CN216432980U - 盾构机靶标、盾构机前盾的位姿测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构机靶标和盾构机前盾的位姿测量系统。其中，盾构机靶标具体包括：靶标主体，所述靶标主体上设置有至少四个光源，所述至少四个光源沿所述靶标主体正面的边缘均匀分布；在所述靶标主体正面的边缘还均匀设置有至少四个棱镜。通过本申请所提供的盾构机靶标能够减小盾构机掘进过程中所产生的振动对所述盾构机的位姿测量的影响，使得盾构机的位姿测量结果更加地精确。

Description

盾构机靶标、盾构机前盾的位姿测量系统

技术领域

本申请涉及盾构机领域，尤其涉及盾构机靶标、盾构机前盾的位姿测量系统。

背景技术

随着科技的发展，隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM，又名盾构机)得到了极大的发展，被广泛地应用于城市地铁施工、煤矿巷道掘进等施工领域。利用隧道掘进机进行煤矿巷道掘进施工使煤矿采掘领域的一种新型工程建设技术，相比其他传统机械设备具有自动化程度高、节省人力、施工质量高以及施工速度快等优势。一般地，在隧道轴线较长，埋深较大的情况下，采用隧道掘进机采掘更为经济合理。特别是面对地下硬岩时，采用隧道掘进机进行掘进的优势会更加明显。

可以理解的是，在使用隧道掘进机进行采掘的过程中需要不断地确定隧道掘进机的位置和姿态，以对隧道掘进机的工作路径进行微调，使得所述隧道掘进机能够沿着预设的路径工作。

传统隧道掘进机的位置和姿态的测量方法有三种：人工测量法、三棱镜测量法以及两棱镜测量法。需要指出的是，传统隧道掘进机的三种位姿测量方法的测量精度都相对较低，而且测量过程较为繁琐。尤其是在施工过程中隧道掘进机遇到硬岩土层，隧道掘进机在掘进过程中的振动非常大，利用棱镜法测量时非常容易出现激光搜索不到棱镜的问题，并且由于振动的影响导致测量结果不精确。

实用新型内容

本申请提供一种盾构机靶标，用以辅助实现盾构机的前盾姿态的位姿测量。通过引入盾构机靶标，减小盾构机掘进过程中所产生的振动对所述盾构机的位姿测量的影响。此外，本申请还提供了一种盾构机前盾的位姿测量系统，利用本申请提供的盾构机靶标，配合工业相机、全站仪、控制处理设备等装置，实现对盾构机前盾姿态的精确位姿定位。具体的，本实用新型的技术方案如下：

一方面，本申请公开了一种盾构机靶标，包括：靶标主体，所述靶标主体上设置有至少四个光源，所述至少四个光源沿所述靶标主体正面的边缘均匀分布；在所述靶标主体正面的边缘还均匀设置有至少四个棱镜。

优选地，所述靶标主体为对称结构；所述靶标主体上设置有六个光源、及均匀分布的四个或六个棱镜；其中，所述六个光源中，两组对称的光源直接固定安装于所述靶标主体上，剩余一组对称的光源均通过增高柱设置在所述靶标主体上。

优选地，所述靶标主体的中心突出设置一中心块，所述中心块上还设置有一光源；且，所述中心块上也设置一棱镜。

优选地，所述光源为LED光源；且所述光源进一步包括：LED发光点，所述LED发光点固定安装于一发光点固定板上，所述发光点固定板通过螺栓固定于发光点安装板，所述发光点安装板设置于发光点安装座上，所述发光点安装座上设置有供电插头，用于接通后给所述LED发光点供电。

优选地，所述靶标主体为圆形或正多边形结构。

优选地，所述靶标主体为正六边形结构；所述正六边形结构的每条边的中心位置均设置有一光源，其中，所述正六边形结构相对的一组边上的光源设置在所在边的中心的增高柱上，剩余四条边的每条边中心均直接设置一光源；所述正六边形结构的每条边的拐角处均设置一小棱镜，所述中心块上也设置一小棱镜；所述正六边形结构内部通过三根支撑柱进行内部固定，且所述正六边形结构中心具有一突出杆，所述突出杆位于所述三根支撑柱的交点位置，所述中心块设置于所述突出杆上；所述突出杆的高度高于所述增高柱。

具体的，本方案中，所述靶标具有正六边形结构，六边形内部依靠“人”字形结构固定，六边形下方焊接三个地脚用于安装，六边形每条边上都具有一个发光点(光源)，靶标中心具有一根突出杆也安装有一个光源(发光点)，所述突出杆位于所述盾构机靶标正面的几何中心。该正六边形的六个拐角均装有一个徕卡小棱镜。

