基于多傳感器信息融合的盾構(gòu)機(jī)管片定位控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于多傳感器信息融合的盾構(gòu)機(jī)管片定位控制系統(tǒng)，是由六自由度管片定位安裝模塊、控制模塊和多傳感器信息融合模塊構(gòu)成；本實(shí)用新型利用多傳感器信息融合技術(shù)，提高了管片定位精度，大幅度提升拼裝精度與質(zhì)量；本實(shí)用新型通過視覺傳感測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片的粗定位，提高管片到達(dá)預(yù)定位置的速度，提升管片拼裝效率；本實(shí)用新型利用預(yù)緊壓力反饋技術(shù)，可以通過可調(diào)參數(shù)實(shí)現(xiàn)帶有預(yù)緊力的管片拼裝，使得管片拼裝質(zhì)量大幅度提升。
【專利說明】基于多傳感器信息融合的盾構(gòu)機(jī)管片定位控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于隧道盾構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于多傳感器信息融合的結(jié)合視覺粗定位與力反饋精定位的盾構(gòu)機(jī)管片定位控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]中國專利201020540755.8公開了一種盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的管片智能拼裝系統(tǒng)，其管片位置識(shí)別與分析模塊包括有立體視覺系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，用于檢測(cè)待裝管片與已裝管片的相對(duì)位置，進(jìn)而控制各油缸動(dòng)作，完成待裝管片的定位。
[0003]然而，由于現(xiàn)有立體視覺系統(tǒng)的精度有限，而且盾構(gòu)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，現(xiàn)有技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)管片的粗定位，這就將造成管片定位精度的下降，甚至出現(xiàn)管片松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致重大坍塌事故。
[0004]此外，日本專利JP2004131979A公開了一種盾構(gòu)管片精確定位的方法，其利用布置在管片連接處的多個(gè)位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管片位置，并利用控制裝置計(jì)算測(cè)量位置與預(yù)設(shè)目標(biāo)位置的差值，實(shí)現(xiàn)管片的粗定位、第一級(jí)精定位及第二級(jí)精定位。該技術(shù)方案需要大量的傳感器，因此成本較高，此外由于盾構(gòu)管片尺寸較大且管片邊緣的尺寸精度難以控制，導(dǎo)致這種采用位置差進(jìn)行管片定位的控制方法的定位精度無法保障。
[0005]日本專利JP2004044359A公開了一種采用超聲波距離傳感器進(jìn)行盾構(gòu)管片位置測(cè)量的管片精確定位的方法，雖然傳感器數(shù)量減少，但其同樣具有上述專利的弊端。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種基于多傳感器信息融合的盾構(gòu)機(jī)管片定位控制系統(tǒng)，其具有管片定位精度高，拼裝精度與質(zhì)量大幅度提升的特點(diǎn)，還可以通過可調(diào)參數(shù)實(shí)現(xiàn)帶有預(yù)緊力的管片拼裝，使得管片拼裝質(zhì)量大幅度提升。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]本實(shí)用新型是由六自由度管片定位安裝模塊、控制模塊和多傳感器信息融合模塊構(gòu)成；
[0009]所述的六自由度管片定位安裝模塊是由舉升油缸、推進(jìn)油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、偏移油缸、俯仰油缸、橫搖油缸和管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)構(gòu)成，所述的舉升油缸與盾構(gòu)隧道徑向平行安裝，實(shí)現(xiàn)管片的徑向進(jìn)給；所述的推進(jìn)油缸與盾構(gòu)隧道的軸線平行安裝，實(shí)現(xiàn)管片的軸向進(jìn)給；所述的回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)軸與盾構(gòu)隧道的軸線重合，實(shí)現(xiàn)管片的周向進(jìn)給；所述的偏移油缸、俯仰油缸和橫搖油缸并聯(lián)安裝，實(shí)現(xiàn)管片的三個(gè)方向偏轉(zhuǎn)；所述的管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)用于將待裝管片與已裝管片進(jìn)行螺栓連接；
[0010]所述的多傳感器信息融合模塊是由舉升油缸壓力傳感器、推進(jìn)油缸壓力傳感器、回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器、攝像機(jī)、超聲傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，各傳感器的測(cè)量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送給控制模塊進(jìn)行處理；
