一种基于机器视觉的智能顶管导向方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于机器视觉的智能顶管导向方法及系统，系统采用多组成像标志点、测量相机、控制终端、里程编码器、无线网桥；通过在井口处和多个管节处布置成像标志点；在顶管机上安装测量相机，测量相机对多组成像标志点拍摄成像，并通过无线网桥传送至控制终端上；控制终端解析处理结合里程编码器测量的数据以获得顶管机的实时状态和顶进管节的运动轨迹线。本发明专利技术采用机器视觉技术，能提供比传统导向方法更高的导向精度，实现毫米级测量精度；能实时测量顶管机顶进时机头坐标与设计中心线的偏差，机头方向，坡度，滚动角等；能实时测量顶进管节的运动轨迹线数据，并以顶进曲线轨迹作为测量基准，精度和可靠性大大提高。精度和可靠性大大提高。精度和可靠性大大提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机器视觉的智能顶管导向方法及系统


[0001]本专利技术涉及顶管导向
，特别是涉及一种基于机器视觉的智能顶管导向方法及系统。

技术介绍

[0002]顶管导向的主要目的是实时测量顶管掘进的姿态，计算出顶管与设计中心线的偏差，指导顶管操作人员控制顶管机的掘进作业，引导管道按照设计线路顶进，达到精确贯通的目的。现有的顶管机导向方法，由于顶管工法的特殊性，顶进的整个管节都在动态移动，在洞内没有固定的可供常规测量的可靠的测量控制点使得实时而精确测量变得十分困难。
[0003]目前的顶管导向可分为以下几种形式：
[0004]1、人工测量导向
[0005]需逐站向洞内传递控制点，每顶进若干米，由井口导线移伸传递坐标和方位至工作面，通过人工测量顶管机姿态。这是目前长距离的曲线顶管测量的主要方法，但随着工程不断顶进，测量强度加大，易发生测量差错，并且需停止顶管作业，不能实现实时测量，影响导向质量和施工工效；现场环境恶劣，测量过程存在一定的安全隐患。
[0006]2、激光指向仪
[0007]在工作井口安置激光指向仪，在顶管机上安装激光接收屏，计算出激光经纬仪水平角和竖直角并设置，激光经纬仪发射激光，激光接收屏显示顶管机位置偏差，实现顶管导向。由于激光发散及受周围环境温度影响。激光接收屏在距离较长时无法准确接收到激光经纬仪发射的激光。且激光路线为直线，此方法主要用于中短距离的直线顶管，测量距离最远400米，不适用于长距离顶管测量。
[0008]3、自动导向
[0009]由最新的自动全站仪+自稳定平衡基座和工业电脑组合，有效解决了人工测量困难和需要耗费大量劳动力等难题。但这种自动导向方式使得整个系统过于复杂，设备故障率也因此居高不下，并且由于自动全站仪及自动安平基座成本非常高，在实际工程中难以推广。
[0010]市场上虽然也出现了一些基于机器视觉的顶管导向方法，如专利号为CN111197486A的中国专利公布了一种基于机器视觉的顶管导向方法；但是该方案存在以下缺点：随着顶进距离的增加，动态成像标志点和动态相机组数量将大幅度增加；测量精度显著降低；系统成本与现场工作量成倍增长；对长距离、曲线的顶管工程作业适应性较差。
[0011]因此，设计一种结构简单、精度高、成本低廉、效率高且能适应长距离及曲线顶管工程作业的智能顶管导向方法及系统是业内人士亟需解决的问题。

