CN101078624A - 一种基于光纤陀螺全站仪和psd激光标靶的盾构机自动导向系统 - Google Patents

一种基于光纤陀螺全站仪和psd激光标靶的盾构机自动导向系统 Download PDF

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Abstract

一种基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统，由光纤陀螺全站仪、PSD激光标靶、自动导向系统计算机和后视参考棱镜组成，光纤陀螺全站仪由光纤陀螺寻北仪、激光全站仪和ARM处理器组成；激光全站仪发射激光到后视参考棱镜和PSD激光标靶以测量光纤陀螺全站仪到后视参考棱镜和PSD激光标靶的距离；后视参考棱镜将激光全站仪发射的激光按入射方向反射；ARM处理器计算激光全站仪的坐标、发射激光的水平方位角以及激光标靶的坐标；PSD激光标靶将激光全站仪发射的激光按入射方向反射，并测量其轴线与入射激光的夹角以及盾构机的滚转角和坡度角；自动导向系统计算机采集计算出盾构机的水平方位角。本发明具有精度高、自主寻北、操作简便，用于盾构机等地下作业装备的自动导向。

Description

一种基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统
技术领域
本发明涉及基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统，适用于盾构机及地下作业装备的自主定位定向。
背景技术
在地铁隧道施工中，盾构法具有对地面建筑影响小、施工方便、自动化程度高、节省人力、一次成洞、不受气候影响等优点，已经得到越来越广泛的应用。但地铁盾构施工多是在城市中心地区进行，受到施工场地、市政交通、给排水、供电、周围建筑物安全等条件的限制，对盾构的贯通精度要求非常高，特别是在两台盾构对开挖掘的隧道工程中，如果贯通精度超过控制范围，就会导致隧道管线无法完成对接。同时，在地质条件变化较大的地层内施工，必须使盾构严格按照设计图纸规定的前进方向掘进，才能避开不利的地质环境。为了安全、顺利、高效地实现盾构隧道的精确贯通，必须在盾构机掘进的过程中进行精确的导向，实时测量盾构机的位置和姿态。
我国目前的地铁隧道施工中大多采用人工测量的方法，盾构机停止推进开始拼装水泥管片时才能进行测量。这样的测量方法不能保证测量的实时性，工作效率很低。随着自动化技术的发展，各种高精度自动化测量仪器的出现，使得盾构施工测量的自动化成为可能。自动导向系统是一种集测量、仪器仪表和计算机软硬件技术于一体，具有对盾构机位置姿态进行动态测量功能的系统，传统的全站仪-激光标靶自动导向系统主要由激光全站仪、激光标靶、一个后视棱镜和计算机组成，其基本工作原理是，首先采用人工测量方法确定后视棱镜和激光全站仪的精确位置，然后利用全站仪瞄准激光标靶上的棱镜以确定激光标靶的位置坐标，然后瞄准激光标靶的靶面，利用激光标靶确定盾构机的姿态，最后根据盾构机姿态和棱镜的位置坐标确定盾头和盾尾的中心坐标，传统的全站仪-激光标靶不能够自主寻北，需要从外部引入北向，且需要人工测量全站仪自身的坐标，操作复杂，效率较低，因此迫切需要一种可以自主寻北又具有高可靠性的盾构机自动导向系统。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种自主寻北、精度高、可靠性好的基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统。
