双护盾硬岩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盾构施工过程中，双护盾硬岩隧道掘进机可以解决小半径转弯隧道，岩石强度高，岩石性质复杂等问题，在硬岩等隧道掘进中成为首要的选择。目前，双护盾硬岩隧道掘进机前盾体位置实时测量是盾构机自动导向急需解决的难点问题，特别是前盾体盾首中心的实时精确定位。本文针对这一需求，设计了激光标靶和单目视觉相结合的组合测量系统，配合全站仪等构成双护盾硬岩隧道掘进机导向系统，研究了系统测量原理和标定方法，最后搭建了实验验证系统精度，结果表明，在35m×3m×2m测量空间范围内，构建的导向系统测量精度优于8mm，能够满足双护盾硬岩隧道掘进机导向过程中位姿精密测量的需求。本文主要研究内容总结如下:
　　1.分析了盾构机导向系统研究现状及其应用于双护盾硬岩隧道掘进机位姿测量时不足，结合单目视觉在相对位姿测量领域的优点，设计了单目视觉和激光标靶相结合的双护盾硬岩隧道掘进机导向系统。
　　2.根据导向系统总体方案设计，完成光学特征点选型及空间结构设计。基于ARM-Linux嵌入式平台，设计了集图像采集和处理、位姿解算以及数据通信一体的智能视觉传感器。智能视觉传感器选用连通域标记特征光斑，利用平方加权质心法精确提取光学特征点光斑中心，通过设计的空间分布模型，实现光学特征点匹配，采用非线性迭代法和线性法相结合求解前盾与后盾之间最佳相对位姿估计。分析了基于激光标靶的后盾体位姿测量方法。构建了导向系统的测量数学模型，实现双护盾硬岩隧道掘进机前盾盾首中心的空间定位。
　　3.搭建立体控制场完成智能视觉传感器相机内参的标定;利用全站仪实现了光学特征点和前盾盾首中心相对位置的标定;利用导向系统组合测量原理的反向求解过程，精确标定智能视觉传感器和激光标靶的相对位姿关系。
　　4.利用MATLAB对导向系统进行仿真验证，搭建了模拟双后盾硬岩掘进机位置和姿态变化的实验系统，并利用全站仪完成测量系统精度验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外发展现状

1．2．1 盾构机导向系统发展现状

1．2．2 基于计算机视觉的相对位姿测量方法发展现状

1．2．3 单目视觉姿态测量方法发展现状

1．3 本文主要内容和结构

1．4 本章总结

第二章 双护盾硬岩隧道掘进机导向系统设计

2．1 导向系统总体方案设计

2．2 光学特征点设计

2．3 智能视觉传感器设计

2．3．1 智能视觉传感器硬件平台设计

2．3．2 智能视觉传感器软件设计

2．4 基于激光标靶的后盾体位姿测量方法

2．5 导向系统数学模型

2．5．1 导向系统坐标系定义

2．5．2 导向系统数学模型

2．6 本章总结

第三章 基于单目视觉的前后盾相对位姿测量方法

3．1 视觉测量基本理论

3．2 特征光斑的提取和匹配

3．2．1 特征光斑中心的精确定位

3．2．2 特征点匹配

3．3 基于特征点的相对位姿解算方法

3．3．1 基于特征点的相对位姿解算

3．3．2 前盾体盾首中心的空间定位

3．4 本章总结

第四章 导向系统结构参数标定

4．1 智能视觉传感器标定

4．2 光学特征点位置标定

4．3 智能传感器与激光标靶相对位姿的精确标定

4．4 本章总结

第五章 实验验证及分析

5．1 仿真结果及分析

5．1．1 基于单目视觉的前后盾相对位姿测量方法仿真分析

5．1．2 导向系统仿真分析

5．2 基于单目视觉的前后盾相对位姿测量方法实验验证

5．2．1 实验平台搭建

5．2．2 智能视觉传感器标定

5．2．3 特征点提取和匹配实验

5．2．4 测量实验及分析

5．3 导向系统实验验证

5．3．1 系统搭建

5．3．2 智能视觉传感器与激光标靶相对位姿标定实验

5．3．3 测量实验及分析

5．4 本章总结

第六章 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