CN103335647A - 一种盾构机姿态测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种盾构机姿态测量系统及其测量方法，属于定位测量装置及测量方法，解决棱镜导向系统测量的滞后性、陀螺仪导向系统的漂移以及激光标靶导向系统中水平偏航角量程受限和通视空间易受遮挡的问题。本发明测量系统包括姿态角测量单元、行程位移量测量单元和主控计算机，姿态角测量单元和行程位移量测量单元分别与主控计算机通过有线或无线方式实现通信连接。本发明测量方法实时采集盾构机掘进状态下姿态数据，通过陀螺仪和倾角仪相互补偿修正来获取盾构机的三个角度信息，同时利用第二加速度计与行程位移传感器相结合来测量盾构掘进的位置距离。本发明解决了现有技术的问题，提高了测量的精度和稳定性。

Description

一种盾构机姿态测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于定位测量装置及测量方法，具体涉及一种盾构机姿态测量系统及其测量方法，适用于城市地下轨道交通、过江隧道、山岭隧道等领域，特别适用于硬岩地质条件下的施工。

背景技术

盾构机是隧道掘进施工中的关键设备，随着隧道工程的不断增多以及科学技术的不断发展，为适应不同地质条件下的施工要求和施工效率要求，遥控控制技术、激光制导技术以及陀螺仪定位系统已普遍应用于盾构机中，使得盾构机的掘进路线的精准度越来越高，操控性和隧道的施工质量也越来越好。

目前盾构机常用的导向系统主要分为三种类型：激光标靶导向系统、陀螺仪导向系统、棱镜导向系统。它们都能实时测量盾构施工过程中的位姿，使施工人员及时获得盾构机的方位和姿态。

激光标靶导向系统通过全站仪(Electronic Total Station，全站型电子速测仪)发出的激光与标靶内部的倾角仪测量获得盾构机的位置和姿态角。无需人工干预便可以自动测量，且有很高的测量精度，每次使用全站仪获取的盾构的姿态都是独立的，没有累计误差，从而保证了结果的可靠性。但在实际施工过程中需要一定的通视空间，且只能在一定的水平方位角范围内才能正常工作。

陀螺仪导向系统借助陀螺仪获得盾构掘进过程中的水平方位角，滚角和俯仰角由倾斜仪获取。陀螺仪法测量精度高，但是由于陀螺仪感知方位角的静定精度较低(±0.05°)，且在长时间运行中，陀螺总会受到各种干扰因素的影响，如支撑组件的摩擦力、温度变化引起的陀螺仪组件尺寸的变化、噪声的影响等，它们都会引起陀螺轴测量的漂移，故其可靠性还有待提高，不适合长期测量。

棱镜导向系统需要在盾构机上三个已知位置安装全反射棱镜，依次测量三个棱镜的空间坐标，通过几何关系计算可得到盾构机在大地坐标系中的坐标位置和角度姿态。由于盾构机是不断向前掘进的，因此三个棱镜的坐标不是同时测量得到，从而导致坐标测量存在滞后性，产生测量误差。

发明内容

本发明提供一种盾构机姿态测量系统，同时提供其测量方法，解决棱镜导向系统测量的滞后性、陀螺仪导向系统的漂移以及激光标靶导向系统中水平偏航角量程受限和通视空间易受遮挡的问题，以提高测量的精度和稳定性。

本发明所提供的一种盾构机姿态测量系统，包括姿态角测量单元、行程位移量测量单元和主控计算机，所述姿态角测量单元安装在盾构机内靠近盾构机刀盘的一端，用于盾构机姿态角的测量；所述行程位移量测量单元安装在盾构机内千斤顶附近，用于盾构机行程位移量的测量，姿态角测量单元和行程位移量测量单元分别与主控计算机通过有线或无线方式实现通信连接；其特征在于：

所述姿态角测量单元包括第一加速度计、双轴倾角仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪和第三陀螺仪，所述第一加速度计的测量敏感方向与盾构机轴线竖直垂直；所述第一陀螺仪用于测量盾构机的滚动角，其回转轴与盾构机的中心轴线平行；所述第二陀螺仪用于测量盾构机的俯仰角，其回转轴平行于地平线并与所述第一陀螺仪的回转轴垂直；所述第三陀螺仪用于测量盾构机的水平方位角，其回转轴竖直向下指向地心；所述双轴倾角仪的两个敏感轴分别与第一陀螺仪、第二陀螺仪的回转轴平行，分别用于测量盾构机的滚动角、俯仰角；第一陀螺仪、第二陀螺仪、第三陀螺仪得到盾构机的滚动角、俯仰角及水平方位角送入主控计算机；双轴倾角仪测量得到盾构机的滚动角、俯仰角送入主控计算机；

