一种隧道掘进导向方法及导向系统与流程

本发明涉及隧道掘进导向技术领域，尤指一种隧道掘进导向方法及导向系统。

背景技术：

导向系统是各类地下隧道巷道等基建设施施工过程中必不可少的设备，导向系统能够确保掘进施工过程中，掘进设备的掘进方位准确，从而提高控制隧道轴线的精度，保障施工路线与设计一致，确保施工的质量和安全性。

目前现有导向系统主要通过测量机器人和单屏激光靶实现掘进导向，但是，由于隧道施工环境较为恶劣，测量机器人防护要求较高，一旦损坏，难以维修，因此对防护要求较高；另外，测量机器人功能较多，而在掘进导向中只应用其中的目标识别瞄准和坐标测量功能，导致资源的浪费，也增加了整个导向系统的成本；此外，利用测量机器人和普通激光靶进行导向时，需要测量机器人精确瞄准普通激光靶的中心，才能由测量机器人进行坐标测量和由激光靶进行姿态测量，此系统对瞄准要求较高，而在现场较为恶劣的使用环境，一旦振动、粉尘和光照条件等影响因素发生剧烈变化，会导致导向失效或瞄准时间过长，导向精度降低，甚至存在着严重的“盲推”现象。因此，需要一种隧道掘进导向方法及导向系统导向精度更高，受外界环境影响较小，且成本更低的导向系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种隧道掘进导向方法及导向系统，成本更低、导向精度更高，且受外界环境影响较小，有利于保证隧道的质量。

本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种隧道掘进导向方法，包括步骤：

通过瞄准相机获取安装在掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标；

根据所述位置坐标的变化值控制指示激光器转动，使所述指示激光器发射的指示激光束照射到所述双屏激光靶上，并在所述双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑，通过所述瞄准相机获取获取所述前屏和所述后屏上分别形成的光斑的坐标；

根据所述指示激光束在所述前屏和所述后屏上分别形成的光斑的坐标计算所述指示激光束的方向矢量，从而获得所述掘进设备的当前姿态；

获取所述指示激光器与所述掘进设备之间的距离值；

将所述当前姿态和所述距离值进行合并，获取所述掘进设备掘进的六自由度。

通过获取掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标，并在掘进设备的位置变化时，根据位置坐标的变化值调整指示激光器，使指示激光器发射的指示激光束能够照射到双屏激光靶上，并在双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑，通过两个光斑的坐标能够计算指示激光束的方向矢量，从而获得掘进设备的当前姿态，再通过获取指示激光器与掘进设备之间的距离值，将距离值与当前姿态合并，便能获得掘进设备的六自由度，从而对掘进设备的掘进进行导向。通过该方法进行导向时，不需要测量机器人，成本更低，且受外界环境影响较小，使得导向的精度更高，有利于保证隧道的质量。

进一步地，在获取安装在掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标时，通过瞄准相机获取安装在所述双屏激光靶上的后视光源的光斑坐标作为所述位置坐标；

所述的根据所述位置坐标的变化值控制指示激光器转动，具体包括：

计算所述后视光源的光斑坐标在所述瞄准相机的图像坐标系中的所述变化值；

根据所述变化值计算所述指示激光器所需转动的角度值；

控制所述指示激光器按照所述角度值转动，使所述指示激光器发射的指示激光束照射到所述双屏激光靶上。

后视光源采用大发散角激光器或发光led，光源波长为单波长，包括但不限于可见光波段和红外波段，该后视光源与双屏激光靶相固连，放置于激光靶的外部，可放置于上方、下方、左侧或右侧，在掘进设备的掘进过程中，后视光源随着双屏激光靶和掘进设备的位置变化而变化；瞄准相机包括ccd或cmos传感器、镜头、滤光片及处理电路等，通过瞄准相机能够快捷的获得后视光源的光斑坐标，从而可以将光斑坐标作为双屏激光靶的位置坐标，通过计算光斑坐标在瞄准相机的图像坐标系中的变化值，并根据变化值计算所指示激光器需要转动的角度值，控制指示激光器按照角度值转动，便能使指示激光器发射的指示激光束照射到双屏激光靶上。

