基于双目视觉的钢拱架位姿测量技术研究

发布时间：2020-08-22 05:43

【摘要】：在隧道掘进过程中,需要将钢拱架拼接成环对已挖掘出的隧道部分进行支撑。现阶段施工现场都是使用人工观测、手动调整的方式对钢拱架进行拼接,这种方式费时费力,且不能保证拼接精度。本文选取双目视觉测量作为技术手段,主要研究了钢拱架自动拼接系统中的钢拱架位姿测量技术。本文的主要研究内容有:1)根据课题需求,设计了双目视觉测量系统。通过计算确定了系统中各结构参数,进行了系统硬件的选型,根据双目视觉测量原理设计了测量算法流程;2)分析了相机成像模型以及相机标定原理,并选用张正友法对双目相机进行标定;3)本文选用钢拱架连接板上的螺栓孔圆心作为特征点,研究了图像中特征点的提取算法。在研究比较现有算法的基础上,提出了基于椭圆特征的通孔识别算法,优化判别条件的改进区域生长法,和基于RANSAC算法的椭圆拟合算法,并通过实验验证了算法的可行性;4)基于提取的特征点坐标,分析了钢拱架整体位姿的描述方法。对于两组钢拱架姿态,推导了均方差最小的姿态转换矩阵的计算方法;5)设计实验,并对实验结果进行了精度分析,验证了本文测量方案的可行性。实验结果表明,当连接板与相机成像面偏转角度不超过本方案设计的偏转角度35~°时,本方案在平面方向的测量精度为0.2mm,纵深方向的测量精度为0.6mm,该结果满足课题需求。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;U455.4
【图文】：

软围岩,钢拱架,隧道掘进,围岩变形

1. 绪论背景及意义题来源是：国家重点研发项目《面向 TBM 施工的机器人智能作业系 SQ2017YFB130252)中的子课题《钢拱架安装机器人感知与控制号 2017YFB1302602）。隧道掘进机（TunnelBoringMachine，简称 TBM）是用于隧道挖掘专用大型工程机械[1]，是实施《中长期铁路网规划》、“一带一路”路网建设的重大核心装备。现阶段，人工操作机械作业引起的支护不稳定是造成塌方事故的主要原因，这严重制约了 TBM 的全面推

钢拱架,全自动化,成环

图 1-2 成环的钢拱架计划以自动化机械臂代替人工，实现钢拱架的全自动化抓取、在自动抓取、拼接的过程中，需要实时测量钢拱架的位姿参数进行反馈调整。本文主要研究钢拱架位姿测量技术，由于需要物体的三维空间位姿，且施工环境复杂恶劣，钢拱架本体需要文选用非接触式的双目视觉测量作为技术手段。外研究现状动拼接技术国内外研究现状接技术经常应用于在航空航天、机械制造、桥梁工程等大型工前所使用的拼接系统大多是以人工操作的形式来实现[8]，即通过

钢拱架,连接板,端面,通孔

2. 总体方案设计结合项目任务说明书上对于项目的需求，设计布置一套基于双目视觉的钢拱架位姿测量方案，确定方案中的各项结构参数，并确定相关硬件选型以及算法流程。2.1. 研究目标钢拱架两端焊接有连接板，连接板上钻有若干个通孔（本项目中为 4 个通孔），如图 2-1。在拼接过程中，钢拱架与钢拱架之间的连接，是通过螺栓连接两个连接板上相对应的通孔。因此，螺栓孔是否对齐则是评判钢拱架能否正确拼接的重要评判标准。本文选取连接板上的 4 个螺栓通孔的圆心作为特征点，先分别计算 4 个圆心的空间三维坐标，然后以此计算钢拱架整体的空间姿态。

【参考文献】