本發(fā)明涉及盾構(gòu)隧道施工，尤其涉及一種基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法。

背景技術(shù)：

1、盾構(gòu)法技術(shù)發(fā)展至今，雖然已在上個世紀(jì)八十年代就基本完成了盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部各系統(tǒng)、各部件之間的協(xié)調(diào)工作問題，但在巖土與裝備、裝備與裝備、裝備與人的界面上依然嚴(yán)重依賴人工作業(yè)經(jīng)驗。拼裝機(jī)是實現(xiàn)預(yù)制化管片定位安裝的關(guān)鍵部件，拼裝工人通過操作手柄按鍵完成對管片的六自由度動作調(diào)整，使其位姿滿足拼裝要求。

2、受限于隧道內(nèi)窘迫的通視空間、較差的光線條件、復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，以及拼裝工人參差不齊的操作經(jīng)驗，無法精確獲取待拼裝管片的目標(biāo)拼裝位置，導(dǎo)致當(dāng)前隧道成型質(zhì)量波動起伏。因此，需要提供一種基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部有限空間環(huán)境下待拼裝管片目標(biāo)拼裝位置精準(zhǔn)獲取困難的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部有限空間環(huán)境下待拼裝管片目標(biāo)拼裝位置精準(zhǔn)獲取困難的問題。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

3、一種基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，包括以下步驟：

4、步驟1：通過無人機(jī)上安裝的深度視覺傳感器掃描待安裝位置關(guān)聯(lián)的相關(guān)管片；

5、步驟2：基于無人機(jī)的局部坐標(biāo)系，獲取深度視覺傳感器掃描范圍內(nèi)的所有點云數(shù)據(jù)pi(ri,θi,hi)，并進(jìn)行已安裝管片的邊線提??；

6、步驟3：設(shè)定待拼裝管片的目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點，并確定該三個點與已安裝管片上三個邊線端點之間相對的空間位置關(guān)系；

7、步驟4：將目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點的柱坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)；

8、步驟5：通過目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點的直角坐標(biāo)計算待拼裝管片目標(biāo)位置的目標(biāo)姿態(tài)矩陣；

9、步驟6：計算待拼裝管片目標(biāo)位置的坐標(biāo)；

10、步驟7：計算待拼裝管片目標(biāo)位置的位姿矩陣。

11、所述的步驟1包括以下分步驟：；

12、步驟1.1：在無人機(jī)上安裝深度視覺傳感器；

13、步驟1.2：對無人機(jī)進(jìn)行運動路徑規(guī)劃，使待拼裝管片處于拼裝區(qū)域內(nèi)不同的位姿狀態(tài)時，深度視覺傳感器的掃描范圍能夠覆蓋待拼裝管片以及與待拼裝管片相鄰的已安裝管片的關(guān)聯(lián)區(qū)域。

14、所述的步驟2中，提取的已安裝管片的邊線包括：與待拼裝管片同一環(huán)的第三管片的內(nèi)弧面端面線段ab、兩條內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線ae和bf，以及上一環(huán)的第一管片和第二管片的內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線cd。

15、所述的內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線cd的提取方法是：線段ba延長至上一環(huán)的第一管片上邊線圓曲線中具有相同θ值的點，根據(jù)已知的待拼裝管片的內(nèi)弧面弧長c’d’，在上一環(huán)的第一管片和第二管片的內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線提取后，以c為起點，切割一條與待拼裝管片內(nèi)弧面弧長c’d’相等的圓曲線，該圓曲線的終點即為d點。

16、所述的步驟3中，已安裝管片上的邊線端點包括：內(nèi)弧面端面線段ab的b點，以及內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線cd的c點和d點，b、c、d三點的柱坐標(biāo)分別為b(rb,θb,hb)、c(rc,θc,hc)，d(rd,θd,hd)；

17、人工設(shè)定待拼裝管片的目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點為b’點、c’點、d’點，其中，已安裝管片上的b點對應(yīng)待拼裝管片的b’點，已安裝管片上的c點對應(yīng)待拼裝管片的c’點，已安裝管片上的d點對應(yīng)待拼裝管片的d’點；

18、b’、c’、d’三點在無人機(jī)的局部坐標(biāo)系中的柱坐標(biāo)如下表示：

19、

20、

21、所述的步驟4中，目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點即b’、c’、d’三點的直角坐標(biāo)為：

22、b′＝(xb,yb,zb)＝(rb1cosθb1,rb1sinθb1,hb1)

23、c′＝(xc,yc,zc)＝(rc1cosθc1,rc1sinθc1,hc1)

24、d′＝(xd,yd,zd)＝(rd1cosθd1,rd1sinθd1,hd1)。

25、所述的步驟5包括以下分步驟：

26、步驟5.1：基于b’、c’、d’三點的直角坐標(biāo)，計算和向量，并作b’、c’、d’三點所在平面的法向量表示為：

27、

28、步驟5.2：待拼裝管片目標(biāo)位置的目標(biāo)姿態(tài)矩陣t1表示為：

29、

30、所述的步驟6包括以下分步驟：

31、步驟6.1：獲取待拼裝管片上的1號孔h和2號孔j的連線hj的中點g的直角坐標(biāo)；

32、步驟6.2：在待拼裝管片上，b’、c’、d’三點與中點g的長度是固定已知的，設(shè)b’g的長度為m1，c’g的長度為m2，d’g的長度為m3；

33、步驟6.3：設(shè)g坐標(biāo)為(xg，yg，zg)，則僅需滿足與b’、c’和d’與g點的距離分別等于m1、m2和m3即可，b′g＝m1；c′g＝m2；d′g＝m3；

