CN102518445B - 盾构机的激光导向控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盾构机的激光导向控制系统和方法，所述方法包括以下步骤：激光全站仪测量盾构机中的棱镜在地面坐标系下的坐标；通过激光接收靶和传感器确定盾构机的姿态参数；控制器计算刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点在地面坐标系下的坐标，并确定刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点相对于掘进计划线的轴向偏移量；控制器对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，并控制盾构机进行掘进。采用本发明的技术方案，在保证测量精度和稳定性的前提下，极大地提高了现有控制测量系统的自动化程度和施工效率，并可以极大地节约工程开销。

Description

盾构机的激光导向控制系统及方法

技术领域

本发明涉及精密工程机械领域，尤其涉及一种盾构机的激光导向控制系统和方法。

背景技术

盾构机(全称为“盾构隧道掘进机”)是一种用于隧道掘进的工程机械。盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多种技术。

随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，盾构掘进施工技术有了新的飞跃。激光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，具有对盾构机姿态进行动态测量功能的系统，并在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统极大地提高了盾构法施工的准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。

然而，当前的施工设备不具备自动测控功能，施工过程中的测量与控制操作需要根据经验进行手工操作，对施工进度和施工质量产生直接影响。另一方面，现有的盾构机控制测量系统没有自动纠偏的功能，对施工的效率有较大的影响。

因此，需要能够在保证测量精度和稳定性的前提下提高现有自动化程度和施工效率并可以极大地节约工程开销的盾构机的激光导向控制方法。

发明内容

本发明的目的在于在保证测量精度和稳定性的前提下提高现有施工设备自动化程度，为了克服现有技术的缺陷或不足，提供一种盾构机的激光导向控制系统和方法。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种盾构机的激光导向控制方法，包括以下步骤：

A、激光全站仪测量盾构机中的棱镜在地面坐标系下的坐标；

B、通过激光接收靶和传感器确定盾构机的姿态参数；

C、控制器计算刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点在地面坐标系下的坐标，并确定刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点相对于掘进计划线的轴向偏移量；

D、控制器对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，并控制盾构机进行掘进。

所述步骤B中，盾构机的姿态参数包括：

偏角，表示盾构机的中心轴线和隧道设计轴线在水平投影面的夹角；

旋角，表示盾构机绕中心轴线相对于水平位置旋转的角度；

倾角，表示盾构机的中心轴线和隧道设计轴线在垂直投影面的夹角；

通过油缸伸缩量传感器测量的盾构机各油缸的伸缩量计算偏角；通过转角传感器测量旋角；通过倾角传感器测量倾角。

所述步骤D中，控制器基于修正和拟合的掘进曲线调整各油缸的伸缩量，从而控制盾构机沿隧道设计轴线进行掘进。

本发明还公开了一种盾构机的激光导向控制系统，所述控制测量系统包括：

激光全站仪，用于发射激光并测量盾构机中的棱镜在地面坐标系下的坐标；

激光接收靶，用于接收激光全站仪发射的激光来确定盾构机的姿态参数；

传感器，用于测量盾构机的姿态参数；

油缸伸缩控制单元，用于调整各油缸的伸缩量；

控制器，用于计算刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点在地面坐标系下的坐标和相对于掘进计划线的轴向偏移量，并对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，控制油缸伸缩控制单元；

其中，控制器分别与激光全站仪、传感器和油缸伸缩控制单元连接。

所述传感器包括：油缸伸缩量传感器，用于测量盾构机的各油缸的伸缩量，控制器基于测量的各油缸的伸缩量计算偏角；转角传感器，用于测量旋角；倾角传感器，用于测量倾角。

所述控制器为可编程逻辑控制器。

掘进曲线为直线时，激光全站仪与盾构机中的棱镜的距离小于200米；掘进曲线为曲线时，激光全站仪与盾构机中的棱镜的距离小于100米。

所述激光导向控制系统还包括显示单元，用于显示刀头中心点的里程和轴向偏移量、盾构机中折点的里程和轴向偏移量、盾尾中心的里程和轴向偏移量、偏角、旋角和倾角。

本发明的有益效果，采用本发明的技术方案，在保证测量精度和稳定性的前提下，极大地提高了现有的盾构机控制测量系统的自动化程度和施工效率，并可以极大地节约工程开销。

附图说明

下面根据附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明具体实施方式提供的盾构机激光导向控制方法的流程示意图；

