1.一种基于路径规划导航的隧道定位装置,其特征在于,包括自动激光瞄准模块、自动调平机构、处理控制模块、RFID读写模块、电源模块、固定底座以及位置标签模块;其中电源模块设置于处理控制模块以及固定底座之间;处理控制模块上侧还设置有自动调平结构,自动调平机构上设置有自动激光瞄准模块;RFID读写模块设置于处理控制模块的左右两侧;位置标签模块设置于隧道内侧;处理模块分别与自动激光瞄准模块、自动调平机构、RFID读写模块以及电源模块连接,所述固定底座架设于铁路轨道上或者安装于外部的铁轨大型平板车的设定位置;所述位置标签模块设置于隧道内,位置标签模块为透明的正方体结构;在位置标签模块的相对的两个面上设置有反光标签;位置标签模块朝向轨道的一面还设置有RFID;所述处理控制模块包括微型电脑以及FPGA模块,其中微型电脑用于处理自动激光瞄准模块采集的信息,并完成距离计算;FPGA模块分别与微型电脑以及自动调平机构连接,用于控制自动调平机构实现调平;所述自动激光瞄准模块包括左右旋转电机、上下旋转电机、望远视觉标准模块以及安装架;望远视觉标准模块通过左右旋转电机以及上下旋转电机设置于安装架上,望远视觉标准模块通过左右旋转电机以及上下旋转电机分别实现左右和上下的转动;其中左右旋转电机和上下旋转电机还能够获取各自的旋转角度;安装架设置于自动调平结构上;望远视觉标准模块包括激光测距模块以及机器视觉模块,其中激光测距模块用于检测距离,机器视觉模块用于获取图像;所述自动调平机构包括二轴角度旋转平台、倾斜传感器、二轴旋转电机以及FPGA控制卡;其中FPGA控制卡分别与二轴角度旋转平台、倾斜传感器以及二轴旋转电机连接,FPGA控制卡还与处理控制模块中的FPGA模块连接;所述RFID读写模块包括RFID读写装置以及伸缩臂,其中RFID读写装置通过伸缩臂安装设置于处理控制模块的左右两侧。
2.一种基于路径规划导航的隧道定位方法,其特征在于,基于权利要求1所述的一种基于路径规划导航的隧道定位装置,包括如下步骤:步骤1:定位装置获取第一组CP3基准点C0和C1的经纬度坐标,建立正向坐标系;步骤2:定位装置进入隧道,并沿着隧道前行,每前行设定里程,则设置位置标签模块;步骤3:将设置的位置标签模块作为待测点,根据基准点坐标结合自动激光瞄准模块,通过粗定位流程依次检测获得两组基准点之间的待测点的检测坐标;步骤4:定位装置获得第二组CP3基准点C2和C3的经纬度坐标,并将其带入正向坐标系;将基准点C2和C3的实际经纬度坐标的转换坐标与其检测坐标进行比较,获得第一误差;其中检测坐标表示定位装置通过粗定位流程获得的测量值;步骤5:定位装置继续前行,直至驶出隧道,采集隧道出口的基准点组的经纬度坐标;并根据步骤1~步骤4,获得任意两个基准点组之间的正向坐标系;步骤6:定位装置从隧道出口的基准点组返回第一组基准点,通过自动激光瞄准模块依次检测两组基准点之间的待测点,结合粗定位流程获得检测坐标,并根据每两个相邻基准点之间的第一误差对检测坐标进行修订,获得修订坐标,并获得任意两个基准点组之间的反向坐标系;步骤7:定位装置获得基准点的经纬度坐标,并将其带入反向坐标系;将每个反向坐标系中的基准点的实际经纬度坐标的转换坐标与其检测坐标进行比较,获得每段反向坐标系的第二误差;步骤8:获得每段反向坐标系的第二误差与对应的基准点组之间的里程的比值,将比值与设定的阈值进行比较;若比值超出设定阈值,则认为修订坐标的误差较大,需要根据第二误差再次修订,获得二次修订坐标,进入步骤9;否则,认为修订坐标符合误差预期,结束步骤;步骤9:定位装置从隧道入口的第一组基准点返回隧道出口,将修正后的二次修订坐标写入待测点的RFID中,结束步骤。
3.根据权利要求2所述的一种基于路径规划导航的隧道定位方法,其特征在于,所述步骤1中,将C0设定为坐标原点,设定基准点C0在正向坐标系中的转换坐标为(0,0,0);将基准点C1的经纬度坐标带入正向坐标系一中获得转换坐标(X1,Y1,Z1),如下所示:Z1=H0-H1其中,获得基准点C0和C1的经纬度坐标分别为(N0,E0,H0)以及(N1,E1,H1);C为地球周长信息,C=6381372*math.pi*2,通过将周长C与360/60/60的比值,转换成角秒,表示每角秒对应长度,单位为米。
