[發明專利]一種基于機器視覺的盾構管片自動拼裝方法

有效

• 申請號: 202110366063.9
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113107550B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 王林濤;趙磊
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06Q50/02
• 分類號: G06Q50/02;E21D11/40;E21D11/08
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

本發明一種基于機器視覺的盾構管片自動拼裝方法屬于盾構施工管片自動化拼裝技術領域，涉及一種基于機器視覺的盾構管片自動拼裝方法。該方法首先安裝工業相機并進行標定，在管片上布置靶標ArUco碼。然后，對靶標ArUco碼的四個特征角點進行檢測，預測待拼裝管片的期望位置點。計算待拼裝點與期望位置點偏差，計算平移、提升和回轉機構當前速度與期望速度誤差值。采用基于圖像的視覺伺服策略得到管片拼裝機各機構的期望速度，最后由關節速度閉環控制得到各執行機構控制量，從而實現管片的自動拼裝。本發明通過引入機器視覺技術，代替人工操縱手柄完成管片拼裝,效率高。基于靶標間接實現了管片位姿的實時預測，有效提升管片的拼裝精度及拼裝效率。

技術領域

本發明屬于盾構施工管片自動化拼裝技術領域，涉及一種基于機器視覺的盾構管片自動拼裝方法。

背景技術

盾構機廣泛應用于軌道交通、引水等隧道建設工程中，管片拼裝機是盾構機中較為重要的子系統，管片拼裝機在隧道建設過程中用于鋪設管片。

盾構的施工過程主要可以分為幾個步驟：首先盾構機在推進油缸的作用下向前推進，在推進的過程中，刀盤系統會將泥土、巖石等地下物質刮落。被刮下的泥土等會隨著螺旋輸送機系統由地下轉移到地上。當盾構機向前挖掘一段距離后，管片拼裝機會將管片輸送到隧道裸露位置，經提升、平移、旋轉、微調等一系列動作將多段管片拼裝砌環，完成對隧道的支撐任務。在盾構機掘進過程中，需要將大量管片放置在正確的位置，才能完成對隧道的支護。因此，提高管片的架設速度可以直接提高隧道挖掘的施工效率。

現在，管片的拼裝是通過人眼估計管片的位姿狀態，然后技術人員操縱手柄控制管片拼裝機進行管片的位置調整，周而往復，最終完成整環管片的拼裝砌環。這樣的拼裝流程既容易造成誤操作，而且拼裝效率不高。因此通過機器視覺技術實現管片位姿的實時測量，設計一套自動化管片拼裝系統顯得尤為重要。

發明內容

本發明為克服現有技術的缺陷，發明了一種基于機器視覺的盾構管片動拼裝方法，通過在待拼裝管片上布置靶標ArUco碼，由工業相機識別靶標四個角點特征。根據已拼裝管片上的ArUco碼角點特征，采用機器學習的方法預測待拼裝管片期望位置，運用基于圖像的視覺伺服技術得到管片拼裝機各機構期望速度，并基于關節速度閉環控制得到各機構控制量，從而實現盾構管片的自動拼裝。

本發明采用的技術方案是一種基于機器視覺的盾構管片自動拼裝方法，方法的具體步驟如下：

步驟一、工業相機安裝和標定，獲取工業相機內參數矩陣k；

工業相機7安裝在管片拼裝機上，管片拼裝機提升機構由左提升液壓缸4和右提升液壓缸8構成，將工業相機7安裝固定在右提升液壓缸8下端；工業相機7的光心軸線平行于提升液壓缸軸線，使其能夠跟隨旋轉機構3和右提升液壓缸8作旋轉和提升運動；建立工業相機坐標系O_C-X_CY_CZ_C，O_c為工業相機光心點，Y_c軸平行于平移機構軸線，Z_c軸平行于提升機構軸線，X_c軸可由左手定則得出；運用工業相機7在不同位置與角度下采集高精度靶標信息；

采用“張氏標定方法”對工業相機進行相機標定，獲取工業相機內參數矩陣k，其形式為：

式中：k_x、k_y為相機在X軸和Y軸的尺度因子，(u₀,v₀)為工業相機光軸中心線與成像平面交點。

設一景物點在工業相機坐標系下的坐標為(x₁,y₁,z₁)，用內參數矩陣描述景物點與圖像點之間的關系，則其像素坐標(u,v)為：

步驟二、在管片上布置靶標ArUco碼；