[发明专利]一种基于机器视觉的盾构管片自动拼装方法

说明书

本发明一种基于机器视觉的盾构管片自动拼装方法属于盾构施工管片自动化拼装技术领域，涉及一种基于机器视觉的盾构管片自动拼装方法。该方法首先安装工业相机并进行标定，在管片上布置靶标ArUco码。然后，对靶标ArUco码的四个特征角点进行检测，预测待拼装管片的期望位置点。计算待拼装点与期望位置点偏差，计算平移、提升和回转机构当前速度与期望速度误差值。采用基于图像的视觉伺服策略得到管片拼装机各机构的期望速度，最后由关节速度闭环控制得到各执行机构控制量，从而实现管片的自动拼装。本发明通过引入机器视觉技术，代替人工操纵手柄完成管片拼装,效率高。基于靶标间接实现了管片位姿的实时预测，有效提升管片的拼装精度及拼装效率。

技术领域

本发明属于盾构施工管片自动化拼装技术领域，涉及一种基于机器视觉的盾构管片自动拼装方法。

背景技术

盾构机广泛应用于轨道交通、引水等隧道建设工程中，管片拼装机是盾构机中较为重要的子系统，管片拼装机在隧道建设过程中用于铺设管片。

盾构的施工过程主要可以分为几个步骤：首先盾构机在推进油缸的作用下向前推进，在推进的过程中，刀盘系统会将泥土、岩石等地下物质刮落。被刮下的泥土等会随着螺旋输送机系统由地下转移到地上。当盾构机向前挖掘一段距离后，管片拼装机会将管片输送到隧道裸露位置，经提升、平移、旋转、微调等一系列动作将多段管片拼装砌环，完成对隧道的支撑任务。在盾构机掘进过程中，需要将大量管片放置在正确的位置，才能完成对隧道的支护。因此，提高管片的架设速度可以直接提高隧道挖掘的施工效率。

现在，管片的拼装是通过人眼估计管片的位姿状态，然后技术人员操纵手柄控制管片拼装机进行管片的位置调整，周而往复，最终完成整环管片的拼装砌环。这样的拼装流程既容易造成误操作，而且拼装效率不高。因此通过机器视觉技术实现管片位姿的实时测量，设计一套自动化管片拼装系统显得尤为重要。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种基于机器视觉的盾构管片动拼装方法，通过在待拼装管片上布置靶标ArUco码，由工业相机识别靶标四个角点特征。根据已拼装管片上的ArUco码角点特征，采用机器学习的方法预测待拼装管片期望位置，运用基于图像的视觉伺服技术得到管片拼装机各机构期望速度，并基于关节速度闭环控制得到各机构控制量，从而实现盾构管片的自动拼装。

本发明采用的技术方案是一种基于机器视觉的盾构管片自动拼装方法，方法的具体步骤如下：

步骤一、工业相机安装和标定，获取工业相机内参数矩阵k；

工业相机7安装在管片拼装机上，管片拼装机提升机构由左提升液压缸4和右提升液压缸8构成，将工业相机7安装固定在右提升液压缸8下端；工业相机7的光心轴线平行于提升液压缸轴线，使其能够跟随旋转机构3和右提升液压缸8作旋转和提升运动；建立工业相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C，O_c为工业相机光心点，Y_c轴平行于平移机构轴线，Z_c轴平行于提升机构轴线，X_c轴可由左手定则得出；运用工业相机7在不同位置与角度下采集高精度靶标信息；

采用“张氏标定方法”对工业相机进行相机标定，获取工业相机内参数矩阵k，其形式为：

式中：k_x、k_y为相机在X轴和Y轴的尺度因子，(u₀,v₀)为工业相机光轴中心线与成像平面交点。

设一景物点在工业相机坐标系下的坐标为(x₁,y₁,z₁)，用内参数矩阵描述景物点与图像点之间的关系，则其像素坐标(u,v)为：

步骤二、在管片上布置靶标ArUco码；