优选地，所述盾构机靶标，还包括：三根中心支撑肋，所述三根中心支撑肋用于固定所述突出杆与所述三根支撑柱的连接稳定；和/或

六组地脚支撑肋，每组地脚支撑肋包含两个地脚支撑肋，用于固定所述地脚支撑与所述六边形结构的连接稳定。

优选地，LED发光点，所述LED发光点固定安装于一发光点固定板上，所述发光点固定板通过螺栓固定于发光点安装板，所述发光点安装板设置于发光点安装座上，所述发光点安装座上设置有供电插头，用于接通后给所述LED发光点供电；进一步地，所述发光点固定板与发光点安装板的间隙密封，且所述发光点安装板与发光点安装座的间隙密封。

优选地，所述靶标主体的材料为不锈钢材料，所述靶标主体表面电镀处理。

第二方面，本申请还公开了一种盾构机前盾的位姿测量系统，包括本申请上述公开的任一项盾构机靶标，还包括：工业相机、全站仪、以及后视棱镜；其中：所述盾构机靶标设置于待测盾构机的前盾体的后端面；所述工业相机设置于所述盾构机靶标对面，用于实时采集所述盾构机靶标照片，进而获取所述盾构机靶标的坐标数据；所述全站仪安装于所述盾构机所处的隧道的侧壁，并且所述全站仪和所述激光标靶位于所述待测盾构机的相同一侧；后视棱镜，所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁，并与所述全站仪在同一侧，所述全站仪位于所述激光标靶和所述后视棱镜之间；以及控制处理设备，所述控制处理设备安装于所述盾构机的驾驶室内，且与所述盾构机靶标和所述全站仪通信连接；用于处理所述工业相机和所述全站仪采集的数据信息，获取所述盾构机的前盾位姿，以及控制所述盾构机靶标和所述全站仪的工作。

本实用新型所提供的盾构机靶标能够减小盾构机掘进过程中所产生的振动对所述盾构机的位姿测量的影响，使得盾构机的位姿测量结果更加地精确。此外，利用本申请提供的盾构机靶标，配合工业相机、全站仪、控制处理设备等装置组成的盾构机前盾的位姿测量系统，可实现对盾构机前盾姿态的精确位姿定位。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本实用新型方案、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实用新型的一个实施例的盾构机靶标的结构示意图；

图2是本实用新型的另一实施例的盾构机靶标的结构示意图；

图3是本实用新型的另一实施例的盾构机靶标的结构示意图；

图4是本实用新型的另一实施例的盾构机位姿测量系统的安装位置示意图；

图5是本实用新型的另一实施例的盾构机位姿测量系统的坐标系及坐标系转换示意图；

图6是本实用新型的另一实施例的盾构机靶标的光源的结构示意图；

图7a是本实用新型的另一实施例的盾构机位姿测量系统中的全站仪的坐标系；

图7b是本实用新型的另一实施例的盾构机位姿测量系统中的靶标的坐标系。

附图标号说明：

1盾构机前盾、2盾构机靶标、3工业相机、4盾构机支撑盾、5数据处理机构、6显示机构；

9靶标主体正面、10增高柱、18光源、19棱镜；

11地脚支撑肋、12支撑地脚、13发光点增高柱、14中心发光点支撑肋、15靶标主体六边形结构、16六边形内部支撑柱、17徕卡小棱镜；

21发光点固定板、22发光点、23发光点安装板、24发光点安装座、25供电插头。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

实施例一

本实施例公开了一种盾构机靶标，包括：靶标主体，所述靶标主体上设置有至少四个光源，所述至少四个光源沿所述靶标主体正面的边缘均匀分布；在所述靶标主体正面的边缘还均匀设置有至少四个棱镜。

该靶标主体的形状不限，但最好是对称结构，比如可以为圆形或正多边形结构。比如正六边形、正五边形、正八边形等。设置为对称结构的圆形或正多边形，则主要是方便在该主体结构上对称设置光源和棱镜，便于后续的位姿计算。较佳的，任意相邻的两个光源之间均设置一棱镜。

图1示出了一种盾构机靶标，该靶标主体的正面9的边缘均匀分布了四个光源18，每组相邻的光源18的中间设置一棱镜19。较佳的，所述靶标主体上还设置有若干用于支撑固定的支撑地脚；所述光源均为LED光源，而不是激光光源。

如前面背景所述的现有技术中，均未采用本申请中的靶标，而利用本实施例所提供的盾构机靶标，可使得工业相机采集到的坐标数据更为准确，能够减小盾构机掘进过程中所产生的振动对所述盾构机的位姿测量的影响，使得盾构机的位姿测量结果更加地精确。

