CN104196542A - 一种隧道预切槽机及其导向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道预切槽机及其导向系统，隧道预切槽机包括两个公共点和加工轴线段，公共点和加工轴线段的端点在相对于隧道预切槽机的机身固定的第一坐标系中的坐标已知，导向系统包括：测量单元，用于测量两个公共点的在相对于隧道固定的第二坐标系中的坐标，以及测量隧道预切槽机的机身向在相对机身固定的两个相互垂直方位的两个倾斜角度；控制单元，用于根据两个公共点在第一坐标系和第二坐标系中的坐标、两个倾斜角度、加工轴线段的端点在第一坐标系中的坐标以及隧道预设线在第二坐标系中的坐标来计算隧道预切槽机的加工轴线段与隧道预设线之间的位置偏差。隧道预切槽机还包括该导向系统。

Description

一种隧道预切槽机及其导向系统

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种隧道预切槽机及其导向系统。

背景技术

隧道预切槽机在隧道施工过程中获取隧道预切槽机的机身姿态，根据隧道设计方案在隧道中进行姿态调整对于隧道施工非常重要。隧道预切槽机一般都包括行走装置、安装在行走装置上的机身、安装在机身上用于工作时支撑机身的支腿装置、铰接在机身上设置有转轴的刀架装置、以及安装在刀架装置上的刀具装置。加工轴线段为预设的重合于刀架装置转轴的一根线段。当刀架装置绕加工轴线段转动时，刀具装置沿隧道顶部切出垂直于加工轴线段的切槽，加工轴线段的位置决定该切槽的位置。开动行走装置可以调整机身位置使得加工轴线段与隧道设计轴线处于同一个垂直平面内，再开动支撑装置以调整支撑装置的高度可以使加工轴线段与隧道设计轴线重合。传统测量和导向常常是采用经纬仪和水准仪测量、人工读数、处理分析偏差的方法进行测量，这会导致测量人因误差大，效率低。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种隧道预切槽机及其导向系统。这种导向系统用于隧道预切槽机可以实现了智能化定位，减少人力劳动，提高工作效率和准确率。

隧道预切槽机包括两个相对隧道预切槽机的机身固定的公共点和预设的加工轴线段，公共点和加工轴线段的端点在相对于隧道预切槽机的机身固定的第一坐标系中的坐标已知，这种隧道预切槽机还包括以下所述的导向系统。

导向系统包括：测量单元，用于测量公共点的在相对于隧道固定的第二坐标系中的坐标，以及测量隧道预切槽机的机身向在相对机身固定的两个相互垂直方位的两个倾斜角度；控制单元，用于根据两个公共点在第一坐标系和第二坐标系中的坐标、两个倾斜角度、加工轴线段的端点在第一坐标系中的坐标以及隧道预设线在第二坐标系中的坐标来计算隧道预切槽机的加工轴线段与隧道预设线之间的位置偏差。

在一个具体的实施例中，第一坐标系构造为两条坐标轴与机身的上下方向垂直的直角坐标系，两个相互垂直的方位分别与第一坐标系垂直于机身的上下方向垂直的两条坐标系平行。这样设置的好处在于可以减少对欧勒角的计算，简化了计算步骤。

在一个具体的实施例中，系统还包括连接于控制单元的显示单元，用于显示位置偏差信息。这样设置的好处在于隧道预切槽机的操作员可以直观的看到加工轴线段与隧道预设线之间的位置偏差的程度。

在一个具体的实施例中，测量单元包括设置在各个公共点处的棱镜、连接于控制单元的并能与棱镜之间形成光传输的全站仪、固定在隧道内的第二坐标系的坐标已知的后视棱镜，以及连接于控制单元且设置在机身上的双轴倾斜仪，其中，全站仪用于测量棱镜在第二坐标系中的坐标并发送到控制单元，双轴倾斜仪用于测量两个倾斜角度并发送到控制单元。

在一个具体的实施例中，全站仪包括第一无线通信机构，控制单元包括第二无线通信机构，全站仪与控制单元通过第一无线通信机构与第二无线通信机构相连。设置第一无线通信机构与第二无线通信机构，避免使用通信电缆进行长距离通信，避免通信电缆牵绊隧道预切槽机以及其他运输设备。

