基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统及方法与流程

1.本公开涉及隧道钢拱架安装技术领域，尤其涉及一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统及方法。


背景技术：

2.tbm（tunnel boring machine，隧道掘进机）是集隧道掘进、出渣、支护、通风等功能一体的隧道施工机械，可实现隧道掘进的一次成型。在敞开式tbm的施工中，完后一环的掘进之后，需要通过安装钢拱架对隧道进行支护，提高隧道的稳定性和安全性，因此，提高钢拱架安装的合理性可以在一定程度上提高隧道的稳定性和安全性。
3.相关技术中，钢拱架在安装时，前后两个钢拱架的距离定位多由人工定位，然而人工定位存在一定的误差，两个钢拱架之间的距离存在误差，不仅会直接影响支护的质量，还会影响后续tbm撑靴的撑紧程度，因为掘进机的撑靴需支撑在开挖完成后的隧道壁上，撑靴上预留有钢拱架的槽，如果钢拱架的安装定位不准确，就会影响后续撑靴的撑紧。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的隧道掘进机钢拱架安装过程中钢拱架的安装定位不准确技术问题，本公开提供一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统及方法。
5.在本公开实施例的第一方面，提供一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统，所述系统包括：上位机、与所述上位机通讯连接的钢拱架安装器、与所述上位机通讯连接的钢拱架定位装置、与所述上位机通讯连接的视觉模块、与所述上位机通讯连接的激光测距仪；其中，所述视觉模块和所述激光测距仪均安装在所述钢拱架定位装置的支撑上，所述钢拱架定位装置的安装底座安装在所述钢拱架安装器的竖直中心线的钢结构上，所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等；所述激光测距仪用于，向已完成安装的前一环钢拱架或隧道壁发射测距激光；所述上位机用于：根据第二距离与第三距离之间的差值，控制所述钢拱架安装器的行走速度；所述第二距离为所述激光测距仪与所述前一环钢拱架的距离，所述第三距离为所述激光测距仪与隧道壁的距离；在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制所述视觉模块采集照射在所述前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像；对所述位置图像进行识别，确定所述线激光与所述前一环钢拱架的边缘的重合度；在所述重合度达到预设重合度的情况下，控制所述钢拱架安装器停止行走，并对所述钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。
6.在一种优选的实施方式中，所述视觉模块包括：线激光发射器和图像采集装置；
所述线激光发射器用于，向已安装的所述前一环钢拱架发射线激光；所述图像采集装置用于，采集所述线激光与所述前一环钢拱架的位置图像。
7.在一种优选的实施方式中，所述激光测距仪发射的测距激光与所述前一环钢拱架所在的竖直平面平行，所述线激光发射器发射的线激光的中心以及所述图像采集装置的拍摄视角均与所述前一环钢拱架所在所述竖直平面平行。
8.在一种优选的实施方式中，所述上位机还用于：根据所述预设的钢拱架间距，调整安装有视觉模块和激光测距仪的底座上螺栓孔与所述钢拱架定位装置的支撑上的滑槽的相对位置，以使得所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等。
9.在本公开实施例的第二方面，提供一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装方法，应用于第一方面中任一项所述基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统中的上位机，所述方法包括：控制激光测距仪向已安装的前一环钢拱架或隧道壁发射测距激光，并根据第二距离与第三距离之间的差值，控制所述钢拱架安装器的行走速度；所述第二距离为所述激光测距仪与所述前一环钢拱架的距离，所述第三距离为所述激光测距仪与隧道壁的距离；在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在已安装的前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像，其中，所述视觉模块和所述激光测距仪均安装在钢拱架定位装置的支撑上，所述钢拱架定位装置的安装底座安装在钢拱架安装器的竖直中心线的钢结构上，所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等；对所述位置图像进行识别，确定所述线激光与所述前一环钢拱架的边缘的重合度；在所述重合度达到预设重合度的情况下，控制所述钢拱架安装器停止行走，并对所述钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。
10.在一种优选的实施方式中，所述视觉模块包括：线激光发射器和图像采集装置；所述在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在已安装的前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像，包括：控制所述线激光发射器向已安装的所述前一环钢拱架发射线激光；在控制所述线激光发射器发射线激光的情况下，控制所述图像采集装置采集所述线激光与所述前一环钢拱架的位置图像。
