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双护盾硬岩隧道掘进机导向系统关键技术研究
| 论文题名： | 双护盾硬岩隧道掘进机导向系统关键技术研究 |
| 关键词： | 隧道掘进机;导向系统;单目视觉;激光标靶;位姿测量;全站仪 |
| 摘要： | 在地铁和隧道等地下盾构施工过程中，双护盾硬岩隧道掘进机可以解决小半径转弯隧道，岩石强度高，岩石性质复杂等问题，在硬岩等隧道掘进中成为首要的选择。目前，双护盾硬岩隧道掘进机前盾体位置实时测量是盾构机自动导向急需解决的难点问题，特别是前盾体盾首中心的实时精确定位。本文针对这一需求，设计了激光标靶和单目视觉相结合的组合测量系统，配合全站仪等构成双护盾硬岩隧道掘进机导向系统，研究了系统测量原理和标定方法，最后搭建了实验验证系统精度，结果表明，在35m×3m×2m测量空间范围内，构建的导向系统测量精度优于8mm，能够满足双护盾硬岩隧道掘进机导向过程中位姿精密测量的需求。本文主要研究内容总结如下: 1.分析了盾构机导向系统研究现状及其应用于双护盾硬岩隧道掘进机位姿测量时不足，结合单目视觉在相对位姿测量领域的优点，设计了单目视觉和激光标靶相结合的双护盾硬岩隧道掘进机导向系统。 2.根据导向系统总体方案设计，完成光学特征点选型及空间结构设计。基于ARM-Linux嵌入式平台，设计了集图像采集和处理、位姿解算以及数据通信一体的智能视觉传感器。智能视觉传感器选用连通域标记特征光斑，利用平方加权质心法精确提取光学特征点光斑中心，通过设计的空间分布模型，实现光学特征点匹配，采用非线性迭代法和线性法相结合求解前盾与后盾之间最佳相对位姿估计。分析了基于激光标靶的后盾体位姿测量方法。构建了导向系统的测量数学模型，实现双护盾硬岩隧道掘进机前盾盾首中心的空间定位。 3.搭建立体控制场完成智能视觉传感器相机内参的标定;利用全站仪实现了光学特征点和前盾盾首中心相对位置的标定;利用导向系统组合测量原理的反向求解过程，精确标定智能视觉传感器和激光标靶的相对位姿关系。 4.利用MATLAB对导向系统进行仿真验证，搭建了模拟双后盾硬岩掘进机位置和姿态变化的实验系统，并利用全站仪完成测量系统精度验证。 |
| 作者： | 杨文辉 |
| 专业： | 仪器科学与技术 |
| 导师： | 曾周末 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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