在一个具体的实施例中，两个棱镜设置成在机身前后方向的投影距离在1000mm以上或/和在机身上下方向的投影距离在500mm以上。这样设置的好处在于导向系统测得的数据更加精确。

在一个具体的实施例中，全站仪包括自动识别模块，用于自动识别并跟踪两个棱镜。这样就可以实现全站仪的自动测量和实时测量。

在一个具体的实施例中，第二坐标系构造成第二直角坐标系，第二直角坐标系的一条坐标轴与竖直方向平行。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明的一种实施方式的棱镜在隧道预切槽机上的安装示意图，

图2为本发明的一种实施方式的导向系统的连接示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

在本实施例中，控制单元计算隧道预切槽机的机身姿态，第一步为计算相对于机身1固定的第一坐标系与相对于隧道9固定的第二坐标系之间的转换关系。例如，隧道设计方案以某城市的城市坐标系为依据绘制而成，该城市坐标系则为第二坐标系，隧道设计轴线91为第二坐标系内位置已知的隧道预设线。加工轴线段11在第一坐标系内，欲比较隧道设计轴线91与加工轴线段11的位置关系则需要计算出第一坐标系与第二坐标系的转换关系。

计算出第一坐标系与第二坐标系的转换关系后，按照该转换关系，将用第一坐标系表示的加工轴线段11的相关特征参数转换到第二坐标系中。相关特征参数可以是加工轴线段11的端点在第一坐标系中的坐标。这样就可以得出加工轴线段11在第二坐标系中的位置。这样就可以计算加工轴线段11偏离隧道设计轴线91的程度。

控制单元中可以采用布尔莎模型模拟第一坐标系向第二坐标系的转换，当然也可以采用其他数学模型来计算。机身姿态的第一坐标系构造为第一直角坐标系，从机身1往前延伸的方向为x轴的正向，机身1往上延伸的方向为z轴的正向，机身1往右延伸的方向为y轴。第二坐标系构造为第二直角坐标系，第二直角坐标系的单位长度与第一直角坐标系的单位长度的值一致，X轴和Y轴为水平方向上相互垂直两个坐标轴，Z轴为竖直向上。

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\\ T_Z\end{array}\right]+R\left(\mathrm{\ω}\right)\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]---\left(1\right),$

式(1)中， $\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$ 为公共点在第二直角坐标系内的坐标， $\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$ 为同一公共点在第一直角坐标系中的坐标， $\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\\ T_Z\end{array}\right]$ 为第一直角坐标系转换到第二直角坐标系的平移量，R(ω)为第一直角坐标系转换到第二直角坐标系的旋转量。

ω_X、ω_Y、ω_Z分别为x、y、z轴对应于X、Y、Z轴的转动的欧勒角。在实际施工过程中转动机身或者开始预设第一或第二坐标系时可以让第一直角坐标系x、y、z轴分别和第二直角坐标系的X、Y、Z轴对应粗略平行，使得ω_X、ω_Y、ω_Z为设为小角度，则

$R\left(\mathrm{\ω}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& {\mathrm{\ω}}_Z& -{\mathrm{\ω}}_Y\\ -{\mathrm{\ω}}_Z& 1& {\mathrm{\ω}}_X\\ {\mathrm{\ω}}_Y& -{\mathrm{\ω}}_X& 1\end{array}\right]---\left(2\right),$

将(2)式代入(1)式后得：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\\ T_Z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}1& {\mathrm{\ω}}_Z& -{\mathrm{\ω}}_Y\\ -{\mathrm{\ω}}_Z& 1& {\mathrm{\ω}}_X\\ {\mathrm{\ϖ}}_Y& -{\mathrm{\ω}}_X& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]---\left(3\right),$

(3)式中包括T_X、T_Y、T_Z、ω_X、ω_Y、ω_Z六个未知数，解出这六个未知数即能获得表征第一坐标系与第二坐标系的转换关系的 $\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\\ T_Z\end{array}\right]$ 和R(ω)。

图1示意性地表示出本实施方式的导向系统的两个棱镜3、4的安装位置。机身1包括位于机身1前部的前门架和位于机身1后部的后门架12。支腿装置包括安装在前门架上的两条前支腿和安装在后门架12上的两条后支腿13，安装在两个前支腿下端的前支板，以及安装在两个后支腿13下端的后支板14。刀架组件包括两个门柱分别铰接于前门架和后门架12上的龙门架15，龙门架15可以绕加工轴线段11转动。棱镜3、4分别安装在机身1的后门架12上，重合于机身1相对固定的两个公共点。