进一步地，所述的在双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑具体包括：

所述指示激光束穿过呈半透明状的所述前屏照射到所述后屏上，并分别在所述前屏和所述后屏上形成光斑。

通过将双屏激光靶的前屏设置为半透明状，能够使指示激光束在照射到双屏激光靶时，穿过前屏照射到后屏上，并分别在前屏和后屏上形成光斑。

进一步地，所述的获取安装在掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标之前，还包括步骤：

调整所述指示激光器的方位，使所述指示激光器朝向所述双屏激光靶。

通过在导向前，调整指示激光器的方位，能够使指示激光器大致朝向所双屏激光靶，从而确保指示激光器和后视光源位于瞄准相机的视野内。

另外，本发明还提供了一种隧道掘进导向系统，包括：

激光靶系统，所述激光靶系统包括处理器以及安装在掘进设备上的双屏激光靶，所述双屏激光靶包括前屏和后屏；

测量站，所述测量站包括瞄准相机、控制器、指示激光器和测距模块；

所述瞄准相机用于获取所述双屏激光靶的位置坐标，

所述控制器用于在所述位置坐标改变时，控制所述指示激光器转动，使述指示激光器瞄准所述双屏激光靶，并向所述双屏激光靶发射指示激光束，所述指示激光束分别在所述前屏和所述后屏上形成光斑，所述瞄准相机还用于获取所述前屏和所述后屏上分别形成的光斑的坐标；

所述测距模块用于测量所述测量站与所述掘进设备之间的距离值；

所述处理器用于根据所述指示激光束在所述前屏和所述后屏上形成的光斑的坐标计算所述指示激光束的方向矢量，获取所述掘进设备的当前姿态，并将所述当前姿态和所述距离值进行合并，获取所述掘进设备掘进的六自由度。

通过瞄准相机获取掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标，并在掘进设备的位置变化时，根据位置坐标的变化值通过控制器调整指示激光器的转向，使指示激光器发射的指示激光束能够照射到双屏激光靶上，并在双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑，通过两个光斑能够计算指示激光束的方向矢量，从而获得掘进设备的当前姿态，再通过测距模块获取指示激光器与掘进设备之间的距离值，将距离值与当前姿态合并，便能获得掘进设备的六自由度，从而对掘进设备的掘进进行导向。通过该系统进行导向时，不需要测量机器人，成本更低，且受外界环境影响较小，使得导向的精度更高，有利于保证隧道的质量。

进一步地，所述测量站还包括云台机座，所述云台机座上安装有双轴云台，

所述指示激光器安装在所述双轴云台的几何中心，所述控制器通过所述双轴云台控制所述指示激光器转动。

双轴云台的结构形式包括但不限于u型结构、回型结构等，双轴云台可正放或吊装，且双轴云台上设有角度传感器，角度传感器用于提供水平垂直角度值，角度传感器的形式包括但不限于光栅角度传感器、编码器、旋转变压器和圆形磁栅传感器等，指示激光器安装在双轴云台的几何中心，控制器能够通过双轴云台控制指示激光器转动，从而使指示激光器发射的指示激光束照射到双屏激光靶上。

进一步地，所述瞄准相机安装在所述云台机座上，且所述瞄准相机的镜头朝向所述双屏激光靶；

所述测距模块安装在所述云台机座上或安装在所述双轴云台的旋转轴中心。

瞄准相机包括ccd或cmos传感器、镜头、滤光片及处理电路等，通过将瞄准相机安装在云台机座上，能够快捷的获得双屏激光靶的位置坐标；测距模块采用激光测距或uwb测距原理，当测距模块采用uwb测距原理时，需在双屏激光靶处安装接收模块，通过将测距模块安装在云台机座上或安装在双轴云台的旋转轴中心，能够测得测量站与双屏激光靶的距离值。

