[发明专利]用于盾构机坡度和旋转角度测量方法、系统、终端、介质

权利要求书

1.一种用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，所述用于盾构机坡度和旋转角度测量方法包括：

根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板固定后标记线坠底端初始位；同时人工测量盾构机位于始发架坡度及旋转角度，将测量结果与自动测量采集数据进行对比；

盾构掘进过程中，随着盾构机坡度及旋转角度变化，线坠依靠重力线坠底部与坡度板相对关系发生变化，量取变化量确定盾构机实时坡度和旋转角度。

2.根据权利要求1所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，盾构机旋转角度误差不大于0.1秒，坡度误差不大于0.01‰。

3.根据权利要求1所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，自动测量采集坡度板的坡度及旋转角度数据方法包括：

当操作人员对线坠发出指示信号后，盾构机中部平台的处理器接受到坡度和旋转角度影像测量器对线坠发出识别信号，处理器发出驱动指令，使盾构机中部平台装有的相机连续体通过运动底座移动到指定位置，在电机和减速器的协同作用下驱动坡度和旋转角度影像测量器处于不同的空间角度，实现对线坠的多角度拍摄，实现对线坠的时时追踪拍摄；并将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度。

4.根据权利要求3所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，坡度和旋转角度影像测量器对线坠多角度拍摄和识别的方法包括：

第一步，根据读入的线坠变化后的坐标以及盾构机中部平台与线坠的信号到达时间TOA，测量数据对X、Y、Z轴的坐标进行加权处理，然后计算这个盾构机中部平台到每个线坠变化后的坐标距离；

第二步，计算盾构机中部平台坐标距离与测量的变化后的距离的平均误差；

第三步，根据平均误差判断是否继续修正测量距离，否则返回继续加权，是则固定距离修正系数，返回第一步；

第四步，根据平均误差判断是否继续修正坐标信息，否则返回第三步，是则输出最终的线坠坐标定位信息。

5.根据权利要求4所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，是否存在线性关系，然后建立观测距离误差修正模型；利用最小二乘法对于Z轴坐标信息进行方法处理，根据设定的阈值计算出的盾构机中部平台与线坠节点的真实距离和修正后的观测距离的均方误差，在最小均方误差下得到最优修正系数，得到盾构机中部平台的精确三维定位；

所述基于无线通信线坠修正目标三维定位方法利用谱聚类的方法对线坠节点的坐标数据进行聚类，分类的类别个数为m，在得到m个聚类后在每类中找到一个最优的线坠节点；利用节点的信号到达时间TOA计算目标的三维坐标；得到线坠的坐标后，由每类中的所有线坠节点坐标求真实距离，与观测距离进行比较，求出每个误差：

误差计算方法如下式所示：

(x_i,y_i,z_i)和(x_i',y_i',z_i')分别是第i个终端的计算坐标和参考坐标，error_i是计算坐标和参考坐标的误差，error是所有终端误差的均值，n是误差的个数；

如果所选中的线坠节点误差不是最小的，则重新将误差最小的线坠节点设为理想线坠节点，其他理想线坠节点固定不变，再重新计算终端坐标和误差，直到所选中的线坠节点误差最小，则得到了当前类中的最优线坠节点；

重复依次对其它类中的选取的线坠节点进行迭代优化直到在每类中选出最终的最优线坠节点；

增加聚类的个数m，重复以上的步骤，找到不同聚类个数下的最优线坠节点算出终端的坐标并计算均方误差，均方误差变化的斜率趋于稳定时所对应的m值是精确定位终端坐标所需要的最少线坠节点个数；

对于目标三维定位中的非视距距离误差进行修正的方法包括：

步骤1：设盾构机中部平台i到线坠节点j的TOA为t_ij，c＝3×10⁸m/s为光速，终端的真实坐标为(x_i,y_i,z_i)，线坠节点的坐标为(x_j,y_j,z_j)；则观测距离S_ij和由坐标计算的真实距离S_ij'计算如下：

S_ij＝c*t_ij

步骤2：使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，发现其存在线性关系，所以由终端到线坠节点的TOA计算的观测距离与真实距离的关系，建立如下观测距离误差修正模型：

对于Z轴坐标信息进行修正处理的方法包括：

步骤I：原始的最小二乘算法，已知三维空间存在的线坠B_i＝(x_i,y_i,z_i)和它们到节点M＝(x,y,z)的观测距离d_i，其中d_i＝ct_i，c＝3×10⁸m/s为光速，t_i为终端到线坠B_i的TOA，0≤i≤N代表线坠的编号，则三维坐标的最小二乘估计为：

步骤II：观测距离修正，使用观测距离修正模型，得到终端到线坠的修正距离

其中，k为模型的修正系数；

步骤III：Z坐标信息放大，将公式里的距离项展开，如下：

(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²＝x_i²+y_i²+z²+x²+y²-2x_ix-2y_iy+z_i²-2z_iz；

设置权重W₁和W₂(W₁＞W₂＞1)，将(z_i-z)²项加权为：

W₁z_i²-2W₂z_iz+W₁z²；

步骤IV：结合实际问题对原始最小二乘算法修正，得到三维坐标的修正最小二乘估计为：

求解，得：

其中，

步骤V：误差函数系数k和Z轴放大权重W₁、W₂的确定。