CN110375650B - 一种拱架位姿测量方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拱架位姿测量方法及***，方法包括：通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处，在拱架上设置有反射片，反射片具有至少四个在以拱架建立的坐标系中位置已知的标记点；控制第二定位装置朝向拱架扫描，依次扫描出反射片的各个标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置；根据各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标和各个标记点在大地坐标系中的位置坐标，计算出将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，以得到的转换参数描述拱架的当前位姿。本发明拱架位姿测量方法及***，能够较为精确地测量出拱架的位姿。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器技术领域，特别是涉及一种拱架位姿测量方法及***。
背景技术
随着科学技术的发展，在各个领域智能化成为一种发展趋势。
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是一种集光、机、电、液、传感、控制等多技术于一体的大型施工装备，具有施工进度快、方向准和安全性高的特点，广泛应用于铁路、水电、交通、矿山、市政等隧洞或者隧道工程。高效和安全已成为采用隧道掘进机开展隧道施工的核心竞争优势，隧道掘进机的大范围推广，为提升我国隧道施工水平、建设速度、建设质量以及环境保护做出了重大贡献。
在隧道掘进机施工过程中，为了保证围岩稳定，会采用刚性拱架配合钢筋网进行加强支护，目前其中很多的施工工序由人工操作，而由于施工环境恶劣、劳动强度大、操作依赖人工经验等因素限制，人工参与操作容易导致支护不及时或者支护效果不稳定。因此实现智能化拼装拱架是隧道施工领域的一种发展趋势，而实现智能化拼装拱架，如何较为精确地测量拱架位姿是首先需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种拱架位姿测量方法及***，能够较为精确地测量拱架的位姿。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种拱架位姿测量方法，包括：
通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处，在所述拱架上设置有反射片，所述反射片具有至少四个在以拱架建立的坐标系中位置已知的标记点；
控制第二定位装置朝向所述拱架扫描，依次扫描出所述反射片的各个标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置；
根据各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标和各个标记点在大地坐标系中的位置坐标，计算出将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，以得到的转换参数描述所述拱架的当前位姿。
优选的，所述第一定位装置为激光测距仪、机械限位装置或者接近开关，通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处包括：在所述预设位置的一端位置点设置所述第一定位装置，通过所述第一定位装置识别出所述拱架的一端，进而将所述拱架定位在所述预设位置处。
优选的，所述第一定位装置为角度传感器，通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处包括：将所述拱架从初始位置沿其弧度方向旋转至预设位置处，此时所述的第一定位装置的角度的变化量表述为预设角度，拱架定位时所述第一定位装置与所述拱架的相对位置固定且所述第一定位装置随所述拱架转动，当所述第一定位装置测量的角度变化量等于所述预设角度时表明所述拱架旋转到所述预设位置处。
优选的，控制第二定位装置朝向所述拱架扫描，依次扫描出所述反射片的各个标记点包括：
控制所述第二定位装置以预设方位角朝向所述拱架扫描，扫描出第一个标记点并获得第一个标记点在大地坐标系中的位置；
