CN104101326B - 一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置，所述方法具体为：实时控制测量机器人测定盾构机上棱镜控制点的坐标，根据观测到的棱镜数目选择计算模型，结合电子倾斜仪持续返回的同步水平倾角数据，计算出盾构机的即时姿态角参数，结合设计线路数据计算盾构首尾中心点的水平、竖直偏差；所述的装置包括测量机器人、无线电台、工业计算机、目标棱镜、RS232串口通讯线和电子倾斜仪，所述的测量机器人和工业计算机分别通过RS232串口通讯线与无线电台连接，所述的目标棱镜与测量机器人连接，所述的电子倾斜仪通过RS232串口通讯线与工业计算机连接。与现有技术相比，本发明具有测量精度高、自动化程度等优点。

Description

一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种盾构机姿态实时控制技术，尤其是涉及一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置。

背景技术

目前我国很多城市都在大力开展地铁建设工程，其隧道施工阶段广泛应用到了盾构掘进的方法。在盾构施工中，为了确保掘进线路与设计线路相符及最后站间的成功贯通，需要对盾构机姿态进行实时控制。

盾构姿态的实时获取需要借助测量手段，分为人工测量和自动化测量两种。其中人工测量方法主要包括前后标尺法和三点法，国内部分隧道施工的盾构姿态测量中仍旧在使用该方法。自动化测量方法则主要依靠引进国外的盾构自动引导系统，根据使用的仪器设备及核心计算原理可分为：陀螺仪自动导向系统，以日本东京计器株式会社开发的TMG-32B和Tellus导向系统为代表；三棱镜自动导向系统，以日本ENZAN公司的ROBOTEC系统为代表；激光自动导向系统，以德国VMT公司的SLS-T系统和英国ZED公司的ZED261系统为代表。

人工测量方法具有精度低、同步性差、作业量大等缺陷，已逐渐被自动化测量方法取代。但由于国内盾构自动引导系统研究起步较晚，目前自动化测量主要依靠引进国外的商业化系统。这些系统虽然功能比较完善，但是在实际的工程应用中，受到仪器设备及施工环境限制，仍会出现不少问题。

1)陀螺仪自动导向系统在盾构机中体顶部安装一个陀螺仪，同时安装两个倾斜传感器获取滚动角和俯仰角。陀螺仪的作用为提供真方位角，用来确定盾构机的偏转角。该方法很大程度上受到陀螺仪精度的影响。实际上由于机械加工及装配的原因，陀螺仪不仅静定精度较低，施工中还存在零点漂移的现象。另外陀螺仪位于盾构机中体的一端，计算盾构机姿态会有两方面的放大误差：一是陀螺仪到盾构中轴线的间距放大误差，二是陀螺仪到刀盘中心(盾首中心)的纵向间距放大误差。这也大幅降低了测量精度，因此国内使用陀螺仪导向系统也仅仅是起到辅助参考作用，盾构机每掘进一段距离，就需要人工测量方法不断进行修测。

2)三棱镜自动导向系统的核心计算原理是三维空间直角坐标转换，在全站仪通视条件较好，盾构机内棱镜安装位置的选择范围较大时，其精度和连续观测距离能够满足施工要求。但是在大曲率的隧道施工中，全站仪通视区域狭长，盾构顶进一段距离之后，往往再不能保证同时与三个棱镜合作目标通视。如果采用棱镜集中布设的方法，虽然持续观测距离得到了保障，但姿态参数解算精度必然大幅降低，全站仪甚至会无法识别棱镜。事实上，国际上该方法主要用于系统安装检测，而很少用于施工环节下的盾构引导。

