CN108344371B - 一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法 - Google Patents

一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，包括如下步骤：S1在喷浆台车的喷浆头上安放激光测距装置和视频识别装置；S2在不考虑障碍物干扰的情况下通过激光测距装置测量喷浆半径；S3利用视频识别装置识别判断障碍物，并判断测得的喷浆半径是否受到障碍物的干扰；S4判断喷浆的平整度。本发明的判定喷浆半径及平整度的方法，运用视频识别与传感器测距相结合，不仅准确识别障碍物类别、消除障碍物对传感测距的干扰，而且为视频识别提供深度信息，从而提高喷浆半径及平整度测量的精确性和效率，同时降低工作人员的劳动量和改善工作人员的工作环境。

Description

一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法。
背景技术
根据《国家公路网规划》，到2030年，还有2.6万公里国家高速公路待建，还有10万公里普通国省干线公路需要改造升级。而公路隧道的建设不仅应用于山区和丘陵地区的公路建设中，在东部江河桥隧建设中也是一种不容忽视的实施方案。
但在隧道施工建设中还存在许多问题。例如在钢结构施工完成后准备报验—喷砼的工序中，喷射的混凝土存在喷射不平整问题。而使用检测设备以拱架基准来控制喷浆台车的混凝土喷射又要克服以下问题：测量出拱架基准和混凝土之间的距离，排除某些固定障碍物和漂浮的微小颗粒的干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，运用视频识别与传感器测距相结合，不仅准确识别障碍物类别、消除障碍物对传感测距的干扰，而且为视频识别提供深度信息，从而提高喷浆半径及平整度测量的精确性和效率，同时降低工作人员的劳动量和改善工作人员的工作环境。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，包括如下步骤：
S1在喷浆台车的喷浆头上通过安装平台安放激光测距装置和视频识别装置；
S2在不考虑障碍物干扰的情况下通过激光测距装置测量喷浆半径，具体如下：
S21根据现有理论知识，得到喷浆半径的计算公式其中分别表示待测点据设计圆心的横、纵坐标；接着进行相应的运动学分析得到对应于大地坐标系Px，Py的值；
S22利用电子全站仪导航确定Px值；
S23确定Pv值，其中Pv的求法具体如下：
a、根据D-H方法建立喷浆台车的杆件坐标系；
b、建立喷浆台车末端执行器的坐标变换矩阵，
其中；
连杆长度ai：沿Xi轴方向及Zi-1与Zi的公法线长度；
连杆扭角αi：绕Xi轴从Zi-1 轴至Zi轴的角位移，其正方向为Xi轴的方向；
连杆间距di：沿Zi-1轴方向Xi+1轴和Xi轴公法线的长度；
关节转角θi：绕Zi-1轴从Xi+1 轴至Xi轴的角位移，其正方向为Zi-1轴的方向；
c、根据运动学相关知识可知，
d＝y0+y+y1
＝rsinβ-a7cosθ7+sinθ1(a4+a3cosθ2+d3sinθ2)+y1；
其中d表示从地面到喷浆层的总高度，y0为喷浆层距离安装平台的高度，y为喷头到地面坐标的距离，已由坐标变换矩阵给出；y1为喷浆台车到地面的高度，为一定值；r为测距传感器检测出的当前喷浆面到安装平台之间的距离；β为喷浆头的转动角度；
则Py＝d-ay，其中ay为隧道拱顶的设计圆心尺寸的纵坐标；
S24综合Px、Py的值，求得喷浆半径ρ；
S3利用视频识别装置识别判断障碍物，当激光测距装置测得喷浆半径ρ时，应用视频识别装置判断此时是否受到障碍物干扰；
S4判断喷浆的平整度：在一定时间间隔内两侧检测出的喷浆半径ρ1、ρ2的差值大于设定值δ时视为喷浆不平整，当Δ＝|ρ1-ρ2|＜δ视为喷浆平整。
进一步，步骤S3中，通过图像处理得到障碍物的边缘图像，并以障碍物的边缘图像构成的形状特征作为障碍物判定的依据，若障碍物边缘图像的长宽比例大于设定值则判定该障碍物为隧道支护；若障碍物边缘图像的面积大于设定值则判定该障碍物为突出碎石；若在一定的时间间隔内，两次检测中存在移动变化较大的障碍物则判定该障碍物为漂浮的小颗粒。
进一步，步骤S22的具体过程为：
1)电子全站仪导航初始化准备；
2)测量喷浆台车棱镜；
