CN115126267A - 一种应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统及方法，控制系统中的光感成像单元包括高精度双目光学相机、定位标签；双目光学相机安装于架桥机支腿上以及待对位的承台顶部，待对位的承台的插筋上、与承台对位的预制盖梁底部均设置有定位标签。光感成像单元获取同一场景下预制盖梁底部预留孔洞图像以及承台顶部预埋插筋图像并传递至计算单元，计算单元获取目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值，并传递至控制器单元，控制器单元分析形成控制指令，控制现场设备动作，高效精准地完成预埋插筋对位安装作业，保证了工程质量；本发明替代了以往作业中设置的监护人员，实现自动化对位控制，提高了施工效益。
Description
技术领域
本发明属于光电控制技术领域，尤其涉及一种应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统及方法。
背景技术
随着基础设备工程的大举兴建，近几年，高铁、公路、市政等项目得到了迅猛发展，基础设施工程带动着一批大型工程机械应运而生，制造工厂林立，机械设备更新换代迅速，但是大型工程机械设备的控制系统一直还停留在人工手动控制层级，因操作工人操作不熟练或注意力不集中等原因，很容易发生重大机械事故甚至工亡事故；特别是面对较为复杂的操作工序，例如混凝土构件预埋插筋对位作业，往往需要在各关键位置布置多名监护人员，以确保机构动作时不会发生危险作业，这样一来不仅增加了人工成本，而且人眼观察局限较大，同时人眼还会受外界环境因素影响，不能有效保证监护效果，还是存在一定的安全隐患。
随着人工成本逐渐增加，导致施工所需成本也一同增加，再加之近几年一直提倡工业4.0理念、机械化信息化融合等理念，工厂智能化的实现越来越多，为此，在大型工程机械领域亟需一次智能变革。混凝土构件预埋插筋对位作业是一项工序复杂、危险监视点众多、易发生质量事故的施工作业项目，为了实现更加智能化的安全作业控制，本发明将光电自动化控制理念引入到混凝土预制构件安装对位作业中。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统及方法，实现了智能化对位作业控制，减少了人工成本，同时能够精准保证工程施工质量。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统，包括光感成像单元、计算单元、控制器单元、显示模块和无线传输单元；光感成像单元通过RS485总线与计算单元以及控制器单元信号连接，光感成像单元安装在架桥机支腿上以及待对位的承台顶部，采集同一场景下预制盖梁底部预留孔洞图像数据以及承台顶部预埋插筋图像数据；计算单元通过无线传输单元与控制器单元信号连接，控制器单元通过CAN总线与施工现场各设备装置信号连接，控制其进行对位操作；显示模块与控制器单元信号连接，用于显示预制盖梁与承台的空间姿态情况。
进一步地，所述光感成像单元包括高精度双目光学相机、相机调平装置、定位标签，每两台双目光学相机为一个编组单元进行图像采集；待对位的承台的三根插筋上、与承台对位的预制盖梁底部均设置有定位标签进行异色标识。
进一步地，所述无线传输单元采用无线网桥技术，计算单元的处理结果通过网线发送给8口交换机，8口交换机通过无线传输单元将信号传递给无线传输单元总站，无线传输单元总站通过RS485总线与控制器单元连接。
进一步地，所述控制器单元采用S7-300控制器，控制器单元与施工现场的油缸、电机信号连接，通过控制油缸和电机的伸缩行程、电机转速来控制起重天车机构的起升下落和左右横移动作，完成预埋插筋对位安装作业。
利用上述应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统的光学定位控制方法，包括如下步骤：
步骤1：利用定位标签在预制盖梁底部、承台表面分别进行异色标识，完成特征点部署；
步骤2：在架桥机支腿上、待对位的承台顶部，分别于四角处各布置一台双目光学相机；光感成像单元获取同一场景下预制盖梁底部预留孔洞图像以及承台顶部预埋插筋图像，并进一步传递至计算单元；
步骤3：计算单元对接收到的图像数据中的特征点进行定位并进行二值化处理，获得满足特征点像素值范围的区域；