控制所述第二定位装置以预设方位角朝向所述拱架扫描，依次对以所述第一个标记点为圆心、以所述第一个标记点到其它各个标记点的距离为半径的圆弧路径扫描，扫描出第二个标记点并获得第二个标记点在大地坐标系中的位置，如此依次进行多次扫描，每次扫描时对以前一次扫描出的标记点为圆心、以该标记点到其它各个标记点的距离为半径的圆弧路径扫描，直至扫描出所述反射片的所有标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置。
优选的，获得标记点在大地坐标系中的位置包括：根据所述第二定位装置在大地坐标系中的位置，测量获得标记点在大地坐标系中的位置；
确定所述第二定位装置在大地坐标系中的位置包括：
引入两个在大地坐标系中位置已知的点，在该两个点位置处分别设置反射元件；
控制所述第二定位装置分别对准在该两个点处的反射元件扫描进行测量，根据该两个点在大地坐标系中的位置坐标和所述第二定位装置对该两个点处的反射元件扫描时的方位角，计算出所述第二定位装置在大地坐标系中的位置坐标。
优选的，根据各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标和各个标记点在大地坐标系中的位置坐标，计算出将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，具体包括：
根据所述反射片的各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标构建第一矩阵A，A＝[A1 丅，A2 丅，…，An 丅]，A1、A2、…、An分别表示所述反射片上第1个标记点至第n个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标；
根据所述反射片的各个标记点在大地坐标系中的位置坐标构建第二矩阵B，B＝[B1 丅，B2 丅，…，Bn 丅]，B1、B2、…、Bn依次表示所述反射片上第1个标记点至第n个标记点在大地坐标系中的位置坐标；
根据T＝BA-1计算出转换参数T，以转换参数T描述所述拱架的位姿。
优选的，所述反射片具有五个标记点，其中一个标记点位于中间，其余四个标记点位于上一标记点的周围，位于周围的四个标记点中任意三个不在一条直线上。
优选的，在所述拱架的两端均设置所述反射片。
优选的，所述第二定位装置为全站仪。
一种拱架位姿测量***，用于执行以上所述的拱架位姿测量方法。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种拱架位姿测量方法及***，首先通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处，其中在拱架上设置有反射片，反射片具有至少四个在以拱架建立的坐标系中位置已知的标记点，然后控制第二定位装置朝向拱架扫描，依次扫描出反射片的各个标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置，进一步根据各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标和各个标记点在大地坐标系中的位置坐标，计算出将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，以得到的转换参数描述拱架的当前位姿，从而测量出拱架当前的位姿。因此，本发明公开的拱架位姿测量方法及***，能够较为精确地测量出拱架的位姿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例提供的一种拱架位姿测量方法的流程图；
图2为本发明一种实施例中反射片的标记点排列示意图；
图3为本发明实施例中在拱架两端设置反射片的示意图；
图4为本发明实施例中标定第二定位装置在大地坐标系中的位置的方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种拱架位姿测量方法的流程图，由图可知，所述拱架位姿测量方法包括以下步骤：
S10：通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处，在所述拱架上设置有反射片，所述反射片具有至少四个在以拱架建立的坐标系中位置已知的标记点。
本实施例方法中，在待拼装的拱架上设置反射片，在反射片上标定出若干标记点，各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置已知，其中反射片的标记点数量至少为四个，并且至少有三个标记点不在一条直线上。本实施例中对反射片的标记点数量不做具体限定，反射片上标定的标记点数量越多，测量出的拱架位姿越精确，但测量时间越长，因此在实际应用中，反射片的标记点数量可以根据实际测量需求相应设置。
