□ 張 龍 □ 王海波 □ 范曙遠

西南交通大學機械工程學院 成都 610000

1　設(shè)計背景

管片拼裝的一般流程為管片供給、管片夾持、管片定位、姿態(tài)調(diào)整、螺栓連接，其中管片定位和姿態(tài)調(diào)整是兩個核心步驟，也是實現(xiàn)自動化控制的重點和難點。只有對管片姿態(tài)和定位信息進行有效檢測，針對采集到的有效檢測數(shù)據(jù)，通過自動控制技術(shù)對管片姿態(tài)和位置進行調(diào)整，才能實現(xiàn)管片拼裝的自動化控制。在當前管片自動化拼裝的研究中，尚未出現(xiàn)成熟穩(wěn)定的管片檢測系統(tǒng)，現(xiàn)有系統(tǒng)普遍存在復(fù)雜、檢測精度低等弊端。筆者以國內(nèi)地鐵施工中較為常用的ZTE6250型土壓平衡式盾構(gòu)機為研究對象，針對管片拼裝過程中姿態(tài)和位置的檢測問題，設(shè)計了一套基于圖像識別技術(shù)的盾構(gòu)機管片拼裝自動控制傳感檢測系統(tǒng)。與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，這一系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、檢測精度高、非接觸性測量等優(yōu)點，能更好地適用于盾構(gòu)機管片拼裝的自動化控制。

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1　系統(tǒng)組成

基于圖像識別技術(shù)的盾構(gòu)機管片拼裝自動控制傳感檢測系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)管片自動化拼裝?？刂葡到y(tǒng)以可編程序控制器（PLC）為核心，以電液比例閥為液壓傳動系統(tǒng)的控制元件，實現(xiàn)壓力、位移、流量、速度等輸出量的精確控制。管片位置、姿態(tài)的精確測量和反饋，是實現(xiàn)管片精準、高效拼裝的關(guān)鍵。基于由圖像采集卡采集得到的布置在管片特定位置的靶標數(shù)據(jù)，計算出管片位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，再由計算機根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)出指令完成控制，從而實現(xiàn)管片的自動拼裝過程。盾構(gòu)機管片拼裝自動控制傳感檢測系統(tǒng)如圖1所示，主要由測量平面、計算機、紅外光源、激光測距裝置、工業(yè)相機等組成。

▲圖1 盾構(gòu)機管片拼裝自動控制傳感檢測系統(tǒng)

2.2　靶標的設(shè)計與布置

根據(jù)傳感檢測的需求，設(shè)計了基于標記圓的平面靶標，如圖2所示。靶標中含有直徑大小不一的圓，且大小圓直徑之比為7∶5。為方便提取數(shù)據(jù)，采用同等尺寸的圓環(huán)代替大圓，作為標記圓環(huán)。通過圖像處理能準確提取靶標上的特征點，即圓環(huán)中心，同時根據(jù)標記圓環(huán)的拓撲位置關(guān)系，可確定靶標方向。

靶標在盾構(gòu)管片上的布置如圖3所示，四個靶標分別布置在盾構(gòu)管片側(cè)向的四個螺栓孔外側(cè)，靶標中央與螺栓孔中間刻線對齊，此時四個靶標處于同一個平面上。管片兩側(cè)向靶標反向布置，可便于區(qū)分管片兩側(cè)的方向。

▲圖2 平面靶標

▲圖3 靶標布置示意圖

2.3　主要硬件布置

如圖4所示，兩臺工業(yè)相機及紅外光源剛性對稱安裝在舉重鉗與舉升油缸的連接端，可跟隨舉重鉗作平移和回轉(zhuǎn)運動，使相機對測量平面保持固定的視角。激光測距裝置安裝在兩臺舉升油缸的套筒中央位置，通過回轉(zhuǎn)中心，高度位置不會隨舉升油缸的位移而發(fā)生變化。

圖4　盾構(gòu)機管片拼裝自動控制傳感檢測系統(tǒng)硬件布置

3　管片定位

3.1　機構(gòu)原理

管片定位機構(gòu)由舉升機構(gòu)、平移機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，動力依次來源于舉升油缸、平移油缸和液壓回轉(zhuǎn)馬達。在舉重鉗抓取管片后，系統(tǒng)依次完成粗調(diào)定位和精確定位。粗調(diào)定位時，根據(jù)管片拼裝規(guī)律確定的三個系統(tǒng)預(yù)設(shè)值——舉升高度、平移距離、回轉(zhuǎn)角，定位機構(gòu)由各油缸帶動管片到達預(yù)拼裝區(qū)域。精確定位時，為確保兩環(huán)管片能通過螺栓孔穩(wěn)固連接，預(yù)拼裝管片與已拼裝管片需按施工要求錯縫對齊并靠攏，且在環(huán)向處于同一高度?？梢?，管片精確定位傳感檢測子系統(tǒng)需通過視覺測量來獲得管片的精確回轉(zhuǎn)角和徑向舉升距離，其中精確回轉(zhuǎn)角的解算尤為重要。

