基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端技术方案

本发明专利技术属于盾构施工技术领域，公开了一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端，利用三维建模工具和VR应用开发工具建立盾构机和管片的VR模型并生成盾构机和管片的VR模型库、开发管片拼装过程的VR场景，并生成管片拼装VR子系统；运行控制模块利用VR运行主机运行开发的管片拼装VR应用；交互模块利用VR交互设备接收控制指令，并向管片拼装VR场景发送控制指令；同时与用户进行交互；通信模块接收外部传感器采集的实时盾尾间隙、油缸行程差、盾构机位姿、盾构机前后点偏差、隧道设计轴线及其他施工数据。本发明专利技术增强了管片拼装过程的可视化程度，提升了操作人员的沉浸感和交互性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端


[0001]本专利技术属于盾构施工
，尤其涉及一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法、系统及数据处理终端。

技术介绍

[0002]目前，盾构法施工因具有施工速度快、对围岩及上部建筑物扰动小、安全性高等优点，其已成为国内外软土地质建设的首选隧道施工方法。
[0003]在盾构法施工的管片拼装过程中，盾构机和管片的相对位姿关系十分重要，这直接反应在盾尾间隙、油缸行程差等施工数据上。目前的管片选点方法为操作人员依据数字形式的施工数据选取待拼装管片的型号与点位，这种传统的只依据数字形式施工数据进行管片点位选取的方法，使得操作人员无法直观观察各种施工数据，不能较好判断盾构机与管片的相对位姿，且操作人员因对数字不敏感看错数字进而造成管片拼装点位错误选取的情况也时有发生；同时操作人员不能实时直观观察已拼装的整条隧道，不能直观地分析隧道的走势，管片拼装过程的真实感不强，操作人员与选点软件的交互方式单一、沉浸感较差。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有盾构管片选点与拼装过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法包括：步骤一，构建管片拼装VR子系统，判断管片拼装VR子系统的管片模型库和盾构机模型库中是否具有与当前施工现场相同型号的管片VR模型和盾构机VR模型，若没有，执行步骤二；若有，则转向步骤四；步骤二，利用三维建模工具，建立管片三维模型和盾构机三维模型，并导入到VR开发工具中建立盾构机VR模型和管片VR模型，并增加至管片拼装VR子系统的管片VR模型库和盾构机VR模型库中；步骤三，基于管片拼装VR程序，利用VR开发工具打包新的管片拼装VR子系统；步骤四，将基于VR的盾构虚拟拼装系统硬件连接好并在VR运行主机上运行管片拼装VR子系统，利用VR交互设备在管片拼装VR子系统中读取或输入当前施工现场的DTA数据；步骤五，设置管片的几何尺寸，并自动计算管片拼装的位姿传递矩阵；对管片初始环进行VR环境下的位姿定位；步骤六，于盾构机开始掘进时，通过管片的位姿以及传感器或计算机采集的盾尾间隙、油缸行程实时解算定位盾构机在VR环境中的位姿；步骤七，于盾构机掘进完成后，基于得到掘进完成后的包含盾尾间隙、油缸行程差、盾构机前后点偏差以及铰接油缸的施工数据以及上一环管片点位，自动选取当前环管片最优管片点位；步骤八，基于当前环管片的点位、上一环管片的位姿以及位姿传递矩阵计算当前环管片的位姿，并在VR环境中显示，完成当前环管片的虚拟拼装；步骤九，循环步骤六至步骤八，直至整条隧道拼装完成。2.如权利要求1所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，步骤一中，所述构建管片拼装VR子系统包括：(1)收集若干常用管片和盾构机的几何尺寸，利用三维建模工具，建立若干管片三维模型和盾构机三维模型，并在VR开发工具中建立若干盾构机VR模型和管片VR模型，构建管片VR模型库和盾构机VR模型库；(2)在VR开发工具中开发管片拼装VR场景；确定管片点位选取算法、管片位姿计算算法、盾构机位姿计算算法，利用VR开发工具实现算法，开发管片拼装VR程序；(3)基于VR开发工具，打包管片拼装VR程序，生成管片拼装VR子系统。3.如权利要求1所述基于VR的盾构管片虚拟拼装方法，其特征在于，所述步骤五中计算管片拼装的位姿传递矩阵的方法包括：对于通用型管片只有一组位姿传递矩阵，对于标准型管片有和组成标准型管片的衬砌圆环数一致组数的位姿传递矩阵，每一组位姿传递矩阵的计算方法为：在第i环管片的末端面中心建立右手直角坐标系，管片坐标系原点位于管片末端面中心，X轴垂直于管片末端面向外，Z轴位于楔形面上，指向封顶块中心处，Y轴由右手坐标系定则确定，在坐标系Oixyz上找4个点：坐标系原点O
i
，X轴上一点A
i
，Y轴与管片外表面交点B
i
，Z轴与管片外表面交点K
i
；管片宽度为B,直径为D，楔形量为2s,有N组纵向螺栓孔，则第i环管片上的坐标系O
i
xyz
原点O
i
坐标为(0，0，0)，A
i
坐标为(1，0，0)，B
i
坐标为K
i
坐标为其中在管片拼装时，第i+1环管片与第i环管片接触面中心重合，接触面法向量平行，若管片有N组螺栓组，则第i+1环管片相对于第i环管片有N种相对位姿，对应着N个位姿变换矩阵；点Oi
‑
1为第i
‑
1环管片末端面中心，即第i环管片始端面中心，可计算出点O
i
‑1的坐标为O
i
‑1(
‑
B
·
cosα，0，B
·
sinα)第i环管片轴线向量为前进面法向量第i+1环管片拼装过程可以看作从第i环管片位置出发沿着轴线ai平移距离B，再将第i+1环管片绕轴线向量ai旋转180
°
，此时两管片环面完全贴合，然后绕着第i环管片法向量ni旋转相应角度，即为选择不同点位进行拼装；点O
i
、A
i
、B
i
、K
i
沿着轴线向量ai平移距离B后的对应点O
′
i+1
、A
′
i+1
、B
′
i+1
、K
′
i+1
的坐标分别为点A
′
i+1
、W
′
i+1
、H
′
i+1
、F
′
i+1
绕轴线向量V
ai
旋转180
°
对应旋转矩阵为T,对应点A
″
i+1
、W
″
i+1
、H
″
i+1
、F
″
i+1
的坐标分别为的坐标分别为a
x
＝cosα，a
y
＝0，a
z
＝

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国力，刘瑞，郑康泰，蔡杰，皮鉴，林福龙，孟祥波，徐福宇，彭丹丹，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团股份有限公司中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：