进一步地，所述激光靶系统还包括后视光源，所述后视光源安装在所述双屏激光靶上，所述瞄准相机通过所述后视光源在所述瞄准相机的图像坐标中的光斑坐标，获取所述双屏激光靶的位置坐标。

后视光源采用大发散角激光器或发光led，光源波长为单波长，包括但不限于可见光波段和红外波段，该后视光源与双屏激光靶相固连，放置于激光靶的外部，可放置于上方、下方、左侧或右侧，在掘进设备的掘进过程中，后视光源随着双屏激光靶和掘进设备的位置变化而变化；通过瞄准相机能够快捷的获得后视光源的光斑坐标，从而可以将光斑坐标作为双屏激光靶的位置坐标，通过计算光斑坐标在瞄准相机的图像坐标系中的变化值，并根据变化值计算所指示激光器需要转动的角度值，控制指示激光器按照角度值转动，便能使指示激光器发射的指示激光束照射到双屏激光靶上。

进一步地，所述前屏呈半透明，使所述指示激光束穿过所述前屏照射到所述后屏上，并分别在所述前屏和所述后屏上形成光斑。

通过将双屏激光靶的前屏设置为半透明状，能够使指示激光束在照射到双屏激光靶时，穿过前屏照射到后屏上，并分别在前屏和后屏上形成光斑。

进一步地，所述指示激光器的前端设置有指示激光准直镜。

指示激光器为小发散角激光器，光源波长为单波长，包括但不限于可见光波段和红外波段；指示激光准直镜用于整形指示激光束，使得出射激光发散角较小，照射到双屏激光靶上的光斑尺寸不至于过大。

根据本发明提供的一种隧道掘进导向方法及导向系统，通过获取掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标，并在掘进设备的位置变化时，根据位置坐标的变化值调整指示激光器，使指示激光器发射的指示激光束能够照射到双屏激光靶上，并在双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑，通过两个光斑的坐标能够计算指示激光束的方向矢量，从而获得掘进设备的当前姿态，再通过获取指示激光器与掘进设备之间的距离值，将距离值与当前姿态合并，便能获得掘进设备的六自由度，从而对掘进设备的掘进进行导向。通过该方法进行导向时，不需要测量机器人，成本更低，且受外界环境影响较小，使得导向的精度更高，有利于保证隧道的质量。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本方案的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明实施例的流程示意图；

图2是本发明实施例的结构示意图。

图中标号：1-激光靶系统；10-双屏激光靶；11-前屏；12-后屏；13-后视光源；2-测量站；21-瞄准相机；22-控制器；23-指示激光器；24-测距模块；25-云台机座；26-双轴云台；27-激光准直镜。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

实施例1

本发明的一个实施例，如图1所示，本发明提供一种隧道掘进导向方法，包括步骤：

s1、获取安装在掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标，具体的，通过瞄准相机获取安装在掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标。双屏激光靶相比于现有技术中常用的单屏激光靶，具有前屏和后屏两个屏，能够在指示激光束的照射下形成光斑。

s2、根据位置坐标的变化值控制指示激光器转动，使指示激光器发射的指示激光束照射到双屏激光靶上，并在双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑，通过瞄准相机获取获取前屏和后屏上分别形成的光斑的坐标。

指示激光器为小发散角激光器，光源波长为单波长，包括但不限于可见光波段和红外波段，随着掘进设备的掘进进程，掘进设备和双屏激光靶的位置会不断变化，从而使位置坐标改变，根据位置坐标的变化值控制指示激光器转动，能够使指示激光器发射的指示激光束照射到双屏激光靶上，并形成前、后两个光斑。