[0011]所述的控制模塊是由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口和模糊控制器構(gòu)成，模糊控制器從多傳感器信息融合模塊獲得測(cè)量得到的預(yù)緊力，包括回轉(zhuǎn)力、推進(jìn)力和舉升力，并與由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口輸入的預(yù)緊力預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果控制六自由度管片定位安裝模塊進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。
[0012]本實(shí)用新型的定位控制方法如下:
[0013]所述的多傳感器信息融合模塊中視覺傳感部分的攝像機(jī)和超聲傳感器的測(cè)試信息進(jìn)行融合，對(duì)盾構(gòu)管片進(jìn)行位姿檢測(cè)和粗定位；通過攝像機(jī)拍攝的單幅圖像獲取管片圓周上目標(biāo)點(diǎn)在圖像中的理想坐標(biāo)，求得投影矢量的方向，然后通過管片拼裝機(jī)各油缸的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)引超聲傳感器坐標(biāo)原點(diǎn)與未移動(dòng)前攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，而其Z軸方向與求得的投影矢量方向相同，再由超聲傳感器測(cè)出投影矢量的長度，從而確定目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到管片拼裝機(jī)基坐標(biāo)系中；通過測(cè)量操作管片上兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)，就能夠確定管片空間姿態(tài)，進(jìn)而完成管片粗定位。該方法簡單易行，計(jì)算量小。
[0014]當(dāng)管片實(shí)現(xiàn)粗定位后，六自由度管片定位安裝模塊動(dòng)作速度減慢，多傳感器信息融合模塊中預(yù)緊壓力反饋部分的舉升油缸壓力傳感器、推進(jìn)油缸壓力傳感器和回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)六自由度管片定位安裝模塊中舉升油缸、推進(jìn)油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的推力信號(hào)和扭矩信號(hào)，并傳送至控制模塊；同時(shí)，控制模塊采集來自盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)自帶測(cè)試系統(tǒng)的預(yù)裝管片角度、管片重量等信息，并且利用幾何關(guān)系將這些參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)力、推進(jìn)力和舉升力的影響進(jìn)行清除；
[0015]控制模塊中的模糊控制器根據(jù)上述清除了干擾信息的回轉(zhuǎn)力、推進(jìn)力和舉升力，并與由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口輸入的預(yù)緊力預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果控制六自由度管片定位安裝模塊中的舉升油缸、推進(jìn)油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；當(dāng)測(cè)量信號(hào)達(dá)到預(yù)緊力預(yù)設(shè)值時(shí)，對(duì)各油缸進(jìn)行保壓，對(duì)馬達(dá)進(jìn)行鎖死；此時(shí)啟動(dòng)管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)，對(duì)管片進(jìn)行最終定位安裝。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果:
[0017]1、利用多傳感器信息融合技術(shù)，提高了管片定位精度，大幅度提升拼裝精度與質(zhì)量;
[0018]2、通過視覺傳感測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片的粗定位，提高管片到達(dá)預(yù)定位置的速度，提升管片拼裝效率；
[0019]3、利用預(yù)緊壓力反饋技術(shù)，可以通過可調(diào)參數(shù)實(shí)現(xiàn)帶有預(yù)緊力的管片拼裝，使得管片拼裝質(zhì)量大幅度提升。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為本實(shí)用新型的定位控制方法流程圖。
[0023]其中:1_六自由度管片定位安裝模塊；2_控制模塊；3_多傳感器信息融合模塊；11-舉升油缸；12-推進(jìn)油缸；13_回轉(zhuǎn)馬達(dá)；14_偏移油缸；15、俯仰油缸；16_橫搖油缸；17-管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)；21_預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口 ；22_模糊控制器；221-回轉(zhuǎn)力控制；222_推進(jìn)力控制；223_舉升力控制；31_舉升油缸壓力傳感器；32_推進(jìn)油缸壓力傳感器；33_回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器；34_攝像機(jī)；35_超聲傳感器；36-A/D轉(zhuǎn)換器?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，本實(shí)用新型是由六自由度管片定位安裝模塊1、控制模塊2和多傳感器信息融合模塊3構(gòu)成；
