倾角传感优化的双盾隧道掘进机导向系统关键技术研究

摘要

在地铁和隧道等地下工程建设中，双盾隧道掘进机面对岩石强度高，岩石成分复杂的地形具有显著优势，已成为隧道掘进机中的首要选择。针对双盾隧道掘进机前盾位姿的实时测量，目前有基于单目视觉的相对位姿测量方法，但该方法存在着精度不高，系统稳定性不好等缺点。针对这一问题，本文对单目视觉测量系统中的光学特征点模型，软硬件平台及摄像机参数标定算法进入了深入研究，并设计了单目视觉与倾角传感器组合优化的相对位姿测量系统。通过仿真实验验证了系统的有效性，搭建了模拟双盾隧道掘进机前盾位姿变化的实验平台验证系统精度。实验结果表明，相对于单目视觉相对位姿测量系统，本文所提出的测量系统在精度及系统稳定性上有了显著的提升，工作距离为2.5-4m时测量精度优于3mm，能够很好地满足双盾隧道掘进机掘进过程中前盾位姿的精密测量需求。本文主要的研究工作总结如下：
　　1.研究分析了基于单目视觉相对位姿测量系统的发展现状及其应用于双盾隧道掘进机前盾位姿测量中的不足，明确了本文的研究方向和目标。
　　2.设计了双盾隧道掘进机前后盾相对位姿测量系统整体结构，建立了空间拓扑结构特征点系统模型，搭建了以ARM Cortex-A8为核心处理器的硬件系统，以Linux平台作为软件开发环境，实现了图像采集及处理，数据通讯，姿态解算等相应功能。
　　3.归纳总结了大尺寸测量领域中摄像机参数标定的常用方法及其优缺点，研究了一种基于精密二轴转台的摄像机参数标定的新方法。通过MATLAB仿真实验验证了该方法的有效性，并搭建实验平台对该方法的精度进行了验证。
　　4.研究了单目视觉与倾角传感组合优化的前后盾相对位姿测量方法。研究了靶标光斑标记及中心提取算法，研究了倾角传感器与特征点系统标定的新方法。通过仿真及实验，对组合测量系统误差进行了分析和验证。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外发展现状

1.3本文的主要内容和结构

1.4本章总结

第2章 双盾隧道掘进机前后盾相对位姿测量系统设计

2.1测量系统整体结构设计

2.2特征点系统设计

2.3摄像机系统及下位机平台设计

2.4本章总结

第3章 基于二轴转台的摄像机参数标定

3.1视觉测量原理

3.2常用摄像机标定方法

3.3基于二轴转台的摄像机参数标定新方法

3.4基于二轴转台的摄像机参数标定实验

3.5本章总结

第4章 倾角传感优化的前后盾相对位姿测量原理

4.1特征点中心的提取与匹配

4.2倾角传感器输出角与姿态角转换关系

4.3单目视觉与倾角传感器组合优化的前后盾相对位姿测量方法

4.4倾角传感器与特征点系统相对位姿的精确标定

4.5本章总结

第5章 误差分析与实验验证

5.1仿真实验及结果分析

5.2倾角传感优化的前后盾相对位姿测量系统实验验证

5.3本章总结

第6章 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