湿喷台车的信息智能化施工方法及系统

摘要

本发明属于湿喷台车技术领域。一种湿喷台车的信息智能化施工方法及系统，包括：导入隧道尺寸和坐标数据，并根据隧道尺寸和坐标数据，完成湿喷台车在隧道中的定位；获取隧道内轮廓模型，与隧道内轮廓设计数据比对，预估混凝土喷射量，并生成所述湿喷台车的喷射头的喷射路线；根据所述喷射路线，获取在所述喷射头运动过程中，支撑所述喷射头的各支撑臂的运动轨迹；控制各所述支撑臂的动作，使得所述喷射头沿所述喷射路线施工作业。本发明信息智能化湿喷台车实现了施工过程控制、施工环境监测、产品全生命周期监测，促进了安全生产和节能减排。降低了施工综合成本，实现企业资金增效节流。

权利要求

1.一种湿喷台车的信息智能化施工方法，其特征在于，包括：导入隧道尺寸和坐标数据，并根据隧道尺寸和坐标数据，完成湿喷台车在隧道中的定位；

获取隧道内轮廓模型，与隧道内轮廓设计数据比对，预估混凝土喷射量，并生成所述湿喷台车的喷射头的喷射路线；

根据所述喷射路线，获取在所述喷射头运动过程中，支撑所述喷射头的各支撑臂的运动轨迹；

控制各所述支撑臂的动作，使得所述喷射头沿所述喷射路线施工作业；

在所述完成湿喷台车在隧道中的定位后，还包括对所述湿喷台车的喷射头的定位，其具体包括以下步骤：在所述支撑臂的各关节点处加装角度传感器、在所述支撑臂的伸缩部位加装长度传感器；

通过三维坐标空间转换，从而获取喷射头相对于所述湿喷台车的空间位置；

进而得出所述喷射头在隧道内的坐标数据；

在所述喷射头沿所述喷射路线施工作业中，通过获取所述喷射头的坐标数据，控制速凝剂的动态配比；

在喷射头混凝土喷射完成后，进行隧道内轮廓的二次获取，并与隧道内轮廓设计数据进行再次对比，获取二次补喷喷射量，指定二次补喷路线；

进而控制喷射头进行二次补喷施工作业。

2.根据权利要求1所述的湿喷台车的信息智能化施工方法，其特征在于，所述完成湿喷台车在隧道中的定位，具体包括以下步骤：在隧道内壁上选取至少两个已知点，并通过设置全站仪进行扫描，获取全站仪在隧道中的坐标数据；

通过全站仪扫描所述湿喷台车上的至少两个参考点，并获取各所述参考点的坐标数据；

由各所述参考点的坐标数据，实现湿喷台车的在隧道中的定位。

3.根据权利要求1所述的湿喷台车的信息智能化施工方法，其特征在于，所述获取隧道内轮廓模型，具体包括以下步骤：由激光经纬仪进行轴向连续直线扫描、径向等步距步进扫描，获取扫描点云数据；

对扫描点云数据进行特征算法处理；

从而获取当前隧道内轮廓的三维模型。

4.根据权利要求3所述的湿喷台车的信息智能化施工方法,其特征在于，其特征算法处理包括对扫描点云数据的滤波去噪、特征分析、分割、提取和重建；

对于拱架的扫描盲区，采用经验数据进行补偿运算，从而获取精准的隧道内轮廓模型。

说明书

湿喷台车的信息智能化施工方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于湿喷台车技术领域，具体涉及一种湿喷台车的信息智能化施工方法及系统。

背景技术

[0002] 湿喷台车广泛应用于水电铁路隧道、岩土工程、地下设施及公路工程建设等领域。而常规的湿喷台车由一名操作人员通过遥控器控制臂架及喷嘴的移动，对工作面进行喷
涂，整个喷涂混凝土厚度及平整度完全依赖于操作人员的经验能力。施工过程中存在喷涂
质量不可控，喷涂数据无法记录统计，操作人员过多暴露于不安全环境等情况。

[0003] 随着工业4.0和中国智造2025的提出，国家对施工设备的智能化与信息化要求更高，为提高施工效率和施工安全性，本着高效、安全的施工理念，一种信息智能化湿喷台车
的发明符合时代的需求，同时随着这种信息化智能化湿喷台车的发明，一种全新的施工工
法应运而生。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种施工效率高、施工安全性高的湿喷台车的信息智能化施工方法及系统。

[0005] 为达到上述目的，所采取的技术方案是：

[0006] 一种湿喷台车的信息智能化施工方法，包括：导入隧道尺寸和坐标数据，并根据隧道尺寸和坐标数据，完成湿喷台车在隧道中的定位；获取隧道内轮廓模型，与隧道内轮廓设
计数据比对，预估混凝土喷射量，并生成所述湿喷台车的喷射头的喷射路线；根据所述喷射
路线，获取在所述喷射头运动过程中，支撑所述喷射头的各支撑臂的运动轨迹；控制各所述
支撑臂的动作，使得所述喷射头沿所述喷射路线施工作业。