所述行程位移量测量单元包括第二加速度计和行程位移传感器，所述第二加速度计和行程位移传感器的测量敏感方向与所述千斤顶轴线方向平行，用于测量所述千斤顶轴向位移；第二加速度计和行程位移传感器获得盾构机的行程位移量，送入主控计算机4；

主控计算机根据输入的盾构机的滚动角、俯仰角及水平方位角以及行程位移量，计算得到盾构机的实时位姿状态。

所述盾构机姿态测量系统的盾构机姿态测量方法，其包括下述步骤：

A.计算盾构机的振动频率：根据第一加速度计输出的垂直于盾构机轴线方向的加速度信号，计算盾构机的垂直位移量s₁(t)，再对s₁(t)进行傅立叶变换，得到频域表达式，从而得到当前盾构机的振动频率P，进行步骤B；

B.判断振动频率P是否在双轴倾角仪共振频率范围之内，是则转步骤C，否则转步骤D；所述双轴倾角仪共振频率范围由对双轴倾角仪进行实际测量确定；

C.对第一陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出的滚动角α₁，经过卡尔曼融合滤波得到补偿过的滚动角速率；对第二陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出俯仰角β₁，经过卡尔曼融合滤波得到补偿过的俯仰角速率；分别对补偿过的滚动角速率和补偿过的俯仰角速率，进行角度积分，得到高精度的滚动角α₂、俯仰角β₂；对第三陀螺仪输出的角速率进行滤波后，再角度积分处理得到水平方位角γ₂；

D.再次判断当前盾构机的振动频率P是否在盾构机共振频率范围之内，是则转步骤E；否则转步骤F；所述盾构机共振频率范围由对盾构机进行实际测量得到；

E.对双轴倾角仪输出的滚动角α₁、俯仰角β₁进行滤波处理噪声后，再分别以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，得到更为精确的滚动角α、俯仰角β；

F.对双轴倾角仪输出的滚动角α₁、俯仰角β₁，直接分别以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，得到修正后更为精确的滚动角α、俯仰角β；

G.计算盾构机行程位移量s(t)：

对第二加速度计感知的水平平行于盾构机轴线方向的加速度信息进行处理，得到盾构机水平行程位移量s₂(t)；

判断是否|s₃(t)-s₂(t)|＜ε₂，是则输出s(t)＝s₃(t)，否则输出s(t)＝s₃(t)+ε₂/2，其中，s(t)为盾构机行程位移量，s₃(t)为行程位移传感器所测得的当前千斤顶位移量，ε₂为所述行程位移传感器的精度值；

其中，步骤A和步骤G同步进行。

本发明用第一加速度计来评价工作过程中盾构机的振动频率，由双轴倾角仪和第一、第二陀螺仪来测量盾构机的滚动角和俯仰角，通过第三陀螺仪测得盾构机的水平方位角；盾构机的行程位移量数据则是由第二加速度计和盾构机千斤顶上的行程位移传感器共同获得。当盾构机振动频率在双轴倾角仪共振频率范围之外时，双轴倾角仪的测量精度高，测量以双轴倾角仪为主，陀螺仪为辅，相互补偿修正；当盾构机振动频率在双轴倾角仪的共振频率以内时，双轴倾角仪失稳，测量以陀螺仪为主，双轴倾角仪为辅，以双轴倾角仪失稳前的数据作为陀螺仪的零漂补偿，陀螺仪得到的角速度信息通过滤波手段积分后输出盾构机滚动角和俯仰角的数据信息。获得的角度信息精度高，始终能控制在1mrad以内；本发明实时采集盾构机掘进状态下姿态数据，解决了棱镜法导向系统测量的滞后性、陀螺仪法导向系统的漂移以及激光标靶导向系统中水平偏航角量程受限和通视空间易受遮挡等问题，提高了测量的精度和稳定性，以指导盾构机的掘进方向。