技术实现思路

[0012]基于现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提供一种基于机器视觉的智能顶管导向方法及系统，以解决现有技术中测量结构复杂、精度低、效率低、劳动强度大、成本高且
不能适应长距离及曲线顶管工程作业的问题。
[0013]为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于机器视觉的智能顶管导向方法，所述方法包括以下步骤：
[0014]S101、在井口处布置第一成像标志点，并测量所述第一成像标志点的大地坐标；
[0015]S102、在顶管机上固定安装测量相机，并测量所述顶管机姿态与所述测量相机姿态的相对关系；
[0016]S103、所述测量相机对已知大地坐标的第一成像标志点进行摄像，并将摄像得到的成像数据传送至地面的控制终端上；
[0017]S104、所述控制终端解算出测量相机的外方位元素并转换成所述顶管机的姿态；所述测量相机的外方位元素至少包括三维坐标X、Y、Z以及三个角元素俯仰角α、方位角Φ、扭转角k；
[0018]S105、顶管机顶进一段距离，在管节A上布置第二成像标志点，并测量所述第二成像标志点在管节A上的相对关系；
[0019]S106、顶管机持续顶进，测量相机同时对所述第一成像标志点和第二成像标志点进行持续摄像，并将摄像得到的成像数据传送至所述控制终端上；
[0020]S107、所述控制终端实时解算出测量相机的外方位元素及管节A的中心坐标；从而解算出顶管机的实时姿态和由管节A持续更新的中心坐标拟合生成的顶进管节的运动轨迹线。
[0021]进一步的，所述方法还包括以下步骤：
[0022]S201、在井口处布置用于实时测量管节顶进距离的里程编码器；在管节B上布置第三成像标志点，并测量所述第三成像标志点在管节B上的相对关系；在管节C上布置第四成像标志点，并测量所述第四成像标志点在管节C上的相对关系；
[0023]S202、顶管机持续顶进，测量相机同时对所述第二成像标志点、第三成像标志点和第四成像标志点进行摄像，并将摄像得到的成像数据传送至所述控制终端上；
[0024]S203、所述控制终端实时解算出测量相机的外方位元素及管节A的中心坐标，从而解算出顶管机的实时姿态和由管节A持续更新的中心坐标拟合生成的顶进管节的运动轨迹线。
[0025]进一步的，所述由管节A持续更新的中心坐标拟合生成的顶进管节的运动轨迹线通过高次多项式的方法拟合成光滑且符合实际的轨迹线。
[0026]进一步的，所述测量相机的姿态是基于视觉测量的PnP原理或摄影测量的后方交会方法获得的。
[0027]进一步的，所述基于视觉测量的PnP原理或摄影测量的后方交会方法采用摄影测量光束法平差原理，所述摄影测量光束法平差原理最基本的计算方程为共线条件方程：
[0028][0029]式中，f为测量相机镜头焦距；x0、y0为影像的内方位元素；x'、y'为像点的像平面坐
标；X
S
、Y
S
、Z
S
为摄站点的物方空间坐标；X、Y、Z为成像标志点的大地坐标；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3为影像的3个外方位角元素组成的9个方向余弦。
[0030]进一步的，各个管节上成像标志点的大地坐标可由以下关系式描述：
[0031][0032]式中，X、Y、Z为成像标志点的大地坐标，X0、Y0、Z0为管节中心的大地坐标，C11、C12、C13、C21、C22、C23、C31、C32、C33为管节的旋转矩阵元素，它由管节的三个角元素确定；u、v、w是成像标志点在管节坐标系的相对关系，由测量确定，在整个过程中可认为是一个常数。
[0033]进一步的，所述测量相机与控制终端分别连接到无线网桥，所述无线网桥用于将摄像得到的成像数据传送至所述控制终端上的。
[0034]进一步的，所述第一成像标志点为固定成像标志点组且数量不少于3个，所述第二成像标志点、第三成像标志点和第四成像标志点均为动态成像标志点组且数量均不少于3个。
[0035]本专利技术还提供一种基于机器视觉的智能顶管导向系统，包括顶管机，还包括：
[0036]成像标志点，呈圆形，由定向反光材料或自发光材料制成，分别布置在井口处及各个管节上；
[0037]测量相机，固定安装在所述顶管机的机头上，用于对所述成像标志点拍摄成像，并将拍摄得到的成像数据传输至控制终端上；
[0038]控制终端，配置有计算机软件，用于驱动测量相机、接收测量相机的成像数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉的智能顶管导向方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S101、在井口处布置第一成像标志点，并测量所述第一成像标志点的大地坐标；S102、在顶管机上固定安装测量相机，并测量所述顶管机姿态与所述测量相机姿态的相对关系；S103、所述测量相机对已知大地坐标的第一成像标志点进行摄像，并将摄像得到的成像数据传送至地面的控制终端上；S104、所述控制终端解算出测量相机的外方位元素并转换成所述顶管机的姿态；所述测量相机的外方位元素至少包括三维坐标X、Y、Z以及三个角元素俯仰角α、方位角Φ、扭转角k；S105、顶管机顶进一段距离，在管节A上布置第二成像标志点，并测量所述第二成像标志点在管节A上的相对关系；S106、顶管机持续顶进，测量相机同时对所述第一成像标志点和第二成像标志点进行持续摄像，并将摄像得到的成像数据传送至所述控制终端上；S107、所述控制终端实时解算出测量相机的外方位元素及管节A的中心坐标；从而解算出顶管机的实时姿态和由管节A持续更新的中心坐标拟合生成的顶进管节的运动轨迹线。2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的智能顶管导向方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：S201、在井口处布置用于实时测量管节顶进距离的里程编码器；在管节B上布置第三成像标志点，并测量所述第三成像标志点在管节B上的相对关系；在管节C上布置第四成像标志点，并测量所述第四成像标志点在管节C上的相对关系；S202、顶管机持续顶进，测量相机同时对所述第二成像标志点、第三成像标志点和第四成像标志点进行摄像，并将摄像得到的成像数据传送至所述控制终端上；S203、所述控制终端实时解算出测量相机的外方位元素及管节A的中心坐标，从而解算出顶管机的实时姿态和由管节A持续更新的中心坐标拟合生成的顶进管节的运动轨迹线。3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的智能顶管导向方法，其特征在于，所述由管节A持续更新的中心坐标拟合生成的顶进管节的运动轨迹线通过高次多项式的方法拟合成光滑且符合实际的轨迹线。4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的智能顶管导向方法，其特征在于，所述测量相机的姿态是基于视觉测量的PnP原理或摄影测量的后方交会方法获得的。5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的智能顶管导向方法，其特征在于，所述基于视觉测量的PnP原理或摄影测量的后方交会方法采用摄影测量光束法平差原理，所述摄...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭国新，姚羽轩，肖德时，彭家茗，
申请(专利权)人：广州鑫唐夏信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：