可选的，在一种优选方式中可在反射片标定出五个标记点，其中一个标记点位于中间，其余四个标记点位于上一标记点的周围，位于周围的四个标记点中任意三个不在一条直线上，这种排列形状的标记点能够使得测量精度满足一定要求的前提下减少测量时间。示例性的，五个标记点的排列形状可如图2所示，其中标记点P3位于中间，标记点P1、P2、P4、P5分别位于周围，标记点P1、P2、P4、P5中任意三个不在一条直线上，其中，P1P2的长度为L1，P1P3的长度为L2，P1P4的长度为L3，P1P5的长度为L4，P3P4的长度为L5，P4P5的长度为L6。当然在反射片上标定出五个标记点的排列形状并不限于图2所示的形状，在其它实施例中标定的五个标记点也可以是其它形状。
根据拱架的形状和尺寸以及反射片贴附在拱架的位置，可以计算出反射片的各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置。优选的，请参考图3，可以在拱架的两端设置反射片，优选在拱架的两端分别各设置反射片。这样方便于测量，能够保证拱架无论在任何位置都有一端的反射片在测量范围内。
在具体实施时，为了提高测量效率以及简化操作，可以统一所生产拱架的形状和尺寸，使每一拱架的形状和尺寸一致，并且各拱架的反射片位置一致，这样既可以提高生产拱架的效率，也可以提高后续测量和调整拱架位姿的效率以及拼装拱架的效率。
本步骤定位拱架的位置，将待拼装的拱架定位在预设位置处。在具体实施时，第一定位装置可以是激光测距仪、机械限位装置或者接近开关，通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处包括：在所述预设位置的一端位置点设置所述第一定位装置，通过所述第一定位装置识别出所述拱架的一端，进而将所述拱架定位在所述预设位置处。在实际操作时，可以将待拼装拱架放置在拼装环上，顺时针或者逆时针旋转拼装环来移动拱架，通过在预设位置一端预先标定好的第一定位装置定位出拱架的一端，从而将拱架限位在预设位置处。可选的，第一定位装置也可以是角度传感器，将所述拱架从初始位置沿其弧度方向旋转至预设位置处，此时所述的第一定位装置的角度的变化量表述为预设角度。拱架定位时所述第一定位装置与所述拱架的相对位置固定且所述第一定位装置随所述拱架转动，当所述第一定位装置测量的角度变化量等于所述预设角度时表明所述拱架旋转到所述预设位置处。每一拱架的形状和尺寸一致，将每一拱架放置到拼装环上初始位置是一致的，将角度传感器设置在拼装环上，预先使用一拱架，旋转拼装环而改变拱架的位置，通过角度传感器测量将拱架从初始位置调整到预设位置处时转动角度的变化量，此变化量表述为预设角度。而后将后续待安装的拱架放置到初始位置后，旋转拼装环，将拱架沿其弧度方向旋转，通过角度传感器测量拼装环及拱架的实时角度，当测量的角度变化量等于预设角度时，则表明将拱架转动定位到预设位置处。
S11：控制第二定位装置朝向所述拱架扫描，依次扫描出所述反射片的各个标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置。
对于扫描出的标记点，具体根据第二定位装置在大地坐标系中的位置测量获得标记点在大地坐标系中的位置。相应的需要首先标定出第二定位装置在大地坐标系中的位置，具体可通过以下方法标定第二定位装置在大地坐标系中的位置，请参考图4，具体包括以下步骤：
S20：引入两个在大地坐标系中位置已知的点，在该两个点位置处分别设置反射元件。
在施工现场，可以将第二定位装置设置在远离前端施工区域的位置，引入两个在大地坐标系中位置已知的位置点H1、H2。在该两个点位置处设置的反射元件可以是棱镜，或者也可以是其它反射元件。
S21：控制所述第二定位装置分别对准在该两个点处的反射元件扫描进行测量，根据该两个点在大地坐标系中的位置坐标和所述第二定位装置对在该两个点处的反射元件扫描时的方位角，计算出所述第二定位装置在大地坐标系中的位置坐标。
控制第二定位装置对准点H1处的反射元件扫描进行测量，控制第二定位装置对准点H2处的反射元件扫描进行测量，然后根据该两个点在大地坐标系中的位置坐标以及第二定位装置对在该两个点处的反射元件扫描时的方位角，计算出第二定位装置在大地坐标系中的位置坐标。
控制第二定位装置朝向拱架扫描，依次扫描出反射片的各个标记点的过程包括：
S110：控制所述第二定位装置以预设方位角朝向所述预设位置处拱架扫描，扫描出第一个标记点并获得第一个标记点在大地坐标系中的位置。