附图说明

图1是本发明的盾构机姿态测量系统实施例示意图；

图2是本发明的测量方法流程示意图；

图3为卡尔曼融合滤波流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。该实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的实施例，包括姿态角测量单元2、行程位移量测量单元3和主控计算机4，所述姿态角测量单元2安装在盾构机1内靠近盾构机刀盘的一端，用于盾构机姿态角的测量；所述行程位移量测量单元3安装在盾构机1内千斤顶附近，用于盾构机行程位移量的测量，姿态角测量单元2和行程位移量测量单元3分别与主控计算机4通过有线或无线方式实现通信连接；

所述姿态角测量单元2包括第一加速度计、双轴倾角仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪和第三陀螺仪，所述第一加速度计的测量敏感方向与盾构机轴线竖直垂直；所述第一陀螺仪用于测量盾构机的滚动角，其回转轴与盾构机的中心轴线平行；所述第二陀螺仪用于测量盾构机的俯仰角，其回转轴平行于地平线并与所述第一陀螺仪的回转轴垂直；所述第三陀螺仪用于测量盾构机的水平方位角，其回转轴竖直向下指向地心；所述双轴倾角仪的两个敏感轴分别与第一陀螺仪、第二陀螺仪的回转轴平行，分别用于测量盾构机的滚动角、俯仰角；第一陀螺仪、第二陀螺仪、第三陀螺仪得到盾构机的滚动角、俯仰角及水平方位角送入主控计算机4；双轴倾角仪测量得到盾构机的滚动角、俯仰角送入主控计算机4；

所述行程位移量测量单元3包括第二加速度计和行程位移传感器，所述第二加速度计和行程位移传感器的测量敏感方向与所述千斤顶轴线方向平行，用于测量所述千斤顶轴向位移；第二加速度计和行程位移传感器获得盾构机的行程位移量，送入主控计算机4；

主控计算机根据输入的盾构机的滚动角、俯仰角及水平方位角以及行程位移量，计算得到盾构机的实时位姿状态。

本实施例中，第一加速度计和第二加速度计均采用TR公司的CWY-DO型振动加速度传感器；

双轴倾角仪采用Vigor Technology公司的SST260型双轴倾角仪；

第一陀螺仪、第二陀螺仪和第三陀螺仪均采用Fizoptika公司的VG951型数字光纤陀螺仪；

行程位移传感器采用SMWEI公司的SMW-CTH型位移传感器；

主控计算机采用研华IPC-510型工控机。

如图2所示，本发明测量方法包括下述步骤：

A.计算盾构机的振动频率：根据第一加速度计输出的垂直于盾构机轴线方向的加速度信号，计算盾构机的垂直位移量s₁(t)，再对s₁(t)进行傅立叶变换，得到频域表达式，从而得到当前盾构机的振动频率P，进行步骤B；

B.判断振动频率P是否在双轴倾角仪共振频率范围之内，是则转步骤C，否则转步骤D；所述双轴倾角仪共振频率范围由对双轴倾角仪进行实际测量确定；

C.对第一陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出的滚动角α₁，经过卡尔曼融合滤波得到补偿过的滚动角速率；对第二陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出俯仰角β₁，经过卡尔曼融合滤波得到补偿过的俯仰角速率；分别对补偿过的滚动角速率和补偿过的俯仰角速率，进行角度积分，得到高精度的滚动角α₂、俯仰角β₂；对第三陀螺仪输出的角速率进行滤波后，再角度积分处理得到水平方位角γ₂；

D.再次判断当前盾构机的振动频率P是否在盾构机共振频率范围之内，是则转步骤E；否则转步骤F；所述盾构机共振频率范围由对盾构机进行实际测量得到；

E.对双轴倾角仪输出的滚动角α₁、俯仰角β₁进行滤波处理噪声后，再分别以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，得到更为精确的滚动角α、俯仰角β；

F.对双轴倾角仪输出的滚动角α₁、俯仰角β₁，直接分别以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，得到修正后更为精确的滚动角α、俯仰角β；

G.计算盾构机行程位移量s(t)：

对第二加速度计感知的水平平行于盾构机轴线方向的加速度信息进行处理，得到盾构机水平行程位移量s₂(t)；

判断是否|s₃(t)-s₂(t)|＜ε₂，是则输出s(t)＝s₃(t)，否则输出s(t)＝s₃(t)+ε₂/2，其中，s(t)为盾构机行程位移量，s₃(t)为行程位移传感器所测得的当前千斤顶位移量，ε₂为所述行程位移传感器的精度值；