4.根据权利要求2所述的一种基于路径规划导航的隧道定位方法,其特征在于,所述步骤2中设置位置标签模块的过程包括:首先设定隧道直径为D1米,设置自动激光瞄准模块的投射距离为L米,根据投射距离和隧道直径获得转向角θ,表示为:定位装置控制自动激光瞄准模块的左右旋转电机分别向左和右转动θ角度,向隧道内投射激光点,并在激光点位置设置位置标签模块;在完成一处位置标签模块的设置后,会向前行进设定里程L’,并重复上述过程,完成所有位置标签模块的设置。
5.根据权利要求2所述的一种基于路径规划导航的隧道定位方法,其特征在于,所述步骤3中的粗定位流程需要通过相邻的两组基准点对其间的待测点进行检测,其中每次通过基准点组,都会根据基准点组的经纬度坐标,并根据该基准点组在正向坐标系中的转换坐标,作为后一段隧道中的待测点的检测基准;其中安装粗定位流程包括如下步骤:步骤31:定位装置从隧道入口沿轨道正向行驶,读取经过的基准点组的经纬度坐标,并建立正向坐标系;步骤32:通过编码器获得行驶里程数据,通过未知点求取流程,根据基准点求得相邻的未知待测点的检测坐标;步骤33:根据已知待测点的检测坐标,不断循环求取相邻的未知待测点的检测坐标,直至到达隧道出口,结束步骤。
6.根据权利要求5所述的一种基于路径规划导航的隧道定位方法,其特征在于,所述步骤32中未知点求取流程包括:步骤321:定位装置开启望远系统自动瞄准流程,粗定位已知点P1,获得 其中δ表示自动激光瞄准模块中的上下电机转动角度, 表示左右电机转动角度,dist表示望远视觉标准模块获得的距离值;已知点P1包括基准点以及完成坐标检测的待测点;步骤322:将Δ-p1按照极坐标公式转化为(ΔX,ΔY,ΔZ),并以已知点P1在反向坐标系中的坐标(X,Y,Z)为基准,获得定位装置的坐标一carP1(X+ΔX,Y+ΔY,Z+ΔZ);步骤323:定位装置粗定位已知点P2,获得 根据Δ-p2和已知点P2在反向坐标系中的坐标,获得定位装置的坐标二carP2;步骤324:根据carP1和carP2加权平均获得定位装置的加权坐标carP;步骤325:定位装置瞄准未知点p3和p4,获得测量的相对坐标,并根据定位装置的加权坐标carP,获得p3和p4检测坐标。
7.根据权利要求6所述的一种基于路径规划导航的隧道定位方法,其特征在于,所述步骤324中的加权坐标carP,首先需要建立空间坐标系,以定位装置坐标为原点,根据获得的 和 在空间坐标系中获得P1和P2的位置,并在空间坐标系中将点P1和P2连线,获得线段P1-P2;获得定位装置坐标,即原点,与线段P1-P2的垂线和垂点坐标;根据空间坐标系中的垂点坐标到点P1和P2坐标的距离比值,分配权值w1和w2,其中权值w1和w2的和为1。
8.根据权利要求2所述的一种基于路径规划导航的隧道定位方法,其特征在于,所述步骤3设置位置标签模块并完成粗定位后,还需要对位置标签模块的RFID中写入粗定位的坐标,具体包括如下过程:设定RFID读写模块的伸缩臂伸展时,RFID读写装置距离隧道中轴线的最小距离为D2,隧道直径为D1,其中隧道中轴线与轨道中心线重合;设定RFID读写模块的读写范围为L1米,则获得定位装置行驶过程中的RFID读写模块的感知长度L rfid 表示为:获得感知长度L rfid 后,在定位装置第一次收到RFID信号,继续行进一半的感知长度L rfid 的里程,再进行RFID写入操作。
9.一种打孔方法,其特征在于,基于权利要求2-8中任意一项所述的一种基于路径规划导航的隧道定位方法,打孔方法包括如下步骤:步骤S1:将定位装置固定在打孔机械手的基座上,获取打孔点的打孔坐标;步骤S2:打孔机械手的基座沿轨道进入隧道,通过定位装置的RFID读写模块获得隧道墙体上的位置标签模块的RFID记录坐标;步骤S3:基座继续运动,定位装置根据对位置标签模块进行角度和距离测量,结合读取的RFID记录坐标,获得车体坐标(carx1,cary1,carz1);步骤S4:获得定位装置与打孔机械手的转头的相对坐标(Δx,Δy,Δz);相对坐标(Δx,Δy,Δz)会随着打孔机械手的动作而改变;将相对坐标作为补偿坐标,并将补偿坐标(Δx,Δy,Δz)传递到定位装置的打孔定位坐标中,获得打孔定位坐标(carx1+Δx,cary1+Δy,carz1+Δz);步骤S5:控制基座运动,使打孔定位坐标与设置的打孔坐标相等,完成对打孔的定位,并完成打孔工作;步骤S6:依次循环,直至整个隧道打孔完毕。