步骤4：计算单元对经步骤3中处理的图像进行边缘点提取处理，然后将边缘点连接成闭合曲线或者直线段；基于Bouguet算法、AD算法和Sobel算子的局部匹配方法，计算获取目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值，并传递至控制器单元；
步骤5：控制器单元根据计算单元在步骤4中计算出的特征点相对位置差值数据，通过CAN总线完成对设备油缸、电机的伸缩行程和电机转速的控制，从而控制起重天车机构的起升下落和左右横移动作，进而完成预埋插筋对位安装作业；同时，管理人员通过显示模块实时查看预制盖梁的空间姿态；
步骤6：重复步骤1至5，直至本跨内所有预制盖梁与承台对接完毕。
进一步地，所述步骤1中，特征点部署的具体方法为：选择预制盖梁底部任意一根对角线位置上的两个套筒以及另一根对角线位置上的任意一个套筒，在预制盖梁底部对接面形成一个面积最大的三角形，基于该三角形，利用定位标签在预制盖梁底部进行异色标识；然后在待对接的承台表面的三根插筋上继续利用定位标签进行异色标识。
进一步地，所述步骤3的具体过程为：读取视频帧并显示出来，在双目光学相机视频帧范围内找到特征点，通过程序读取特征点处的像素值，然后通过多次试点后获得特征点在图像上的 H、S、V 三个数值的大致范围，再对数值范围结果进行阈值化，将采集到的视频数据帧进行二值化处理，获得满足特征点像素值范围的区域。
进一步地，所述步骤4中，目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值的计算获取过程如下：对双目光学相机的左、右两个视觉图像进行初步校正处理，接着，通过AD算法和Sobel算子的局部匹配方法，经过多次迭代和JBF固定窗口生成精确的视差图，由不同双目光学相机或一个双目光学相机在不同位置对同一景物拍摄的图像，寻找同一景物在不同视角下的图像上的像素间的一一对应关系，求得视差值以恢复对应特征点的三维信息；利用OpenCV标定特征点在图像中的坐标信息，最后对特征点的空间坐标进行三维重建，再利用视差图，通过Bouguet 算法对像素点在双目光学相机坐标系中进行计算标定，算出目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值。
本发明具有如下有益效果：
利用本发明能够高效精准地完成预制混凝土构件安装对位作业，避免了因工序复杂、监护不到位、操作工人不熟练等原因，导致预制构件在安装对位作业过程中与机械设备本身或其他预制构件发生非正常接触和挤压的问题，避免了对预制构件本身的破坏与损伤，保证了工程质量和施工作业的安全性。本发明通过在套筒周围进行颜色标识，基于颜色特征与套筒的形状特征进行对位，替代了以往作业中设置的监护人员，实现自动化对位控制，减少了人工成本，提高了施工效益。
附图说明
图1为本发明所述光学定位控制系统的图像数据处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所提供的控制系统以及方法可应用于各种混凝土构件的对位施工中，本实施例优选以架桥机过孔施工中承台预埋插筋与预制盖梁对位施工为例进行方案说明。本发明所述的应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统，包括光感成像单元、计算单元、控制器单元、显示模块和无线传输单元。光感成像单元通过RS485总线与计算单元以及控制器单元信号连接，计算单元通过无线传输单元与控制器单元信号连接，控制器单元通过CAN总线与施工现场各设备装置信号连接，控制其进行对位操作；显示模块与控制器单元信号连接，用于显示预制盖梁与承台的空间姿态情况，供管理人员查看。
光感成像单元包括高精度双目光学相机、相机调平装置、定位标签，每两台双目光学相机为一个编组单元进行图像采集，本实施例设置有四个编组单元，其中两个编组单元分别固定安装于架桥机支腿上，另外两个编组单元分别固定安装于待对位的承台顶部；待对位的承台的三根插筋上、与承台对位的预制盖梁底部均设置有定位标签进行异色标识，定位标签共有三组，便于光感成像单元进行定位显示。光感成像单元获取同一场景下预制盖梁底部预留孔洞图像以及承台顶部预埋插筋图像，并进一步传递至计算单元进行计算、分析处理。