其中，步骤A和步骤G同步进行。

所述的盾构机姿态测量方法，所述步骤A中，计算盾构机的垂直位移量s₁(t)，以及步骤G中，计算盾构机的水平位移量s₂(t)，可以包括下述子步骤：

3-1.在盾构机掘进施工的状态下，对第一加速度计输出的垂直于盾构机轴线方向的加速度信号a(t)＝a′(t)+δ₁，直接进行时域积分获得速度信息 $v\left(t\right)={\∫}_0^{t}a\left(t\right)\mathrm{dt}=v^{\′}\left(t\right)+({\mathrm{\δ}}_{1}t+{\mathrm{\δ}}_2)+v_0;$ 其中δ₁为测量得到的加速度信号的直流分量，v₀为初始速度；δ₂为对δ₁一次积分后产生的积分常量，积分后速度信号含有一次趋势项δ₁t+(δ₂+v₀)；采用拟合多项式法，对一次趋势项进行拟合，得到一次趋势项的拟合多项式：f₁(t)＝p₁t+p₀，从v(t)中消去一次趋势项，得到更为精确的速度信号v′(t)；

3-2.对v(t)进行时域积分，得到位移信号

其中，s₀为初始位移，δ₃为δ₁二次积分后产生的积分常量，为积分后得到的位移信号中二次趋势项，采用拟合多项式法，对二次趋势项进行拟合，得到二次趋势项的拟合多项式：f₂(t)＝q₂t²+q₁t+q₀，从s(t)中消去二次趋势项，得到更为精确的盾构机位移量s’(t)；

位移量s’(t)在所述步骤A中，表示盾构机的垂直位移量s₁(t)；在步骤G中，表示盾构机水平行程位移s₂(t)。

如图3所示，所述的盾构机姿态测量方法，所述步骤C中，所述卡尔曼融合滤波可以包括下述子步骤：

C1.建立离散信号递归方程X_t＝AX_t-1+B_t-1和离散量测方程Y_t＝CX_t+D_t，其中：状态向量X_t＝[ω_t K]^T，状态转移矩阵 $A=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],$ 系统噪声向量 $B_{t-1}=\left[\begin{array}{cc}T& 0\\ 0& T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{\ω}(t-1)}\\ n_{K(t-1)}\end{array}\right],$ 观测向量Y_t＝[ω_gt Δθ_t]^T，量测矩阵 $C=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 0\end{array}\right],$ 量测噪声向量 $D_t=\left[\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{Nt}}\\ n_t\end{array}\right],$ 陀螺仪的真实角速率值ω_t，K为陀螺仪的速率随机游走，陀螺仪的实际输出角速率值ω_gt，Δθ_t为一个采样周期内双轴倾角仪的角位移，Δθ_t＝θ_t-θ_t-1，θ_t为双轴倾角仪当前时刻的角度测量数据；真实速率驱动白噪声n_ω(t-1)，速率游走白噪声n_K(t-1)，角度游走白噪声n_Nt，倾角仪量测噪声n_t，t为当前时刻，t-1为前一时刻；

C2.置状态向量估计值

${\hat{X}}_0={\left[\begin{array}{cc}0& 0\end{array}\right]}^T;$ 置滤波误差协方差矩阵P_t-1＝P₀， $P_0=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right];$

C3.计算

其中

为利用t-1时刻的状态向量估计值

对系统在t时刻的状态向量X_t进行预测的中间值；

C4.计算系统一步预测滤波误差协方差矩阵P_t|t-1：

P_t|t-1＝AP_t-1A^T+Q_t-1，其中，t-1时刻的滤波误差协方差矩阵P_t-1：P_t-1＝[e(t-1)e^T(t-1)]，

Q_t-1为t-1时刻的系统噪声协方差矩阵： $Q_{t-1}=Q=\left[\begin{array}{cc}{Q}_{\mathrm{\ω}}& \\ & Q_K\end{array}\right],$ Q_ω为真实角速率驱动白噪声n_ω的方差，Q_K为速率随机游走白噪声n_K的方差；

