[发明专利]顶管姿态测量系统中的倾角仪与光纤陀螺仪的融合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种融合方法，尤其涉及一种顶管姿态测量系统中的倾角仪与光纤陀螺仪的融合方法。

背景技术

非开挖技术是利用岩石钻掘的技术手段，在地表以最少的开挖量或不需要开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术。顶管施工是一种用于非开挖技术中铺设新管线的施工技术。随着我国城市化建设的不断推进与发展，顶管法施工以其不需要开挖地面、占地面积少、交通影响小、开挖速度快、经济、环保的优势在综合管廊、地下通道等项目建设中不断发挥重要作用。

在顶管机掘进过程中，由于地层土质变化、千斤顶推力不均、回填注浆不均、尾盾间隙不均以及已拼管节轴线不准等因素影响，不可能完全按设计方向推进，为了保证掘进轨道与设计轨道高度重合，一般会设计顶管姿态测量系统。顶管姿态测量系统对顶管机机头的位置和姿态进行实时测量，并根据测量结果对掘进方向进行调整。已有顶管姿态测量系统通过激光靶显示姿态偏差，并通过摄像头接入控制台，智能化、自动化程度低。

稳定环境下，顶管姿态测量系统的倾角仪输出具有较高的精度，在强振动环境下，倾角仪输出存在较大误差，而顶管姿态测量系统的陀螺仪在振动环境下有较高的稳定性，但因其测量机制，长时间工作会受到外界因素(温度、噪声等)干扰，导致陀螺仪轴测量的漂移，影响测量精度。

发明内容

为了降低外界干扰对光纤陀螺仪精度的影响，本发明提供一种顶管姿态测量系统中的倾角仪与光纤陀螺仪的融合方法。

本发明的解决方案是：一种顶管姿态测量系统中的倾角仪与光纤陀螺仪的融合方法，所述顶管姿态测量系统实现顶管机姿态信号的获取；所述融合方法包括以下步骤：

1)对倾角仪输出的倾角数据进行一阶差分处理；

2)收集光纤陀螺仪的动态数据和一阶差分处理后的倾角数据；

3)设计卡尔曼滤波器；

4)通过所述卡尔曼滤波器对光纤陀螺仪的动态数据和一阶差分处理后的倾角数据进行数据补偿和信息融合，获取顶管机姿态信号的姿态信号；

其中，在步骤3)和步骤4)中，根据光纤陀螺仪的零漂，建立相应的随机误差模型：其中x为光纤陀螺仪的实际输出，ω为光纤陀螺仪的实际角速率，由真实速率驱动白噪声n_ω驱动，n_ω的方差为Q_ω；b为光纤陀螺仪的速率随机游走噪声，白噪声n_b的方差为Q_b；建立光纤陀螺的仪角度随机游走噪声n_a，方差为Q_a；

建立光纤陀螺仪的状态模型：Y_k＝AY_k-1+AW_k，其中状态矢量：n_ω的方差为Q_ω，驱动序列：

建立光纤陀螺仪的观测矩阵：X_k＝CY_k+V_k，其中观测矢量：ω_k表示陀螺仪的输出值，θ表示在一个采样周期内倾角仪的角位移，n_ak为陀螺仪测量噪声，方差为Q_n；n_k＝δ_k-δ_k-1，其中δ_k为倾角仪输出的且经一阶差分处理后的倾角数据，方差为Q_δ，驱动序列：

其中，所述卡尔曼滤波器的驱动序列W_k、V_k满足以下条件：

其中：δ_kj是单位为1的量纲函数，

协方差矩阵：

其中，Q_k、R_k代表卡尔曼滤波器对相应传感器数据的信任程度，值越小，明信任程度越高，在顶管姿态测量系统中光纤陀螺仪的值更为接近准确值；

所述卡尔曼滤波器的滤波过程：