优选的，在双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑具体包括：

指示激光束穿过呈半透明状的前屏照射到后屏上，并分别在前屏和后屏上形成光斑。

通过将双屏激光靶的前屏设置为半透明状，能够使指示激光束在照射到双屏激光靶时，穿过前屏照射到后屏上，并分别在前屏和后屏上形成光斑。

s3、根据指示激光束在前屏和后屏上分别形成的光斑的坐标计算指示激光束的方向矢量，从而获得掘进设备的当前姿态。

在获得指示激光束在前屏和后屏上分别形成的光斑后，能够根据光斑的坐标计算出指示激光束的方向矢量，从而获得掘进设备的当前姿态。

s4、获取指示激光器与掘进设备之间的距离值。

s5、将当前姿态和距离值进行合并，获取掘进设备掘进的六自由度。

通过获取掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标，并在掘进设备的位置变化时，根据位置坐标的变化值调整指示激光器，使指示激光器发射的指示激光束能够照射到双屏激光靶上，并在双屏激光靶的前屏、后屏上分别形成光斑，通过两个光斑的坐标能够计算指示激光束的方向矢量，从而获得掘进设备的当前姿态，再通过获取指示激光器与掘进设备之间的距离值，将距离值与当前姿态合并，便能获得掘进设备的六自由度，从而对掘进设备的掘进进行导向。通过该方法进行导向时，不需要测量机器人，成本更低，且受外界环境影响较小，使得导向的精度更高，有利于保证隧道的质量。

实施例2

本发明的一个实施例，如图1所示，在实施例1的基础上，在获取安装在掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标时，通过瞄准相机获取安装在双屏激光靶上的后视光源的光斑坐标作为位置坐标。

后视光源采用大发散角激光器或发光led，光源波长为单波长，包括但不限于可见光波段和红外波段，该后视光源与双屏激光靶相固连，放置于激光靶的外部，可放置于上方、下方、左侧或右侧，在掘进设备的掘进过程中，后视光源随着双屏激光靶和掘进设备的位置变化而变化，因此，可以将光斑坐标作为双屏激光靶的位置坐标。

优选的，根据位置坐标的变化值控制指示激光器转动，具体包括：

s21、计算后视光源的光斑坐标在瞄准相机的图像坐标系中的变化值。

s22、根据变化值计算指示激光器所需转动的角度值。

s23、控制指示激光器按照角度值转动，使指示激光器发射的指示激光束照射到双屏激光靶上。

瞄准相机包括ccd或cmos传感器、镜头、滤光片及处理电路等，通过瞄准相机能够快捷的获得后视光源的光斑坐标，从而可以将光斑坐标作为双屏激光靶的位置坐标，通过计算光斑坐标在瞄准相机的图像坐标系中的变化值，并根据变化值计算所指示激光器需要转动的角度值，控制指示激光器按照角度值转动，便能使指示激光器发射的指示激光束照射到双屏激光靶上。

优选的，获取安装在掘进设备上的双屏激光靶的位置坐标之前，还包括步骤：

调整指示激光器的方位，使指示激光器朝向双屏激光靶。

通过在导向前，调整指示激光器的方位，能够使指示激光器大致朝向所双屏激光靶，从而确保指示激光器和后视光源位于瞄准相机的视野内。

实施例3

本发明的一个实施例，如图2所示，本发明还提供了一种隧道掘进导向系统，包括激光靶系统1和测量站2，激光靶系统1安装在掘进设备上，测量站2固定在掘进隧道的后端，每掘进一定距离或较大幅度的调整掘进方向，则调整测量站2的位置。

激光靶系统1包括处理器以及安装在掘进设备上的双屏激光靶10，双屏激光靶10包括前屏11和后屏12。

测量站2包括瞄准相机21、控制器22、指示激光器23和测距模块24；瞄准相机21用于获取双屏激光靶10的位置坐标，控制器22用于在位置坐标改变时，控制指示激光器23转动，使述指示激光器23瞄准双屏激光靶10，并向双屏激光靶10发射指示激光束，指示激光束分别在前屏11和后屏12上形成光斑，瞄准相机21还用于获取前屏11和后屏12上分别形成的光斑的坐标。

