[发明专利]基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置

说明书

本发明提供了一种基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置，使用装置测量的方法包括：校准测量主体和准直光源；视觉技术标记投影光斑的初始位置坐标；测量投影光斑的动态位置坐标；解算导向光束相对于测量主体的平移和偏转；解算盾构机的三维姿态。本发明提供的基于导向光束的盾构姿态测量方法通过视觉技术测量准直光束在盾构机行进时投影光斑的坐标变化，解算准直光束相对盾构机的方位变化，从而解算盾构机在世界坐标系下的姿态变化。本发明提供的测量装置结构简单，成本低，拆卸方便，测量精度灵活可调，适于多种场合使用。

技术领域

本发明涉及工程建设领域，具体涉及一种基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置。

背景技术

盾构技术是指使用盾构机,一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣,并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆,从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构施工开始时，先在隧道的一端建造竖井，使盾构机安装就位，盾构机从竖井的开孔处出发，沿着隧道设计轴线向另一竖井进行掘进。

一般情况，盾构掘进过程中，隧道轴线平面和高程允许偏差为±50mm，为了保证盾构机能沿着设计线路推进，防止盾构机偏差超限，使成型隧道轴线符合设计要求，需要通过导向测量系统对隧道轴线控制测量，确保盾构机在掘进过程中的姿态偏差在误差限内。

隧道施工中的盾构机位姿测量的人工方法主要包括前后标尺法和三点法。这些方法需要在施工间隙进行，不能够实现连续测量，且操作复杂，测量人员要兼顾控制测量和施工测量，工作量大，测量时间长，效率低。

盾构姿态测量的自动化方法主要包括以下几种：

(1)陀螺仪导向，该方法在盾构机中体顶部安装一个陀螺仪，同时安装两个倾斜仪用来测量盾构机的滚角和俯仰角。

(2)棱镜法导向，该方法是在盾构机内部安装三个反射棱镜。在安装时，需要确定三个棱镜与盾构机切口中心和盾尾中心的相对位置，为盾构掘进过程中盾构机姿态计算提供基础数据。全站仪在一次测量过程中依次搜索三个棱镜，并进行坐标测量，利用所得结果，通过几何关系换算可得到盾构机切口中心和盾尾中心坐标。

(3)全站仪激光标靶导向，该方法的主要测量仪器部件是全站仪和电子激光标靶，电子激光标靶安装于盾构机头部，与盾构机切口中心和盾尾中心的位置确定，用来测量盾构机的三个姿态角。全站仪对电子标靶进行测量定位，同时为盾构机水平角的测量提供测量激光。

上述方法的不足是测量精度依赖于陀螺仪或全站仪的测角精度，受机械加工和装配的影响，且系统复杂，成本较高。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置，通过对导向光束的投影光斑进行视觉测量来确定盾构姿态，解决盾构机自动化位姿测量技术中存在的系统复杂成本高及测量精度不稳的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于导向光束的盾构姿态测量方法，该方法包括：校准测量主体和准直光源，使所述测量主体的投屏垂直于盾构机预定运动方向，使所述准直光源发出的导向光束垂直于所述测量主体的投屏；校准后，通过视觉技术测量所述导向光束的投影光斑位置坐标，记为初始位置坐标；盾构行进时，通过视觉技术测量所述导向光束的投影光斑位置坐标，记为动态位置坐标；由投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标解算盾构行进状态下所述导向光束相对于所述测量主体的平移和偏转；解算盾构机的三维姿态；其中，所述投屏包括前置投屏和后置投屏，所述前置投屏与所述后置投屏平行设置；所述投影光斑包括第一束斑和第二束斑，所述第一束斑由导向光束经前置投屏透射在后置投屏正面形成；所述第二束斑由导向光束在前置投屏背面形成。

具体地，所述校准测量主体的方法还包括：固定所述准直光源，将所述测量主体固定安装在所述盾构机上，或固定所述测量主体，将所述准直光源固定安装在所述盾构机上。