在具体实施时，确定预设方位角的方法包括：控制所述第二定位装置朝向所述预设位置处拱架进行多次扫描，每次扫描出所述反射片的中心位置，获得各次扫描时所述第二定位装置进行扫描的方位角，计算各次扫描时所述第二定位装置的方位角的平均值，作为所述预先设定的方位角。通过本方法既可以确定出第二定位装置对拱架进行扫描的方位角，也能够保证反射片的标记点在第二定位装置的扫描范围内。在实际操作中，由于通过上一步骤已经将待拼装拱架定位在预设位置处，每次拼装的拱架位置一致，因此可以预先使用一个拱架进行扫描而计算出进行扫描的预设方位角，而后对每次拼装的拱架根据确定出的这一预设方位角进行扫描即可。
S111：控制所述第二定位装置以预设方位角朝向所述拱架扫描，依次对以所述第一个标记点为圆心、以所述第一个标记点到其它各个标记点的距离为半径的圆弧路径扫描，扫描出第二个标记点并获得第二个标记点在大地坐标系中的位置，如此依次进行多次扫描，每次扫描时对以前一次扫描出的标记点为圆心、以该标记点到其它各个标记点的距离为半径的圆弧路径扫描，直至扫描出所述反射片的所有标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置。
示例性的，以上述反射片具有五个标记点为例，第二定位装置以预设方位角对拱架扫描得到第一个标记点Pa后，得到第一个标记点Pa在大地坐标系中的位置坐标并保存。然后，控制第二定位装置依次对以第一个标记点Pa为圆心、以L1、L2、L3、L4、L5、L6为半径的圆弧路径扫描，扫描出第二个标记点Pb，得到第二个标记点Pb在大地坐标系中的位置坐标并保存。再次，控制第二定位装置依次对以第二个标记点Pb为圆心、以L1、L2、L3、L4、L5、L6为半径的圆弧路径扫描，扫描出第二个标记点Pc，得到第三个标记点Pc在大地坐标系中的位置坐标并保存。如此依次扫描，直至扫描出反射片的五个标记点，获得五个标记点在大地坐标系中的位置，依次表示为B1、B2、B3、B4、B5。
在具体实施时，第二定位装置可以采用全站仪或其他测量装置，本实施例中不做具体限定，都在本发明保护范围内。
S12：根据各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标和各个标记点在大地坐标系中的位置坐标，计算出将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，以得到的转换参数描述所述拱架的当前位姿。
具体的，计算将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，包括以下过程：
S120：根据所述反射片的各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标构建第一矩阵A，A＝[A1 丅，A2 丅，…，An 丅]，A1、A2、…、An分别表示所述反射片上第1个标记点至第n个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标。
S121：根据所述反射片的各个标记点在大地坐标系中的位置坐标构建第二矩阵B，B＝[B1 丅，B2 丅，…，Bn 丅]，B1、B2、…、Bn依次表示所述反射片上第1个标记点至第n个标记点在大地坐标系中的位置坐标。
S122：根据T＝BA-1计算出转换参数T，以转换参数T描述所述拱架的位姿。
在计算得到拱架的当前位姿后，将位姿数据输入到控制***内以使得拼装机相应性地进行拼接工作。
本实施例的拱架位置测量方法，使用第二定位装置对拱架进行远程扫描，第二定位装置可以远离前端施工区域，避免了测量设备受到较大震动影响，有助于提高设备的使用寿命，并且降低震动干扰而提高***稳定性。另外，本测量方法首先将拱架定位在可控的位置范围内，能够减少通过第二定位装置测量位姿的时间，有助于提高工作效率。采用全站仪测量有着更高的精度，技术相对成熟，***相对稳定，对环境的适应性更好。
相应的，本发明实施例还提供一种拱架位姿测量***，用于执行以上所述的拱架位姿测量方法。
本实施例拱架位姿测量***，首先通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处，其中在拱架上设置有反射片，反射片具有至少四个在以拱架建立的坐标系中位置已知的标记点，然后控制第二定位装置朝向拱架扫描，依次扫描出反射片的各个标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置，进一步根据各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标和各个标记点在大地坐标系中的位置坐标，计算出将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，以得到的转换参数描述拱架的当前位姿，从而测量出拱架当前的位姿。因此，本发明公开的拱架位姿测量***能够较为精确地测量出拱架的位姿。