[0025]所述的六自由度管片定位安裝模塊I是由舉升油缸11、推進(jìn)油缸12、回轉(zhuǎn)馬達(dá)13、偏移油缸14、俯仰油缸15、橫搖油缸16和管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)17構(gòu)成，所述的舉升油缸11與盾構(gòu)隧道徑向平行安裝，實(shí)現(xiàn)管片的徑向進(jìn)給；所述的推進(jìn)油缸12與盾構(gòu)隧道的軸線平行安裝，實(shí)現(xiàn)管片的軸向進(jìn)給；所述的回轉(zhuǎn)馬達(dá)13的回轉(zhuǎn)軸與盾構(gòu)隧道的軸線重合，實(shí)現(xiàn)管片的周向進(jìn)給；所述的偏移油缸14、俯仰油缸15和橫搖油缸16并聯(lián)安裝，實(shí)現(xiàn)管片的三個(gè)方向偏轉(zhuǎn)；所述的管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)17用于將待裝管片與已裝管片進(jìn)行螺栓連接；
[0026]所述的多傳感器信息融合模塊3是由舉升油缸壓力傳感器31、推進(jìn)油缸壓力傳感器32、回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器33、攝像機(jī)34、超聲傳感器35和A/D轉(zhuǎn)換器36構(gòu)成，各傳感器的測(cè)量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器36轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送給控制模塊2進(jìn)行處理；
[0027]所述的控制模塊2是由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口 21和模糊控制器22構(gòu)成，模糊控制器22從多傳感器信息融合模塊3獲得測(cè)量得到的預(yù)緊力，包括回轉(zhuǎn)力、推進(jìn)力和舉升力，并與由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口 21輸入的預(yù)緊力預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果控制六自由度管片定位安裝模塊I進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。
[0028]所述的模糊控制器22進(jìn)行回轉(zhuǎn)力控制221、推進(jìn)力控制222和舉升力控制223。
[0029]如圖3所示，本實(shí)用新型的定位控制方法包括以下步驟:
[0030](I)、拼裝開始，首先進(jìn)行管片粗定位；
[0031]首先六自由度管片定位安裝模塊I快速動(dòng)作，并利用視覺傳感進(jìn)行位姿檢測(cè)和粗定位，然后判斷是否達(dá)到粗定位的預(yù)設(shè)位置，如果未達(dá)到，則六自由度管片定位安裝模塊I繼續(xù)動(dòng)作；如果已經(jīng)達(dá)到，即進(jìn)入下一第(II)步驟；
[0032]所述的利用視覺傳感進(jìn)行位姿檢測(cè)和粗定位的步驟為:多傳感器信息融合模塊3中視覺傳感部分的攝像機(jī)34和超聲傳感器35的測(cè)試信息進(jìn)行融合，對(duì)盾構(gòu)管片進(jìn)行位姿檢測(cè)和粗定位；通過攝像機(jī)34拍攝的單幅圖像犾取管片圓周上目標(biāo)點(diǎn)在圖像中的理想坐標(biāo)，求得投影矢量的方向，然后通過管片拼裝機(jī)各油缸的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)引超聲傳感器35坐標(biāo)原點(diǎn)與未移動(dòng)前攝像機(jī)34坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，而其Z軸方向與求得的投影矢量方向相同，再由超聲傳感器35測(cè)出投影矢量的長度，從而確定目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)34坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到管片拼裝機(jī)基坐標(biāo)系中；通過測(cè)量操作管片上兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)，就能夠確定管片空間姿態(tài)，進(jìn)而完成管片粗定位。
[0033](II)、進(jìn)行管片精定位；
[0034]首先由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口 21輸入的預(yù)緊力預(yù)設(shè)值；
