凿岩台车臂架标定方法、系统及凿岩台车与流程

本技术涉及凿岩台车标定，尤其涉及一种凿岩台车臂架标定方法、系统及凿岩台车。

背景技术：

1、凿岩台车作为隧道及地下工程开挖的核心装备，其钻孔精度直接决定了隧道的成型质量与施工安全。随着智能建造技术的推进，实现凿岩台车的自动定位与精准钻孔已成为行业发展的必然趋势，而高精度的系统标定则是实现这一目标的关键前提。在凿岩台车的系统标定环节，为了消除各运动关节的角度零位偏差及装配误差，相关技术中通常采用高精度全站仪或激光跟踪仪配合外部标靶进行间接标定。该方法需要在钻臂或推进梁末端安装专用的棱镜支架，通过控制台车运动至多个特定姿态，利用仪器追踪棱镜中心获取多组末端三维坐标数据，进而构建运动学方程组反算出各关节的实际角度偏差以完成参数修正。

2、然而，上述标定方法在实际应用中存在明显的局限性。该类方法对标靶的安装稳定性及多姿态下的光路连续性要求极高，现场操作流程繁琐且耗时较长。一方面，激光穿孔或棱镜定位方案往往需要繁琐的对中整平步骤，且对标靶的安装位置和姿态非常敏感，一旦安装稍有偏差或受到隧道内震动影响发生位移，就需要重新进行复杂的人工校准。这种对人工操作依赖度高、标定流程复杂的现状，严重制约了凿岩台车在复杂工况下的自动化作业效率。

3、基于此，亟需一种能够适应隧道复杂环境、靶标安装与标定操作更加简便高效的凿岩台车臂架标定方法。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种凿岩台车臂架标定方法、系统及凿岩台车，通过融合全站仪、多传感器与视觉靶标检测，结合运动学模型解算，实现凿岩台车臂架各轴参数的快速自动化标定，显著提高标定效率和精度。

2、本技术提供一种凿岩台车臂架标定方法，包括：

3、利用所述水平仪调节所述车身，将所述车身调节至水平位置，并基于所述多个全站仪靶标，通过全站仪标定车身坐标系与全站仪坐标系的转换关系；利用所述相机，标定相机坐标系与所述全站仪坐标系的转换关系，以及臂架坐标系与所述全站仪坐标系的转换关系，得到所述相机坐标系与所述臂架坐标系的转换关系；利用所述全站仪，标定所述伸缩轴臂的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据之间的对应关系，以及所述俯仰轴臂的旋转角度与所述倾角传感器的测量数据之间的对应关系；利用所述双轴倾角传感器，标定所述旋转轴臂中的翻滚轴臂的旋转角度与所述翻滚轴臂的编码器的测量数据之间的对应关系；利用所述相机对设置于所述臂架上的视觉靶标在所述臂架运动前后的位置变化进行检测，得到所述臂架末端的姿态信息；基于所述臂架末端的姿态信息以及所述臂架的运动学模型，解算所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度，完成所述臂架的标定。

4、可选地，所述编码器设置在第一轴、第五轴、第六轴和第七轴上，所述倾角传感器设置在第二轴和第三轴上，所述拉线传感器设置在第四轴、第八轴和第九轴上，所述双轴倾角传感器设置在所述第七轴上；其中，所述第一轴为曲臂摆动轴，所述第二轴为曲臂俯仰轴，所述第三轴为大臂俯仰轴，所述第四轴为大臂伸缩轴，所述第五轴为大臂旋转轴，所述第六轴为推进梁俯仰轴，所述第七轴为推进梁摆动轴，所述第八轴为推进梁伸缩轴，所述第九轴为钻进机构的钻进伸缩轴。

5、可选地，所述伸缩轴臂的活动关节上设置有全站仪靶标；所述利用所述全站仪，标定所述伸缩轴臂的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据之间的对应关系，包括：在所述伸缩轴臂的伸缩范围内选取多个伸缩位置，其中，所述多个伸缩位置包括所述伸缩轴臂全部缩进的位置，以及将所述伸缩轴臂的伸缩量程等分后得到的多个位置；在所述多个伸缩位置下，分别通过所述全站仪测量所述全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，并读取所述拉线传感器的测量数据；基于所述全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，确定所述伸缩轴臂在所述多个伸缩位置下的实际伸缩长度；对所述多个伸缩位置下的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据进行二次拟合，得到所述伸缩轴臂的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据之间的对应关系；其中，所述实际伸缩长度根据所述全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置计算得到，且包含所述伸缩轴臂伸出后的挠度变形影响。

6、可选地，所述方法还包括：在基于所述全站仪标定所述伸缩轴臂的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据之间的对应关系时，通过所述全站仪测量所述第八轴的全长。

