对应位置设置有插销(32)；所述装配面上还嵌入安装有用于采集中隔墙图像的视觉相机；
六自由度传动组件，用于实现抓取平台六自由度运动，包括用于驱动抓取平台沿隧道径向进给的顶升油缸(4)，用于驱动抓取平台旋转的旋转油缸(5)，用于驱动抓取平台沿隧道水平方向进给的推进油缸(6)，用于调整抓取平台俯仰角的俯仰油缸(7)、用于调整抓取平台偏航的偏航油缸(8)以及用于驱动抓取平台沿隧道轴线进给的横移油缸(9)；
多传感信息获取组件，用于采集六自由度传动组件各油缸位移信息及抓取平台与中隔墙之间距离信息；
所述后台服务器用于基于多传感信息获取组件获取的六自由度传动组件各油缸位移信息、抓取平台与中隔墙之间距离信息及视觉相机获取的中隔墙图像，确定六自由度传动组件各油缸调整量，从而实现抓取平台与中隔墙的准确定位和抓取。
2.根据权利要求1所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，其特征在于，所述安装机呈门式框架，其包括沿安装机长度方向滑动安装于门式框架横梁上的第一安装滑块(21)，以及沿竖直方向与第一安装滑块转动连接在一起的第二安装滑块(22)。
3.根据权利要求2所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，其特征在于，所述顶升油缸安装在安装机本体周向底部，实现安装机本体的升降调整，从而实现抓取平台沿盾构隧道径向调整进给；所述旋转油缸，垂直安装在抓取平台与第二安装滑块连接处；所述推进油缸沿盾构隧道水平方向平行固定安装于第二安装滑块上，其伸缩杆与旋转油缸连接，实现抓取平台的水平推进与缩回；所述俯仰油缸垂直安装在第一安装滑块与第二安装滑块之间，通过调整第二安装滑块的俯仰角，实现抓取平台的俯仰角度调整；所述偏航油缸经安装于旋转油缸上的安装支架与抓取平台连接，实现抓取平台的偏航角度调整；所述横移油缸平行盾构隧道轴线安装于第一安装滑块与安装机顶部梁之间，实现抓取平台沿盾构隧道轴线进给。
4.根据权利要求1至3任一所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，其特征在于，所述顶升油缸、推进油缸、旋转油缸、俯仰油缸、偏航油缸和横移油缸均为步进式油缸。
5.根据权利要求1所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取系统，其特征在于，所述多传感信息获取组件包括顶升油缸位移传感器、推进油缸位移传感器、旋转油缸位移传感器、俯仰油缸位移传感器、偏航油缸位移传感器、横移油缸位移传感器以及分别设置于抓取平台各边的激光测距传感器。
6.一种基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取方法，其特征在于，使用权利要求1至5任一项所述的盾构隧道中隔墙定位抓取系统按照以下步骤进行：
S1抓取平台与中隔墙平行度调整
基于测量的抓取平台各边到中隔墙的距离，确定中隔墙的俯仰角和偏航角；再利用六自由度传动组件调整抓取平台至抓取平台装配面与中隔墙相应面平行；
S2抓取平台与中隔墙定位
获取中隔墙图像，然后依据获取的中隔墙图像获取其中心定位孔和安装孔圆心在世界坐标系下的坐标；并将获取中隔墙中心定位孔和安装孔圆心的坐标与中隔墙中心定位孔和安装孔圆心预定坐标比较，确定抓取平台装配面相对于中隔墙对应面的旋转角、沿盾构隧道轴向的轴向位移和沿盾构隧道径向的径向位移；再利用旋转油缸、横移油缸和顶升油缸依据旋转角、轴向位移和径向位移驱动抓取平台，实现抓取平台与中隔墙对准、定位；
S3抓取中隔墙
通过控制推进油缸，驱动抓取平台水平推进至抓取平台装配面上的插销插入中隔墙安装孔，完成中隔墙的定位抓取工作。
7.根据权利要求6所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取方法，其特征在于，步骤S1中，利用抓取平台各边安装的激光测距传感器测量抓取平台各边到中隔墙的距离，计算出中隔墙的俯仰角和偏航角，再将俯仰角和偏航角转换成俯仰油缸和偏航油缸变化量，进而通过驱动俯仰油缸和偏航油缸来调整抓取平台装配面。
8.根据权利要求6所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取方法，其特征在于，步骤S2具体实现方式中包括以下分步骤：
S21获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，识别中隔墙中心定位孔位置，并计算出中心定位孔在世界坐标系下的坐标，将其与中心定位孔预定坐标比较，确定沿盾构隧道轴向的第一轴向位移和沿盾构隧道径向的第一径向位移，控制顶升油缸和横移油缸驱动抓取平台移动，使抓取平台中心与中隔墙中心定位孔初对准；
S22重新获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，确定中心定位孔与安装孔之间的位置关系，并将其与中心定位孔与安装孔预定坐标比对，确定抓取平台装配面相对于中隔墙相应面的旋转角，控制旋转油缸驱动抓取平台旋转，使抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔对齐；
S23重新获取中隔墙图像，依据获取的中隔墙图像，获取中心定位孔或/和安装孔的图像坐标，并计算出中心定位孔或/和安装孔在世界坐标系下的坐标，将其与中心定位孔或/和安装孔预定坐标比较，确定沿盾构隧道轴向的第二轴向位移和沿盾构隧道径向的第二径向位移，控制顶升油缸和横移油缸驱动抓取平台移动，使抓取平台中心与中隔墙中心定位孔以及抓取平台上插销与中隔墙上安装孔对准。
9.根据权利要求8所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取方法，其特征在于，步骤S21中，采用椭圆的Hough变换算法获得中隔墙中心定位孔在像素坐标系的中心位置坐标；然后，将获得的椭圆中心位置转换为世界坐标系中的位置坐标，并将其与中心定位孔在世界坐标系中的预定坐标比较，确定横移油缸和顶升油缸调整量，也即沿盾构隧道轴向的第一轴向位移和沿盾构隧道径向的第一径向位移，进而控制抓取机构横向和径向移动，使抓取平台中心位置对准中隔墙中心孔。
10.根据权利要求8所述的基于多传感信息融合的盾构隧道中隔墙定位抓取方法，其特征在于，步骤S22具体实现过程中包括以下分步骤：
(1)对获取的中隔墙图像进行自动阈值分割；
(2)对自动阈值分割后的图像进行连通域分割；
(3)对连通域分割后的图像进行圆度匹配以及个数检测；
当图像中找到的圆孔个数与中隔墙中心定位孔和安装孔个数相等时，认为待抓取中隔墙吊装位置处于可自动识别抓取范围，否则返回步骤S1；
(4)依据中心定位孔与安装孔之前的位置关系，提取位于中心定位孔同侧的两个安装孔的像素坐标，结合这两个安装孔的预定像素坐标，经拟合得到两条交线，两条交线在竖直方向上的夹角，即为抓取平台装配面相对于中隔墙相应面的旋转角，控制旋转油缸驱动抓取平台旋转，使抓取平台上的插销与中隔墙上的安装孔对齐。
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