C5.计算t时刻卡尔曼滤波增益K_t：

K_t＝P_t|t-1C^T(CP_t|t-1C^T+R_t)^-1，其中R_t为量测噪声协方差矩阵： $R_t=R=\left[\begin{array}{cc}{Q}_N& \\ & Q_n\end{array}\right],$ Q_N为角度随机游走白噪声n_N的方差，Q_n为双轴倾角仪量测噪声n_t的方差；

C6.滤波误差协方差矩阵P_t更新为：P_t＝P_t|t-1-K_tCP_t|t-1

C7.状态向量估计值

更新为：

状态向量估计值 ${\hat{X}}_t={\left[\begin{array}{cc}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_t& \hat{K}\end{array}\right]}^T,$ 其中，

为滤波后的角速率，

为滤波后陀螺仪的速率随机游走；输出

转子步骤C3；

在对第一陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出的滚动角，进行卡尔曼融合滤波得到补偿过的滚动角速率时，子步骤C1～C7中，所述陀螺仪为第一陀螺仪，所述陀螺仪的实际输出角速率值ω_gt为第一陀螺仪实际输出的滚动角速率，所述双轴倾角仪当前时刻的角度测量数据θ_t为双轴倾角仪输出的滚动角α₁，

为补偿过的滚动角速率；

在对第二陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出俯仰角，进行卡尔曼融合滤波得到补偿过的俯仰角速率时，子步骤C1～C7中，所述陀螺仪为第二陀螺仪，所述陀螺仪的实际输出角速率值ω_gt为第二陀螺仪实际输出的俯仰角速率，所述双轴倾角仪当前时刻的角度测量数据θ_t为双轴倾角仪输出的俯仰角β₁，

为补偿过的俯仰角速率。

所述的盾构机姿态测量方法，所述步骤E和步骤F中，所述以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，可以包括下述子步骤：

5-1.判断是否|α₁-α₂|＜ε₁，是则输出α＝α₁，否则输出α＝α₁±ε₁/2，当双轴倾角仪输出α趋势为增取‘+’，当输出α趋势为减取‘-’；

5-2.判断是否|β₁-β₂|＜ε₁，是则输出β＝β₁，否则输出β＝β₁±ε₁/2，当双轴倾角仪输出β趋势为增取‘+’，当输出β趋势为减取‘-’；

ε₁为双轴倾角仪的精度值。

Claims (5)

1.一种盾构机姿态测量系统，包括姿态角测量单元(2)、行程位移量测量单元(3)和主控计算机(4)，所述姿态角测量单元(2)安装在盾构机(1)内靠近盾构机刀盘的一端，用于盾构机姿态角的测量；所述行程位移量测量单元(3)安装在盾构机(1)内千斤顶附近，用于盾构机行程位移量的测量，姿态角测量单元(2)和行程位移量测量单元(3)分别与主控计算机(4)通过有线或无线方式实现通信连接；其特征在于：

所述姿态角测量单元(2)包括第一加速度计、双轴倾角仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪和第三陀螺仪，所述第一加速度计的测量敏感方向与盾构机轴线竖直垂直；所述第一陀螺仪用于测量盾构机的滚动角，其回转轴与盾构机的中心轴线平行；所述第二陀螺仪用于测量盾构机的俯仰角，其回转轴平行于地平线并与所述第一陀螺仪的回转轴垂直；所述第三陀螺仪用于测量盾构机的水平方位角，其回转轴竖直向下指向地心；所述双轴倾角仪的两个敏感轴分别与第一陀螺仪、第二陀螺仪的回转轴平行，分别用于测量盾构机的滚动角、俯仰角；第一陀螺仪、第二陀螺仪、第三陀螺仪得到盾构机的滚动角、俯仰角及水平方位角送入主控计算机(4)；双轴倾角仪测量得到盾构机的滚动角、俯仰角送入主控计算机(4)；

所述行程位移量测量单元(3)包括第二加速度计和行程位移传感器，所述第二加速度计和行程位移传感器的测量敏感方向与所述千斤顶轴线方向平行，用于测量所述千斤顶轴向位移；第二加速度计和行程位移传感器获得盾构机的行程位移量，送入主控计算机(4)；