图2为本发明具体实施方式中盾构机姿态参数的说明示意图；

图3为本发明具体实施方式提供的盾构机激光导向控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明具体实施方式提供的盾构机激光导向控制方法的流程示意图，如图1所示，该流程主要包括以下步骤：

步骤S101中，激光全站仪测量盾构机中的棱镜在地面坐标系下的坐标。虽然盾构机中设置有多个棱镜，但是只需要计算一个棱镜的坐标即可。盾构机中设置多个棱镜的目的在于，在盾构机掘进过程中，激光全站仪可能无法获得有些棱镜的位置。

激光全站仪安装在已建立的施工隧道内，盾构机中的棱镜在盾构机中的安装位置是固定不变的。在开始控制测量之前，所述棱镜应该调整到便于激光全站仪测量并且不被盾构机后部设备遮挡住视线的位置，并且所属棱镜的反射镜面必需面向激光全站仪。

所述激光全站仪可测量盾构机中的棱镜相对于激光全站仪自身的距离和方位角。在隧道中已安装了参考点，并且该参考点在地面坐标系下的坐标是已知的。需要预先以人工方法测量所述参考点在地面坐标系下的坐标以及激光全站仪设置的位置。此外，通过人工测量的方法对盾构机的初始姿态参数进行精确测定以便于对激光导向控制系统中的有关参数进行配置，例如，棱镜的坐标

激光全站仪也可测量参考点，来得到参考点相对激光全站仪的相对距离和方位角，控制器可基于参考点在地面坐标系下的坐标、棱镜和参考点相对于激光全站仪的相对位置来计算出棱镜在地面坐标系下的坐标。

激光全站仪与盾构机中棱镜的距离，优选为在盾构机的掘进曲线为直线时不超过200m，在掘进曲线为曲线时不超过100m。当激光全站仪与棱镜的距离不满足上述距离时可改变激光全站仪的安装位置。

步骤S102中，通过盾构机上的激光接收靶、倾角传感器、转角传感器和油缸伸缩量传感器来确定盾构机的姿态参数。

如图2所示，盾构机的姿态参数包括：表示盾构机机头的中心轴线和隧道设计轴线在水平投影面的夹角的偏角；表示盾构机绕中心轴线相对于水平位置旋转的角度的旋角；表示盾构机中心轴线和隧道设计轴线在纵向竖直投影面的夹角的倾角。其中，偏角顺时针旋转为正，旋角和倾角逆时针旋转为正。

根据油缸伸缩量传感器得到各个油缸的伸缩量，然后通过计算得到偏角。由安装在机头部分的转角传感器和倾角传感器来分别测量旋角和倾角。

步骤S103中，控制器计算刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点在地面坐标系下的坐标，并确定刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点相对于掘进计划线的轴向偏移量。

假设，通过控制器计算得到的刀头中心店F和盾构机中折点C在盾构机坐标系下的坐标分别为(x_F，y_F，z_F)、(x_C，y_C，z_C)。并且，由于盾尾中心点B为盾构机坐标系B-XYZ的原点，因此其在盾构机坐标系B-XYZ下的坐标为(0，0，0)。

另外，由于棱镜固定设置于盾构机的机尾部分上，所以棱镜与盾尾中心点B的相对位置是固定的，因此，可假设棱镜在盾构机坐标系下的坐标为(x_P，y_P，z_P)。

由于盾构机坐标系与棱镜中心坐标系的各坐标轴平行，因此，刀头中心点F、盾构机中折点C和盾尾中心点B在棱镜中心坐标系下的坐标分别为(x_F-x_P，y_F-y_P，z_F-z_P)、(x_C-x_P，y_C-y_P，z_C-z_P)和(-x_P，-y_P，-z_P)。

由等式(1)来计算盾尾中心点B在地面坐标系下的坐标(X_B，Y_B，Z_B)

