基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统及控制方法，其控制系统是由六自由度管片定位安装模块、控制模块和多传感器信息融合模块构成；本发明利用多传感器信息融合技术，提高了管片定位精度，大幅度提升拼装精度与质量；本发明通过视觉传感测量技术实现盾构管片的粗定位，提高管片到达预定位置的速度，提升管片拼装效率；本发明利用预紧压力反馈技术，可以通过可调参数实现带有预紧力的管片拼装，使得管片拼装质量大幅度提升。
【专利说明】基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于隧道盾构【技术领域】，具体涉及一种基于多传感器信息融合的结合视觉粗定位与力反馈精定位的盾构机管片定位控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]中国专利201020540755.8公开了一种盾构掘进机的管片智能拼装系统，其管片位置识别与分析模块包括有立体视觉系统和神经网络控制系统，用于检测待装管片与已装管片的相对位置，进而控制各油缸动作，完成待装管片的定位。
[0003]然而，由于现有立体视觉系统的精度有限，而且盾构现场环境恶劣，现有技术仅能实现对管片的粗定位，这就将造成管片定位精度的下降，甚至出现管片松动，严重时将导致重大坍塌事故。
[0004]此外，日本专利JP2004131979A公开了一种盾构管片精确定位的方法，其利用布置在管片连接处的多个位移传感器实时监测管片位置，并利用控制装置计算测量位置与预设目标位置的差值，实现管片的粗定位、第一级精定位及第二级精定位。该技术方案需要大量的传感器，因此成本较高，此外由于盾构管片尺寸较大且管片边缘的尺寸精度难以控制，导致这种采用位置差进行管片定位的控制方法的定位精度无法保障。
[0005]日本专利JP2004044359A公开了一种采用超声波距离传感器进行盾构管片位置测量的管片精确定位的方法，虽然传感器数量减少，但其同样具有上述专利的弊端。
【发明内容】
[0006]本发明的目的提供一种基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统及方法，其具有管片定位精度高，拼装精度与质量大幅度提升的特点，还可以通过可调参数实现带有预紧力的管片拼装，使得管片拼装质量大幅度提升。
[0007]为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现:
[0008]本发明之基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统是由六自由度管片定位安装模块、控制模块和多传感器信息融合模块构成；
[0009]所述的六自由度管片定位安装模块是由举升油缸、推进油缸、回转马达、偏移油缸、俯仰油缸、横摇油缸和管片连接螺栓自动安装机构构成，所述的举升油缸与盾构隧道径向平行安装，实现管片的径向进给；所述的推进油缸与盾构隧道的轴线平行安装，实现管片的轴向进给；所述的回转马达的回转轴与盾构隧道的轴线重合，实现管片的周向进给；所述的偏移油缸、俯仰油缸和横摇油缸并联安装，实现管片的三个方向偏转；所述的管片连接螺栓自动安装机构用于将待装管片与已装管片进行螺栓连接；
[0010]所述的多传感器信息融合模块是由举升油缸压力传感器、推进油缸压力传感器、回转马达转矩传感器、摄像机、超声传感器和A/D转换器构成，各传感器的测量信号经A/D转换器转换成数字信号后发送给控制模块进行处理；[0011]所述的控制模块是由预紧力预设输入接口和模糊控制器构成，模糊控制器从多传感器信息融合模块获得测量得到的预紧力，包括回转力、推进力和举升力，并与由预紧力预设输入接口输入的预紧力预设值进行对比，根据对比结果控制六自由度管片定位安装模块进行相应动作。
[0012]本发明之基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制方法如下:
[0013]所述的多传感器信息融合模块中视觉传感部分的摄像机和超声传感器的测试信息进行融合，对盾构管片进行位姿检测和粗定位；通过摄像机拍摄的单幅图像获取管片圆周上目标点在图像中的理想坐标，求得投影矢量的方向，然后通过管片拼装机各油缸的运动，导引超声传感器坐标原点与未移动前摄像机坐标系的原点重合，而其Z轴方向与求得的投影矢量方向相同，再由超声传感器测出投影矢量的长度，从而确定目标点在摄像机坐标系中的坐标，并可进一步转换到管片拼装机基坐标系中；通过测量操作管片上两点的空间坐标，就能够确定管片空间姿态，进而完成管片粗定位。该方法简单易行，计算量小。
[0014]当管片实现粗定位后，六自由度管片定位安装模块动作速度减慢，多传感器信息融合模块中预紧压力反馈部分的举升油缸压力传感器、推进油缸压力传感器和回转马达转矩传感器实时监测六自由度管片定位安装模块中举升油缸、推进油缸和回转马达的推力信号和扭矩信号，并传送至控制模块；同时，控制模块采集来自盾构掘进机自带测试系统的预装管片角度、管片重量等信息，并且利用几何关系将这些参数对回转力、推进力和举升力的影响进行清除；