优选的，前屏11呈半透明，使指示激光束穿过前屏11照射到后屏12上，并分别在前屏11和后屏12上形成光斑。

通过将双屏激光靶10的前屏11设置为半透明状，能够使指示激光束在照射到双屏激光靶10时，穿过前屏11照射到后屏12上，并分别在前屏和后屏上形成光斑。

测距模块24用于测量测量站2与掘进设备之间的距离值；处理器用于根据指示激光束在前屏11和后屏12上形成的光斑的坐标计算指示激光束的方向矢量，获取掘进设备的当前姿态，并将当前姿态和距离值进行合并，获取掘进设备掘进的六自由度。

通过瞄准相机21获取掘进设备上的双屏激光靶10的位置坐标，并在掘进设备的位置变化时，根据位置坐标的变化值通过控制器22调整指示激光器23的转向，使指示激光器23发射的指示激光束能够照射到双屏激光靶10上，并在双屏激光靶10的前屏11、后屏12上分别形成光斑，通过两个光斑的坐标能够计算指示激光束的方向矢量，从而获得掘进设备的当前姿态，再通过测距模块24获取指示激光器23与掘进设备之间的距离值，将距离值与当前姿态合并，便能获得掘进设备的六自由度，从而对掘进设备的掘进进行导向。通过该系统进行导向时，不需要测量机器人，成本更低，且受外界环境影响较小，使得导向的精度更高，有利于保证隧道的质量。

实施例4

本发明的一个实施例，如图2所示，在实施例3的基础上，测量站2还包括云台机座25，云台机座25上安装有双轴云台26，指示激光器23安装在双轴云台26的几何中心，控制器22通过双轴云台26控制指示激光器23转动。

双轴云台26的结构形式包括但不限于u型结构、回型结构等，双轴云台26可正放或吊装，且双轴云台26上设有角度传感器，角度传感器用于提供水平垂直角度值，角度传感器的形式包括但不限于光栅角度传感器、编码器、旋转变压器和圆形磁栅传感器等，指示激光器23安装在双轴云台的几何中心，控制器22能够通过双轴云台26控制指示激光器23转动，从而使指示激光器23发射的指示激光束照射到双屏激光靶10上。

优选的，瞄准相机21安装在云台机座25上，且瞄准相机21的镜头朝向双屏激光靶10；测距模块24安装在云台机座25上或安装在双轴云台26的旋转轴中心。

瞄准相机21包括ccd或cmos传感器、镜头、滤光片及处理电路等，通过将瞄准相机21安装在云台机座25上，能够快捷的获得双屏激光靶10的位置坐标；测距模块24采用激光测距或uwb测距原理，当测距模块24采用uwb测距原理时，需在双屏激光靶10处安装接收模块，通过将测距模块24安装在云台机座25上或安装在双轴云台26的旋转轴中心，能够测得测量站2与双屏激光靶10的距离值。

优选的，激光靶系统1还包括后视光源13，后视光源13安装在双屏激光靶10上，瞄准相机21通过后视光源13在瞄准相机21的图像坐标中的光斑坐标，获取双屏激光靶10的位置坐标。

后视光源13采用大发散角激光器或发光led，光源波长为单波长，包括但不限于可见光波段和红外波段，该后视光源13与双屏激光靶10相固连，放置于激光靶的外部，可放置于上方、下方、左侧或右侧，在掘进设备的掘进过程中，后视光源13随着双屏激光靶10和掘进设备的位置变化而变化；通过瞄准相机21能够快捷的获得后视光源13的光斑坐标，从而可以将光斑坐标作为双屏激光靶10的位置坐标，通过计算光斑坐标在瞄准相机21的图像坐标系中的变化值，并根据变化值计算所指示激光器23需要转动的角度值，控制指示激光器23按照角度值转动，便能使指示激光器23发射的指示激光束照射到双屏激光靶10上。

优选的，指示激光器23的前端设置有指示激光准直镜27。

指示激光器23为小发散角激光器，光源波长为单波长，包括但不限于可见光波段和红外波段；指示激光准直镜27用于整形指示激光束，使得出射激光发散角较小，照射到双屏激光靶10上的光斑尺寸不至于过大。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。