$\left(\begin{array}{c}{X}_B\\ Y_B\\ Z_B\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_p\\ Y_p\\ Z_p\end{array}\right)+R\left(\begin{array}{c}-x_P\\ -y_P\\ -z_P\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，(X_P，Y_P，Z_P)是棱镜在地面坐标系下的坐标；(-x_P，-y_P，-z_P)是刀头中心点F在棱镜坐标系下的坐标；R是旋转矩阵，表示机尾部分分别绕地面坐标系的三个坐标轴旋转A、K和α角的3个旋转矩阵的乘积，其中A为偏角，K为旋角，α为倾角，即R＝R_AR_αR_K，且满足如下的等式(2)

$R=\left(\begin{array}{ccc}\cos A& -\sin A& 0\\ \sin A& \cos A& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& 0& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\α}& 0& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos K& \sin K\\ 0& -\sin K& \cos K\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，a₁至c₃是旋转矩阵R的9个方向余弦。

同理，由如下的等式(3)和(4)来计算盾构机中折点C和刀头中心点F在地面坐标系下的坐标(X_C，Y_C，Z_C)和(X_F，Y_F，Z_F)

$\left(\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_p\\ Y_p\\ Z_p\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_C-x_P\\ y_C-y_P\\ z_C-z_P\end{array}\right)---\left(3\right)$

$\left(\begin{array}{c}{X}_F\\ Y_F\\ Z_F\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_p\\ Y_p\\ Z_p\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_F-x_P\\ y_F-y_P\\ z_F-z_P\end{array}\right)---\left(4\right)$

控制器基于计算的刀头中心点F、盾构机中折点C和盾尾中心点B在地面坐标系下的坐标，计算当前刀头中心点F相对于刀头中心点设计位置在地面坐标系各轴方向上的偏移量、当前盾构机中折点C相对于盾构机中折点设计位置在地面坐标系各轴方向上的偏移量和当前盾尾中心点B相对于盾尾中心点设计位置在地面坐标系各轴方向上的偏移量；计算出刀头中心点F、盾构机中折点C和盾尾中心点B的里程。

步骤S104中，控制器对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，并控制盾构机进行掘进。控制器根据在步骤S103中计算的刀头中心点F、盾构机中折点C和盾尾中心点B的里程和各个轴向偏移量，对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，使盾构机的掘进曲线与设计的掘进曲线相一致。例如，可通过手动输入曲线的曲率半径等参数来修正和拟合盾构机的掘进曲线。

控制器基于修正和拟合的掘进曲线控制油缸伸缩控制单元来调整各油缸杆的伸缩量，从而控制盾构机沿隧道设计轴线进行掘进。

图3为本发明具体实施方式提供的盾构机激光导向控制系统的结构示意图，如图3所示，所述盾构机激光导向控制系统包括：激光全站仪301、棱镜302、传感器303、油缸伸缩控制单元304和控制器305，其中控制器分别与激光全站仪、油缸伸缩控制单元和传感器连接。

所述激光全站仪301，安装在施工隧道中，用于向设置于盾构机中的棱镜302发射激光，并测量棱镜在地面坐标系下的坐标。所述激光全站仪优选为可遥控的全自动跟踪测量全站仪，可测量棱镜220相对于激光全站仪自身的距离和方位角。参考点在地面坐标系下的坐标以及激光全站仪301设置的位置需要通过人工测量的方法获得。

所述激光接收靶302，设置于盾构机并包括光栅和两个竖向测角仪，并通过接收从激光全站仪发射的激光来确定盾构机的姿态参数，所述激光接收靶优选为六面棱镜。

所述传感器303，设置于盾构机，用于计算和测量盾构机的姿态参数。所述传感器进一步包括油缸伸缩量传感器，用于测量盾构机的各油缸的伸缩量，控制器基于测量的各油缸的伸缩量来计算出偏角；转角传感器，用于测量旋角；倾角传感器，用于测量倾角。