[0007] 所述完成湿喷台车在隧道中的定位，具体包括以下步骤：在隧道内壁上选取至少两个已知点，并通过设置全站仪进行扫描，获取全站仪在隧道中的坐标数据；通过全站仪扫
描所述湿喷台车上的至少两个参考点，并获取各所述参考点的坐标数据；由各所述参考点
的坐标数据，实现湿喷台车的在隧道中的定位。

[0008] 在所述完成湿喷台车在隧道中的定位后，还包括对所述湿喷台车的喷射头的定位，其具体包括以下步骤：在所述支撑臂的各关节点处加装角度传感器、在所述支撑臂的伸
缩部位加装长度传感器；通过三维坐标空间转换，从而获取喷头相对于所述湿喷台车的空
间位置；进而得出所述喷头在隧道内的坐标数据。

[0009] 在所述喷射头沿所述喷射路线施工作业中，通过获取所述喷射头的坐标数据，控制速凝剂的动态配比；在喷射头混凝土喷射完成后，进行隧道内轮廓的二次获取，并与隧道
内轮廓设计数据进行再次对比，获取二次补喷喷射量，指定二次补喷路线；进而控制喷射头
进行二次补喷施工作业。

[0010] 所述获取隧道内轮廓模型，具体包括以下步骤：由激光经纬仪进行轴向连续直线扫描、径向等步距步进扫描，获取扫描点云数据；对扫描点云数据进行特征算法处理，从而
获取当前隧道内轮廓的三维模型。

[0011] 其特征算法处理包括对扫描点云数据的滤波去噪、特征分析、分割、提取和重建；对于拱架的扫描盲区，采用经验数据进行补偿运算，从而获取精准的隧道内轮廓模型。

[0012] 一种湿喷台车的信息智能化施工系统，包括：湿喷台车；定位模块，其用于根据隧道尺寸数据，实现湿喷台车和喷射头在隧道中的定位；模型组建模块，其用于隧道内轮廓模
型，与隧道内轮廓设计数据比对，预估混凝土喷射量，并生成所述湿喷台车的喷射头的喷射
路线；和控制模块；用于控制各支撑臂的运动轨迹，并控制喷射头进行喷射施工作业。

[0013] 还包括存储模块，用于对施工数据进行采集和存储。

[0014] 所述定位模块包括：上位机，用于隧道尺寸数据的编辑；全站仪，用于结合已知点获取其坐标数据和参考点坐标数据；和台车电脑，用于对编辑数据和获取的坐标数据进行
分析计算，获取湿喷台车和喷射头的坐标。

[0015] 所述模型组建模块包括：激光扫描仪，其用于对隧道内轮廓进行扫描，获取扫描点云数据；和台车电脑，其用于扫描点云数据进行特征算法处理，获取隧道内轮廓模型，并预
估混凝土喷射量和喷射路线。

[0016] 采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

[0017] 本发明信息智能化湿喷台车，是一种全新产品，使湿喷台车具有传感器感知功能，电脑自思维判断处理功能，施工数据云端共享。

[0018] 本发明信息智能化湿喷台车实现了施工过程控制、施工环境监测、产品全生命周期监测，促进了安全生产和节能减排。降低了施工综合成本，实现企业资金增效节流。

[0019] 本发明信息智能化湿喷台车衍生的新工法，提高了施工效率，施工质量完全可控，降低了操作人员劳动强度，操作人员可以在密闭驾驶室来操作人喷射，改善了人员工作环
境，有助于职业病防范。

附图说明

[0020] 图1为本发明湿喷台车的信息智能化施工方法的工艺流程图。

[0021] 图2为本发明湿喷台车自定位结构示意图。

[0022] 图3为本发明的湿喷台车支撑臂坐标转换结构示意图。

[0023] 图4为激光扫描仪及喷射线路的结构示意图。

[0024] 图5为湿喷台车的结构示意图。

[0025] 图中序号：100为喷湿台车、101为支撑臂、102为喷射头、103为支腿、200为全站仪、300为激光扫描仪。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

[0027] 参见图1-图5，本发明一种湿喷台车的信息智能化施工方法，包括：导入隧道尺寸和坐标数据，并根据隧道尺寸和坐标数据，完成湿喷台车在隧道中的定位；获取隧道内轮廓
模型，与隧道内轮廓设计数据比对，预估混凝土喷射量，并生成所述湿喷台车的喷射头的喷
射路线；根据所述喷射路线，获取在所述喷射头运动过程中，支撑所述喷射头的各支撑臂的
运动轨迹；控制各所述支撑臂的动作，使得所述喷射头沿所述喷射路线施工作业。

