一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法技术

本发明专利技术提供了一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法，在每片管片设有固定孔的表面打上Tag码，管片拼装时通过安装在盾构机底部相机采集管片上Tag码图像，通过计算机根据采集的Tag码位姿图像计算管片偏移量，再由计算机根据位置偏移量控制盾构机的举升机构、平移机构和回转机构完成管片初调定位、由计算机根据姿态角偏移量控制举升机构、偏转油缸、俯仰油缸得到完成管片微调定位，完成管片的自动拼装。本发明专利技术通过对管片的位姿进行视觉测量，通过计算机控制管片的六自由度可实现管片的自动拼装，方法能提高管片拼装效率与精度，减少了管片错位、缝隙等拼装缺陷，能有效节约资金，降低人力成本，提高施工人员的安全。

An Automatic Segment Assembly Method for Shield Machine Based on Tag Code Visual Measurement

The invention provides an automatic assembly method of shield machine segment based on Tag code visual measurement. Tag code is punched on the surface of each segment with fixed holes. When segment is assembled, the image of Tag code on the segment is collected by a camera installed at the bottom of the shield machine. The segment offset is calculated by a computer according to the acquired image of Tag code position and attitude, and then the shield machine is controlled by a computer according to the position offset. Lifting mechanism, translation mechanism and rotary mechanism complete the initial alignment and positioning of segments, and the computer controls the lifting mechanism, deflection cylinder and pitch cylinder according to the attitude angle offset to complete the fine alignment and positioning of segments, and complete the automatic assembly of segments. The method can improve the efficiency and accuracy of segment assembly, reduce assembly defects such as segment dislocation and cracks, effectively save funds, reduce labor costs, and improve the safety of construction personnel by means of visual measurement of the position and posture of segments and computer control of six degrees of freedom of segments.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法
本专利技术涉及盾构机
，尤其涉及一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法。
技术介绍
盾构施工法是指在地面下暗挖隧洞的施工方法，目前已成为地铁隧道、公路隧道、铁路隧道、过江隧道和城市市政各种隧道工程施工的主要方法。管片拼装机作为盾构的重要组成部分，其作用是用预先制作的混凝土管片将挖好的隧道支护起来，并防止因开挖所引起的地表沉降和地下水的渗透对隧道的影响，管片拼装速度直接影响整个盾构机掘进速度。目前，国产盾构机在隧道施工中，其挖掘系统和推进系统已基本实现全过程自动化控制，而管片拼装则尚未实现自动化控制，且绝大多数仍采用人工拼装。管片拼装作为盾构施工中最关键的子系统之一，实现自动化控制有重要意义：首先，可以使盾构机管片拼装的效率大大提高，缩短工期；其次，可以保证盾构机管片的拼装精度，使盾构管片的错位、缝隙等拼装缺陷大幅减少，衬砌强度增强，隧道使用寿命延长且更可靠。从长远考虑，采用自动化控制的施工方法能有效节约资金，降低人力成本，同时提高施工人员的安全性。因此，实现管片的自动拼装有着重大的意义。
