基于线激光传感器的盾构管片自动拼装方法

针对盾构管片自动化拼装中的管片位姿检测问题,提出了一种无需事先标记管片且适用于几何参数未知的盾构管片自动化拼装方案,并推导了管片位姿检测算法。该方案利用安装在拼装机器人末端执行器抓取板上的5个线激光传感器分别对管片的直边和弧边进行照射,通过检测线激光照射在管片边缘而产生的偏折点的3D坐标,逐步计算出管片在拼装过程中相对于拼装机器人的基坐标系的位姿,再据此计算出机器人将待拼装管片拼装至期望位姿时,机器人末端执行器相对于基坐标系的位姿,从而实现管片的自动化拼装。为了验证该算法的有效性,在实验室环境中搭建了基于线激光传感器的管片自动拼装实验平台,并利用该平台进行了管片自动拼装实验。实验结果表明,提出的盾构管片自动拼装方法在管片定位方面表现出较小的误差,且管片拼装最大错台为1.50 mm,最大间隙为0.96 mm,符合工程要求。这为盾构管片的自动化拼装提供了一种有效的技术解决方案。

基于线激光传感器的盾构管片位姿检测方法

针对盾构管片初始摆放误差与拼装累积误差问题,提出一种新的管片位姿检测方案。该方案无须在管片上添加额外标记点,利用安装在管片拼装机器人上的3个线激光传感器对管片边缘进行扫描,根据边缘点的相对位置坐标计算管片上特征点的坐标,并依此推导出待安装管片的抓取位姿和安装位姿表达式。使用SolidWorks软件建立三维模型以提供算例,比较不同检测点位置对位姿计算精度的影响,验证该方案的可行性。研究结果表明:本文提供方案计算得到的管片位姿误差较小,可以满足盾构管片抓取和安装要求;增大管片边缘扫描点的距离能够提高姿态检测精度。

钨柱对装甲钢板侵彻的试验研究

钨柱对装甲钢板正侵彻时,发现钨柱的着靶姿态是随机变化的,包括纵向着靶,斜着靶,横向着靶三种姿态,实验表明着靶姿态不同,破片的极限穿透特征有较大差异,文中提出涉及钨柱姿态的极限穿透速度函数,并在此基础上,利用提出的关于靶板对破片的阻力系数和破片的"迎风面积"的反比假设,找出了有实际意义的比例因子,来衡量钨柱穿透装甲钢板的能力。

基于大型场景下的多相机标定方法

在计算机视觉领域,在实现大型目标物体的检测定位、尺寸估计等系列测量时,需要用到多个相机传感器获取物体的三维信息。但在复杂环境下,会出现相机之间存在非重叠视场情况而无法进行有效视觉测量的问题。为了解决非重叠视场下多相机的标定问题,提出了一种无需改变机械结构,且在带约束条件下的多相机标定方法。首先将相机安装在相互固定的位置,并确保相机之间不存在振动等情况,通过建立多相机优化数学模型以及相机同时采集多组相机对应标定板的位姿参数关系,采用SVRG优化算法实现对相机坐标系之间的位姿参数优化,进而求得多相机之间的位姿矩阵。最后利用相机之间的坐标系变换矩阵,求得对应目标之间的相对位姿参数作为评估精度指标。结合实际大型盾构机进行仿真实验与实际测试,结果表明,所提方法抗干扰性较强,优化效果稳定,且在实际应用中能够达到毫米级别的准确度。

双护盾硬岩隧道掘进机位姿测量系统

针对隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密测量需求,设计了一种组合式位姿测量系统。系统把单目视觉和激光标靶相结合,在利用激光标靶和全站仪完成掘进机后盾体位姿测量基础上,通过所设计的光学特征点空间分布模型,实现特征点的准确识别,根据特征点之间已知的几何约束关系和摄像机的透视投影模型,进行实时的图像处理和位姿解算,实现掘进机前盾体相对后盾体位姿的非接触式测量。系统建立了光学特征点、智能视觉传感器、激光标靶和全站仪之间的坐标转换关系,搭建了模拟双护盾硬岩隧道掘进机位姿变化的实验平台,并利用全站仪进行精度验证,最终完成掘进机全方位的实时位姿测量。实验结果表明:在30 m×3 m测量范围内,系统测量精度优于5 mm。测量系统具有精度高、抗噪声能力强和实时性好等优点,可满足隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密自动测量要求。

推拼同步中考虑盾构位姿的推力重分配计算方法

盾构推拼同步技术的关键是盾构推进系统存在缺位油缸时,如何重新分配其余推进油缸的推力,从而保证盾构位姿(位置、姿态)和速度的可控。为此,提出了一种盾构推拼同步模式下可考虑盾构掘进位姿的推进系统分区推力重分配计算方法。从力学模型上揭示了推拼同步模式下盾构推力重分配原理,建立了可考虑盾构位姿、不同分区模式的推拼同步分区推力重分配方程,给出了相应的重分配分区推力优化方法。最后结合某盾构隧道工程案例,探究了不同缺位油缸组、不同掘进位姿状态以及推进系统不同分区模式等因素对重分配推力的影响规律,验证了所提方法的有效性。结果表明:缺位油缸组使与其相邻的分区油缸由于代偿作用承担更大的推力,与缺位油缸组相对的分区油缸承担较小的推力;盾构位姿参数中y、z增加会使等效驱动力■的Fx分量减小,在对应方向上的Fy和Fz分量增加;滚动角ψ增加会使Fx分量减小,Mx分量呈线性增大。盾构位姿参数俯仰角θ和偏航角Φ的增加分别会引起上下分区推力差和左右分区推力差的增大。盾构推进系统分区数量主要影响重分配分区推力曲线的均匀程度。所提出的分区推力重分配方法误差在10-14以下。研究成果对盾构推拼同步中推力重分配具有一定的指导意义。

单目视觉与倾角仪组合优化的位姿测量系统

为了提高单目视觉实时测量双护盾隧道掘进机前后盾相对位姿的精度,引入高精度倾角传感器与单目视觉构成一种组合测量系统。该系统将两个倾角传感器分别与视觉传感器和特征点系统固定连接,通过倾角传感器提供的多个角度约束,结合单目视觉实现掘进机前盾体相对于后盾体位姿的更高精度测量。仿真实验表明该系统是可行的,并且具有理想的精度。搭建了模拟双护盾隧道掘进机位姿变化的实验平台,利用全站仪进行精度验证。结果表明系统的测量精度优于3mm,相对于单目视觉测量方法来说,测量精度有了显著提升,可以满足隧道施工中双护盾隧道掘进机位姿的精密测量需求。