[0015]控制模块中的模糊控制器根据上述清除了干扰信息的回转力、推进力和举升力，并与由预紧力预设输入接口输入的预紧力预设值进行对比，根据对比结果控制六自由度管片定位安装模块中的举升油缸、推进油缸和回转马达进行相应动作；当测量信号达到预紧力预设值时，对各油缸进行保压，对马达进行锁死；此时启动管片连接螺栓自动安装机构，对管片进行最终定位安装。
[0016]本发明的有益效果:
[0017]1、利用多传感器信息融合技术，提高了管片定位精度，大幅度提升拼装精度与质量;
[0018]2、通过视觉传感测量技术实现盾构管片的粗定位，提高管片到达预定位置的速度，提升管片拼装效率；
[0019]3、利用预紧压力反馈技术，可以通过可调参数实现带有预紧力的管片拼装，使得管片拼装质量大幅度提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明之基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统的结构框图。
[0021]图2为本发明之基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统的结构示意图。
[0022]图3为本发明之基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制方法的流程图。
[0023]其中:1_六自由度管片定位安装模块；2_控制模块；3_多传感器信息融合模块；11-举升油缸；12-推进油缸；13_回转马达；14_偏移油缸；15、俯仰油缸；16_横摇油缸；17-管片连接螺栓自动安装机构；21_预紧力预设输入接口 ；22_模糊控制器；221-回转力控制；222-推进力控制；223-举升力控制；31_举升油缸压力传感器；32_推进油缸压力传感器；33_回转马达转矩传感器；34_摄像机；35_超声传感器；36-A/D转换器。
【具体实施方式】
[0024]请参阅图1和图2所示，本发明之基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统是由六自由度管片定位安装模块1、控制模块2和多传感器信息融合模块3构成；
[0025]所述的六自由度管片定位安装模块I是由举升油缸11、推进油缸12、回转马达13、偏移油缸14、俯仰油缸15、横摇油缸16和管片连接螺栓自动安装机构17构成，所述的举升油缸11与盾构隧道径向平行安装，实现管片的径向进给；所述的推进油缸12与盾构隧道的轴线平行安装，实现管片的轴向进给；所述的回转马达13的回转轴与盾构隧道的轴线重合，实现管片的周向进给；所述的偏移油缸14、俯仰油缸15和横摇油缸16并联安装，实现管片的三个方向偏转；所述的管片连接螺栓自动安装机构17用于将待装管片与已装管片进行螺栓连接；
[0026]所述的多传感器信息融合模块3是由举升油缸压力传感器31、推进油缸压力传感器32、回转马达转矩传感器33、摄像机34、超声传感器35和A/D转换器36构成，各传感器的测量信号经A/D转换器36转换成数字信号后发送给控制模块2进行处理；
[0027]所述的控制模块2是由预紧力预设输入接口 21和模糊控制器22构成，模糊控制器22从多传感器信息融合模块3获得测量得到的预紧力，包括回转力、推进力和举升力，并与由预紧力预设输入接口 21输入的预紧力预设值进行对比，根据对比结果控制六自由度管片定位安装模块I进行相应动作。
[0028]所述的模糊控制器22进行回转力控制221、推进力控制222和举升力控制223。
[0029]如图3所示，本发明之基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制方法包括以下步骤:
[0030](I)、拼装开始，首先进行管片粗定位；
[0031]首先六自由度管片定位安装模块I快速动作，并利用视觉传感进行位姿检测和粗定位，然后判断是否达到粗定位的预设位置，如果未达到，则六自由度管片定位安装模块I继续动作；如果已经达到，即进入下一第(II)步骤；
[0032]所述的利用视觉传感进行位姿检测和粗定位的步骤为:多传感器信息融合模块3中视觉传感部分的摄像机34和超声传感器35的测试信息进行融合，对盾构管片进行位姿检测和粗定位；通过摄像机34拍摄的单幅图像犾取管片圆周上目标点在图像中的理想坐标，求得投影矢量的方向，然后通过管片拼装机各油缸的运动，导引超声传感器35坐标原点与未移动前摄像机34坐标系的原点重合，而其Z轴方向与求得的投影矢量方向相同，再由超声传感器35测出投影矢量的长度，从而确定目标点在摄像机34坐标系中的坐标，并可进一步转换到管片拼装机基坐标系中；通过测量操作管片上两点的空间坐标，就能够确定管片空间姿态，进而完成管片粗定位。
[0033](II)、进行管片精定位；
[0034]首先由预紧力预设输入接口 21输入的预紧力预设值；
[0035]同时，六自由度管片定位安装模块I动作速度减慢，多传感器信息融合模块3中预紧压力反馈部分的举升油缸压力传感器31、推进油缸压力传感器32和回转马达转矩传感器33实时监测六自由度管片定位安装模块I中举升油缸11、推进油缸12和回转马达13的推力信号和扭矩信号，并传送至控制模块2 ；同时，控制模块2采集来自盾构掘进机自带测试系统的预装管片角度、管片重量等信息，并且利用几何关系将这些参数对回转力、推进力和举升力的影响进行清除；