[0035]同時(shí)，六自由度管片定位安裝模塊I動(dòng)作速度減慢，多傳感器信息融合模塊3中預(yù)緊壓力反饋部分的舉升油缸壓力傳感器31、推進(jìn)油缸壓力傳感器32和回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器33實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)六自由度管片定位安裝模塊I中舉升油缸11、推進(jìn)油缸12和回轉(zhuǎn)馬達(dá)13的推力信號(hào)和扭矩信號(hào)，并傳送至控制模塊2 ;同時(shí)，控制模塊2采集來自盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)自帶測(cè)試系統(tǒng)的預(yù)裝管片角度、管片重量等信息，并且利用幾何關(guān)系將這些參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)力、推進(jìn)力和舉升力的影響進(jìn)行清除；
[0036]控制模塊2中的模糊控制器22根據(jù)傳來的回轉(zhuǎn)力、推進(jìn)力和舉升力，并與由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口 21輸入的預(yù)緊力預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果控制六自由度管片定位安裝模塊I中的舉升油缸11、推進(jìn)油缸12和回轉(zhuǎn)馬達(dá)13進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；當(dāng)測(cè)量信號(hào)達(dá)到預(yù)緊力預(yù)設(shè)值時(shí)，進(jìn)入下一第(III)步驟；
[0037](I II)、完成拼裝:
[0038]對(duì)各油缸進(jìn)行保壓，對(duì)馬達(dá)進(jìn)行鎖死；
[0039]同時(shí)，啟動(dòng)管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)17，對(duì)管片進(jìn)行最終定位安裝，完成管片拼裝。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多傳感器信息融合的盾構(gòu)機(jī)管片定位控制系統(tǒng)，其特征在于:是由六自由度管片定位安裝模塊(I )、控制模塊(2)和多傳感器信息融合模塊(3)構(gòu)成； 所述的六自由度管片定位安裝模塊(I)是由舉升油缸(11)、推進(jìn)油缸(12)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)(13)、偏移油缸(14)、俯仰油缸(15)、橫搖油缸(16)和管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)(17)構(gòu)成，所述的舉升油缸(11)與盾構(gòu)隧道徑向平行安裝，實(shí)現(xiàn)管片的徑向進(jìn)給；所述的推進(jìn)油缸(12)與盾構(gòu)隧道的軸線平行安裝，實(shí)現(xiàn)管片的軸向進(jìn)給；所述的回轉(zhuǎn)馬達(dá)(13)的回轉(zhuǎn)軸與盾構(gòu)隧道的軸線重合，實(shí)現(xiàn)管片的周向進(jìn)給；所述的偏移油缸(14)、俯仰油缸(15)和橫搖油缸(16)并聯(lián)安裝，實(shí)現(xiàn)管片的三個(gè)方向偏轉(zhuǎn)；所述的管片連接螺栓自動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)(17)用于將待裝管片與已裝管片進(jìn)行螺栓連接； 所述的多傳感器信息融合模塊(3)是由舉升油缸壓力傳感器(31)、推進(jìn)油缸壓力傳感器(32)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器(33)、攝像機(jī)(34)、超聲傳感器(35)和A/D轉(zhuǎn)換器(36)構(gòu)成，各傳感器的測(cè)量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(36)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送給控制模塊(2)進(jìn)行處理；所述的控制模塊(2)是由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口(21)和模糊控制器(22)構(gòu)成，模糊控制器(22)從多傳感器信息融合模塊(3)獲得測(cè)量得到的預(yù)緊力，并與由預(yù)緊力預(yù)設(shè)輸入接口(21)輸入的預(yù)緊力預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果控制六自由度管片定位安裝模塊(I)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；模糊控制器(22)進(jìn)行回轉(zhuǎn)力控制(221)、推進(jìn)力控制(222)和舉升力控制(223)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多傳感器信息融合的盾構(gòu)機(jī)管片定位控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的預(yù)緊力包括回轉(zhuǎn)力、推進(jìn)力和舉升力。
【文檔編號(hào)】E21D9/093GK203515595SQ201320665212
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月27日
【發(fā)明者】張玉新, 蘇麗達(dá), 王國強(qiáng), 王吉業(yè) 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)