3)测量隧道棱镜；
4)台车导航完成，得到Px值。
进一步，当喷浆半径大于设定值时，判定喷浆高度达到了需求。
进一步，步骤S3利用视频识别装置识别判断障碍物的具体过程包括前端视频信息的采集及传输、中间的视频检测和后端的分析处理三个环节。
本发明的有益效果：本发明公开一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，包括如下步骤：S1在喷浆台车的喷浆头上安放激光测距装置和视频识别装置；S2在不考虑障碍物干扰的情况下通过激光测距装置测量喷浆半径；S3利用视频识别装置识别判断障碍物，并判断测得的喷浆半径是否受到障碍物的干扰；S4判断喷浆的平整度。本发明的判定喷浆半径及平整度的方法，运用视频识别与传感器测距相结合，不仅准确识别障碍物类别、消除障碍物对传感测距的干扰，而且为视频识别提供深度信息，从而提高喷浆半径及平整度测量的精确性和效率，同时降低工作人员的劳动量和改善工作人员的工作环境。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为喷浆台车在隧道内喷浆的横截面示意图；
图2为图1的A-A示意图；
图3为现有喷浆台车的结构示意图；
图4为根据D-H方法建立的喷浆台车的杆件坐标系示意图；
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明，本发明提供了一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，包括如下步骤：
S1在喷浆台车的喷浆头上通过安装平台安放激光测距装置和视频识别装置；
S2在不考虑障碍物干扰的情况下通过激光测距装置测量喷浆半径，具体如下：
S21根据现有理论知识，结合图1和图2所示，得到喷浆半径的计算公式其中分别表示待测点据设计圆心的横、纵坐标；接着进行相应的运动学分析得到对应于大地坐标系Px、Py的值；
S22利用电子全站仪导航确定Px值；具体过程为：
1)电子全站仪导航初始化准备；
2)测量喷浆台车棱镜；
3)测量隧道棱镜；
4)台车导航完成，得到Px值。
S23确定Py值，其中Py的求法具体如下：
a、根据D-H方法建立喷浆台车的杆件坐标系；具体过程为：首先分析现有喷浆台车的结构特征，喷浆台车用于隧道、煤矿等巷道水泥喷涂支护场合，目的是减轻现场工人的劳动强度。喷浆台车的结构简图如图3所示。支架在底盘上作±35°转动，第一油缸4与第二油缸2协调动作以保持连杆处于水平位置，第三油缸3驱动基臂及伸臂在巷道纵向对称面内作-18°～+55°的上下摆动，基臂内的油缸驱动伸臂伸缩运动并使大臂末端保持铅垂运动(或水平直线运动)，第一马达2驱动小臂沿巷道轴向作进给运动，第二马达3驱动枪杆在巷道横截面内作110°的摆动，第四油缸1驱动枪身作45°的摆动，马第三达1驱动枪头做连续不断的360°划圆运动，以符合喷浆工艺的要求，接着建立喷浆台车的杆件坐标系，喷浆台车的杆件坐标系如图4所示。
b、当保持小臂水平以及小臂平行于壁面时，建立喷浆台车末端执行器的坐标变换矩阵，
其中；
连杆长度ai：沿Xi轴方向及Zi-1与Zi的公法线长度；
连杆扭角αi：绕Xi轴从Zi-1轴至Zi轴的角位移，其正方向为Xi轴的方向；
连杆间距di：沿Zi-1轴方向Xi+1轴和Xi轴公法线的长度；
关节转角θi：绕Zi-1轴从Xi+1 轴至Xi轴的角位移，其正方向为Zi-1轴的方向；
c、根据运动学相关知识可知，
d＝y0+y+y1
＝rsinβ-a7cosθ7+sinθ1(a4+a3cosθ2+d3sinθ2)+y1；
其中d表示从地面到喷浆层的总高度，y0为喷浆层距离安装平台的高度，y为喷头到地面坐标的距离，已由坐标变换矩阵给出；y1为喷浆台车到地面的高度，为一定值；r为测距传感器检测出的当前喷浆面到安装平台之间的距离；β为喷浆头的转动角度；
则Py＝d-ay，其中ay为隧道拱顶的设计圆心尺寸的纵坐标；
S24综合Px、Py的值，求得喷浆半径ρ；