3.2　精確回轉(zhuǎn)角解算原理

以管片拼裝系統(tǒng)托梁中心為原點建立世界坐標系OW-XWYWZW，測量并求解各值。管片定位靶標圖像如圖5所示，當完成初始環(huán)向回轉(zhuǎn)和徑向舉升后，單臺工業(yè)相機可以獲得管片上的靶標A和前一環(huán)相鄰管片側(cè)向靶標 C′的圖像。由于靶標A和靶標C′方向不同，因此可進行區(qū)分?；趩文恳曈X測量模型，通過靶標A和靶標 C′的 單張圖像，可以計算出兩靶標相對于相機坐標系OCXCYCZC的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量

▲圖5 管片定位靶標圖像

測量靶標A、靶標C′時，可以獲得靶標A、靶標C′物體坐標系和相機坐標系的變換關(guān)系：

通過小測試提升學生對課程內(nèi)容持續(xù)關(guān)注度，測試可以采用線上線下兩種方式進行。在職教云平臺上發(fā)布小測試、提問及頭腦風暴等互動活動，評價采用分組互評、學生互評、教師參評等方式進行。這個環(huán)節(jié)著重對學生自主學習能力進行培養(yǎng)。由于課堂教學時間的限制，可以采用簽到功能逐步引導(dǎo)學生進行持續(xù)學習。

從而可以得到靶標A位姿與靶標C′位姿的關(guān)系：

式中：TC為相機坐標系OC-XCYCZC下靶標A轉(zhuǎn)換到靶標 C′的位移矩陣，

相機剛性安裝在舉重鉗上，當初始回轉(zhuǎn)β角后，可通過幾何關(guān)系計算相機坐標系OC-XCYCZC相對于世界坐標系OW-XWYWZW的齊次變換矩陣，進而可通過TC計算出世界坐標系下靶標A到靶標C′的位移矩陣T=［txtytz］T，即：

精確回轉(zhuǎn)角φ與管片軸向位移無關(guān)，靶標A和靶標C′分布在兩環(huán)管片上，因此精確回轉(zhuǎn)角φ只與tx、ty有關(guān)，與tz無關(guān)。綜合以上分析，解算管片精確回轉(zhuǎn)角φ的計算式為：

式中：r為管片半徑。

3.3　舉升機構(gòu)舉升距離解算原理

激光測距裝置剛性安裝在舉升油缸套筒上，通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)中心線，隨回轉(zhuǎn)機構(gòu)在空間中回轉(zhuǎn)，其與舉重鉗的距離d為固定值。測量得到的距離L為當前回轉(zhuǎn)角度下裝置到前一環(huán)管片的徑向距離。在預(yù)安裝管片完成定位后，需由舉升油缸帶動預(yù)安裝管片沿徑向運動距離D，將其安裝至與上一環(huán)管片等高處，存在關(guān)系式D=L-d，已知d為固定值，則可求得油缸舉升距離D。

4　管片姿態(tài)調(diào)整

為了避免管片姿態(tài)偏移造成管片安裝位置精度不足，保證管片拼裝精度，在拼裝前需先對管片姿態(tài)進行調(diào)整，再以指定姿態(tài)進入拼裝位置，并與前一環(huán)管片的螺栓孔對齊。姿態(tài)調(diào)整運動是盾構(gòu)機管片繞X、Y、Z三個坐標軸橫搖、俯仰、偏轉(zhuǎn)三個自由度的聯(lián)合運動。因此，基于圖像識別的姿態(tài)調(diào)整傳感檢測子系統(tǒng)通過測量實際姿態(tài)下靶標的圖像，得到管片當前狀態(tài)下的姿態(tài)角，以及相對于標準姿態(tài)角的差值，然后由系統(tǒng)控制相應(yīng)油缸聯(lián)動，實現(xiàn)管片的姿態(tài)調(diào)整。

管片姿態(tài)調(diào)整子系統(tǒng)以三自由度并聯(lián)機構(gòu)為原型，三自由度并聯(lián)機構(gòu)及其俯視圖如圖6所示，B為舉重鉗的靜平臺，m為管片抓取機構(gòu)的動平臺，分別構(gòu)成上下兩等邊三角形△B1B2B3和△b1b2b3。三角形頂點之間由可伸縮支撐桿連接，每個分支上球副和移動副按照S-P-S的形式串聯(lián)，形成的三個分支與平臺B、m通過S副鉸接。O點為S副，形成構(gòu)型中央約束分支，此約束分支與兩平臺在中心處固定連接。

▲圖6 三自由度并聯(lián)機構(gòu)

