基于WEB端臂架类施工作业装备状态监测方法与流程

基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法
技术领域
1.本发明涉及隧道施工设备技术领域，具体涉及一种基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法。


背景技术：

2.随着我国经济水平的不断提高，近些年来铁路、公路等交通建设行业取得了巨大发展，一般情况下，修筑铁路、公路都难以避免隧道的开挖。隧道施工需使用臂架类施工作业装备，臂架类施工作业装备主要是指以臂架关节为主要作业或关键部件的装备，如钻爆法隧道施工所用的凿岩台车、混凝土湿喷台车、拱架台车、锚杆台车等装备，通过各级关节组成臂架，通过臂架运动、移动进行施工作业。
3.在目前的隧道施工过程中，臂架类施工作业装备智能化程度较低，一线工作的进行很大程度依赖装备操作人员的作业水平和素质，装备施工过程中的姿态变化较为复杂，涉及多个部位的协同运作，对操作人员要求较高。同时，装备施工过程中存在较多的人工监测盲区，监测人员难以全面和及时地进行监测，并且难以保证监测的准确性。目前在臂架类施工作业装备状态监测领域的研究较少，多数都是对姿态参数进行监测，未能对装备状态进行三维可视化显示，管理人员无法直观和准确地了解装备工作状况。
4.综上所述，急需一种基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，旨在解决现有对臂架类施工作业装备状态监测未能实现三维可视化显示的问题，具体技术方案如下：
6.一种基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，包括以下步骤：
7.步骤一：模型处理，利用三维软件根据机器人标准dh建模方法进行运动关节识别，并将每个基础构件保存为零件文件，同时进行轻量化处理；
8.步骤二：将轻量化处理后的基础构件进行装配生成整机装配体，根据机器人标准dh建模方法为每个运动关节构件依次添加坐标系，并得到urdf文件；所述urdf文件包括相邻运动关节构件之间的位置关系；
9.步骤三：对步骤一中轻量化处理后的基础构件进行渲染以及格式转换；
10.步骤四：将步骤三处理后的基础构件和运动学参数文件上传至三维webgis系统，其中运动学参数文件根据urdf文件中相邻运动关节构件之间的位置关系得到；
11.步骤五：获得定位矩阵，并根据定位矩阵在三维webgis系统中加载基础构件中的底座；
12.步骤六：根据运动学参数文件计算相邻两个运动关节构件间的位姿变换矩阵；根据位姿变换矩阵完成剩余基础构件的加载；
13.步骤七：施工作业装备的装配体模型在三维webgis系统中加载完成后，根据施工作业装备实际的位置传感器状态值以及当前时刻的位姿变换矩阵更新下一时刻的位姿变换矩阵，由更新后的位姿变换矩阵驱动施工作业装备的装配体模型在下一时刻的动作。
14.以上技术方案中优选的，所述步骤一中，轻量化处理包括对基础构件进行删除顶点、面片折叠和内部模型删减。
15.以上技术方案中优选的，所述步骤二中，添加相邻运动关节构件之间的约束关系，并保证位移和回转变化均处于零位，得到整机装配体。
16.以上技术方案中优选的，所述步骤三中，格式转换是将基础构件的格式转换为三维webgis系统能加载的模型格式。
17.以上技术方案中优选的，所述步骤四中，所述运动学参数文件包括两个相邻运动关节构件之间的运动学参数，所述运动学参数包括绕x轴的旋转角度θ
x
、绕y轴的旋转角度θy、绕z轴的旋转角度θz、沿x轴的平移量x、沿y轴的平移量y和沿z轴的平移量z。
18.以上技术方案中优选的，所述步骤六中，根据式1)计算相邻两个运动关节构件之间的位姿变换矩阵，具体为：
19.t＝rot(x,θ
x
)rot(y,θy)rot(z,θz)trans(x,x)trans(y,y)trans(z,z)
ꢀꢀ
式1)，
20.其中，t为位姿变换矩阵，rot(x,θ
x
)表示绕x轴旋转角度θ
x
的齐次矩阵，rot(y,θy)表示绕y轴旋转角度θy的齐次矩阵，rot(z,θz)表示绕z轴旋转角度θz的齐次矩阵，trans(x,x)表示沿x轴平移量x的齐次矩阵，trans(y,y)表示沿y轴平移量y的齐次矩阵，trans(z,z)表示沿z轴平移量z的齐次矩阵。
21.以上技术方案中优选的，其中rot(x,θ
x
)、rot(y,θy)、rot(z,θz)、trans(x,x)、trans(y,y)和trans(z,z)计算方式如式2)：