本发明的技术解决方案是：一种基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统，其特征在于：主要由光纤陀螺全站仪、PSD激光标靶、自动导向系统计算机和后视参考棱镜组成，其中光纤陀螺全站仪由光纤陀螺寻北仪、激光全站仪和第一ARM处理器组成；光纤陀螺寻北仪进行自主寻北并确定光纤陀螺全站仪的坡度角和滚转角，然后将计算结果输出到第一ARM处理器；激光全站仪发射激光到后视参考棱镜和PSD激光标靶，以测量光纤陀螺全站仪到后视参考棱镜和PSD激光标靶的距离，然后把测量结果输出到第一ARM处理器；后视参考棱镜提供已知的位置坐标，并将激光全站仪发射的激光按入射方向反射；第一ARM处理器采集光纤陀螺寻北仪和激光全站仪的输出数据，并根据后视参考棱镜的坐标计算激光全站仪的坐标、发射激光的水平方位角以及激光标靶的坐标，并将计算结果以及陀螺寻北仪确定的坡度角和滚转角输出到自动导向系统计算机；PSD激光标靶将激光全站仪发射的激光按入射方向反射，并测量其轴线与入射激光的夹角以及盾构机的滚转角和坡度角，然后将测量结果输出到自动导向系统计算机；自动导向系统计算机采集第一ARM处理器和PSD激光标靶)的输出数据，计算出盾构机的水平方位角。
其中所述的光纤陀螺寻北仪主要包括X向光纤陀螺、Y向光纤陀螺、滚转角传感器、坡度角传感器和型号为TMS320C6711的DSP处理器，滚转角传感器和坡度角传感器分别测量光纤陀螺寻北仪全站仪的滚转角和坡度角，X向光纤陀螺和Y向光纤陀螺敏感绕X轴和Y轴的角速度，DSP处理器采集X向光纤陀螺、Y向光纤陀螺、滚转角传感器和坡度角传感器的数据，计算出光纤陀螺寻北仪的水平方位角，完成寻北和定姿，并将光纤陀螺寻北仪的水平方位角以及光纤陀螺全站仪的滚转角和坡度角输出到自动导向系统计算机。
其中所述的PSD激光标靶包括光学透镜、PSD靶面、反射棱镜、双轴倾角传感器和第二ARM处理器，反射棱镜将激光全站仪发射的激光按入射方向反射，双轴倾角传感器测量盾构机的滚转角和坡度角，光学透镜将激光全站仪发射的激光折射到PSD靶面上，PSD靶面敏感入射的激光，并输出激光光斑在PSD靶面上的坐标，第二ARM处理器采集PSD靶面和双轴倾角传感器的数据，计算出PSD激光标靶轴线与入射激光的夹角，然后将计算结果与双轴倾角传感器的测量结果输出到自动导向系统计算机。
本发明的原理是：将光纤陀螺寻北仪和激光全站仪相结合组成光纤陀螺全站仪，利用光纤陀螺寻北仪进行自主寻北并确定光纤陀螺全站仪的坡度角和滚转角，利用激光全站仪发射激光到后视参考棱镜和PSD激光标靶以测量全站仪到后视参考棱镜和PSD激光标靶的距离，根据后视参考棱镜的坐标计算激光全站仪和PSD激光标靶的坐标以及发射激光的水平方位角，利用PSD激光标靶测量盾构机的坡度角、滚转角以及其轴线与入射激光的夹角，利用自动导向系统计算机，根据发射激光的水平方位角、发射激光与PSD激光标靶轴线的夹角、PSD激光标靶的坐标、盾构机的坡度角和滚转角计算盾构机的水平方位角。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将光纤陀螺寻北仪与全站仪结合构建了光纤陀螺全站仪，实现了高精度自主寻北，简化了盾构机自动导向系统的操作过程，另一方面，由于光纤陀螺具有体积小、精度高、功耗低、抗冲击、启动快等一系列其他陀螺无法比拟的优点，大大提高了盾构机自动导向系统的可靠性与实用性。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明的滚转角、坡度角和水平方位角的定义。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要由光纤陀螺全站仪1、PSD激光标靶2、自动导向系统计算机3和后视参考棱镜4组成，其中光纤陀螺全站仪1由光纤陀螺寻北仪11、激光全站仪12和型号为AT91RM9200的第一ARM处理器13组成；光纤陀螺寻北仪11进行自主寻北并确定光纤陀螺全站仪1的坡度角和滚转角，然后将计算结果输出到第一ARM处理器13，激光全站仪12发射激光到后视参考棱镜4和PSD激光标靶2，以测量光纤陀螺全站仪1到后视参考棱镜4和PSD激光标靶2的距离，然后把测量结果输出到第一ARM处理器13；后视参考棱镜4提供已知的位置坐标，并将激光全站仪12发射的激光按入射方向反射；第一ARM处理器13采集光纤陀螺寻北仪11和激光全站仪12的输出数据，并根据后视参考棱镜4的坐标计算激光全站仪12的坐标、发射激光的水平方位角以及激光标靶的坐标，并将计算结果以及陀螺寻北仪11确定的坡度角和滚转角输出到自动导向系统计算机3；PSD激光标靶2将激光全站仪12发射的激光按入射方向反射，并测量其轴线与入射激光的夹角以及盾构机的滚转角和坡度角，然后将测量结果输出到自动导向系统计算机3；自动导向系统计算机3采集第一ARM处理器13和PSD激光标靶2的输出数据，计算出盾构机的水平方位角。