S3利用视频识别装置识别判断障碍物，当激光测距装置测得喷浆半径ρ时，应用视频识别装置判断此时是否受到障碍物干扰；具体来说，由于隧道施工的特殊性，仅仅使用测距传感器测量喷将头与喷浆层的距离时容易受到障碍物的干扰，而得到一个错误的值。因此引入视频识别装置来排除在使用测距传感器时的干扰。视频识别主要包括前端视频信息的采集及传输、中间的视频检测和后端的分析处理三个环节。通过安装在安装平台上的摄像头来采集现场图像。对于喷浆隧道喷浆工作而言，典型的障碍物有隧道支护、凸起的岩石碎块以及漂浮的微小颗粒等。纹理、颜色和形状是图像基本的视觉特征。隧道支护、岩石碎块以及漂浮的颗粒物既没有丰富的表面纹理，也无鲜明的颜色特征，因此不适合用纹理或颜色特征作为障碍物检测的判定依据。但是它们在摄像机成像平面上投影后的图像中障碍物的形状相差比较大，因此，通过图像处理得到障碍物的边缘图像，并以障碍物的边缘图像构成的形状特征作为障碍物判定的依据，若障碍物边缘图像的长宽比例大于设定值则判定该障碍物为隧道支护；若障碍物边缘图像的面积大于设定值则判定该障碍物为突出碎石；若在一定的时间间隔内，两次检测中存在移动变化较大的障碍物则判定该障碍物为漂浮的小颗粒。
S4判断喷浆的平整度：在一定时间间隔内两侧检测出的喷浆半径ρ1、ρ2的差值大于设定值δ时视为喷浆不平整，当Δ＝|ρ1-ρ2|＜δ视为喷浆平整。此外，当喷浆半径大于设定值时，说明喷浆高度达到了需求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1在喷浆台车的喷浆头上通过安装平台安放激光测距装置和视频识别装置；
S2在不考虑障碍物干扰的情况下通过激光测距装置测量喷浆半径，具体如下：
S21根据现有理论知识，得到喷浆半径的计算公式其中分别表示待测点据设计圆心的横、纵坐标；接着进行相应的运动学分析得到对应于大地坐标系Px、Py的值；
S22利用电子全站仪导航确定Px值；
S23确定Pr值，其中Pr的求法具体如下：
a、根据D-H方法建立喷浆台车的杆件坐标系；
b、建立喷浆台车末端执行器的坐标变换矩阵，
其中；
连杆长度ai：沿Xi轴方向及Zi-1与Zi的公法线长度；
连杆扭角αi：绕Xi轴从Zi-1 轴至Zi轴的角位移，其正方向为Xi轴的方向；
连杆间距di：沿Zi-1轴方向Xi+1轴和Xi轴公法线的长度；
关节转角θi：绕Zi-1轴从Xi+1 轴至Xi轴的角位移，其正方向为Zi-1轴的方向；
c、根据运动学相关知识可知，
d＝y0+y+y1
＝rsinβ-a7cosθ7+sinθ1(a4+a3cosθ2+d3sinθ2)+y1；
其中d表示从地面到喷浆层的总高度，y0为喷浆层距离安装平台的高度，y为喷头到地面坐标的距离，已由坐标变换矩阵给出；y1为喷浆台车到地面的高度，为一定值；r为测距传感器检测出的当前喷浆面到安装平台之间的距离；β为喷浆头的转动角度；
则Py＝d-ay，其中ay为隧道拱顶的设计圆心尺寸的纵坐标；
S24综合Px、Py的值，求得喷浆半径ρ；
S3利用视频识别装置识别判断障碍物，当激光测距装置测得喷浆半径ρ时，应用视频识别装置判断此时是否受到障碍物干扰；
S4判断喷浆的平整度：在一定时间间隔内两侧检测出的喷浆半径ρ1、ρ2的差值大于设定值δ时视为喷浆不平整，当Δ＝|ρ1-ρ2|＜δ视为喷浆平整。
2.根据权利要求1所述的以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，其特征在于，步骤S3中，通过图像处理得到障碍物的边缘图像，并以障碍物的边缘图像构成的形状特征作为障碍物判定的依据，若障碍物边缘图像的长宽比例大于设定值则判定该障碍物为隧道支护；若障碍物边缘图像的面积大于设定值则判定该障碍物为突出碎石；若在一定的时间间隔内，两次检测中存在移动变化较大的障碍物则判定该障碍物为漂浮的小颗粒。
3.根据权利要求2所述的以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，其特征在于，步骤S22的具体过程为：
1)电子全站仪导航初始化准备；
2)测量喷浆台车棱镜；
3)测量隧道棱镜；
4)台车导航完成，得到Px值。
4.根据权利要求1所述的以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，其特征在于：当喷浆半径大于设定值时，判定喷浆高度达到了需求。
5.根据权利要求1所述的以喷浆台车视角判定喷浆半径及平整度的方法，其特征在于，步骤S3利用视频识别装置识别判断障碍物的具体过程包括前端视频信息的采集及传输、中间的视频检测和后端的分析处理三个环节。
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