7、可选地，所述俯仰轴臂上设置有两个全站仪靶标；所述基于所述全站仪，标定所述俯仰轴臂的旋转角度与所述倾角传感器的测量数据之间的对应关系，包括：分别通过所述全站仪测量所述两个全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，并基于所述两个全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，确定所述俯仰轴臂的实际旋转角度；获取所述倾角传感器的测量数据，并基于所述实际旋转角度与所述倾角传感器的测量数据，确定所述俯仰轴臂的旋转角度与所述倾角传感器的测量数据之间的对应关系。

8、可选地，所述利用所述双轴倾角传感器，标定所述旋转轴臂中的翻滚轴臂的旋转角度与所述翻滚轴臂的编码器的测量数据之间的对应关系，包括：调节所述俯仰轴臂，使所述双轴倾角传感器在俯仰方向上的读数归零；在所述双轴倾角传感器在俯仰方向上的读数归零的情况下，调节所述翻滚轴臂，使所述双轴倾角传感器在横滚方向上的读数归零；获取所述翻滚轴臂的编码器的测量数据，并基于所述双轴倾角传感器在横滚方向上的读数归零时所述编码器的测量数据，确定所述翻滚轴臂的旋转角度与所述编码器的测量数据之间的对应关系。

9、可选地，所述视觉靶标设置在所述第八轴的尾部，所述利用所述相机对设置于所述臂架上的视觉靶标在所述臂架运动前后的位置变化进行检测，得到所述臂架末端的姿态信息，包括：将所述第九轴调节至最短位置；基于所述相机检测所述视觉靶标在所述相机坐标系中的第一位置，并控制所述第八轴沿轴向运动一段距离，基于所述相机检测所述视觉靶标在所述相机坐标系中的第二位置；基于所述第一位置、所述第二位置以及预先测得的所述第八轴的全长，确定所述臂架末端的姿态信息；其中，所述姿态信息包括所述臂架末端的位置信息、俯仰角信息和偏航角信息。

10、可选地，所述基于所述臂架末端的姿态信息以及所述臂架的运动学模型，解算所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度，包括：将所述俯仰轴臂的旋转角度、所述翻滚轴臂的旋转角度以及所述伸缩轴臂的实际伸缩长度代入所述运动学模型，得到关于所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度的方程组；基于所述臂架末端的姿态信息，采用预设迭代算法求解所述方程组，得到所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度；其中，所述预设迭代算法为：用于求解非线性最小二乘问题的优化算法。

11、可选地，所述解算所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度，完成所述臂架的标定，包括：将所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度代入所述运动学模型，得到所述臂架末端的理论姿态信息；在所述理论姿态信息与所述臂架末端的姿态信息之间的误差小于预设阈值的情况下，判定所述臂架标定成功；在所述误差大于或等于所述预设阈值的情况下，通过调节所述俯仰轴臂中的一个俯仰轴臂转动预设角度，并执行预设步骤，直至所述误差小于所述预设阈值，或者在重新执行的次数达到预设次数时判定所述臂架标定失败；其中，所述预设步骤包括：利用所述相机对设置于所述臂架上的视觉靶标在所述臂架运动前后的位置变化进行检测，得到所述臂架末端的姿态信息的步骤，以及所述基于所述臂架末端的姿态信息以及所述臂架的运动学模型，解算所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度的步骤。

12、本技术还提供一种凿岩台车臂架标定系统，该系统的控制单元，用于利用所述水平仪调节所述车身，将所述车身调节至水平位置，并基于所述多个全站仪靶标，通过全站仪标定车身坐标系与全站仪坐标系的转换关系；利用所述相机，标定相机坐标系与所述全站仪坐标系的转换关系，以及臂架坐标系与所述全站仪坐标系的转换关系，得到所述相机坐标系与所述臂架坐标系的转换关系；利用所述全站仪，标定所述伸缩轴臂的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据之间的对应关系，以及所述俯仰轴臂的旋转角度与所述倾角传感器的测量数据之间的对应关系；利用所述双轴倾角传感器，标定所述旋转轴臂中的翻滚轴臂的旋转角度与所述翻滚轴臂的编码器的测量数据之间的对应关系；利用所述相机对设置于所述臂架上的视觉靶标在所述臂架运动前后的位置变化进行检测，得到所述臂架末端的姿态信息；所述系统的标定单元，用于基于所述臂架末端的姿态信息以及所述臂架的运动学模型，解算所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度，完成所述臂架的标定。

13、可选地，所述伸缩轴臂的活动关节上设置有全站仪靶标；所述控制单元，具体用于在所述伸缩轴臂的伸缩范围内选取多个伸缩位置，其中，所述多个伸缩位置包括所述伸缩轴臂全部缩进的位置，以及将所述伸缩轴臂的伸缩量程等分后得到的多个位置；所述控制单元，具体还用于在所述多个伸缩位置下，分别通过所述全站仪测量所述全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，并读取所述拉线传感器的测量数据；所述控制单元，具体还用于基于所述全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，确定所述伸缩轴臂在所述多个伸缩位置下的实际伸缩长度；所述控制单元，具体还用于对所述多个伸缩位置下的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据进行二次拟合，得到所述伸缩轴臂的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据之间的对应关系；其中，所述实际伸缩长度根据所述全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置计算得到，且包含所述伸缩轴臂伸出后的挠度变形影响。