11.在一种优选的实施方式中，所述激光测距仪发射的测距激光与所述前一环钢拱架所在的竖直平面平行，所述线激光发射器发射的线激光的中心以及所述图像采集装置的拍摄视角均与所述前一环钢拱架所在所述竖直平面平行。
12.在一种优选的实施方式中，所述方法还包括：根据所述预设的钢拱架间距，调整安装有视觉模块和激光测距仪的底座上螺栓孔与所述钢拱架定位装置的支撑上的滑槽的相对位置，以使得所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等。
13.本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：根据激光测距仪与所述前一环钢拱架的第二距离，与激光测距仪与隧道壁第三距
离之间的差值，控制钢拱架安装器的行走速度；在钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在前一环钢拱架的线激光与前一环钢拱架的位置图像；对位置图像进行识别，确定线激光与前一环钢拱架的边缘的重合度；在重合度达到预设重合度的情况下，控制钢拱架安装器停止行走，并对钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。从而提高了隧道掘进机钢拱架安装的准确性，进而提高了隧道施工的准确性、可靠性和安全性。
14.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
15.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
16.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统的安装示意图。
17.图2是根据一示例性实施例示出的一种视觉模块和激光测距仪的安装示意图。
18.图3是根据一示例性实施例示出的一种视觉模块和激光测距仪的安装示意图。
19.图4是根据一示例性实施例示出的一种基于隧道掘进机钢拱架安装方法的流程图。
具体实施方式
20.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
21.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统的安装示意图。如图1所示，基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统包括：上位机、与所述上位机通讯连接的钢拱架安装器101、与所述上位机通讯连接的钢拱架定位装置102、与所述上位机通讯连接的视觉模块103、与所述上位机通讯连接的激光测距仪104；其中，所述视觉模块103和所述激光测距仪104均安装在所述钢拱架定位装置102的支撑上，所述钢拱架定位装置102的安装底座安装在所述钢拱架安装器101的竖直中心线的钢结构上，所述视觉模块103与所述钢拱架安装器101的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等；参见图2所示，在视觉模块103和所述激光测距仪104均安装在一个安装板上，安装板可以通过螺栓与钢拱架定位装置102的支撑可活动连接。其中，视觉模块103的安装位置相对激光测距仪104的安装位置远离钢拱架定位装置102的安装底座。
22.所述激光测距仪104用于，向已完成安装的前一环钢拱架或隧道壁发射测距激光；所述上位机用于：根据第二距离与第三距离之间的差值，控制所述钢拱架安装器101的行走速度；所述第二距离为所述激光测距仪104与所述前一环钢拱架的距离，所述第三距离为所述激光测距仪104与隧道壁的距离；
在所述钢拱架安装器101行走的过程中，控制所述视觉模块103采集照射在所述前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像；可以理解的是，在行走过程中，视觉模块可以同步采集到线激光照射在隧道壁或者已安装的钢拱架的图像，随着钢拱架安装器101的行走，最终可以采集到线激光照射在前一环钢拱架的边缘的图像。其中，前一环钢拱架的边缘是指隧道掘进方向上，已经完成掘进并安装了前一环钢拱架的一侧边缘，而不是靠近未掘进的一侧的边缘。
23.对所述位置图像进行识别，确定所述线激光与所述前一环钢拱架的边缘的重合度；可以理解的是，该重合度用于控制钢拱架之间的安装误差，该重合度越高，安装误差越小，该重合度越小，安装误差越大。
24.在所述重合度达到预设重合度的情况下，控制所述钢拱架安装器101停止行走，并对所述钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。
25.上述技术方案根据激光测距仪与所述前一环钢拱架的第二距离，与激光测距仪与隧道壁第三距离之间的差值，控制钢拱架安装器的行走速度；在钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在前一环钢拱架的线激光与前一环钢拱架的位置图像；对位置图像进行识别，确定线激光与前一环钢拱架的边缘的重合度；在重合度达到预设重合度的情况下，控制钢拱架安装器停止行走，并对钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。从而提高了隧道掘进机钢拱架安装的准确性，进而提高了隧道施工的准确性、可靠性和安全性。
26.在一种优选的实施方式中，所述视觉模块103包括：线激光发射器1031和图像采集装置1032；所述线激光发射器1031用于，向已安装的所述前一环钢拱架发射线激光；所述图像采集装置1032用于，采集所述线激光与所述前一环钢拱架的位置图像。
27.参见图3所示，线激光发射器1031和图像采集装置1032并排安装，因此线激光发射器1031和图像采集装置1032到待安装钢拱架的距离相同，而视觉模块103与所述钢拱架安装器101的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等，因此，在位置图像显示线激光已经照射到前一环钢拱架的边缘的情况下，表示待安装钢拱架已经行走到了需求的安装位置。
