[发明专利]一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构机姿态实时控制技术，尤其是涉及一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置。

背景技术

目前我国很多城市都在大力开展地铁建设工程，其隧道施工阶段广泛应用到了盾构掘进的方法。在盾构施工中，为了确保掘进线路与设计线路相符及最后站间的成功贯通，需要对盾构机姿态进行实时控制。

盾构姿态的实时获取需要借助测量手段，分为人工测量和自动化测量两种。其中人工测量方法主要包括前后标尺法和三点法，国内部分隧道施工的盾构姿态测量中仍旧在使用该方法。自动化测量方法则主要依靠引进国外的盾构自动引导系统，根据使用的仪器设备及核心计算原理可分为：陀螺仪自动导向系统，以日本东京计器株式会社开发的TMG-32B和Tellus导向系统为代表；三棱镜自动导向系统，以日本ENZAN公司的ROBOTEC系统为代表；激光自动导向系统，以德国VMT公司的SLS-T系统和英国ZED公司的ZED261系统为代表。

人工测量方法具有精度低、同步性差、作业量大等缺陷，已逐渐被自动化测量方法取代。但由于国内盾构自动引导系统研究起步较晚，目前自动化测量主要依靠引进国外的商业化系统。这些系统虽然功能比较完善，但是在实际的工程应用中，受到仪器设备及施工环境限制，仍会出现不少问题。

1)陀螺仪自动导向系统在盾构机中体顶部安装一个陀螺仪，同时安装两个倾斜传感器获取滚动角和俯仰角。陀螺仪的作用为提供真方位角，用来确定盾构机的偏转角。该方法很大程度上受到陀螺仪精度的影响。实际上由于机械加工及装配的原因，陀螺仪不仅静定精度较低，施工中还存在零点漂移的现象。另外陀螺仪位于盾构机中体的一端，计算盾构机姿态会有两方面的放大误差：一是陀螺仪到盾构中轴线的间距放大误差，二是陀螺仪到刀盘中心(盾首中心)的纵向间距放大误差。这也大幅降低了测量精度，因此国内使用陀螺仪导向系统也仅仅是起到辅助参考作用，盾构机每掘进一段距离，就需要人工测量方法不断进行修测。

2)三棱镜自动导向系统的核心计算原理是三维空间直角坐标转换，在全站仪通视条件较好，盾构机内棱镜安装位置的选择范围较大时，其精度和连续观测距离能够满足施工要求。但是在大曲率的隧道施工中，全站仪通视区域狭长，盾构顶进一段距离之后，往往再不能保证同时与三个棱镜合作目标通视。如果采用棱镜集中布设的方法，虽然持续观测距离得到了保障，但姿态参数解算精度必然大幅降低，全站仪甚至会无法识别棱镜。事实上，国际上该方法主要用于系统安装检测，而很少用于施工环节下的盾构引导。

3)激光自动导向系统根据盾构机偏转角测量原理的不同，电子激光标靶会有所不同。SLS-T系统所采用的电子标靶是采用阴屏来接收与全站仪激光同轴的导向激光，并旋转内部光栅使得透光光强最大，通过记录旋转角度来得到盾构机偏转角。ZED261系统的电子标靶则是利用安装在标靶内部侧面和底面的传感器检测入射激光在标靶平面的入射点，和经过透镜折射后的汇聚点的不同位置来确定盾构机的偏转角。以上两种方法测量出的偏转角受到激光强度及光斑大小限制。同时，电子激光标靶的内部安装有两个倾斜传感器分别用来测量盾构机的滚动角和俯仰角。以SLS系统为例，其倾斜传感器精度为1mrad(0.057°)，取盾构机首尾中心点距离为10m，角度测量误差引起的点位计算偏差将达到1cm，这是该类型系统的主要误差来源。实际上我们完全可以通过提高倾斜传感器的精度来提高整个系统的精度等级。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量精度高、自动化程度高、算法简单的基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，该方法根据观测到的目标棱镜数目选择计算模型，结合电子倾斜仪持续返回的同步水平倾角数据，计算出盾构机的即时姿态角参数，结合设计线路数据计算盾构首尾中心点的水平、竖直偏差，具体包括如下步骤：

1)工业计算机获取设计数据；

2)工业计算机设置测量机器人的通讯参数；

3)通过无线电台判断测量机器人是否连接成功，若是，则执行步骤4)，若否，则返回步骤2)；

4)工业计算机判断是否与电子倾斜仪连接成功，若是，则执行步骤5)，若否，则对电子倾斜仪进行检核后重新执行步骤4)；

5)测量机器人完成设站及定向；

6)测量机器人按照设定的时间间隔对三个目标棱镜的空间方位角度信息进行自动测量及记录，并将记录结果通过RS232串口通讯线和无线电台传输给工业计算机；