[发明专利]一种定曲率小口径曲线顶管的导向方法

权利要求书

1.一种定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，在掘进开始前测量初始管节端点的坐标，以建立顶管机曲线顶管理想轨迹的方程；

S2，在每段管节的端点处安装激光发射器及激光靶以构成激光靶链；

S3，利用激光靶测得的光斑坐标变化量来计算相邻管节端点相对于理想位置的角度偏移量及坐标偏移量；

S4，结合获得的角度偏移量及坐标偏移量，并根据管节的形状一一修正位于步骤S3中管节端点前方的管节端点的理想位置；

S5，自最后一段管节端点的坐标开始，重复步骤S3及S4直至计算至顶管机先导管的实际位置；

S6，掘进过程中，不断推进并安装新的管节，并用安装于地面的平行光管来测量当前最后一段管节的末端坐标变动，接着重复步骤S3、步骤S4及步骤S5，以更新此时的先导管头部的实际坐标。

2.如权利要求1所述的定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于：建立顶管机曲线顶管理想轨迹的方程时，结合管节及先导管的端点坐标采用最小二乘法来求得轨迹圆所在的三维平面方程；再基于直角坐标系求出轨迹圆的半径及圆心，由此得到圆形轨迹，轨迹圆上的目标点通过基础坐标变化得到。

3.如权利要求2所述的定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于：所述目标点的坐标采用以下公式表示：

式中，(x₀，y₀，z₀)为圆心坐标；α为圆平面和Z轴的夹角；γ为圆平面和X轴的夹角；r为圆的半径；β为圆弧对应的圆心角；O₁是圆与XOY平面的交点；T为目标点。

4.如权利要求1-3任一项所述的定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于：后一段管节端点处的平行光管发出的激光束打到前一段管节端点处的激光靶上以构成激光靶链。

5.如权利要求1-3任一项所述的定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于：步骤S3中，激光光斑坐标的变化量及激光入射角度的变化量满足以下条件：

Δθ_u＝atan(u′/f)-atan(u/f)：

Δθ_v＝atan(v′/f)-atan(v/f)

式中，v轴方向沿理论圆轨迹的径向；u轴方向垂直于理论圆轨迹所在的平面；(u，v)是安装平行光管后记录的初始光斑坐标；(u′，v′)是发生形变后的光斑坐标；f是工业相机的焦距。

6.如权利要求3所述的定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于：步骤S3中，采用以下公式来计算端点相对于理想位置的坐标偏移量：

式中，[Δx_i，Δy_i，Δz_i]是端点i实际位置相对于端点i理想位置的位置偏移；L_i，i+1是连接端点i和端点i+1的弦；和是根据端点i处激光靶数据计算的角度变化；β_i是圆心角iOO₁；是L_i，i+1对应的圆弧。

7.如权利要求1所述的定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于：步骤S4是从最后一段管节端点的实际坐标开始计算的，最后一段管节端点的实际坐标是由安装于地面的激光器直接测得的。

8.如权利要求3所述的定曲率小口径顶管的导向方法，其特征在于：修正前方端点的理想坐标时，j-n端点和前方的所有端点位置变化是同步的，修正轨迹按以下公式进行：

n＝1，2，3...，j-2；

k＝1，2，3，...，j-n-1；

式中，j是最后一段管节末端的序号；是端点j-n-k经过n次修正后的理论位置；L_j-n，j-n-k是连接端点j-n和j-n-k的弦；和是根据端点j-n处激光靶数据计算得到的角度变化；β_j-n-k是圆心角(j-n-k)OO₁；是L_j-n，j-n-k对应的圆弧。