14、可选地，所述俯仰轴臂上设置有两个全站仪靶标；所述控制单元，具体用于分别通过所述全站仪测量所述两个全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，并基于所述两个全站仪靶标在所述全站仪坐标系中的位置，确定所述俯仰轴臂的实际旋转角度；所述控制单元，具体还用于获取所述倾角传感器的测量数据，并基于所述实际旋转角度与所述倾角传感器的测量数据，确定所述俯仰轴臂的旋转角度与所述倾角传感器的测量数据之间的对应关系。

15、可选地，所述控制单元，具体还用于调节所述俯仰轴臂，使所述双轴倾角传感器在俯仰方向上的读数归零；所述控制单元，具体还用于在所述双轴倾角传感器在俯仰方向上的读数归零的情况下，调节所述翻滚轴臂，使所述双轴倾角传感器在横滚方向上的读数归零；所述控制单元，具体还用于获取所述翻滚轴臂的编码器的测量数据，并基于所述双轴倾角传感器在横滚方向上的读数归零时所述编码器的测量数据，确定所述翻滚轴臂的旋转角度与所述编码器的测量数据之间的对应关系。

16、可选地，所述视觉靶标设置在所述第八轴的尾部；所述控制单元，具体用于将所述第九轴调节至最短位置；所述控制单元，具体还用于基于所述相机检测所述视觉靶标在所述相机坐标系中的第一位置，并控制所述第八轴沿轴向运动一段距离，基于所述相机检测所述视觉靶标在所述相机坐标系中的第二位置；所述控制单元，具体还用于基于所述第一位置、所述第二位置以及预先测得的所述第八轴的全长，确定所述臂架末端的姿态信息；其中，所述姿态信息包括所述臂架末端的位置信息、俯仰角信息和偏航角信息。

17、可选地，所述标定单元，具体用于将所述俯仰轴臂的旋转角度、所述翻滚轴臂的旋转角度以及所述伸缩轴臂的实际伸缩长度代入所述运动学模型，得到关于所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度的方程组；所述标定单元，具体还用于基于所述臂架末端的姿态信息，采用预设迭代算法求解所述方程组，得到所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度；其中，所述预设迭代算法为：用于求解非线性最小二乘问题的优化算法。

18、可选地，所述标定单元，具体用于将所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度代入所述运动学模型，得到所述臂架末端的理论姿态信息；所述标定单元，具体还用于在所述理论姿态信息与所述臂架末端的姿态信息之间的误差小于预设阈值的情况下，判定所述臂架标定成功；所述标定单元，具体还用于在所述误差大于或等于所述预设阈值的情况下，通过调节所述俯仰轴臂中的一个俯仰轴臂转动预设角度，并执行预设步骤，直至所述误差小于所述预设阈值，或者在重新执行的次数达到预设次数时判定所述臂架标定失败；其中，所述预设步骤包括：利用所述相机对设置于所述臂架上的视觉靶标在所述臂架运动前后的位置变化进行检测，得到所述臂架末端的姿态信息的步骤，以及所述基于所述臂架末端的姿态信息以及所述臂架的运动学模型，解算所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度的步骤。

19、本技术还提供一种凿岩台车，其上设置有上述任一种所述凿岩台车臂架标定系统。

20、本技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如上述任一种所述凿岩台车臂架标定方法的步骤。

21、本技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述凿岩台车臂架标定方法的步骤。

22、本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述凿岩台车臂架标定方法的步骤。

23、本技术提供的凿岩台车臂架标定方法、系统及凿岩台车，利用所述水平仪调节所述车身，将所述车身调节至水平位置，并基于所述多个全站仪靶标，通过全站仪标定车身坐标系与全站仪坐标系的转换关系；利用所述相机，标定相机坐标系与所述全站仪坐标系的转换关系，以及臂架坐标系与所述全站仪坐标系的转换关系，得到所述相机坐标系与所述臂架坐标系的转换关系；利用所述全站仪，标定所述伸缩轴臂的实际伸缩长度与所述拉线传感器的测量数据之间的对应关系，以及所述俯仰轴臂的旋转角度与所述倾角传感器的测量数据之间的对应关系；利用所述双轴倾角传感器，标定所述旋转轴臂中的翻滚轴臂的旋转角度与所述翻滚轴臂的编码器的测量数据之间的对应关系；利用所述相机对设置于所述臂架上的视觉靶标在所述臂架运动前后的位置变化进行检测，得到所述臂架末端的姿态信息；基于所述臂架末端的姿态信息以及所述臂架的运动学模型，解算所述旋转轴臂中除所述翻滚轴臂之外的轴臂的旋转角度，完成所述臂架的标定。如此，通过融合全站仪、多传感器与视觉靶标检测，结合运动学模型解算，实现凿岩台车臂架各轴参数的快速自动化标定，显著提高标定效率和精度。