实施例二

本实施例在上述实施例一的基础上，所述靶标主体为对称结构，如图2所示，在靶标主体的正面9的边缘均匀分布设置有六个光源18，及均匀分布的四个棱镜19(也可以为六个棱镜，均设置在相邻光源中间)；其中，所述六个光源18中，两组对称的光源18直接固定安装于所述靶标主体上，剩余一组对称的光源均通过增高柱设置在所述靶标主体上。

本实施例中的六个光源，其中四个光源高度一样，另一组对称光源则通过一增高柱设置于靶标主体上，从而增加纵深约束，提高了后续的位姿测量精度。

较佳的，在靶标主体的中心还可以突出设置一中心块，所述中心块上海设置有一光源，且所述中心块上也设置一棱镜。同样的，在中心块上设置的光源与之前靶标主体上设置的光源的高度也不一样，进而也增加了纵深约束，大大提高测量精度。

本实施例的另一实现方式，参考说明书附图3及附图4所示，本实用新型提供一种盾构机靶标2，所述盾构机靶标2适于与全站仪相配合，以测量盾构机前盾1在掘进过程中的位姿，本实用新型所提供的所述盾构机靶标2能够减小盾构机掘进过程中所产生的振动对所述盾构机前盾1的位姿测量的影响，使得所述盾构机前盾1的位姿测量结果更加地精确。

具体地，如图3所示，所述盾构机靶标2进一步包括六个地脚支撑肋11、三个支撑地脚12、四个发光点增高柱13、三个中心发光点支撑肋14、靶标主体六边形结构15、一个六边形内部支撑柱16、七个徕卡小棱镜17、七个光源18；

所述靶标主体六边形结构15所围绕形成的是一个正六边形，在使用过程中，工业相机3实时拍摄光源18发出的光，并进行计算。

具体地，六个光源18(壳体发光点)，分别安装在由靶标主体六边形结构15组成的六边形的每个边的中心，徕卡小棱镜17安装在每个六边形的拐角处。

较佳的，所述光源18如图6所示，进一步包括发光点22，所述发光点22固定于一发光点固定板21上，所述发光点固定板21通过螺栓固定于发光点安装板23，且所述发光点固定板21与发光点安装板23的间隙密封；所述发光点安装板23设置于发光点安装座24上，所述发光点安装座24上设置有供电插头25，用于接通后给所述LED发光点供电，且所述发光点安装板23与所述发光点安装座24的间隙密封。通过密封结构，防止外界灰尘等杂物通过所述发光点安装板23与发光点安装座24之间的间隙进入所述容纳空间。

所述数据处理机构5进一步包括一个滤波单元，所述滤波单元可工作地连接于所述工业相机3。所述滤波单元能够基于滤波算法对所述工业相机3所采集的坐标数据进行滤波处理，使得所生成的角度数据更加地平稳，提高所述工业相机3所采集的所述坐标数据的精确度，避免所述盾构机的振动而对所述工业相机3所采集的所述角度数据造成干扰。

所述工业相机3用于以大于或等于第一数据采集频率的频率采集盾构机的第一坐标数据；所述滤波单元连接于所述工业相机3，用于基于滤波算法对所述第一坐标数据进行滤波处理，以生成更新后的第一坐标数据。所述第一预设频率是100HZ。

需要指出的是，在本优选实施例中，为了进一步提高角度采集数据的准确度，所述工业相机3采集所述盾构机前盾的坐标数据的频率也在100HZ以上，以进一步降低所述盾构机的振动对所述工业相机3数据采集结果的影响。

较佳地，所述滤波单元采用卡尔曼滤波算法进行滤波。卡尔曼滤波(Kalmanfiltering)是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术，Kalman滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态，能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理。

卡尔曼滤波算法有两个基本假设:1.信息过程的足够精确的模型，是由白噪声所激发的线性(也可以是时变的)动态系统；2.每次的测量信号都包含着附加的白噪声分量。本实用新型所提供的盾构机标靶1的使用环境满足以上假设，可以应用卡尔曼滤波算法。

实施例三

参考说明书附图4，根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供一种盾构机位姿测量系统，用于测量盾构机前盾在掘进过程中的位姿，包括上述盾构机靶标2、工业相机3、数据处理机构5、显示机构6、全站仪(图中未示出)、后视棱镜(图中未示出)。

