一种全智能凿岩台车虚拟掌子面定位方法及装置与流程

本发明属于全自动凿岩台车钻孔控制技术领域，特别涉及一种全智能凿岩台车虚拟掌子面定位方法及装置。

背景技术：

掌子面是在隧道或矿道在挖掘的过程中不断向前推进的工作面，在隧道爆破开挖的过程中，无论是采用多臂钻车或凿岩台车，掌子面的精准定位给后续的凿岩工作提供更加准确数据支撑，同时为施工安全提供保障。但是传统的掌子面的确定都是采用人工素描、地质罗盘、摄影测量、激光扫描等装备，该方法获得掌子面的定位存在信息获取过程繁琐、信息准确度低等问题，难以满足实际隧道施工需求。

现有技术，对于隧道掌子面的检测，现有技术中实用新型公告号为cn210268541u，的方案公开了一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的装置，该装置由隧道掌子面图像采集单元、信息传输单元、信息处理单元、报警单元及电源模块组成，通过采集隧道掌子面图像，经由信息传输单元传送到信息处理单元端，三维重建得到掌子面的三维模型，与掌子面初始模型对比后计算出掌子面的相对位移。若位移超过设定的阈值，则触发报警单元，发出警报；若位移未超限，则继续采集图像进行监测。通过机器视觉的方法进行隧道掌子面的变形监测，相比于现有变形监测技术——激光测距和传感器，具有更强的可操作性，且本装置实用简洁，可以很好地实现掌子面的变形监测，以更好的控制施工安全性。但是，对于该技术方案而言，其检测装置需要特定的位置，并且检测装置是独立的，需要特定的安装位置，使得的凿岩施工不方便，同时其使用的激光测距、图像采集等传感器，在狭小的施工区域中存在测试不精准的问题。

另外，现有技术中对于凿岩台车获得虚拟掌子面，通常是在全自动凿岩台车进行钻孔作业前获取当前凿岩台车坐标系与掌子面坐标系的相互转化信息，进而在系统内生成虚拟掌子面，完成虚拟掌子面的定位后再进行钻孔作业，但是对于该方法，由于凿岩台车的操作较大，因此存在定位不精确的问题。

本发明针对于现有技术所存在的、或者未发现的技术问题，提供一种全智能凿岩台车虚拟掌子面定位方法及装置，该掌子面的定位方法能够在隧道凿岩过程中精准的确定掌子面的位置，为凿岩操作提供计算基础，本发明所提供的掌子面定位精度和定位效率更高，使得后续的施工更加高效的、安全的进行施工。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种全智能凿岩台车虚拟掌子面定位方法及装置，该方法能够准确的测定掌子面的定位，为后续的凿岩过程中精准的找到爆破孔提供数据支撑，能够更加高效、安全的施工。

本发明的构思在于如何的精准的获取掌子面信息，具体的构思在于，确定车体的原点的大地坐标系，确定车体臂架伸至掌子面时臂架末端的大地坐标系，确定掌子面的里程信息，根据上述信息计算掌子面坐标系。

本发明针对全自动凿岩台车，在全自动凿岩台车进行钻孔作业前系统能够获取虚拟掌子面，根据获得的虚拟掌子面的定位后，进行钻孔作业，提高钻孔的工作效率和安全性。

更进一步的，本发明在确定虚拟掌子面前要获取当前凿岩台车原点的坐标；

在定位和检测掌子面的坐标系时，根据隧道信息，里程信息，我们较为容易获得是凿岩台车的坐标系，但是对于凿岩台车，其钻臂长度较长，因此，我们基于凿岩台车的坐标系来计算掌子面坐标时，存在较大的误差，基于此，我们进一步的对坐标信息的输入因素进行调整。

更进一步的，本发明在确定虚拟掌子面前还需要获得凿岩台车凿臂伸至掌子面时臂架末端的大地坐标。

更进一步的，本发明的凿岩台车凿臂伸至掌子面时臂架末端的大地坐标是根据凿岩台车原点的坐标进行换算获得，包括传感器获得凿岩台车臂架的角度、长度等信息，计算出臂架末端的大地坐标。

更具体的，本发明是综合凿岩台车当前凿岩台车坐标系信息与凿岩台车凿臂伸至掌子面时臂架末端的大地坐标的相互转化计算，得到虚拟掌子面坐标系。

更进一步的，本发明包括两种获得掌子面坐标系的方法，其一，掌子面的里程信息已知，系统会结合凿岩台车当前坐标系与凿岩台车凿臂伸至掌子面时臂架末端的大地坐标系，获得虚拟掌子面坐标系。