如图3所示，Oxnynzn为东北天坐标系，xn轴指东，yn轴指北，zn轴指天，而Oxbybzb为盾构机的机体坐标系，yb轴为盾构机纵轴线，指向盾构机前进方向，xb轴和zb轴都垂直于yb轴，三个轴构成一个右手坐标系，水平方位角指的是yb在水平面Oxnyn的投影与yn的夹角，滚转角是xb轴与水平面Oxnyn平面之间的夹角，坡度角是yb轴与水平面Oxnyn平面之间的夹角。
如图1所示，光纤陀螺寻北仪11主要包括X向光纤陀螺111、Y向光纤陀螺112、滚转角传感器113、坡度角传感器114和型号为TMS320C6711的DSP处理器115，滚转角传感器113和坡度角传感器114分别测量光纤陀螺寻北仪全站仪11的滚转角和坡度角，X向光纤陀螺111和Y向光纤陀螺112敏感绕X轴和Y轴的角速度，DSP处理器115采集X向光纤陀螺111、Y向光纤陀螺112、滚转角传感器113和坡度角传感器114的数据，计算出光纤陀螺寻北仪11的水平方位角，完成寻北和定姿，并将光纤陀螺寻北仪11的水平方位角以及光纤陀螺全站仪1的滚转角和坡度角输出到自动导向系统计算机3。
如图1所示，PSD激光标靶2包括光学透镜21、PSD靶面22、反射棱镜23、双轴倾角传感器24和型号为AT91RM9200的第二ARM处理器25，反射棱镜23将激光全站仪12发射的激光按入射方向反射，双轴倾角传感器24测量盾构机的滚转角和坡度角，光学透镜21将激光全站仪12发射的激光折射到PSD靶面22上，PSD靶面22敏感入射的激光，并输出激光光斑在PSD靶面22上的坐标，第二ARM处理器采集PSD靶面22和双轴倾角传感器24的数据，计算出PSD激光标靶2轴线与入射激光的夹角，然后将计算结果与双轴倾角传感器24的测量结果输出到自动导向系统计算机3。
如图2所示，本发明的工作流程为：
(1)启动基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统；
(2)利用光纤陀螺寻北仪自主寻北，同时光纤陀螺寻北仪中的滚转角传感器和坡度角传感器直接测量出光纤陀螺全站仪的滚转角和坡度角，光纤陀螺寻北仪的水平方位角计算公式如下：
Figure A20071011805600091
其中，A＝ωy，B＝ωx，ωx和ωy分别为X向陀螺和Y向陀螺的输出；
(3)由激光全站仪发射激光到后视参考棱镜以测量激光全站仪和后视参考棱镜之间的距离；
(4)根据后视参考棱镜的坐标和激光全站仪与后视参考棱镜之间的距离计算激光全站仪的坐标xl、yl和zl：
xl＝xp+l1·cosθ·sin                (2)
yl＝yp-l1·cosθ·cos                (3)
zl＝zp-l1·sinθ                       (3)
其中，xp、yp和zp为后视参考棱镜的坐标，l1为激光全站仪与后视参考棱镜之间的距离，和θ分别为激光全站仪发射激光的水平方位角和坡度角，
＝0+α                             (4)
θ＝θ0+β                             (5)
其中，0和θ0分别为步骤(1)中光纤陀螺寻北仪确定的光纤陀螺寻北仪的水平方位角和光纤陀螺全站仪的坡度角，α和β分别为激光全站仪的两个转角，可从激光全站仪中直接读出；
(5)利用激光全站仪发射激光到PSD激光标靶下部的反射棱镜，测量激光全站仪到PSD激光标靶的距离l2，并根据激光全站仪的坐标xl、yl和zl计算PSD激光标靶的坐标xb、yb和zb：
xb＝xl-l2·cosθ·sin                (6)
yb＝yl-l2·cosθ·cos                (7)
zb＝zl+l2·sinθ；                     (8)