所述盾构机靶标2安装于所述盾构机的盾体后端；所述工业相机3安装于所述盾构机支撑盾4的盾体前端，并且所述工业相机3和盾构机靶标2所述盾构机支撑盾4的相同一侧；所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁，并且与所述全站仪在同一侧，并且所述全站仪位于所述盾构机靶标2和所述后视棱镜之间；所述数据处理机构5安装于所述盾构机的驾驶室内，并且可工作地连接于所述盾构机靶标2和所述全站仪，用于控制所述盾构机靶标2和所述全站仪的工作。

所述盾构机位姿测量系统进一步包括一个数据处理机构5和一个显示机构6，所述数据处理机构5和所述显示机构6分别安装于所述盾构机4的驾驶室内，所述数据处理机构5可工作地连接于所述盾构机靶标2和所述全站仪，用于获取所述盾构机靶标2、工业相机3和所述全站仪所采集的数据，并能够对所述盾构机靶标2、工业相机3和所述全站仪所采集的数据处理生成所述盾构机前盾1的位姿信息。所述显示机构6可工作地连接于所述数据处理机构5，用于将所述数据处理机构5所生成的数据进行显示。优选地，所述数据处理机构5和所述显示机构6被相互集成为一个工业电脑，所述工业电脑、数据处理机构5通过通信线缆与所述盾构机靶标2、所述全站仪相连接。可选地，所述工业电脑、所述数据处理机构5还能够通过无线的方式可工作地连接于所述全站仪。

采用本实施例的盾构机位姿测量系统来测量盾构机掘进过程中的位姿，其测量方法，包括：

101：通过工业相机以预设频率采集盾构机靶标的第一坐标数据；

102：基于滤波算法对所述第一坐标数据进行滤波处理，以生成更新后的第一坐标数据；以及

103：基于所述第二坐标数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿。

具体地，在所述步骤101中，所述预设频率的数值为100HZ。也就是说，所述工业相机以100HZ以上的频率采集所述盾构机的所述第一坐标数据，以能够更加充分地采集所述第一角度数据，提高测量结果的精确程度。

在所述步骤102中，基于滤波算法对所述第一坐标数据进行滤波处理，以滤除所述第一坐标数据中所述盾构机的振动对坐标数据的采集而造成的影响，使得坐标数据更加平稳，进一步提高坐标数据采集的精确度。

进一步地，在所述步骤103中，基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿，进一步包括：

1031：标定盾构机靶标、工业相机、全站仪、后视棱镜以及盾构机的位置关系；

1032：建立全站仪坐标系、盾构机靶标坐标系以及相机坐标系，其中所述全站仪坐标系的原点是所述全站仪的中心，X_T轴与所述全站仪的码盘的零刻度同向，Z_T轴垂直于所述码盘向上；其中所述相机坐标系的原点是所述相机镜头的中心，Z_c指向盾构机前进方向，X_c轴垂直于水平方向竖直向上；所述盾构机靶标坐标系的坐标原点是光源的发光点的中心，以左上角点为原点，Z_s指向盾构机前进方向的反方向，X_s轴垂直于水平方向竖直向下。具体的，本实施例中的盾构机、工业相机及全站仪的坐标系及坐标转换示意图如图5所示。

1033：确定所述盾构机靶标坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数；

1034：通过所述工业相机测量所述盾构机靶标在所述相机坐标系下的第一坐标数据；

1035：通过所述全站仪测量所述工业相机在所述全站仪坐标系下的第二坐标；以及

1036：基于所述盾构机靶标提供的的六个位姿参数、所述第一坐标数据及所述第二坐标数据，确定所述盾构机的位姿。

在所述步骤1031中，标定所述盾构机靶标、所述工业相机、所述全站仪、所述后视棱镜以及盾构机的位置关系，在进行位姿测量之前，标定所述盾构机靶标、所述工业相机、所述全站仪、所述后视棱镜以及盾构机之间的位置关系。可以理解的是，在测量过程中需要在所述盾构机的相应位置安装多个测量特征点，以测量所述盾构机靶标与所述盾构机的前盾、盾中以及盾尾的位置关系。另外，所述盾构机位姿测量系统在测量前需要进行软件上配置，输入隧道掘进的计划线、零位，读写PLC数据，配置全站仪、激光靶的位置信息参数，然后再进行盾构机的前盾、盾中以及盾尾的计算。

在所述步骤1032中，建立全站仪坐标系(如图7a所示)，即全站仪坐标系O_TX_TY_TZ_T，盾构机靶标坐标系O_SX_SY_SZ_S(如图7b所示)，以及相机坐标系O_CX_CY_CZ_C。

在所述步骤1033中，确定所述盾构机靶标坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数，进一步包括：