28.在一种优选的实施方式中，所述激光测距仪104发射的测距激光与所述前一环钢拱架所在的竖直平面平行，所述线激光发射器1031发射的线激光的中心以及所述图像采集装置1032的拍摄视角均与所述前一环钢拱架所在所述竖直平面平行。
29.在一种优选的实施方式中，所述上位机还用于：根据所述预设的钢拱架间距，调整安装有视觉模块和激光测距仪的底座上螺栓孔与所述钢拱架定位装置102的支撑上的滑槽的相对位置，以使得所述视觉模块103与所述钢拱架安装器101的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等。
30.参见图3所示，在钢拱架定位装置102的支撑上可以设置有滑槽，安装视觉模块和激光测距仪的底座可以与滑槽相对滑动安装，进而调整该底座在滑槽上的位置，可以调整视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离。
31.本公开实施例还提供一种隧道掘进机钢拱架安装方法，应用于前述实施例中任一项所述基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统中的上位机，参见图4所示，所述方法包括：
s41、控制激光测距仪向已安装的前一环钢拱架或隧道壁发射测距激光，并根据第二距离与第三距离之间的差值，控制所述钢拱架安装器的行走速度；所述第二距离为所述激光测距仪与所述前一环钢拱架的距离，所述第三距离为所述激光测距仪与隧道壁的距离；s42、在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在已安装的前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像。
32.其中，所述视觉模块和所述激光测距仪均安装在钢拱架定位装置的安装底座上，所述钢拱架定位装置的安装底座安装在钢拱架安装器的竖直中心线的钢结构上，所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等；s43、对所述位置图像进行识别，确定所述线激光与所述前一环钢拱架的边缘的重合度。
33.s44、在所述重合度达到预设重合度的情况下，控制所述钢拱架安装器停止行走，并对所述钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。
34.在一种优选的实施方式中，所述视觉模块包括：线激光发射器和图像采集装置；所述在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在已安装的前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像，包括：控制所述线激光发射器向已安装的所述前一环钢拱架发射线激光；在控制所述线激光发射器发射线激光的情况下，控制所述图像采集装置采集所述线激光与所述前一环钢拱架的位置图像。
35.在一种优选的实施方式中，所述激光测距仪发射的测距激光与所述前一环钢拱架所在的竖直平面平行，所述线激光发射器发射的线激光的中心以及所述图像采集装置的拍摄视角均与所述前一环钢拱架所在所述竖直平面平行。
36.在一种优选的实施方式中，所述方法还包括：根据所述预设的钢拱架间距，调整安装有视觉模块和激光测距仪的底座上螺栓孔与所述钢拱架定位装置的支撑上的滑槽的相对位置，以使得所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等。
37.本公开实施例中，首先第一次在隧道掘进机钢拱架安装系统使用之前，即在钢拱架安装器的导辊第一次夹紧待拼装紧钢拱架之后，待拼装钢拱架相对于导辊的中心的位置不变，根据预设的钢拱架间距，通过调整安装底座上螺栓孔与钢拱架定位装置的安装底座的滑槽的位置，调整视觉模块中线激光发射器与钢拱架安装器的导辊的中心的距离，该距离等于前一环钢拱架与待拼装钢拱架之间的预设的钢拱架间距。以使得线激光发射器发射的线激光与钢拱架安装器的导辊的中心的距离等于预设的钢拱架间距。可以理解的是，如果预设的钢拱架间距更改，则重新执行前述实施例中的步骤。
38.进一步地，前一环钢拱架的内壁与开挖后的隧道壁之间有一定距离差，钢拱架安装器可能并未处于拼装区域，因此，在钢拱架拼装过程中需要根据距离差判断当前钢拱架安装器是否处于待拼装钢拱架的拼装区域，如处于拼装过程中，控制激光测距仪发射测距激光，测量到隧道壁或已安装的钢拱架朝向隧道中心一面的距离，进而根据激光测距仪与所述前一环钢拱架的第二距离，与激光测距仪与隧道壁第三距离之间的差值，限制钢拱架安装器携带待拼装钢拱架的行走速度，在行走的过程中，同时结合视觉模块进行定位，在钢
拱架安装器处于待拼装钢拱架拼装区域附近时，视觉模块拍摄照片，由上位机进行图像处理，判断线激光与钢拱架的位置关系，直至线激光和测距激光中间的前一环钢拱架的端面重合，控制钢拱架安装器停止行走，钢拱架安装器将待拼装钢拱架撑至完全展开状态，完成后续拼装。
39.本领域技术人员在考虑说明书及实践本公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