技术实现思路
本专利技术公开了一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法，其目的在于通过视觉测量来获得管片的位置和姿态数据，根据数据调整盾构机的定位机构，对齐管片的固定孔，完成管片的自动拼装。本专利技术的技术方案为：一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法，包括如下步骤：步骤一、在每块待拼装管片设有固定孔的位置打上Tag码，Tag码中央与固定孔中间刻线对齐，同时Tag码一侧边与管片一侧边平行，确保Tag码和固定孔之间的位姿恒定；步骤二、在管片抓取装置与举升机构的连接端安装相机，相机可跟随管片抓取装置作平移和回转运动，并对测量平面保持固定的视角；步骤三、以管片拼装系统托梁中心为原点建立世界坐标系0o-XoWoZo，当管片完成初始环向回转和径向举升后，通过相机获得管片的Tag码和上一环相邻管片的Tag码的图像；步骤四、通过获得的图像分别计算出两Tag码对应的坐标位置XA1YA1ZA1和XA0YA0ZA0，根据视觉测量结果计算出两坐标偏差量Δx、Δy、Δz，其中Δx＝XA1-XA0，Δy＝YA1-YA0，Δz＝ZA1-ZA0；步骤五、根据偏差量Δx、Δy、Δz来调整举升机构、平移机构和回转机构，并将偏差量调整为预设值，进行管片初调定位；步骤六、通过相机再次获得初调定位后实际姿态下Tag码的图像，得到管片当前状态下的姿态角，以及相对于上一环管片的姿态角差值；步骤七、根据姿态角差值控制盾构机上的举升机构、偏转油缸、俯仰油缸伸缩微调管片姿态角，进行管片微调定位，实现与上一环管片的固定孔对齐；步骤八、将管片间的联接螺栓拧紧，完成一片管片的自动拼装，重复步骤三-七，直至完成一环管片的自动拼装。优选的，在步骤一中，所述Tag码打在每块待拼装管片设有固定孔的上表面。优选的，在步骤二中，所述相机为USB单板相机，所述相机通过数据线与计算机相连，采集的图像数据实时传输给计算机。优选的，在步骤二中，所述举升机构包括右举升油缸和左举升油缸，所述相机包括第一相机和第二相机，所述管片抓取装置与所述右举升油缸的连接端安装所述第一相机，所述管片抓取装置与所述左举升油缸的连接端安装所述第二相机。优选的，在步骤六中，所述姿态角差值包括横摇角Δα、偏转角以及俯仰角Δθ。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术采用了基于Tag码图像作为视觉检测对象，Tag码由黑白两色组成，容易通过对图像阈值处理而发现；Tag码具有方向性，可以更好的辅助求解位姿；Tag码本身带有信息，通过解析Tag码内部黑白块的排列顺序，便于区分管片两侧的方向；(2)在Tag码图像进去相机范围内后，实时测量待拼装管片和上一环相邻管片的位姿差值，测量结果更加可靠，由计算机根据相关差值发出指令调整定位机构；(3)与传统拼装方法相比，本专利技术是对管片的位置和姿态角进行测量，控制管片六自由度完成管片自动拼装的方法，精度高，速度快，实现简单可靠；(4)与现有管片人工拼装技术相比，本方法提高了管片拼装效率，拼装精度高，减少了管片错位、缝隙等拼装缺陷，能有效节约资金，降低人力成本，同时提高施工人员的安全性。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，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它的附图，其中：图1为本专利技术一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法的流程示意图；图2为本专利技术待拼装的管片俯视图；图3为本专利技术盾构管片拼装机的结构框图；图4为本专利技术盾构管片拼装机结构示意图；图5为本专利技术管片与上一环相邻管片的初调定位示意图；图6为本专利技术管片姿态角微调前的示意图；图7为本专利技术管片姿态角微调后的示意图。