10331：通过所述全站仪直接测量获得所述盾构机的三个水平参数；

10332：基于所述第二坐标数据，确定所述盾构机的滚动角、俯仰角和方位角。

在所述步骤1034中，确定所述工业相机测量所述盾构机靶标在所述相机坐标系下的第一坐标数据，进一步包括：

10341：通过所述工业相机直接测量获得所述盾构机靶标的发光点坐标；

采用基于视觉测量中的后方交会-PNP原理，计算出盾构机靶标在相机坐标系下的坐标；一空间中有n多个参考点，从中选取4个控制点(世界坐标系下)，要求不共面，空间中其他参考点为4个控制点的加权和，其中控制点和参考点之间有个约束关系(系数)，一旦虚拟控制点确认后，约束关系将不在变化。然后通过数学运算，解出控制点在相机坐标系下的坐标，然后可以算出3D点在世界坐标系下的坐标，就可以解算出R和T(ICP方法)。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种盾构机靶标，其特征在于，包括：靶标主体，所述靶标主体上设置有至少四个光源，所述至少四个光源沿所述靶标主体正面的边缘均匀分布；在所述靶标主体正面的边缘还均匀设置有至少四个棱镜。

2.根据权利要求1所述的一种盾构机靶标，其特征在于，所述靶标主体为对称结构；所述靶标主体上设置有六个光源、及均匀分布的四个或六个棱镜；其中，所述六个光源中，两组对称的光源直接固定安装于所述靶标主体上，剩余一组对称的光源均通过增高柱设置在所述靶标主体上。

3.根据权利要求1或2所述的一种盾构机靶标，其特征在于，所述靶标主体的中心突出设置一中心块，所述中心块上还设置有一光源；且，所述中心块上也设置一棱镜。

4.根据权利要求3所述的一种盾构机靶标，其特征在于，所述靶标主体为圆形或正多边形结构。

5.根据权利要求4所述的一种盾构机靶标，其特征在于，所述靶标主体为正六边形结构；所述正六边形结构的每条边的中心位置均设置有一光源，其中，所述正六边形结构相对的一组边上的光源设置在所在边的中心的增高柱上，剩余四条边的每条边中心均直接设置一光源；所述正六边形结构的每条边的拐角处均设置一小棱镜，所述中心块上也设置一小棱镜；所述正六边形结构内部通过三根支撑柱进行内部固定，且所述正六边形结构中心具有一突出杆，所述突出杆位于所述三根支撑柱的交点位置，所述中心块设置于所述突出杆上；所述突出杆的高度高于所述增高柱。

6.根据权利要求5所述的一种盾构机靶标，其特征在于，还包括：

三根中心支撑肋，所述三根中心支撑肋用于固定所述突出杆与所述三根支撑柱的连接稳定；

和/或

六组地脚支撑肋，每组地脚支撑肋包含两个地脚支撑肋，用于固定所述地脚支撑与所述六边形结构的连接稳定。

7.根据权利要求1所述的盾构机靶标，其特征在于，所述光源为LED光源；所述光源进一步包括：

LED发光点，所述LED发光点固定安装于一发光点固定板上，所述发光点固定板通过螺栓固定于发光点安装板，所述发光点安装板设置于发光点安装座上，所述发光点安装座上设置有供电插头，用于接通后给所述LED发光点供电。

8.根据权利要求7所述的盾构机靶标，其特征在于，所述发光点固定板与发光点安装板的间隙密封，且所述发光点安装板与发光点安装座的间隙密封。

9.根据权利要求1-2或4-8任意一项所述的一种盾构机靶标，其特征在于，所述靶标主体的材料为不锈钢材料，所述靶标主体表面电镀处理。

10.一种盾构机前盾的位姿测量系统，其特征在于，包括：权利要求1-9任意一项所述的盾构机靶标、工业相机、全站仪、控制处理设备以及后视棱镜；其中：

所述盾构机靶标设置于待测盾构机的前盾体的后端面；

所述工业相机设置于所述盾构机靶标对面，用于实时采集所述盾构机靶标照片，进而获取所述盾构机靶标的坐标数据；

所述全站仪安装于所述盾构机所处的隧道的侧壁，并且所述全站仪和所述盾构机靶标位于所述待测盾构机的相同一侧；

后视棱镜，所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁，并与所述全站仪在同一侧，所述全站仪位于所述盾构机靶标和所述后视棱镜之间；以及

控制处理设备，所述控制处理设备安装于所述盾构机的驾驶室内，且与所述盾构机靶标和所述全站仪通信连接；用于处理所述工业相机和所述全站仪采集的数据信息，获取所述盾构机的前盾位姿，以及控制所述盾构机靶标和所述全站仪的工作。

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