主控计算机根据输入的盾构机的滚动角、俯仰角及水平方位角以及行程位移量，计算得到盾构机的实时位姿状态。

2.权利要求1所述盾构机姿态测量系统的盾构机姿态测量方法，其特征在于，其包括下述步骤：

A.计算盾构机的振动频率：根据第一加速度计输出的垂直于盾构机轴线方向的加速度信号，计算盾构机的垂直位移量s₁(t)，再对s₁(t)进行傅立叶变换，得到频域表达式，从而得到当前盾构机的振动频率P，进行步骤B；

B.判断振动频率P是否在双轴倾角仪共振频率范围之内，是则转步骤C，否则转步骤D；所述双轴倾角仪共振频率范围由对双轴倾角仪进行实际测量确定；

C.对第一陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出的滚动角α₁，经过卡尔曼融合滤波得到补偿过的滚动角速率；对第二陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出俯仰角β₁，经过卡尔曼融合滤波得到补偿过的俯仰角速率；分别对补偿过的滚动角速率和补偿过的俯仰角速率，进行角度积分，得到高精度的滚动角α₂、俯仰角β₂；对第三陀螺仪输出的角速率进行滤波后，再角度积分处理得到水平方位角γ₂；

D.再次判断当前盾构机的振动频率P是否在盾构机共振频率范围之内，是则转步骤E；否则转步骤F；所述盾构机共振频率范围由对盾构机进行实际测量得到；

E.对双轴倾角仪输出的滚动角α₁、俯仰角β₁进行滤波处理噪声后，再分别以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，得到更为精确的滚动角α、俯仰角β；

F.对双轴倾角仪输出的滚动角α₁、俯仰角β₁，直接分别以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，得到修正后更为精确的滚动角α、俯仰角β；

G.计算盾构机行程位移量s(t)：

对第二加速度计感知的水平平行于盾构机轴线方向的加速度信息进行处理，得到盾构机水平行程位移量s₂(t)；

判断是否|s₃(t)-s₂(t)|＜ε₂，是则输出s(t)＝s₃(t)，否则输出s(t)＝s₃(t)+ε₂/2，其中，s(t)为盾构机行程位移量，s₃(t)为行程位移传感器所测得的当前千斤顶位移量，ε₂为所述行程位移传感器的精度值；

其中，步骤A和步骤G同步进行。

3.如权利要求2所述的盾构机姿态测量方法，其特征在于，所述步骤A中，计算盾构机的垂直位移量s₁(t)，以及步骤G中，计算盾构机的水平位移量s₂(t)，包括下述子步骤：

3-1.在盾构机掘进施工的状态下，对第一加速度计输出的垂直于盾构机轴线方向的加速度信号a(t)＝a′(t)+δ₁，直接进行时域积分获得速度信息 $v\left(t\right)={\∫}_0^{t}a\left(t\right)\mathrm{dt}=v^{\′}\left(t\right)+({\mathrm{\δ}}_{1}t+{\mathrm{\δ}}_2)+v_0;$ 其中δ₁为测量得到的加速度信号的直流分量，v₀为初始速度；δ₂为对δ₁一次积分后产生的积分常量，积分后速度信号含有一次趋势项δ₁t+(δ₂+v₀)；采用拟合多项式法，对一次趋势项进行拟合，得到一次趋势项的拟合多项式：f₁(t)＝p₁t+p₀，从v(t)中消去一次趋势项，得到更为精确的速度信号v′(t)；

3-2.对v(t)进行时域积分，得到位移信号

其中，s₀为初始位移，δ₃为δ₁二次积分后产生的积分常量，

为积分后得到的位移信号中二次趋势项，采用拟合多项式法，对二次趋势项进行拟合，得到二次趋势项的拟合多项式：f₂(t)＝q₂t²+q₁t+q₀，从s(t)中消去二次趋势项，得到更为精确的盾构机位移量s’(t)；