40.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统，其特征在于，所述系统包括：上位机、与所述上位机通讯连接的钢拱架安装器、与所述上位机通讯连接的钢拱架定位装置、与所述上位机通讯连接的视觉模块、与所述上位机通讯连接的激光测距仪；其中，所述视觉模块和所述激光测距仪均安装在所述钢拱架定位装置的支撑上，所述钢拱架定位装置的安装底座安装在所述钢拱架安装器的竖直中心线的钢结构上，所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等；所述激光测距仪用于，向已完成安装的前一环钢拱架或隧道壁发射测距激光；所述上位机用于：根据第二距离与第三距离之间的差值，控制所述钢拱架安装器的行走速度；所述第二距离为所述激光测距仪与所述前一环钢拱架的距离，所述第三距离为所述激光测距仪与隧道壁的距离；在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制所述视觉模块采集照射在所述前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像；对所述位置图像进行识别，确定所述线激光与所述前一环钢拱架的边缘的重合度；在所述重合度达到预设重合度的情况下，控制所述钢拱架安装器停止行走，并对所述钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。2.根据权利要求1所述的基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统，其特征在于，所述视觉模块包括：线激光发射器和图像采集装置；所述线激光发射器用于，向已安装的所述前一环钢拱架发射线激光；所述图像采集装置用于，采集所述线激光与所述前一环钢拱架的位置图像。3.根据权利要求2所述的基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统，其特征在于，所述激光测距仪发射的测距激光与所述前一环钢拱架所在的竖直平面平行，所述线激光发射器发射的线激光的中心以及所述图像采集装置的拍摄视角均与所述前一环钢拱架所在所述竖直平面平行。4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统，其特征在于，所述上位机还用于：根据所述预设的钢拱架间距，调整安装有视觉模块和激光测距仪的底座上螺栓孔与所述钢拱架定位装置的支撑上的滑槽的相对位置，以使得所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等。5.一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装方法，其特征在于，应用于权利要求1-4中任一项所述基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统中的上位机，所述方法包括：控制激光测距仪向已安装的前一环钢拱架或隧道壁发射测距激光，并根据第二距离与第三距离之间的差值，控制所述钢拱架安装器的行走速度；所述第二距离为所述激光测距仪与所述前一环钢拱架的距离，所述第三距离为所述激光测距仪与隧道壁的距离；在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在已安装的前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像，其中，所述视觉模块和所述激光测距仪均安装在钢拱架定位装置的支撑上，所述钢拱架定位装置的安装底座安装在钢拱架安装器的竖直中心线的钢结构上，所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等；
对所述位置图像进行识别，确定所述线激光与所述前一环钢拱架的边缘的重合度；在所述重合度达到预设重合度的情况下，控制所述钢拱架安装器停止行走，并对所述钢拱架安装器上携带的钢拱架进行安装。6.根据权利要求5所述的基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装方法，其特征在于，所述视觉模块包括：线激光发射器和图像采集装置；所述在所述钢拱架安装器行走的过程中，控制视觉模块采集照射在已安装的前一环钢拱架的线激光与所述前一环钢拱架的位置图像，包括：控制所述线激光发射器向已安装的所述前一环钢拱架发射线激光；在控制所述线激光发射器发射线激光的情况下，控制所述图像采集装置采集所述线激光与所述前一环钢拱架的位置图像。7.根据权利要求6所述的基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装方法，其特征在于，所述激光测距仪发射的测距激光与所述前一环钢拱架所在的竖直平面平行，所述线激光发射器发射的线激光的中心以及所述图像采集装置的拍摄视角均与所述前一环钢拱架所在所述竖直平面平行。8.根据权利要求5-7中任一项所述的基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述预设的钢拱架间距，调整安装有视觉模块和激光测距仪的底座上螺栓孔与所述钢拱架定位装置的支撑上的滑槽的相对位置，以使得所述视觉模块与所述钢拱架安装器的导辊中心的第一距离与预设的钢拱架间距相等。

技术总结
本公开涉及一种基于视觉的隧道掘进机钢拱架安装系统及方法，包括：上位机、钢拱架安装器、钢拱架定位装置、视觉模块和激光测距仪；视觉模块和激光测距仪安装在钢拱架定位装置的支撑上，钢拱架定位装置的安装底座安装在钢拱架安装器的竖直中心线的钢结构上；激光测距仪向前一环钢拱架或隧道壁发射测距激光；上位机根据第二距离与第三距离之间的差值，控制钢拱架安装器的行走速度；在行走过程中，控制视觉模块采集照射在前一环钢拱架的线激光与前一环钢拱架的位置图像；识别位置图像，确定线激光与前一环钢拱架的边缘的重合度；若重合度达到预设重合度，停止行走并对钢拱架进行安装。停止行走并对钢拱架进行安装。停止行走并对钢拱架进行安装。


技术研发人员：王慈航 王龙驹 付凯凯 杨甜甜 徐胜 杨正凡 刘泉 王大源
受保护的技术使用者：中交天和机械设备制造有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/9