3)激光自动导向系统根据盾构机偏转角测量原理的不同，电子激光标靶会有所不同。SLS-T系统所采用的电子标靶是采用阴屏来接收与全站仪激光同轴的导向激光，并旋转内部光栅使得透光光强最大，通过记录旋转角度来得到盾构机偏转角。ZED261系统的电子标靶则是利用安装在标靶内部侧面和底面的传感器检测入射激光在标靶平面的入射点，和经过透镜折射后的汇聚点的不同位置来确定盾构机的偏转角。以上两种方法测量出的偏转角受到激光强度及光斑大小限制。同时，电子激光标靶的内部安装有两个倾斜传感器分别用来测量盾构机的滚动角和俯仰角。以SLS系统为例，其倾斜传感器精度为1mrad(0.057°)，取盾构机首尾中心点距离为10m，角度测量误差引起的点位计算偏差将达到1cm，这是该类型系统的主要误差来源。实际上我们完全可以通过提高倾斜传感器的精度来提高整个系统的精度等级。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量精度高、自动化程度高、算法简单的基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，该方法根据观测到的目标棱镜数目选择计算模型，结合电子倾斜仪持续返回的同步水平倾角数据，计算出盾构机的即时姿态角参数，结合设计线路数据计算盾构首尾中心点的水平、竖直偏差，具体包括如下步骤：

1)工业计算机获取设计数据；

2)工业计算机设置测量机器人的通讯参数；

3)通过无线电台判断测量机器人是否连接成功，若是，则执行步骤4)，若否，则返回步骤2)；

4)工业计算机判断是否与电子倾斜仪连接成功，若是，则执行步骤5)，若否，则对电子倾斜仪进行检核后重新执行步骤4)；

5)测量机器人完成设站及定向；

6)测量机器人按照设定的时间间隔对三个目标棱镜的空间方位角度信息进行自动测量及记录，并将记录结果通过RS232串口通讯线和无线电台传输给工业计算机；

7)工业计算机判断是否观测到全部三个目标棱镜，若是，则选择三棱镜计算模型进行计算，并执行步骤9)，若否，则执行步骤8)；

8)工业计算机判断是否观测到两个目标棱镜，若是，则选择两棱镜计算模型进行计算，并执行步骤9)，若否，则返回步骤6)；

9)工业计算机同步获取电子倾斜仪持续返回的水平倾角数据，根据所选择的计算模型，并结合设计数据计算盾构姿态参数；

10)工业计算机即时存储步骤9)计算的相关数据，并根据盾构姿态参数模拟显示盾构姿态指导盾构施工。

所述的设计数据包括盾构机标定坐标数据、倾斜仪改正数据和设计线路坐标数据。

所述的盾构姿态参数包括盾构三姿态角参数及首尾中心点坐标偏差。

所述的计算盾构姿态参数具体包括：

901)根据设定的空间旋转变换规则建立7参数坐标转换模型，并进行坐标转换参数初始化，所述的坐标转换参数包括三个坐标平移参数、一个尺度比例参数以及三个对应于姿态角的旋转矩阵欧拉角参数；

902)根据电子倾斜仪返回的水平倾角数据，结合倾斜仪水平倾角与旋转矩阵欧拉角的函数关系，建立角度观测值误差方程；

903)根据测量机器人观测的目标棱镜坐标数据，结合7参数坐标转换模型建立坐标观测值误差方程；

904)根据测量机器人和电子倾斜仪的标定精度对水平倾角数据、目标棱镜坐标数据进行定权；

905)根据最小二乘准则解算坐标转换参数改正数，并计算新的坐标转换参数；

906)判断坐标转换参数改正数是否收敛，若是，则执行步骤907)，若否，则返回步骤901)；

907)进行后验方差检验，并输出盾构姿态角参数；

908)根据坐标转换参数及盾构机标定坐标数据，计算该两点在工程坐标系下即时坐标，结合设计线路坐标数据计算出对应水平、竖直偏差。

所述的步骤905)中根据最小二乘准则解算坐标转换参数改正数具体为：

a)根据误差方程及不同观测数据的权组成法方程；

b)解算法方程，得到坐标转换参数改正数。

所述的步骤906)中，若当前坐标转换参数改正数小于预先设置的限差，则坐标转换参数改正数收敛。

一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量装置，包括测量机器人、无线电台、工业计算机、目标棱镜、RS232串口通讯线和电子倾斜仪，所述的测量机器人和工业计算机分别通过RS232串口通讯线与无线电台连接，所述的目标棱镜与测量机器人连接，所述的电子倾斜仪通过RS232串口通讯线与工业计算机连接。

