[发明专利]一种基于相机的悬臂掘进机测量系统

说明书

本发明涉及一种基于相机的悬臂掘进机测量系统，包括：棱镜，设置在所述悬臂掘进机的尾部；一台全站仪，设置在隧道壁上，用于跟踪所述棱镜并得到所述棱镜的坐标数据；倾角仪，设置在所述悬臂掘进机内部中间位置，用于检测悬臂掘进机主体的俯仰角数据；标志点，设置在所述隧道壁上；相机，设置在所述悬臂掘进机尾部，用于拍摄所述标志点，并根据拍摄的图片检测悬臂掘进机主体的方位角数据；所述计算机分别与所述全站仪、倾角仪和相机相连，并根据所述坐标数据、俯仰角数据和方位角数据计算悬臂前端钻头的位置数据。本发明能够在通视条件较差的隧道内向施工的悬臂掘进机提供精确的导向数据。

技术领域

本发明涉及工程建设技术领域中的悬臂掘进机，特别是涉及一种基于相机的悬臂掘进机测量系统。

背景技术

悬臂掘进机是一种挖掘公路隧道和煤矿常用的掘进设备，有着安装方便、操作灵活、成本低、效率高的特点，但是掘进过程震动较大，钻头前部粉尘大，导致不论人工还是设备都难以准确测量钻头位置，更加难以控制，而如果没有准确的钻头位置和姿态数据为基础，便无法计算出实时的超欠挖情况，更加无法进行掘进机的自动控制了。

目前使用的导向系统有传统单台全站仪导向系统和双台全站仪导向系统，其中传统的单台全站仪导向系统在使用过程中只能追踪一个棱镜，因此只能假设悬臂掘进机机身不发生水平转动，而悬臂掘进机在实际工作中不可能不发生水平转动，而传统的单台全站仪测量系统缺乏这个必要数据，导致测量精度较差；双台全站仪方案除了设备成本高之外，由于要求两台全站仪和两个棱镜之间完全通视，因此要求测量通道较大，在测量通道较小或者遮挡较多的隧道施工中会遇到使用上的限制，另外两台全站仪很难保证严格的测量同步，测量的不同步在震动较大的悬臂掘进机工作中会引起一定的数据跳动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于相机的悬臂掘进机测量系统，能够在通视条件较差的隧道内向施工的悬臂掘进机提供精确的导向数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于相机的悬臂掘进机测量系统，包括：棱镜，设置在所述悬臂掘进机的尾部；一台全站仪，设置在隧道壁上，用于跟踪所述棱镜并得到所述棱镜的坐标数据；倾角仪，设置在所述悬臂掘进机内部中间位置，用于检测悬臂掘进机主体的俯仰角数据；标志点，设置在所述隧道壁上；相机，设置在所述悬臂掘进机尾部，用于向所述标志点进行拍摄，并根据拍摄的图片检测悬臂掘进机主体的方位角数据；所述计算机分别与所述全站仪、倾角仪和相机相连，并根据所述坐标数据、俯仰角数据和方位角数据计算悬臂前端钻头的位置数据。

所述棱镜有两个，分别位于所述悬臂掘进机尾部的两侧。

所述全站仪的测量范围大于150度，且最高频率为20Hz。

所述相机根据拍摄的图片检测悬臂掘进机主体的方位角数据具体包括：通过相机标定建立坐标系，并基于内方位元素得到相主点和摄影中心的坐标位置，过所述摄影中心建立与相主距所在直线相互垂直的直线，并使得所述直线与所述相主点和所述标志点的连线相交，得到相片点的坐标位置，基于所述相片点的坐标位置、相主点的坐标位置和摄影中心的坐标位置得到相主距与所述相主点和所述标志点的连线的夹角，所述夹角为方位角数据。

X＝X1+D*cos(azimuth)

所述计算机通过Y＝Y1+D*sin(azimuth)计算悬臂前端钻头的位置数据时，其中，

Z＝Z1+D*tan(pitch)

X,Y,Z为悬臂与掘进机机身转轴中心点的位置；X1,Y1,Z1为所述棱镜的坐标数据；D为悬臂与掘进机机身转轴中心点距离所述棱镜的空间距离；azimuth＝azimuth0+α，azimuth为所述悬臂掘进机机身的当前方位角，azimuth0为所述悬臂掘进机机身的初始方位角；α＝T1-T0，其中，T1为所述相机检测的当前方位角数据，T0为所述相机检测的初始方位角数据；pitch为所述倾角仪检测到的俯仰角数据。

有益效果