[0028] 其中，湿喷台车在隧道中的定位具体为：湿喷台车在隧道内部的定位技术为通过专用的上位机软件编辑隧道数据，并导入台车电脑系统。利用放置在湿喷台车身后的全站
仪去扫描隧道壁上已知点P5、P6，可以得到全站仪P4的坐标数据，再利用全站仪有顺序得扫
描台车上的两个棱镜P1、P2点的参考点坐标值，由于P0与P1、P2的位置关系已知，可以得到
台车坐标原点P0在隧道中的坐标值。利用无线通信技术把坐标值P0传输给送给台车电脑，
这样就实现了湿喷台车隧道内部定位。

[0029] 喷射头相对湿喷台车坐标原点P0的定位为：电脑系统根据支撑臂各关节加装的角度传感器、及伸缩部位加装的长度传感器，利用三维坐标空间转换P0（X0、Y0、Z0、O0）-（X1、Y1、Z1、O1）-（X2、Y2、Z2、O2）-（X3、Y3、Z3、O3）-（X4、Y4、Z4、O4）-（X5、Y5、Z5、O5）-（X6、Y6、Z6、O6）共6次转换，计算出喷射头P3相对于台车坐标原点P0的空间位置，这样也就计算出了喷
射头在整个隧道内部的空间位置，另外通过加装在喷头上的陀螺仪能够实时监测喷头的运
动轨迹和动态姿态P3＇（X7、Y7、Z7、O7），从而准确掌握混凝土的喷射方向。

[0030] 利用激光空间扫描仪获取隧道的三维模型：激光扫描仪采用轴向连续直线扫描，径向等步距步进扫描，轴向扫描最大角速度10°/s。电脑系统对扫描的点云数据进行滤波去
噪、特征分析、分割、提取、重建等算法处理，获得当前隧道轮廓的三维模型，并展示在人机界面上，方便操作人员直接观察判断轮廓状态。对于拱架的扫描盲区利用经验数据进行补
偿运算，尽量提高隧道三维模型的精准度。

[0031] 智能喷射控制：电脑系统根据获取的隧道三维模型与隧道的设计尺寸进行对比计算，根据计算划出空间喷射路线S1或S2和喷射路线S1或S2相关的喷射量Q1或Q2。喷射头和
支撑臂的运动利用运动学求解得出喷头移动到设定位置所需要的关节动作，并通过算法得
出最佳的运动方式，台车电脑系统根据喷射头在隧道中不同位置能够智能调节速凝剂的配
比。考虑到喷射回弹、泵送吸空等因素造成的一次喷射效果不高，电脑系统可以进行二次扫
描，二次喷射。系统具有一次定位-扫描-喷射和二次定位-扫描-喷射功能。

[0032] 施工数据采集和远程传输：电脑系统对隧道三维模型，施工过程数据，包括各关节传感器数值，喷射头的运动轨迹，混凝土的过程喷射方量，速凝剂的过程用量均可以采集，
并可以通过WiFi终端连接隧道内网络（若有网的情况下），上传到服务平台，可通过网页或
手机终端APP登录查看数据。同时台车电脑系统采集的过程数据也支持U盘导出。

[0033] 以下对整个施工循环进行详细说明：

[0034] 利用专用的上位机软件对预施工的隧道数据进行编辑，把编辑后的隧道数据导入湿喷台车的电脑系统，此时电脑系统已经有了该段隧道的尺寸及坐标数据了。把湿喷台车
开到预喷射地点，将湿喷台车支腿支起。并通过安装在车身上的倾角传感器反馈角度，将四
条支腿103调至水平状态，以保证接下来台车定位的准确性。台车电脑系统利用全站仪提供
的位置数据实现台车的自动定位。 以上工作完成之后，把车载激光扫描仪对准预扫描的隧
道边缘，并在电脑显示屏上显示的隧道轮廓图选择要扫描范围，确认后电脑生成预扫描路
线，若是扫描路线不合适可以通过人机界面进行修改路线，再次确认后激光扫描仪自动进
行轮廓扫描。隧道轮廓扫描后生成隧道轮廓三维模型图，电脑系统根据实际扫描三维模型
与隧道设计轮廓数据进行差值计算，预估出作业区域所需混凝土方量，并显示在显示屏上，
可通过人机界面选择是否通过无线网络传输至云端，供搅拌站参考。

[0035] 同时电脑系统会生成喷射路线，在各传感器没有报警，速凝剂液位正常情况下，按 “开始自动喷射”进行自动作业，直到完成所有预定路径。若喷涂效果不够理想，可以进行二次轮廓扫描，并进行二次喷射，重复以上循环。

[0036] 在遵循作业规则的前提下规划出喷涂的路径。然后根据约束条件逆向计算得出喷头运动过程中各个臂的最佳运动轨迹，从而控制喷头按照规划的路径运动。电脑系统的施
工过程数据，包括关节传感器数值，喷头的运动轨迹，混凝土的过程喷射方量，速凝剂的过
程用量均可以采集记录，并可以通过车载WiFi终端连接隧道内网络实时上传到服务平台，
以上数据同时存储在本地并支持U盘导出。

[0037] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明
的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和
改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其
等同物界定。