所述油缸伸缩控制单元304，设置于盾构机并在控制器的控制下基于修正和拟合的掘进曲线，通过调整盾构机的各油缸的伸缩量来控制盾构机进行掘进。

所述控制器305，用于计算刀头中心点、盾构机中折点、盾尾中心点在地面坐标系下的坐标和相对于设计的掘进计划线在地面坐标系各轴向方向上的偏移量，并对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，控制盾构机进行掘进。控制器通过调整盾构机的掘进曲线的曲率半径来修正和拟合盾构机的掘进曲线，基于修正和拟合的掘进曲线控制油缸伸缩控制单元来调整各油缸杆的伸缩量，从而控制盾构机沿隧道设计轴线进行掘进。所述控制器可以是可编程逻辑控制器。

以上所述的盾构机的激光导向控制系统，还可以进一步包括显示单元，所述显示单元与控制器305连接并显示以下各项：刀头中心点的里程、刀头中心点的横向偏移量和竖向偏移量、盾构机中折点的里程、盾构机中折点的横向偏移量和竖向偏移量、盾尾中心的里程、盾尾中心的横向偏移量和竖向偏移量、偏角、旋角和倾角。

根据本发明具体实施方式提供的盾构机的激光导向控制系统和方法，在保证测量精度和稳定性的前提下，极大地提高了现有控制测量系统的自动化程度和施工效率，并可以极大地节约工程开销。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种盾构机的激光导向控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 

A、激光全站仪测量盾构机中的棱镜在地面坐标系下的坐标； 

B、通过激光接收靶和传感器确定盾构机的姿态参数； 

C、控制器计算刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点在地面坐标系下的坐标，并确定刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点相对于掘进计划线的轴向偏移量； 

D、控制器对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，并控制盾构机进行掘进； 

步骤B中，所述盾构机的姿态参数包括： 

偏角，表示盾构机的中心轴线和隧道设计轴线在水平投影面的夹角； 

旋角，表示盾构机绕中心轴线相对于水平位置旋转的角度； 

倾角，表示盾构机的中心轴线和隧道设计轴线在垂直投影面的夹角； 

其中，通过油缸伸缩量传感器测量的盾构机各油缸的伸缩量计算偏角；通过转角传感器测量旋角；通过倾角传感器测量倾角。 

2.根据权利要求1所述的盾构机的激光导向控制方法，其特征在于，步骤D中，控制器基于修正和拟合的掘进曲线调整各油缸的伸缩量，从而控制盾构机沿隧道设计轴线进行掘进。 

3.一种盾构机的激光导向控制系统，其特征在于，包括： 

激光全站仪，用于发射激光并测量盾构机中的棱镜在地面坐标系下的坐标； 

激光接收靶，用于接收激光全站仪发射的激光来确定盾构机的姿态参数； 

传感器，用于测量盾构机的姿态参数； 

油缸伸缩控制单元，用于调整各油缸的伸缩量； 

控制器，用于计算刀头中心点、盾构机中折点和盾尾中心点在地面坐标系下的坐标和相对于掘进计划线的轴向偏移量，并对盾构机的掘进曲线进行修正和拟合，控制油缸伸缩控制单元； 

其中，控制器分别与激光全站仪、传感器和油缸伸缩控制单元连接； 

所述传感器包括：油缸伸缩量传感器，用于测量盾构机的各油缸的伸缩量，控制器基于测量的各油缸的伸缩量计算偏角；转角传感器，用于测量旋角；倾角传感器，用于测量倾角。 

4.根据权利要求3所述的盾构机的激光导向控制系统，其特征在于，所述控制器为可编程逻辑控制器。 

5.根据权利要求3所述的盾构机的激光导向控制系统，其特征在于，掘进曲线为直线时，激光全站仪与盾构机中的棱镜的距离小于200米；掘进曲线为曲线时，激光全站仪与盾构机中的棱镜的距离小于100米。 

6.根据权利要求3-4任一所述的盾构机的激光导向控制系统，其特征在于，还包括显示单元，用于显示刀头中心点的里程和轴向偏移量、盾构机中折点的里程和轴向偏移量、盾尾中心的里程和轴向偏移量、偏角、旋角和倾角。 

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