[0022][0023]
以上技术方案中优选的，所述步骤七中，施工作业装备的装配体模型的动作包括大臂横摆、大臂俯仰、大臂伸缩、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁旋转、锚杆轴旋转、推进梁伸缩和凿岩机伸缩。
[0024]
以上技术方案中优选的，所述位置传感器状态值包括相邻运动关节构件之间实际的旋转量和平移量。
[0025]
以上技术方案中优选的，所述步骤五中，施工作业装备在每次作业时都发送一个定位矩阵给三维webgis系统，三维webgis系统根据定位矩阵进行坐标转换得到一个地理坐标，然后将底座加载到对应的地理坐标位置。
[0026]
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
[0027]
本发明的监测方法，将施工作业装备实际施工时的位置传感器状态值与当前时刻的位姿变换矩阵相结合更新位姿变换矩阵，由位姿变换矩阵驱动三维webgis系统(即网页端)的装配体模型动作，即以数据驱动模型的方式实现对装备工作状态的真实模拟，实现三维webgis系统中装配体模型的动作与施工作业装备实际施工时的动作保持一致，因此可以实现在网页端对施工作业装备的状态进行监测，实现了三维可视化显示管理。
[0028]
本发明的监测方法能实时和准确地模拟臂架类施工作业装备的工作过程并能在浏览器上三维可视化展示，管理人员可远程监测装备工作状况，不必到现场进行了解，降低事故发生的风险以及提高工作效率。
[0029]
本方法采用b/s架构(即web)建设，具有部署方便、瘦客户端的特点，用户通过浏览器登录获取权限，查看臂架类施工作业装备的实时工作状态；加载臂架类施工作业装备模型时，进行了轻量化处理，提高了模型加载效率。
[0030]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0031]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0032]
图1是凿岩台车的模型示意图；
[0033]
图2是本发明监测方法的流程示意图；
[0034]
图3a是凿岩台车上一时刻的状态示意图；
[0035]
图3b是凿岩台车下一时刻的状态示意图。
具体实施方式
[0036]
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0037]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0038]
实施例1：
[0039]
参见图1，图1为凿岩台车的模型示意图，本实施例以凿岩台车为例对基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法进行说明，本实施例中凿岩台车包括一个底座和三个工作臂，具体是第一工作臂1、第二工作臂2和第三工作臂3，其中第一工作臂1、第二工作臂2和第三工作臂3均设置于底座上，本实施例中基础构件包括底座和工作臂，运动关节构件指的是凿岩台车的基础构件中运动关节的两个组成构件，即两个发生相对运动的组成构件(运动关节可以是工作臂中的运动关节，也可以是底座与工作臂之间的运动关节)。参见图2，本实施例的监测方法具体包括以下步骤：
[0040]
步骤一：模型处理，利用三维软件根据机器人标准dh建模方法进行运动关节识别，并将每个基础构件保存为零件文件，同时进行轻量化处理；优选的，轻量化处理包括对基础构件进行删除顶点、面片折叠和内部模型删减。本实施例中三维软件优选采用solidworks软件，除此之外还可以采用proe或ug等行业常用三维软件。
[0041]
步骤二：将轻量化处理后的基础构件进行装配生成整机装配体，即添加相邻运动关节构件之间的约束关系，并保证位移和回转变化均处于零位，得到整机装配体；然后根据机器人标准dh建模方法为每个运动关节构件依次添加坐标系，并得到urdf文件；所述urdf文件包括相邻运动关节构件之间的位置关系；
[0042]
步骤三：对步骤一中轻量化处理后的基础构件进行渲染以及格式转换；渲染的作用是让模型更加逼真；格式转换是将基础构件的格式转换为三维webgis系统能加载的模型
格式，本实施例中是将fbx格式的基础构件转为gltf格式。
[0043]