所述的无线电台设有两个，通过无线网络连接。

所述的目标棱镜设有三个，分布设置在盾构机上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)与陀螺仪自动导向系统相比，本发明通过数据采集模块获取的原始观测数据精度较高，而且采用基于空间坐标转换的联合数据解算模型，与陀螺仪直接利用倾斜仪原始观测数据相比，计算获得的滚动角、俯仰角参数会有一定的精度补正。此外，本发明计算出的偏转角参数相对于陀螺仪导向系统高出很多，而且能够利用解算出的盾构首尾中心点坐标对当前盾构机位置进行精确定位，因而不需要像陀螺仪导向系统一样进行人工辅助测量，自动化程度更高。

2)与三棱镜自动导向系统相比，本发明采用测量机器人-三棱镜与倾斜仪两个子模块进行联合数据采集，对棱镜的必要观测数减少为2个，在保证精度的同时，解决了三棱镜自动导向系统在盾构狭小空间内不易测出三个目标点的情况，可以有效延长单测站的观测距离。且由于高精度倾斜仪观测的水平倾角数据引入，在三棱镜工作模式(该模式为一般工作模式)下能够获得更高的平差精度，且能够利用角度数据进行有效检核。

3)与激光自动导向系统相比，激光自动导向系统(以VMT公司的SLS-T为代表)由于其精度高、稳定性好而受到业内人士广泛认可，标志着当前盾构导向测量技术的先进发展水平。本发明采用的倾斜仪标准配置为标称精度在0.01°附近的电子双轴水平倾斜仪(以所选仪器实际参数为准)，相对于激光自动导向系统标定精度为1mrad(0.057°)的倾斜传感器大幅提升了精度，将水平倾角的测量误差引起的盾构首尾中心点位(假设相距10m)的偏差控制在了毫米级，与测量机器人获取的控制点坐标观测值精度等级相当。该精度足以满足盾构施工要求。同时，本发明可以通过控制点坐标及倾斜仪角度数据联合平差计算包含偏转角(方位角)在内的三个姿态角参数。由于存在多余观测，该计算模型相对于激光导向系统利用极坐标原理计算偏转角的简单算法，在使用相同精度等级的测量机器人(全站仪)的情况下，精度有一定的提升。

4)本发明计算盾构姿态参数的算法适用于多棱镜-倾斜仪联合导向系统，棱镜的观测数可任意选取(≥2)，根据盾构导向的精度要求及施工环境，控制点棱镜实际安装个数可选为3。工业计算机的计算模型根据实际观测到的棱镜个数可以在三棱镜模式与两棱镜模式之间切换，其中三棱镜模式(结合倾斜仪数据)拥有该系统最高精度，为默认工作模式；两棱镜模式对于盾构施工的狭窄空间环境适应性更强，能够很好地保证单测站持续观测距离，在大曲率的隧道施工路段优势明显。

5)本发明计算盾构姿态参数的算法能够在既定的仪器精度等级基础上，通过严密平差计算，提升盾构姿态的计算精度。该算法选取的空间坐标转换模型的比较合理，能够同步解算坐标转换参数和盾构姿态角参数，再根据坐标转换参数计算盾构首尾中心点的坐标。该计算模型下盾构三姿态角和盾构首尾中心点坐标计算精度取决于两类观测值的整体平差精度，在原始观测数据精度的基础上相应地会有一定的提升。

6)目前本发明已经成功应用于上海、杭州、苏州等地区多个地铁隧道区间工程。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的流程示意图；