或，掌子面的里程信息未知；

则，凿岩台车根据隧道信息和大地定位信息，获得凿岩台车原点的坐标系；

进一步的，获取臂架各关节的角度和/或长度变化，解析臂架末端的大地坐标系；

所述的臂架末端的大地坐标系是根据凿岩台车的原点坐标系结合臂架各关节的角度和/或长度信息进行换算获得；

所述获得的臂架末端的大地坐标系包括三维坐标，东西向坐标x，南北向坐标y，高度坐标z，记作(x，y，z)，该点记作p点。

根据隧道设计信息，确定隧道的各个桩点，以及该桩点的大地坐标记作(xn，yn，zn)同时根据隧道的信息，该隧道中的各个桩点里程也能够确定。

根据臂架末端的大地坐标系与各桩点的大地坐标系的关系，计算出臂架末端与各桩点的位置关系；

更进一步的，所述的臂架末端的大地坐标系与各桩点的距离通过如下公式计算获得：

l＝((xn-x)²+(yn-y)²+(zn-z)²)^1\2；

根据臂架与各桩点的距离，筛选出臂架末端与最接近的桩点的距离，其中最接近的桩点记作n，其距离的计算公式如下：

lmin＝((xn-x)²+(yn-y)²+(zn-z)²)^1\2；

当lmin的绝对值小于绝对的精度范围内时，可以确定该最近的桩点处于掌子面附近，根据该最接近的桩点n可以用来计算出掌子面的坐标系；

更进一步的，根据里程信息与坐标信息存在转化函数，通过转化函数，确定掌子面的坐标系；

具体的，直线隧道的里程和坐标转化函数、第一段缓和曲线的里程和坐标转化函数、圆曲线的里程和坐标的转化函数以及第二段缓和曲线的里程和坐标的转化函数，以及桩点n的里程信息，其中桩点n的里程记作lic。

具体的，里程信息与掌子面的坐标系之间的转化函数记作：

lic＝f(x,y,z)

至此，可以通过里程信息、凿岩台车臂架末端坐标系信息，凿岩台车臂架的最接近的桩点坐标信息获得掌子面坐标系，得到掌子面的定位。

但是由于桩点的设置密度问题，掌子面并非一定在桩点附近，因此，计算得到的掌子面并非精准；

为了提高掌子面定位的精准性，我们需要通过桩点坐标信息的坐标系与凿岩台车臂架的坐标系位置关系，确定凿岩台车臂架末端掌子面的坐标信息。

基于前述所确定的最接近的桩点n，本发明还可以根据n-1到n+1的桩点里程信息，进一步的来确定凿岩台车臂架末端与各桩点的相对位置信息，进一步的确定掌子面坐标系。

具体的凿岩台车臂架末端到桩点n-1的距离为l1,桩点n-1的里程距离为lic1，其中桩点n-1的坐标系为(x1，y1，z1)；

进一步的，凿岩台车臂架末端到n+1的距离为l2,桩点n+1的里程距离为lic2，其中桩点n-1的坐标系为(x2，y2，z2)；

进一步的，计算桩点n-1和桩点n+1的中间里程，该点记作pmid，计算方法如下：

计算(lic1+lic2)/2里程，该点作为pmid，该点的里程记作licmid，并通过隧道信息，可以知道该点的坐标为(xmid，ymid，zmid)，并计算该pmid点到凿岩台车臂架末端p点的距离；

lmid＝((xmid-x)²+(ymid-y)²+(zmid-z)²)^1\2

当lmid的绝对值小于绝对的精度范围内时，可以确定该桩点n-1和桩点n+1的中间里程点处于掌子面附近，根据该桩点n-1和桩点n+1的中间里程点可以用来计算出掌子面的坐标系；

即licmid＝f(x,y,z)

或，掌子面坐标不在两桩点中间点，则按照如下方式进行计算：

通过凿岩台车臂架末端与桩点n-1和n-2的距离，计算该桩点与凿岩台车臂架末端p点的距离。

步骤1，计算当前里程范围两端分别与凿岩台车臂架末端的距离，即l1、l2

则，l1＝((x1-x)²+(y1-y)²+(z1-z)²)^1\2；

l2＝((x2-x)²+(y2-y)²+(z2-z)²)^1\2；

步骤2，取l1和l2中最小的距离的桩点坐标信息；

lmin＝min(l1,l2)；

可以获取lmin最小的坐标系，记作(xmin，ymin，zmin)

步骤3，计算(lic1+lic2)/2里程，该点作为pmid，该点的里程记作licmid，并通过隧道信息，可以知道该点的坐标为(xmid，ymid，zmid)，并计算该pmid点到凿岩台车臂架末端p点的距离

lmid＝((xmid-x)²+(ymid-y)²+(zmid-z)²)^1\2

进一步的，将步骤2中得到的lmin的里程与lmid的里程作为新的里程范围l1、l2

步骤4，当|lic1-lic2|小于所需精度时，当前的pmid的里程即为p1点的里程，也即该点既是掌子面的里程，可以根据如下公式换算出掌子面的坐标；

licmid＝f(x,y,z)