步骤四：将步骤三处理后的基础构件和运动学参数文件上传至三维webgis系统，其中运动学参数文件根据urdf文件得到；即将基础构件(包括底座和工作臂)和运动学参数文件上传到三维webgis系统指定的路径，为后续加载凿岩台车模型奠定基础。
[0044]
运动学参数文件以xml格式保存，是根据urdf文件中相邻运动关节构件之间的位置关系参数得到的，根据urdf文件得到运动学参数文件为本领域人员的公知常识，因此不再进一步描述具体如何实现。
[0045]
所述运动学参数文件包括两个相邻运动关节构件之间的运动学参数，所述运动学参数包括绕x轴的旋转角度θ
x
、绕y轴的旋转角度θy、绕z轴的旋转角度θz、沿x轴的平移量x、沿y轴的平移量y和沿z轴的平移量z；关于x、y、z轴的定义具体请参阅机器人标准dh建模的相关规定。
[0046]
步骤五：获得定位矩阵，并根据定位矩阵在三维webgis系统中加载底座；
[0047]
优选的，施工作业装备(即凿岩台车)在每次作业时(即工作臂开始工作时)都发送一个定位矩阵给三维webgis系统，三维webgis系统根据定位矩阵进行坐标转换得到一个地理坐标，然后将底座加载到对应的地理坐标位置。
[0048]
步骤六：根据运动学参数文件计算相邻两个运动关节构件间的位姿变换矩阵；根据位姿变换矩阵完成剩余基础构件的加载，即完成工作臂的加载；此时加载相邻运动关节构件间的位移和回转均处于零位；
[0049]
由数学常识可知，可以用齐次矩阵来表示绕x、y、z轴的转动和沿x、y、z轴的平移；所述步骤六中，根据式1)计算相邻两个运动关节构件之间的位姿变换矩阵，具体为：
[0050]
t＝rot(x,θ
x
)rot(y,θy)rot(z,θz)trans(x,x)trans(y,y)trans(z,z)
ꢀꢀ
式1)，
[0051]
其中，t为位姿变换矩阵，rot(x,θ
x
)表示绕x轴旋转角度θ
x
的齐次矩阵，rot(y,θy)表示绕y轴旋转角度θy的齐次矩阵，rot(z,θz)表示绕z轴旋转角度θz的齐次矩阵，trans(x,x)表示沿x轴平移量x的齐次矩阵，trans(y,y)表示沿y轴平移量y的齐次矩阵，trans(z,z)表示沿z轴平移量z的齐次矩阵。
[0052]
进一步优选的，其中rot(x,θ
x
)、rot(y,θy)、rot(z,θz)、trans(x,x)、trans(y,y)和trans(z,z)计算方式如式2)：
[0053][0054]
步骤七：施工作业装备(即凿岩台车)的装配体模型在三维webgis系统中加载完成后，根据施工作业装备实际的位置传感器状态值以及当前时刻的位姿变换矩阵更新下一时刻的位姿变换矩阵，由更新后的位姿变换矩阵驱动施工作业装备的装配体模型在下一时刻的动作。如图3a和图3b，展示了第一工作臂1、第二工作臂2和第三工作臂3由上一时刻至下一时刻的状态变化示意。
[0055]
优选的，施工作业装备的装配体模型的动作包括大臂横摆、大臂俯仰、大臂伸缩、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁旋转、锚杆轴旋转、推进梁伸缩和凿岩机伸缩。所述位置传感器状态值包括相邻运动关节构件之间实际的旋转量和平移量，位置传感器状态值由施工作业装备上的传感器测得。
[0056]
本实施例中的监测方法，将凿岩台车实际施工时的位置传感器状态值与当前时刻的位姿变换矩阵相结合更新位姿变换矩阵，由位姿变换矩阵驱动三维webgis系统(即网页端)的装配体模型动作，实现三维webgis系统中装配体模型的动作与凿岩台车实际施工时的动作保持一致，因此可以实现在网页端对凿岩台车的状态进行监测，实现了三维可视化显示管理。
[0057]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：模型处理，利用三维软件根据机器人标准dh建模方法进行运动关节识别，并将每个基础构件保存为零件文件，同时进行轻量化处理；步骤二：将轻量化处理后的基础构件进行装配生成整机装配体，根据机器人标准dh建模方法为每个运动关节构件依次添加坐标系，并得到urdf文件；所述urdf文件包括相邻运动关节构件之间的位置关系；步骤三：对步骤一中轻量化处理后的基础构件进行渲染以及格式转换；步骤四：将步骤三处理后的基础构件和运动学参数文件上传至三维webgis系统，其中运动学参数文件根据urdf文件中相邻运动关节构件之间的位置关系得到；步骤五：获得定位矩阵，并根据定位矩阵在三维webgis系统中加载基础构件中的底座；步骤六：根据运动学参数文件计算相邻两个运动关节构件间的位姿变换矩阵；根据位姿变换矩阵完成剩余基础构件的加载；步骤七：施工作业装备的装配体模型在三维webgis系统中加载完成后，根据施工作业装备实际的位置传感器状态值以及当前时刻的位姿变换矩阵更新下一时刻的位姿变换矩阵，由更新后的位姿变换矩阵驱动施工作业装备的装配体模型在下一时刻的动作。