管片在姿態(tài)調(diào)整過程中只發(fā)生三個自由度旋轉(zhuǎn)，定義為偏轉(zhuǎn)角φ、俯仰角θ、橫搖角ψ。視動平臺坐標系｛m｝為管片物體坐標系，靜平臺坐標系｛B｝為固定參考坐標系，則靜平臺通過三次獨立旋轉(zhuǎn)到達固定平臺，旋轉(zhuǎn)矩陣mRB為：

式中：RZ（φ）為繞 Z 軸調(diào)整偏轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)矩陣；RY（θ）為繞Y軸調(diào)整俯仰角的旋轉(zhuǎn)矩陣；RX（ψ）為繞X軸調(diào)整橫搖角的旋轉(zhuǎn)矩陣；c代表cos；s代表sin。

由此解算得到管片的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角，進而計算出相應(yīng)油缸的位移變化量，通過控制油缸伸縮使管片姿態(tài)調(diào)整至設(shè)定的正確姿態(tài)。

5　試驗驗證

5.1　試驗方案

用筆者設(shè)計的傳感檢測系統(tǒng)進行模擬試驗驗證，試驗采用Halcon視覺測量軟件作為測量工具，測量用靶標尺寸為130 mm×130 mm，共含25個特征圓，其中4個大圓直徑為25 mm，其余小圓直徑為18 mm。圖像采集設(shè)備選用MV-1300UM工業(yè)相機，其鏡頭焦距為8 mm，最高分辨率為1 280像素×1 024像素，采用通用串行總線進行通信。光源選用波長850 nm的829IR型紅外光源，發(fā)散角為60°。傳感檢測系統(tǒng)模擬試驗布置如圖7所示。

▲圖7 傳感檢測系統(tǒng)模擬試驗布置

工業(yè)相機由三腳架固定于特定位置，靶標置于距相機約900 mm處的另一帶有平移和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的三腳架上。試驗中，靶標沿坐標系軸作單自由度平移運動，可模擬實際施工中管片定位時靶標的平移；靶標繞坐標系軸作三個自由度內(nèi)的獨立轉(zhuǎn)動，可模擬實際施工時管片相對正確姿態(tài)發(fā)生的微小偏轉(zhuǎn)。

5.2　試驗結(jié)論

在管片定位檢測子系統(tǒng)驗證試驗中，鎖緊靶標三腳架三個自由度方向的轉(zhuǎn)動，使平移機構(gòu)平行于相機坐標系XC軸在空間中作8次行程為100 mm的單向精確平移運動，圖像采集系統(tǒng)分別在每個位移處采集得到8組圖像。對比試驗中得到的靶標相對相機坐標系的單向空間位移值Zi與靶標在每個位移處的實際值Zi′，試驗檢測結(jié)果為最大偏差絕對值不超過1.7 mm，平均標準偏差不超過1.1 mm。

在管片姿態(tài)調(diào)整子系統(tǒng)驗證試驗中，鎖緊靶標三腳架的平移機構(gòu)和其中兩個自由度方向的回轉(zhuǎn)運動，令靶標繞靶標坐標系Xb軸在一定范圍內(nèi)任意偏轉(zhuǎn)5個姿態(tài)角度，圖像采集系統(tǒng)分別在每個姿態(tài)角度下采集得到5組圖像。對比測得的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角ψi與實際姿態(tài)角度ψi′，試驗檢測結(jié)果為最大偏差絕對值不超過0.9°，平均標準偏差不超過 0.6°。

根據(jù)傳感檢測系統(tǒng)對靶標平移和姿態(tài)角的測量試驗，確認通過管片定位傳感檢測子系統(tǒng)測量得到精確回轉(zhuǎn)角和通過管片姿態(tài)調(diào)整傳感檢測子系統(tǒng)測量得到管片姿態(tài)角的方案可行。試驗表明，對比傳統(tǒng)人工目測拼裝，盾構(gòu)機管片拼裝自動控制傳感檢測系統(tǒng)拼裝精度由厘米級提高到毫米級，同時系統(tǒng)獲取單張圖像中靶標空間位置數(shù)據(jù)的平均耗時僅為120 ms，有效減少了傳感檢測系統(tǒng)的總耗時。

6　總結(jié)

筆者針對現(xiàn)有盾構(gòu)機管片拼裝施工中存在的不足，設(shè)計了一套基于圖像識別技術(shù)的盾構(gòu)機管片拼裝自動控制傳感檢測系統(tǒng)，對管片空間位置和姿態(tài)角進行檢測。模擬試驗表明，這一系統(tǒng)測量精度和測量速率都優(yōu)于人工拼裝，精度提高了一個數(shù)量級，速度提高5～6倍。此外，這一系統(tǒng)還具有設(shè)計簡單、非接觸性測量等優(yōu)點，為今后管片拼裝過程自動化控制的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

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