更进一步的，当|lic1-lic2|不在预设的精度时，将步骤2中得到的lmin的里程与lmid的里程作为新的里程范围l1、l2，则重复步骤2-3的计算方式，使得|lic1-lic2|小于所设精度，则步骤pmid为p1点的里程，也即该点既是掌子面的里程，可以根据如下公式换算出掌子面的坐标；

licmid＝f(x,y,z)

更进一步的，本发明还提供了一种虚拟掌子面定位的智能凿岩台车，其特征在于，所述的凿岩台车具有全站仪和/或扫描仪；

所述的全站仪和/或扫描仪用于完成台车在隧道坐标系中的定位；

所述的凿岩台车的臂架各关节上安装编码器，流量计传感器；

所述的编码器，流量计传感器可以解析臂架末端的大地坐标；

所述的凿岩台车能够通过前述的方法定位虚拟掌子面。

本发明所采用的技术方案是在全智能凿岩台车钻掘的过程中，首先凿岩台车可以获取其大地坐标，根据凿岩台车的臂架传感器，获取臂架状态，根据凿岩台车的原坐标系，获得凿岩台车臂架末端的坐标系，根据凿岩台车末端坐标系与隧道中桩点的相对位置，可以计算出隧道中虚拟掌子面的定位。本发明所提供的的智能凿岩台车能够精准的定位出掌子面坐标，定位速度高效，并且施工安全。

附图说明

图1本发明方法构思流程图；

图2本发明的钻掌子面定位的方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1:

一种掌子面的定位方法，如图1所示，本法发明的整体流程在于，步骤1，确定虚拟掌子面前要获取当前凿岩台车原点的坐标；

若，已知掌子面的里程，根据隧道信息，可将该里程直接输入系统，计算掌子面的坐标系，完成掌子面定位。

若，掌子面的里程信息未知；

则根据臂架传感器的信息获取凿岩台车臂架末端的大地坐标；

根据凿岩台车臂架末端的大地坐标信息，解析掌子面里程

基于解析获得的掌子面里程，将该里程直接输入系统，计算掌子面的坐标系，完成掌子面定位。

如图2所示，凿岩台车的臂架末端为p点，而隧道轴线方向上设置有多个桩点，根据桩点坐标和臂架末端点的坐标系，可以确定掌子面的坐标系p1，进而完成掌子面的定位。

实施例2：

一种掌子面的定位方法，掌子面的里程信息未知；

凿岩台车根据隧道信息和大地定位信息，获得凿岩台车原点的坐标系；

获取臂架各关节的角度和/或长度变化，解析臂架末端的大地坐标系；

所述的臂架末端的大地坐标系时根据凿岩台车的原点坐标系结合臂架各关节的角度和/或长度信息进行换算获得；

所述获得的臂架末端的大地坐标系包括三维坐标，东西向坐标x，南北向坐标y，高度坐标z，记作(x，y，z)，该点记作p点。

根据隧道设计信息，确定隧道的各个桩点，以及该桩点的大地坐标记作(xn，yn，zn)同时根据隧道的信息，该隧道中的各个桩点里程叶能够确定。

根据当臂架末端的大地坐标系与各桩点的大地坐标系的关系，计算出当臂架末端与各桩点的位置关系；

所述的臂架末端的大地坐标系与各桩点的距离通过如下公式计算获得：

l＝((xn-x)²+(yn-y)²+(zn-z)²)^1\2；

根据臂架与各桩点的距离，筛选出臂架末端与最接近的桩点的距离，其中最接近的桩点记作n，其距离的计算公式如下：

lmin＝((xn-x)²+(yn-y)²+(zn-z)²)^1\2；

当lmin的绝对值小于绝对的精度范围内时，可以确定该最近的桩点处于掌子面附近，根据该最接近的桩点n可以用来计算出掌子面的坐标系；

根据里程信息与坐标信息存在转化函数，通过转化函数，确定掌子面的坐标系；

直线隧道的里程和坐标转化函数、第一段缓和曲线的里程和坐标转化函数、圆曲线的里程和坐标的转化函数以及第二段缓和曲线的里程和坐标的转化函数，以及桩点n的里程信息，其中桩点n的里程记作lic。

具体的，里程信息与掌子面的坐标系之间的转化函数记作：

lic＝f(x,y,z)

可以通过里程信息、凿岩台车臂架末端坐标系信息，凿岩台车臂架的最接近的桩点坐标信息获得掌子面坐标系，得到掌子面的定位。

实施例3：

一种掌子面的定位方法，掌子面的里程信息未知；本方案还可以根据n-1到n+1的桩点里程信息，进一步的来确定凿岩台车臂架末端与各桩点的相对位置信息，进一步的确定掌子面坐标系。