图3为本发明计算盾构机姿态参数的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例融合了与盾构导向测量有关的以下关键技术：工业计算机与电子倾斜仪、测量机器人的双向通讯；测量机器人的智能控制；观测数据即时采集、传输、存贮；盾构姿态即时解算及模拟显示。该发明以工业计算机中自主研发的盾构自动引导软件系统为主导，采用无线电台进行双向通讯，实时控制测量机器人测定盾构机上棱镜控制点的坐标，根据观测到的棱镜数目选择计算模型，结合电子倾斜仪持续返回的同步水平倾角数据，计算出盾构机的即时姿态角参数，结合设计线路数据计算盾构首尾中心点的水平、竖直偏差。

如图1所示，本实施例基于空间几何分析的盾构姿态自动测量装置，包括测量机器人2、无线电台5、工业计算机3、目标棱镜1、RS232串口通讯线和电子倾斜仪4，可分为以下模块；1)数据采集模块：包括两个子模块，一是测量机器人2与三个合作的目标棱镜1(系统实际运行时至少观测两个)，用于采集盾构机上控制点的三维坐标，三个目标棱镜分布设置在盾构机上，系统运行时保持与盾构机相对位置不变；二是高精度的电子倾斜仪4，用于采集盾构机轴线方向及垂直方向水平倾角数据。2)核心控制模块：工业计算机3，安装自主开发的盾构自动导向系统软件，实现测量机器人的实时控制，盾构姿态参数解算及盾构姿态模拟显示等功能。3)数据通讯模块：包括无线电台5及若干RS232串口通讯线，用于实现测量机器人2与工业计算机3之间的双向通讯及电子倾斜仪4与工业计算机的单向通讯；无线电台5设有两个，通过无线网络连接，并配备电源持续供电。

如图2所示，本实施例基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，该方法根据观测到的目标棱镜数目选择计算模型，结合电子倾斜仪持续返回的同步水平倾角数据，计算出盾构机的即时姿态角参数，结合设计线路数据计算盾构首尾中心点的水平、竖直偏差，具体包括如下步骤：

在步骤401中，获取设计数据，包括以下数据文件：盾构机标定坐标数据、倾斜仪改正数据、设计线路坐标数据，然后执行步骤402；

在步骤402中，将设计数据导入工业计算机3的数据库，然后执行步骤403；

在步骤403中，连接工业计算机3与测量机器人2，然后执行步骤404；

在步骤404中，工业计算机3通过安装的系统软件(以下简称系统)设置测量机器人的通讯参数，然后执行步骤405；

在步骤405中，判断测量机器人2是否连接成功，如果是，进入步骤406；如果否，则返回步骤403，对测量机器人2的设置及连接进行检核；

在步骤406中，连接工业计算机3与电子倾斜仪4，然后执行步骤407；

在步骤407中，判断电子倾斜仪4是否连接成功，如果是，进入步骤408；如果否，则返回步骤406，对电子倾斜仪4的设置及连接进行检核；

在步骤408中，测量机器人2完成设站及定向，然后执行步骤409；

在步骤409中，利用测量机器人2测量三个目标棱镜1，其目的是记录三个目标棱镜的空间方位角度信息。然后执行步骤410；

在步骤410中，测量机器人2按照设定的时间间隔对三个目标棱镜1的空间方位角度信息进行自动测量及记录，并将记录结果通过RS232串口通讯线和无线电台5传输给工业计算机3，然后执行步骤411；