以上对本发明所提供的一种拱架位姿测量方法及***进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种拱架位姿测量方法，其特征在于，包括：
通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处，在所述拱架上设置有反射片，所述反射片具有至少四个在以拱架建立的坐标系中位置已知的标记点；
控制第二定位装置朝向所述拱架扫描，依次扫描出所述反射片的各个标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置；
根据各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标和各个标记点在大地坐标系中的位置坐标，计算出将各个标记点的位置坐标从以拱架建立的坐标系转换到大地坐标系所使用的转换参数，以得到的转换参数描述所述拱架的当前位姿；
具体包括：
根据所述反射片的各个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标构建第一矩阵A，A＝[A1 丅，A2 丅，…，An 丅]，A1、A2、…、An分别表示所述反射片上第1个标记点至第n个标记点在以拱架建立的坐标系中的位置坐标；
根据所述反射片的各个标记点在大地坐标系中的位置坐标构建第二矩阵B，B＝[B1 丅，B2 丅，…，Bn 丅]，B1、B2、…、Bn依次表示所述反射片上第1个标记点至第n个标记点在大地坐标系中的位置坐标；
根据T＝BA-1计算出转换参数T，以转换参数T描述所述拱架的位姿。
2.根据权利要求1所述的拱架位姿测量方法，其特征在于，所述第一定位装置为激光测距仪、机械限位装置或者接近开关，通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处包括：在所述预设位置的一端位置点设置所述第一定位装置，通过所述第一定位装置识别出所述拱架的一端，而将所述拱架定位在所述预设位置处。
3.根据权利要求1所述的拱架位姿测量方法，其特征在于，所述第一定位装置为角度传感器，通过第一定位装置将拱架定位在预设位置处包括：将所述拱架从初始位置沿其弧度方向旋转至预设位置处，此时所述的第一定位装置的角度的变化量表述为预设角度，拱架定位时所述第一定位装置与所述拱架的相对位置固定且所述第一定位装置随所述拱架转动，当所述第一定位装置测量的角度变化量等于所述预设角度时表明所述拱架旋转到所述预设位置处。
4.根据权利要求1所述的拱架位姿测量方法，其特征在于，控制第二定位装置朝向所述拱架扫描，依次扫描出所述反射片的各个标记点包括：
控制所述第二定位装置以预设方位角朝向所述拱架扫描，扫描出第一个标记点并获得第一个标记点在大地坐标系中的位置；
控制所述第二定位装置以预设方位角朝向所述拱架扫描，依次对以所述第一个标记点为圆心、以所述第一个标记点到其它各个标记点的距离为半径的圆弧路径扫描，扫描出第二个标记点并获得第二个标记点在大地坐标系中的位置，如此依次进行多次扫描，每次扫描时对以前一次扫描出的标记点为圆心、以该标记点到其它各个标记点的距离为半径的圆弧路径扫描，直至扫描出所述反射片的所有标记点，获得各个标记点在大地坐标系中的位置。
5.根据权利要求1所述的拱架位姿测量方法，其特征在于，获得标记点在大地坐标系中的位置包括：根据所述第二定位装置在大地坐标系中的位置，测量获得标记点在大地坐标系中的位置；
确定所述第二定位装置在大地坐标系中的位置包括：
引入两个在大地坐标系中位置已知的点，在该两个点位置处分别设置反射元件；
控制所述第二定位装置分别对准在该两个点处的反射元件扫描进行测量，根据该两个点在大地坐标系中的位置坐标和所述第二定位装置对在该两个点处的反射元件扫描时的方位角，计算出所述第二定位装置在大地坐标系中的位置坐标。
6.根据权利要求1-5任一项所述的拱架位姿测量方法，其特征在于，所述反射片具有五个标记点，其中一个标记点位于中间，其余四个标记点位于上一标记点的周围，位于周围的四个标记点中任意三个不在一条直线上。
7.根据权利要求1-5任一项所述的拱架位姿测量方法，其特征在于，在所述拱架的两端均设置所述反射片。
8.根据权利要求1-5任一项所述的拱架位姿测量方法，其特征在于，所述第二定位装置为全站仪。
9.一种拱架位姿测量***，其特征在于，用于执行权利要求1-8任一项所述的拱架位姿测量方法。
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