具体的凿岩台车臂架末端到桩点n-1里程距离为lic1，其中桩点n-1的坐标系为(x1，y1，z1)；

凿岩台车臂架末端到n+1桩点里程距离为lic2，其中桩点n-1的坐标系为(x2，y2，z2)；

计算桩点n-1和桩点n+1的中间里程，该点记作pmid，计算方法如下：

计算(lic1+lic2)/2里程，该点作为pmid，该点的里程记作licmid，并通过隧道信息，可以知道该点的坐标为(xmid，ymid，zmid)，并计算该pmid点到凿岩台车臂架末端p点的距离；

lmid＝((xmid-x)²+(ymid-y)²+(zmid-z)²)^1\2

当lmid的绝对值小于绝对的精度范围内时，可以确定该桩点n-1和桩点n+1的中间里程点处于掌子面附近，根据该该桩点n-1和桩点n+1的中间里程点可以用来计算出掌子面的坐标系；

即licmid＝f(x,y,z)

实施例4

一种掌子面的定位方法，掌子面的里程信息未知；本方案掌子面坐标不在量桩点中间点，则按照如下方式进行计算：

具体的凿岩台车臂架末端到桩点n-1里程距离为lic1，其中桩点n-1的坐标系为(x1，y1，z1)；

凿岩台车臂架末端到n+1桩点里程距离为lic2，其中桩点n-1的坐标系为(x2，y2，z2)；

计算桩点n-1和桩点n+1的中间里程，该点记作pmid，计算方法如下：

通过凿岩台车臂架末端与桩点n-1和n-2的距离，计算该桩点与凿岩台车臂架末端p点的距离。

步骤1，计算当前里程范围两端分别与凿岩台车臂架末端的距离，即l1、l2

则，l1＝((x1-x)²+(y1-y)²+(z1-z)²)^1\2；

l2＝((x2-x)²+(y2-y)²+(z2-z)²)^1\2；

步骤2，取l1和l2中最小的距离；

lmin＝min(l1,l2)；

根据隧道信息，可以获取lmin的坐标系(xmin，ymin，zmin)

步骤3，计算(lic1+lic2)/2里程，该点作为pmid，该点的里程记作licmid，并通过隧道信息，可以知道该点的坐标为(xmid，ymid，zmid)，并计算该pmid点到凿岩台车臂架末端p点的距离

lmid＝((xmid-x)²+(ymid-y)²+(zmid-z)²)^1\2

步骤4，当|lic1-lic2|小于所需精度时，pmid的里程即为p1点的里程，也即该点既是掌子面的里程，可以根据如下公式换算出掌子面的坐标；

licmid＝f(x,y,z)

实施例5

一种掌子面的定位方法，掌子面的里程信息未知；本方案掌子面坐标不在量桩点中间点，则按照如下方式进行计算：

通过凿岩台车臂架末端与桩点n-1和n-2的距离，计算该桩点与凿岩台车臂架末端p点的距离。

步骤1，计算当前里程范围两端分别与凿岩台车臂架末端的距离，即l1、l2

则，l1＝((x1-x)²+(y1-y)²+(z1-z)²)^1\2；

l2＝((x2-x)²+(y2-y)²+(z2-z)²)^1\2；

步骤2，取l1和l2中最小的距离；

lmin＝min(l1,l2)；

根据隧道信息，可以获取lmin的坐标系(xmin，ymin，zmin)

步骤3，计算(lic1+lic2)/2里程，该点作为pmid，该点的里程记作licmid，并通过隧道信息，可以知道该点的坐标为(xmid，ymid，zmid)，并计算该pmid点到凿岩台车臂架末端p点的距离

lmid＝((xmid-x)²+(ymid-y)²+(zmid-z)²)^1\2

步骤4，当|lic1-lic2|不在预设的精度时，选择步骤2中确定的虚拟桩点与桩点n-1和n+1之间的一点，则重复步骤1-3的计算方式，使得|lic1-lic2|小于所需精度，则步骤pmid为p1点的里程，也即该点既是掌子面的里程，可以根据如下公式换算出掌子面的坐标；

licmid＝f(x,y,z)

实施例6

一种虚拟掌子面定位的智能凿岩台车，凿岩台车具有全站仪和/或扫描仪；全站仪和/或扫描仪用于完成台车在隧道坐标系中的定位；凿岩台车的臂架各关节上安装编码器，流量计传感器；编码器，流量计传感器可以解析臂架末端的大地坐标；凿岩台车能够通过前述的方法定位虚拟掌子面。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。