在步骤411中，判断是否观测到全部三个目标棱镜，如果是，进入步骤412，；如果否，进入步骤413；

在步骤412中，系统选择三棱镜计算模型，然后执行步骤415；

在步骤413中，判断是否观测到两个目标棱镜，如果是，进入步骤414，如果否，返回409；

在步骤414中，系统选择两棱镜计算模型，然后执行步骤415；

在步骤415中，工业计算机3同步获取电子倾斜仪4持续返回的水平倾角数据，然后执行步骤416；

在步骤416中，系统根据选择的计算模型，结合设计数据即时计算盾构姿态参数(姿态角参数及首尾中心点偏差)，详细流程见图3，然后执行步骤417；

在步骤417中，系统即时存储步骤416计算的相关数据，并根据盾构姿态参数模拟显示盾构姿态，用于指导盾构施工。

计算盾构姿态参数采用的算法为：在对倾斜仪对应的水平倾角、盾构三姿态角(滚动角、俯仰角、偏转角)以及空间坐标旋转矩阵欧拉角之间的几何关系进行分析的基础上，独创性地建立了一种适合测量机器人和倾斜仪两类观测数据的联合计算模型。该计算模型属于严密平差范畴，能够在原始观测数据精度既定的条件下，解算出最高精度的盾构姿态参数。如图3所示，具体包括以下步骤：

在步骤501中，建立对应于特定空间旋转变换规则的7参数坐标转换模型，将坐标转换参数初始化，其中包括三个坐标平移参数、一个尺度比例参数以及三个对应于姿态角的旋转矩阵欧拉角参数(系统默认参数近似值选取为上一组数据的计算结果)，然后执行步骤502；

本实施例根据选定的空间旋转变换规则对盾构标定坐标系O_q-X_qY_qZ_q进行以下空间旋转变换：从旋转轴正向看，以逆时针旋转方向定义为正向，首先绕x_q轴旋转角度α，得到新坐标系O_q-X_αY_αZ_S，再绕Y_α轴旋转角度-β，得到新坐标系O_q-X_βY_βZ_β，最后绕Z_β轴旋转角度γ，得到坐标系O_q-X_γY_γZ_γ。旋转矩阵的欧拉角分别对应于盾构滚动角、俯仰角、偏转角。此时坐标系O_q-x_γY_γZ_γ与测量坐标系O-XYZ对应三个坐标轴向量相互平行。以该空间旋转变换规则对应的坐标旋转矩阵R建立改进7参数空间转换模型。

在上述空间旋转变换规则下，电子倾斜仪的水平倾角(α_q、β_q)实际值与旋转矩阵欧拉角α、β之间的函数关系为β_q＝β，α_q＝arcsin(sinαcosβ)。

在步骤502中，根据电子倾斜仪返回的两个水平倾角值，结合电子倾斜仪水平倾角与旋转矩阵欧拉角的函数关系，建立角度观测值误差方程，然后执行步骤503；

在步骤503中，根据测量机器人观测的棱镜坐标，结合7参数坐标转换模型建立坐标观测值误差方程，然后执行步骤504；

在步骤504中，结合系统使用的测量机器人、电子倾斜仪标定精度，对两类观测值进行定权(根据系统数据采集硬件配置的差异会有所不同)，然后执行步骤505；

在步骤505中，根据最小二乘准则解算坐标转换参数改正数，然后执行步骤506；

根据最小二乘准则解算坐标转换参数改正数具体为：

1)根据误差方程及不同观测数据的权组成法方程；

2)解算法方程，得到坐标转换参数改正数。

在步骤506中，根据参数改正数计算得到新的参数值，然后执行步骤507；

在步骤507中，根据参数改正数的大小及预先设置的限差，判断参数改正值是否收敛，如果是，进入步骤508中，如果否，返回步骤501，继续迭代计算；

若当前坐标转换参数改正数小于预先设置的限差，则坐标转换参数改正数收敛。

在步骤508中，进行后验方差检验(显著性水平α较小，作为数据检核及精度评价的一种辅助手段)，进入步骤509；

在步骤509中，输出盾构姿态角参数，进入步骤510；

在步骤510中，根据坐标转换参数及设计文件中盾构首尾中心标定坐标，计算该两点在工程坐标系下即时坐标，结合设计线路数据计算出对应水平、竖直偏差。

Claims (9)

1.一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，其特征在于，该方法根据观测到的目标棱镜数目选择计算模型，结合电子倾斜仪持续返回的同步水平倾角数据，计算出盾构机的即时姿态角参数，结合设计线路数据计算盾构首尾中心点的水平、竖直偏差，该方法具体包括如下步骤：