基于三角测量原理（即三点成一平面原理），光感成像单元识别三组定位标签，再将数据传输至计算单元，计算单元接收到光感成像单元传递的图像数据后，依次利用Bouguet算法、AD算法、Sobel算子的局部匹配方法对三组特征点进行拟合，而后得出特征点的特定三维空间位置数据，然后将目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值数据以数字信号的模式输出至控制器单元。同时，计算单元根据实时分析得到的特征点的特定三维空间位置数据计算出起重天车机构行走距离，并传递给控制器单元以便核对。
无线传输单元采用无线网桥技术，计算单元将处理结果通过网线发送给8口交换机，8口交换机通过无线传输单元将信号传递给无线传输单元总站，无线传输单元总站通过RS485总线与控制器单元连接。
控制器单元主要采用S7-300控制器进行操作，控制器单元与施工现场的油缸、电机进行信号连接，控制器单元接收计算单元传递的特征点相对位置数据并进行分析处理后，形成控制指令，控制油缸和电机的伸缩行程、电机转速，从而控制起重天车机构的起升下落和左右横移动作，进而完成预埋插筋对位安装作业。同时，控制器单元接收计算单元实时传递的起重天车机构行走距离数据，判断获得预制盖梁底部孔洞与承台顶部预埋插筋的相对空间位置。
利用上述应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统进行插筋对位控制的方法如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1：选择预制盖梁底部任意一根对角线位置上的两个套筒以及另一根对角线位置上的任意一个套筒，即可在预制盖梁底部对接面形成一个面积最大的三角形，基于该三角形，利用定位标签在预制盖梁底部进行异色标识，完成预制盖梁上特征点的部署；接着在待对接的承台表面的三根插筋上继续利用定位标签进行异色标识，完成承台上特征点的部署。
步骤2：在架桥机支腿上、待对位的承台顶部，分别于四角处各布置一台双目光学相机，保证其在预制盖梁吊装过程中能够始终保持稳定与平行；光感成像单元获取同一场景下预制盖梁底部预留孔洞图像以及承台顶部预埋插筋图像，并进一步传递至计算单元。
步骤3：计算单元对特征点进行定位：读取视频帧并显示出来，在双目光学相机视频帧范围内找到特征点，通过程序读取特征点处的像素值，即H、S、V三个参数值，然后通过多次试点后获得特征点在图像上的 H、S、V 三个数值的大致范围，再对数值范围结果进行阈值化，将采集到的视频数据帧进行二值化处理，从而获得满足特征点像素值范围的区域；
步骤4：计算单元对步骤3中进行了特征点定位处理的图像进行边缘点提取处理，然后将边缘点连接成有意义的闭合曲线或者直线段；利用Bouguet算法对双目光学相机的左、右两个视觉图像进行初步校正处理，保证光轴相交于无穷远处，左、右两个视觉图像进行重投影后能够精确地投影到相同的平面上，并且图像的行是完全对准于前向平行的结构上；
接着，通过AD算法和Sobel算子的局部匹配方法，经过多次迭代和JBF固定窗口生成精确的视差图，由不同双目光学相机或一个双目光学相机在不同位置对同一景物拍摄的图像，寻找同一景物在不同视角下的图像上的像素间的一一对应关系，求得视差值以恢复对应观测点（即特征点）的三维信息。
步骤5：计算单元利用OpenCV对经过步骤4拟合处理后的图像进行分析处理，标定特征点在图像中的坐标信息，最后对特征点的空间坐标进行三维重建，再利用视差图即可通过Bouguet 算法对像素点在双目光学相机坐标系中进行计算标定，算出目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值。
步骤6：控制器单元根据计算单元在步骤5中计算出的特征点相对位置差值数据，通过CAN总线完成对设备油缸、电机的伸缩行程和电机转速的控制，从而控制起重天车机构的起升下落和左右横移动作，进而完成预埋插筋对位安装作业；同时，管理人员通过显示模块实时查看预制盖梁的空间姿态。
步骤7：重复步骤1至6，直至本跨内所有预制盖梁与承台对接完毕。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统，其特征在于，包括光感成像单元、计算单元、控制器单元、显示模块和无线传输单元；光感成像单元通过RS485总线与计算单元以及控制器单元信号连接，光感成像单元安装在架桥机支腿上以及待对位的承台顶部，采集同一场景下预制盖梁底部预留孔洞图像数据以及承台顶部预埋插筋图像数据；计算单元通过无线传输单元与控制器单元信号连接，控制器单元通过CAN总线与施工现场各设备装置信号连接，控制其进行对位操作；显示模块与控制器单元信号连接，用于显示预制盖梁与承台的空间姿态情况。