位移量s’(t)在所述步骤A中，表示盾构机的垂直位移表达式s₁(t)；在步骤G中，表示盾构机水平行程位移量s₂(t)。

4.如权利要求2所述的盾构机姿态测量方法，其特征在于，所述步骤C中，卡尔曼融合滤波包括下述子步骤：

C1.建立离散信号递归方程X_t＝AX_t-1+B_t-1和离散量测方程Y_t＝CX_t+D_t，其中：状态向量X_t＝[ω_t K]^T，状态转移矩阵 $A=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],$ 系统噪声向量 $B_{t-1}=\left[\begin{array}{cc}T& 0\\ 0& T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{\ω}(t-1)}\\ n_{K(t-1)}\end{array}\right],$ 观测向量Y_t＝[ω_gt Δθ_t]^T，量测矩阵 $C=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 0\end{array}\right],$ 量测噪声向量 $D_t=\left[\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{Nt}}\\ n_t\end{array}\right],$ 陀螺仪的真实角速率值ω_t，K为陀螺仪的速率随机游走，陀螺仪的实际输出角速率值ω_gt，Δθ_t为一个采样周期内双轴倾角仪的角位移，Δθ_t＝θ_t-θ_t-1，θ_t为双轴倾角仪当前时刻的角度测量数据；真实速率驱动白噪声n_ω(t-1)，速率游走白噪声n_K(t-1)，角度游走白噪声n_Nt，倾角仪量测噪声n_t，t为当前时刻，t-1为前一时刻；

C2.置状态向量估计值

${\hat{X}}_0={\left[\begin{array}{cc}0& 0\end{array}\right]}^T;$ 置滤波误差协方差矩阵P_t-1＝P₀， $P_0=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right];$

C3.计算其中为利用t-1时刻的状态向量估计值

对系统在t时刻的状态向量X_t进行预测的中间值；

C4.计算系统一步预测滤波误差协方差矩阵P_t|t-1：

P_t|t-1＝AP_t-1A^T+Q_t-1，其中，t-1时刻的滤波误差协方差矩阵P_t-1：P_t-1＝[e(t-1)e^T(t-1)]，

Q_t-1为t-1时刻的系统噪声协方差矩阵： $Q_{t-1}=Q=\left[\begin{array}{cc}{Q}_{\mathrm{\ω}}& \\ & Q_K\end{array}\right],$ Q_ω为真实角速率驱动白噪声n_ω的方差，Q_K为速率随机游走白噪声n_K的方差；

C5.计算t时刻卡尔曼滤波增益K_t：

K_t＝P_t|t-1C^T(CP_t|t-1C^T+R_t)^-1，其中R_t为量测噪声协方差矩阵： $R_t=R=\left[\begin{array}{cc}{Q}_N& \\ & Q_n\end{array}\right],$ Q_N为角度随机游走白噪声n_N的方差，Q_n为双轴倾角仪量测噪声n_t的方差；

C6.滤波误差协方差矩阵P_t更新为：P_t＝P_t|t-1-K_tCP_t|t-1

C7.状态向量估计值

更新为：

状态向量估计值 ${\hat{X}}_t={\left[\begin{array}{cc}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_t& \hat{K}\end{array}\right]}^T,$ 其中，

为滤波后的角速率，

为滤波后陀螺仪的速率随机游走；输出

转子步骤C3；

在对第一陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出的滚动角，进行卡尔曼融合滤波得到补偿过的滚动角速率时，子步骤C1～C7中，所述陀螺仪为第一陀螺仪，所述陀螺仪的实际输出角速率值ω_gt为第一陀螺仪实际输出的滚动角速率，所述双轴倾角仪当前时刻的角度测量数据θ_t为双轴倾角仪输出的滚动角α₁，

为补偿过的滚动角速率；

在对第二陀螺仪实际输出的角速率和双轴倾角仪输出俯仰角，进行卡尔曼融合滤波得到补偿过的俯仰角速率时，子步骤C1～C7中，所述陀螺仪为第二陀螺仪，所述陀螺仪的实际输出角速率值ω_gt为第二陀螺仪实际输出的俯仰角速率，所述双轴倾角仪当前时刻的角度测量数据θ_t为双轴倾角仪输出的俯仰角β₁，

为补偿过的俯仰角速率。

5.如权利要求2所述的盾构机姿态测量方法，其特征在于，所述步骤E和步骤F中，所述以步骤C所得到的滚动角α₂、俯仰角β₂辅助修正，包括下述子步骤：

5-1.判断是否|α₁-α₂|＜ε₁，是则输出α＝α₁，否则输出α＝α₁±ε₁/2，当双轴倾角仪输出α趋势为增取‘+’，当输出α趋势为减取‘-’；

5-2.判断是否|β₁-β₂|＜ε₁，是则输出β＝β₁，否则输出β＝β₁±ε₁/2，当双轴倾角仪输出β趋势为增取‘+’，当输出β趋势为减取‘-’；

ε₁为双轴倾角仪的精度值。

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