1)工业计算机获取设计数据；

2)工业计算机设置测量机器人的通讯参数；

3)通过无线电台判断测量机器人是否连接成功，若是，则执行步骤4)，若否，则返回步骤2)；

4)工业计算机判断是否与电子倾斜仪连接成功，若是，则执行步骤5)，若否，则对电子倾斜仪进行检核后重新执行步骤4)；

5)测量机器人完成设站及定向；

6)测量机器人按照设定的时间间隔对三个目标棱镜的空间方位角度信息进行自动测量及记录，并将记录结果通过RS232串口通讯线和无线电台传输给工业计算机；

7)工业计算机判断是否观测到全部三个目标棱镜，若是，则选择三棱镜计算模型进行计算，并执行步骤9)，若否，则执行步骤8)；

8)工业计算机判断是否观测到两个目标棱镜，若是，则选择两棱镜计算模型进行计算，并执行步骤9)，若否，则返回步骤6)；

9)工业计算机同步获取电子倾斜仪持续返回的水平倾角数据，根据所选择的计算模型，并结合设计数据计算盾构姿态参数；

10)工业计算机即时存储步骤9)计算的相关数据，并根据盾构姿态参数模拟显示盾构姿态指导盾构施工。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，其特征在于，所述的设计数据包括盾构机标定坐标数据、倾斜仪改正数据和设计线路坐标数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，其特征在于，所述的盾构姿态参数包括盾构三姿态角参数及首尾中心点坐标偏差。

4.根据权利要求2所述的一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，其特征在于，所述的计算盾构姿态参数具体包括：

901)根据设定的空间旋转变换规则建立7参数坐标转换模型，并进行坐标转换参数初始化，所述的坐标转换参数包括三个坐标平移参数、一个尺度比例参数以及三个对应于姿态角的旋转矩阵欧拉角参数；

902)根据电子倾斜仪返回的水平倾角数据，结合倾斜仪水平倾角与旋转矩阵欧拉角的函数关系，建立角度观测值误差方程；

903)根据测量机器人观测的目标棱镜坐标数据，结合7参数坐标转换模型建立坐标观测值误差方程；

904)根据测量机器人和电子倾斜仪的标定精度对水平倾角数据、目标棱镜坐标数据进行定权；

905)根据最小二乘准则解算坐标转换参数改正数，并计算新的坐标转换参数；

906)判断坐标转换参数改正数是否收敛，若是，则执行步骤907)，若否，则返回步骤901)；

907)进行后验方差检验，并输出盾构姿态角参数；

908)根据坐标转换参数及盾构机标定坐标数据，所述盾构机标定坐标数据包括盾构机首尾中心标定坐标，计算盾构机首尾中心标定坐标在工程坐标系下即时坐标，结合设计线路坐标数据计算出对应水平、竖直偏差。

5.根据权利要求4所述的一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，其特征在于，所述的步骤905)中根据最小二乘准则解算坐标转换参数改正数具体为：

a)根据误差方程及不同观测数据的权组成法方程；

b)解算法方程，得到坐标转换参数改正数。

6.根据权利要求4所述的一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法，其特征在于，所述的步骤906)中，若当前坐标转换参数改正数小于预先设置的限差，则坐标转换参数改正数收敛。

7.一种如权利要求1所述的基于空间几何分析的盾构姿态自动测量方法所用的自动测量装置，其特征在于，包括测量机器人、无线电台、工业计算机、目标棱镜、RS232串口通讯线和电子倾斜仪，所述的测量机器人和工业计算机分别通过RS232串口通讯线与无线电台连接，所述的目标棱镜与测量机器人连接，所述的电子倾斜仪通过RS232串口通讯线与工业计算机连接。

8.根据权利要求7所述的自动测量装置，其特征在于，所述的无线电台设有两个，通过无线网络连接。

9.根据权利要求7所述的自动测量装置，其特征在于，所述的目标棱镜设有三个，分布设置在盾构机上。