2.根据权利要求1所述的应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统，其特征在于，所述光感成像单元包括高精度双目光学相机、相机调平装置、定位标签，每两台双目光学相机为一个编组单元进行图像采集；待对位的承台的三根插筋上、与承台对位的预制盖梁底部均设置有定位标签进行异色标识。
3.根据权利要求1所述的应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统，其特征在于，所述无线传输单元采用无线网桥技术，计算单元的处理结果通过网线发送给8口交换机，8口交换机通过无线传输单元将信号传递给无线传输单元总站，无线传输单元总站通过RS485总线与控制器单元连接。
4.根据权利要求1所述的应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统，其特征在于，所述控制器单元采用S7-300控制器，控制器单元与施工现场的油缸、电机信号连接，通过控制油缸和电机的伸缩行程、电机转速来控制起重天车机构的起升下落和左右横移动作，完成预埋插筋对位安装作业。
5.利用权利要求1至4中任一项所述应用于混凝土构件预埋插筋对位的光学定位控制系统的光学定位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用定位标签在预制盖梁底部、承台表面分别进行异色标识，完成特征点部署；
步骤2：在架桥机支腿上、待对位的承台顶部，分别于四角处各布置一台双目光学相机；光感成像单元获取同一场景下预制盖梁底部预留孔洞图像以及承台顶部预埋插筋图像，并进一步传递至计算单元；
步骤3：计算单元对接收到的图像数据中的特征点进行定位并进行二值化处理，获得满足特征点像素值范围的区域；
步骤4：计算单元对经步骤3中处理的图像进行边缘点提取处理，然后将边缘点连接成闭合曲线或者直线段；基于Bouguet算法、AD算法和Sobel算子的局部匹配方法，计算获取目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值，并传递至控制器单元；
步骤5：控制器单元根据计算单元在步骤4中计算出的特征点相对位置差值数据，通过CAN总线完成对设备油缸、电机的伸缩行程和电机转速的控制，从而控制起重天车机构的起升下落和左右横移动作，进而完成预埋插筋对位安装作业；同时，管理人员通过显示模块实时查看预制盖梁的空间姿态；
步骤6：重复步骤1至5，直至本跨内所有预制盖梁与承台对接完毕。
6.根据权利要求5所述的光学定位控制方法，其特征在于，所述步骤1中，特征点部署的具体方法为：选择预制盖梁底部任意一根对角线位置上的两个套筒以及另一根对角线位置上的任意一个套筒，在预制盖梁底部对接面形成一个面积最大的三角形，基于该三角形，利用定位标签在预制盖梁底部进行异色标识；然后在待对接的承台表面的三根插筋上继续利用定位标签进行异色标识。
7.根据权利要求5所述的光学定位控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：读取视频帧并显示出来，在双目光学相机视频帧范围内找到特征点，通过程序读取特征点处的像素值，然后通过多次试点后获得特征点在图像上的 H、S、V 三个数值的大致范围，再对数值范围结果进行阈值化，将采集到的视频数据帧进行二值化处理，获得满足特征点像素值范围的区域。
8.根据权利要求5所述的光学定位控制方法，其特征在于，所述步骤4中，目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值的计算获取过程如下：对双目光学相机的左、右两个视觉图像进行初步校正处理，接着，通过AD算法和Sobel算子的局部匹配方法，经过多次迭代和JBF固定窗口生成精确的视差图，求得视差值以恢复对应特征点的三维信息；利用OpenCV标定特征点在图像中的坐标信息，最后对特征点的空间坐标进行三维重建，再利用视差图，通过Bouguet 算法对像素点在双目光学相机坐标系中进行计算标定，算出目标位置与特征点当前位置之间的相对位置差值。
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