(6)利用激光全站仪发射激光到PSD激光标靶的光学透镜，光学透镜将入射激光折射到PSD靶面，PSD靶面输出激光光斑在靶面上的两个坐标xt和yt，然后由2号ARM处理器计算出PSD激光标靶轴线与入射激光之间的夹角η，双轴倾角传感器直接测量出盾构机的滚转角和坡度角，最后由第二ARM处理器将PSD激光标靶轴线与入射激光之间的夹角η、盾构机的滚转角和坡度角输出到自动导向系统计算机，PSD激光标靶轴线与入射激光之间夹角η的计算公式为：
η＝arctg(xt/h)                        (9)
其中，h为光学透镜的焦距；
(7)自动导向系统计算机根据激光全站仪发射激光的水平方位角及该激光与PSD激光标靶轴线的夹角η计算出盾构机的水平方位角d：
d＝+η                             (10)
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1、一种基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统，其特征在于：主要由光纤陀螺全站仪(1)、PSD激光标靶(2)、自动导向系统计算机(3)和后视参考棱镜(4)组成，其中光纤陀螺全站仪(1)由光纤陀螺寻北仪(11)、激光全站仪(12)和第一ARM处理器(13)组成；光纤陀螺寻北仪(11)进行自主寻北并确定光纤陀螺全站仪(1)的坡度角和滚转角，然后将计算结果输出到第一ARM处理器(13)；激光全站仪(12)发射激光到后视参考棱镜(4)和PSD激光标靶(2)，以测量光纤陀螺全站仪(1)到后视参考棱镜(4)和PSD激光标靶(2)的距离，并将测量结果输出到第一ARM处理器(13)；后视参考棱镜(4)提供已知的位置坐标，并将激光全站仪(12)发射的激光按入射方向反射；第一ARM处理器(13)采集光纤陀螺寻北仪(11)和激光全站仪(12)的输出数据，并根据后视参考棱镜(4)的坐标计算激光全站仪(12)的坐标、发射激光的水平方位角以及激光标靶的坐标，并将计算结果以及陀螺寻北仪(11)确定的坡度角和滚转角输出到自动导向系统计算机(3)；PSD激光标靶(2)将激光全站仪(12)发射的激光按入射方向反射，并测量其轴线与入射激光的夹角以及盾构机的滚转角和坡度角，然后将测量结果输出到自动导向系统计算机(3)；自动导向系统计算机(3)采集第一ARM处理器(13)和PSD激光标靶(2)的输出数据，计算出盾构机的水平方位角。
2、根据权利要求1所述的基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统，其特征在于：所述的光纤陀螺寻北仪(11)主要包括X向光纤陀螺(111)、Y向光纤陀螺(112)、滚转角传感器(113)、坡度角传感器(114)和型号为TMS320C6711的DSP处理器(115)，滚转角传感器(113)和坡度角传感器(114)分别测量光纤陀螺寻北仪全站仪(11)的滚转角和坡度角，X向光纤陀螺(111)和Y向光纤陀螺(112)敏感绕X轴和Y轴的角速度，DSP处理器(115)采集X向光纤陀螺(111)、Y向光纤陀螺(112)、滚转角传感器(113)和坡度角传感器(114)的数据，计算出光纤陀螺寻北仪(11)的水平方位角，完成寻北和定姿，并将光纤陀螺寻北仪(11)的水平方位角以及光纤陀螺全站仪(1)的滚转角和坡度角输出到自动导向系统计算机(3)。
3、根据权利要求1所述基于光纤陀螺全站仪和PSD激光标靶的盾构机自动导向系统，其特征在于：所述的PSD激光标靶(2)包括光学透镜(21)、PSD靶面(22)、反射棱镜(23)、双轴倾角传感器(24)和第二ARM处理器(25)，反射棱镜(23)将激光全站仪(12)发射的激光按入射方向反射，双轴倾角传感器(24)测量盾构机的滚转角和坡度角，光学透镜(21)将激光全站仪(12)发射的激光折射到PSD靶面(22)上，PSD靶面(22)敏感入射的激光，并输出激光光斑在PSD靶面(22)上的坐标，第二ARM处理器采集PSD靶面(22)和双轴倾角传感器(24)的数据，计算出PSD激光标靶(2)轴线与入射激光的夹角，然后将计算结果与双轴倾角传感器(24)的测量结果输出到自动导向系统计算机(3)。
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