34、步驟6.4：計算中點g的坐標(biāo)；

35、b’、c’和d’坐標(biāo)分別為(xb′,yb′,zb′)，(xc′,yc′,zc′)和(xd′,yd′,zd′)，滿足：

36、

37、利用上述三個方程即可求解xg，yg，zg，從而得到中點g坐標(biāo)。

38、所述的步驟7中，根據(jù)直角坐標(biāo)系的原點o與中點g得到即待拼裝管片的目標(biāo)位置；將待拼裝管片目標(biāo)位置與目標(biāo)姿態(tài)矩陣t1進(jìn)行組合，以獲得目標(biāo)位置的位姿矩陣t2：

39、

40、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

41、1、本發(fā)明采用無人機(jī)搭載深度視覺傳感器對待拼裝管片及其相鄰管片的區(qū)域進(jìn)行掃描，利用無人機(jī)的柱坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算待拼裝管片的目標(biāo)姿態(tài)矩陣并將其與待拼裝管片的目標(biāo)位置進(jìn)行組合得到目標(biāo)位置的位姿矩陣，不依賴于人工經(jīng)驗，有效提高待拼裝管片的目標(biāo)位置的位姿矩陣獲取精度和效率，從而解決了盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部有限空間環(huán)境下待拼裝管片目標(biāo)拼裝位置精準(zhǔn)獲取困難的問題。

42、2、本發(fā)明由于設(shè)有采用無人機(jī)搭載深度視覺傳感器輔助實現(xiàn)待拼裝管片的目標(biāo)位置的位姿矩陣的獲取，解決了盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部有限空間內(nèi)無法通視的條件下，肉眼不能快速精準(zhǔn)獲取待拼裝管片的目標(biāo)位置位姿的問題。

技術(shù)特征：

1.一種基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的步驟1包括以下分步驟：；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的步驟2中，提取的已安裝管片(4)的邊線包括：與待拼裝管片(3)同一環(huán)的第三管片k3的內(nèi)弧面端面線段ab、兩條內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線ae和bf，以及上一環(huán)的第一管片k1和第二管片k2的內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線cd。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線cd的提取方法是：線段ba延長至上一環(huán)的第一管片k1上邊線圓曲線中具有相同θ值的點，根據(jù)已知的待拼裝管片(3)的內(nèi)弧面弧長c’d’，在上一環(huán)的第一管片k1和第二管片k2的內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線提取后，以c為起點，切割一條與待拼裝管片(3)內(nèi)弧面弧長c’d’相等的圓曲線，該圓曲線的終點即為d點。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的步驟3中，已安裝管片(4)上的邊線端點包括：內(nèi)弧面端面線段ab的b點，以及內(nèi)弧面環(huán)面圓曲線cd的c點和d點，b、c、d三點的柱坐標(biāo)分別為b(rb,θb,hb)、c(rc,θc,hc)，d(rd,θd,hd)；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的步驟4中，目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點即b’、c’、d’三點的直角坐標(biāo)為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的步驟5包括以下分步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的步驟6包括以下分步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，其特征是：所述的步驟7中，根據(jù)直角坐標(biāo)系的原點o與中點g得到即待拼裝管片(3)的目標(biāo)位置；將待拼裝管片(3)目標(biāo)位置與目標(biāo)姿態(tài)矩陣t1進(jìn)行組合，以獲得目標(biāo)位置的位姿矩陣t2：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于無人機(jī)深度視覺的管片拼裝目標(biāo)位置的位姿獲取方法，包括步驟：通過無人機(jī)上安裝的深度視覺傳感器掃描待安裝位置關(guān)聯(lián)的相關(guān)管片；基于無人機(jī)的局部坐標(biāo)系，獲取深度視覺傳感器掃描范圍內(nèi)的所有點云數(shù)據(jù)并提取邊線；設(shè)定待拼裝管片的目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點，并確定與已安裝管片上三個邊線端點間的空間位置關(guān)系；將目標(biāo)位置對應(yīng)三個點的柱坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)；通過目標(biāo)位置對應(yīng)的三個點的直角坐標(biāo)計算待拼裝管片目標(biāo)位置的目標(biāo)姿態(tài)矩陣；計算待拼裝管片目標(biāo)位置的坐標(biāo)；計算待拼裝管片目標(biāo)位置的位姿矩陣。本發(fā)明涉及盾構(gòu)隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，能解決現(xiàn)有技術(shù)中盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部有限空間環(huán)境下待拼裝管片目標(biāo)拼裝位置精準(zhǔn)獲取困難的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：朱葉艇,朱雁飛,龔衛(wèi),王祺,王志華,黃德中,鄭宜楓,翟一欣,范杰,王浩,馬志剛,李超,馮玉婷,潘思,蔡丹丹,章博雅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海隧道工程有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23