【具体实施方式】下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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它实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1所示，本专利技术提供一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法，包括如下步骤：请参阅图2所示，步骤一、在每块待拼装的管片1设有固定孔11的位置打上Tag码13，Tag码13中央与固定孔11中间刻线对齐，同时Tag码13一侧边与管片1一侧边平行，确保Tag码13和固定孔11之间的位姿恒定；具体的，在每片管片1上有相应的固定孔11，固定孔11主要用于管片1与管片1之间相互固定以实现管片1的拼装，对齐了待拼装的管片1与上一环相邻管片的固定孔，即完成了每块管片的拼装，在每块待拼装的管片1设有固定孔11的上表面位置打上Tag码13，Tag码13呈正方形，Tag码13中央与固定孔11中间刻线对齐，同时Tag码13的最外侧边与管片1外侧边平行，距离为h，确保Tag码13和固定孔11之间的位置恒定，即Tag码13的最外侧边与管片1外侧边之间的距离恒定，同时Tag码13平整光滑，每个Tag码13上带有相应的信息，通过解析Tag码13内部黑白块的排列顺序，可以区分管片1两侧方向。请参阅图3和4所示，步骤二、在盾构机管片拼装机100的管片抓取装置2与举升机构的连接端安装相机，相机可跟随管片抓取装置2作平移和回转运动，并对测量平面保持固定的视角；具体的，所述举升机构包括右举升油缸31和左举升油缸32，所述相机包括第一相机41和第二相机42，所述管片抓取装置2与所述右举升油缸31的连接端安装所述第一相机41，所述管片抓取装置2与所述左举升油缸32的连接端安装所述第二相机42，所述第一相机41与所述第二相机42为USB单板相机，所述第一相机41和所述第二相机42可跟随所述管片抓取装置2作平移和回转运动，对测量平面保持固定的视角。所述第一相机41与所述第二相机42通过数据线与计算机200连接，实时采集图像数据传输给计算机200。再结合图5-7所示，步骤三、以管片拼装系统托梁中心为原点建立世界坐标系0o-XoWoZo，当管片1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在每块待拼装管片设有固定孔的位置打上Tag码，Tag码中央与固定孔中间刻线对齐，同时Tag码一侧边与管片一侧边平行，确保Tag码和固定孔之间的位姿恒定；步骤二、在管片抓取装置与举升机构的连接端安装相机，相机可跟随管片抓取装置作平移和回转运动，并对测量平面保持固定的视角；步骤三、以管片拼装系统托梁中心为原点建立世界坐标系0o‑XoWoZo，当管片完成初始环向回转和径向举升后，通过相机获得管片的Tag码和上一环相邻管片的Tag码的图像；步骤四、通过获得的图像分别计算出两Tag码对应的坐标位置XA1YA1ZA1和XA0YA0ZA0，根据视觉测量结果计算出两坐标偏差量Δx、Δy、Δz，其中Δx＝XA1‑XA0，Δy＝YA1‑YA0，Δz＝ZA1‑ZA0；步骤五、根据偏差量Δx、Δy、Δz来调整举升机构、平移机构和回转机构，并将偏差量调整为预设值，进行管片初调定位；步骤六、通过相机再次获得初调定位后实际姿态下Tag码的图像，得到管片当前状态下的姿态角，以及相对于上一环管片的姿态角差值；步骤七、根据姿态角差值控制盾构机上的举升机构、偏转油缸、俯仰油缸伸缩微调管片姿态角，进行管片微调定位，实现与上一环管片的固定孔对齐；步骤八、将管片间的联接螺栓拧紧，完成一片管片的自动拼装，重复步骤三‑七，直至完成一环管片的自动拼装。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Tag码视觉测量的盾构机管片自动拼装方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在每块待拼装管片设有固定孔的位置打上Tag码，Tag码中央与固定孔中间刻线对齐，同时Tag码一侧边与管片一侧边平行，确保Tag码和固定孔之间的位姿恒定；步骤二、在管片抓取装置与举升机构的连接端安装相机，相机可跟随管片抓取装置作平移和回转运动，并对测量平面保持固定的视角；步骤三、以管片拼装系统托梁中心为原点建立世界坐标系0o-XoWoZo，当管片完成初始环向回转和径向举升后，通过相机获得管片的Tag码和上一环相邻管片的Tag码的图像；步骤四、通过获得的图像分别计算出两Tag码对应的坐标位置XA1YA1ZA1和XA0YA0ZA0，根据视觉测量结果计算出两坐标偏差量Δx、Δy、Δz，其中Δx＝XA1-XA0，Δy＝YA1-YA0，Δz＝ZA1-ZA0；步骤五、根据偏差量Δx、Δy、Δz来调整举升机构、平移机构和回转机构，并将偏差量调整为预设值，进行管片初调定位；步骤六、通过相机再次获得初调定位后实际姿态下Tag码的图像，得到管片当前状态下的姿态角，以及相对于上一环管片的姿态角差值；步骤七、根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，李平，钟杭，刘理，厉洪浩，韦玉海，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43