[0036]控制模块2中的模糊控制器22根据传来的回转力、推进力和举升力，并与由预紧力预设输入接口 21输入的预紧力预设值进行对比，根据对比结果控制六自由度管片定位安装模块I中的举升油缸11、推进油缸12和回转马达13进行相应动作；当测量信号达到预紧力预设值时，进入下一第(III)步骤；
[0037](I II)、完成拼装:
[0038]对各油缸进行保压，对马达进行锁死；
[0039]同时，启动管片连接螺栓自动安装机构17，对管片进行最终定位安装，完成管片拼装。
【权利要求】
1.一种基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统，其特征在于:是由六自由度管片定位安装模块(I )、控制模块(2)和多传感器信息融合模块(3)构成； 所述的六自由度管片定位安装模块(I)是由举升油缸(11)、推进油缸(12)、回转马达(13)、偏移油缸(14)、俯仰油缸(15)、横摇油缸(16)和管片连接螺栓自动安装机构(17)构成，所述的举升油缸(11)与盾构隧道径向平行安装，实现管片的径向进给；所述的推进油缸(12)与盾构隧道的轴线平行安装，实现管片的轴向进给；所述的回转马达(13)的回转轴与盾构隧道的轴线重合，实现管片的周向进给；所述的偏移油缸(14)、俯仰油缸(15)和横摇油缸(16)并联安装，实现管片的三个方向偏转；所述的管片连接螺栓自动安装机构(17)用于将待装管片与已装管片进行螺栓连接； 所述的多传感器信息融合模块(3)是由举升油缸压力传感器(31)、推进油缸压力传感器(32)、回转马达转矩传感器(33)、摄像机(34)、超声传感器(35)和A/D转换器(36)构成，各传感器的测量信号经A/D转换器(36)转换成数字信号后发送给控制模块(2)进行处理； 所述的控制模块(2)是由预紧力预设输入接口(21)和模糊控制器(22)构成，模糊控制器(22)从多传感器信息融合模块(3)获得测量得到的预紧力，并与由预紧力预设输入接口(21)输入的预紧力预设值进行对比，根据对比结果控制六自由度管片定位安装模块(I)进行相应动作；模糊控制器(22)进行回转力控制(221)、推进力控制(222)和举升力控制(223)。
2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制系统，其特征在于:所述的预紧力包括回转力、推进力和举升力。
3.一种基于多传感器信息融合的盾构机管片定位控制方法，该方法包括以下步骤: (I)、拼装开始，首先进行管片粗定位:` 首先六自由度管片定位安装模块(I)快速动作，并利用视觉传感进行位姿检测和粗定位，然后判断是否达到粗定位的预设位置，如果未达到，则六自由度管片定位安装模块(I)继续动作；如果已经达到，即进入下一第(II)步骤； 所述的利用视觉传感进行位姿检测和粗定位的步骤为:多传感器信息融合模块(3)中视觉传感部分的摄像机(34)和超声传感器(35)的测试信息进行融合，对盾构管片进行位姿检测和粗定位；通过摄像机(34)拍摄的单幅图像获取管片圆周上目标点在图像中的理想坐标，求得投影矢量的方向，然后通过管片拼装机各油缸的运动，导引超声传感器(35)坐标原点与未移动前摄像机(34)坐标系的原点重合，而其Z轴方向与求得的投影矢量方向相同，再由超声传感器(35)测出投影矢量的长度，从而确定目标点在摄像机(34)坐标系中的坐标，并可进一步转换到管片拼装机基坐标系中；通过测量操作管片上两点的空间坐标，就能够确定管片空间姿态，进而完成管片粗定位； (II)、进行管片精定位: 首先由预紧力预设输入接口(21)输入的预紧力预设值； 同时，六自由度管片定位安装模块(I)动作速度减慢，多传感器信息融合模块(3)中预紧压力反馈部分的举升油缸压力传感器(31)、推进油缸压力传感器(32)和回转马达转矩传感器(33)实时监测六自由度管片定位安装模块(I)中举升油缸(11)、推进油缸(12)和回转马达(13)的推力信号和扭矩信号，并传送至控制模块(2);同时，控制模块(2)采集来自盾构掘进机自带测试系统的预装管片角度、管片重量信息，并且利用几何关系将这些参数对回转力、推进力和举升力的影响进行清除； 控制模块(2)中的模糊控制器(22)根据传来的回转力、推进力和举升力，并与由预紧力预设输入接口(21)输入的预紧力预设值进行对比，根据对比结果控制六自由度管片定位安装模块(I)中的举升油缸(11)、推进油缸(12)和回转马达(13)进行相应动作；当测量信号达到预紧力预设值时，进入下一第(III)步骤； (III)、完成拼装: 对各油缸进行保压，对马达进行锁死；同时，启动管片连接螺栓自动安装机构(17)，对管片进行最终定位安装，完成管 片拼装。
【文档编号】E21D9/093GK103510963SQ201310513094
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月27日 优先权日:2013年10月27日
【发明者】王国强, 张玉新, 苏丽达, 何恩光 申请人:吉林大学