2.根据权利要求1所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述步骤一中，轻量化处理包括对基础构件进行删除顶点、面片折叠和内部模型删减。3.根据权利要求1所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述步骤二中，添加相邻运动关节构件之间的约束关系，并保证位移和回转变化均处于零位，得到整机装配体。4.根据权利要求1所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述步骤三中，格式转换是将基础构件的格式转换为三维webgis系统能加载的模型格式。5.根据权利要求1所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述步骤四中，所述运动学参数文件包括两个相邻运动关节构件之间的运动学参数，所述运动学参数包括绕x轴的旋转角度θ
x
、绕y轴的旋转角度θ
y
、绕z轴的旋转角度θ
z
、沿x轴的平移量x、沿y轴的平移量y和沿z轴的平移量z。6.根据权利要求5所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述步骤六中，根据式1)计算相邻两个运动关节构件之间的位姿变换矩阵，具体为：t＝rot(x,θ
x
)rot(y,θ
y
)rot(z,θ
z
)trans(x,x)trans(y,y)trans(z,z)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
式1)，其中，t为位姿变换矩阵，rot(x,θ
x
)表示绕x轴旋转角度θ
x
的齐次矩阵，rot(y,θ
y
)表示绕y轴旋转角度θ
y
的齐次矩阵，rot(z,θ
z
)表示绕z轴旋转角度θ
z
的齐次矩阵，trans(x,x)表示沿x轴平移量x的齐次矩阵，trans(y,y)表示沿y轴平移量y的齐次矩阵，trans(z,z)表示沿z轴平移量z的齐次矩阵。7.根据权利要求6所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，其中rot(x,θ
x
)、rot(y,θ
y
)、rot(z,θ
z
)、trans(x,x)、trans(y,y)和trans(z,z)计算方式如式2)：
8.根据权利要求1所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述步骤七中，施工作业装备的装配体模型的动作包括大臂横摆、大臂俯仰、大臂伸缩、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁旋转、锚杆轴旋转、推进梁伸缩和凿岩机伸缩。9.根据权利要求1所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述位置传感器状态值包括相邻运动关节构件之间实际的旋转量和平移量。10.根据权利要求1所述的基于web端臂架类施工作业装备状态监测方法，其特征在于，所述步骤五中，施工作业装备在每次作业时都发送一个定位矩阵给三维webgis系统，三维webgis系统根据定位矩阵进行坐标转换得到一个地理坐标，然后将底座加载到对应的地理坐标位置。

技术总结
本发明提供了一种基于WEB端臂架类施工作业装备状态监测方法，将施工作业装备实际施工时的位置传感器状态值与当前时刻的位姿变换矩阵相结合更新位姿变换矩阵，由位姿变换矩阵驱动三维WebGIS系统(即网页端)的装配体模型动作，即以数据驱动模型的方式实现对装备工作状态的真实模拟，实现三维WebGIS系统中装配体模型的动作与施工作业装备实际施工时的动作保持一致，因此可以实现在网页端对施工作业装备的状态进行监测，实现了三维可视化显示管理。理。理。


技术研发人员：刘飞香 秦念稳 谭新 游凯伦 张新元 郝蔚祺 郭峰 宁方可 胡维
受保护的技术使用者：中国铁建股份有限公司
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/3/8