在本实施例中，测量单元包括在机身1上分开设置的且在第一坐标系中的坐标已知的两个棱镜3、4，固定在地面上且在第二坐标系中的坐标已知的后视棱镜8，固定设置在隧道预切槽机与后视棱镜8之间、且与棱镜之间无遮挡的全站仪2，以及设置在机身1中部的、与控制单元相连的、测量机身1的两个相互垂直的测量方位的倾斜角度的双轴倾斜仪6。双轴倾斜仪6设置为分别测量x、y轴所指向的方位的倾斜角度。全站仪2包括能与测量单元无线传输数据的第一无线通信机构21。第一无线通信机构21可以是无线电台。用无线电台通信可以不架设通信电缆，降低隧道施工环境复杂程度。优选地，两个棱镜3、4设置在机身1后门架12，全站仪2相应的设置在机身1的后方，这样设置后全站仪2和棱镜之间的遮挡物最少。全站仪2用于以后视棱镜8为基准，测量两个棱镜3、4所在位置的两个公共点在第二坐标系中的坐标，并将该坐标信息传送到控制单元。双轴倾斜仪6用于测量x、y轴所指向的方位的倾斜角度，并将倾斜角度信息传送到控制单元。

图2示意性地表示出该导向系统的连接方式。控制单元包括连接于双轴倾斜仪6的控制盒5、连接于控制盒5且能与第一无线通信机构传递数据的第二无线通信机构51、以及连接于控制盒5的工控机7。工控机7包括处理模块和显示器。控制盒5通过第二无线通信机构51和第一无线通信机构21与全站仪2相连。控制盒5将从第二无线通信机构51、双轴倾斜仪6接收到的模拟信号转换位数字信号输入工控机7的处理模块。

双轴倾斜仪6测量到x、y轴所指向的方位的倾斜角度分别为ω_Y和ω_X的值，处理模块将两个棱镜3、4所在的两个公共点在第一坐标系的坐标和在第二坐标系的坐标、以及ω_Y和ω_X的值代入(3)式得出六个四元二次方程，从而解出 $\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\\ T_Z\end{array}\right]$ 和R(ω)的值。

处理模块将加工轴线段11的两个端点在第一坐标系中的坐标、 $\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\\ T_Z\end{array}\right]$ 的值和R(ω)的值代入式(1)中即可得到加工轴线段11的两个端点在第二坐标系中的坐标。

处理模块再根据加工轴线段11的两个端点在第二坐标系中的坐标和隧道预设线在第二坐标系中的坐标计算出加工轴线段11与隧道预设线投影在XY面、XZ面、YX面上的夹角以及加工轴线段11两个端点到隧道预设线的距离，以上参数即为加工轴线段11与隧道预设线的位置偏离信息，将该位置偏离信息输出到显示器中并在显示器中显示出来，这样操作员可以根据显示出来的位置偏离信息来调整机身姿态。优选地，将加工轴线段11和隧道预设线显示到显示器所模拟出的第二坐标系中，这样可以更加直观地观察到两者的偏差方向和程度。

另外的，双轴倾斜仪6的两个测量方位还可以设置为背离x、y轴指向方位。这时，测量出的ω_X和ω_Y的值分别与测量方向设置为x、y轴指向方位所测出的ω_X和ω_Y的值大小相等、正负相反。显然地，双轴倾斜仪6的两个测量方位只要分别与x、y轴平行即容易到ω_X和ω_Y的值，只需根据其是否背离x、y轴的指向从而判断ω_X和ω_Y的值的正负。以上只部分列举了测量方位的特殊位置，当然只本领域的技术人员需要知道测量方位与x或y轴的关系以及测量方位的倾斜角度即可计算出ω_X和ω_Y的值，并将计算过程添加到控制单元中。

对于本发明的进一步改进，全站仪2包括自动识别模块。自动识别模块将获得的实时图像进行底层的处理，底层处理的步骤包括去除噪声、目标轮廓提取和特征提取，再把所获得的目标特征与预存的棱镜的特征进行比较，若符合预存的棱镜的特征则识别为测量目标。这样就实现了全站仪2对棱镜的自动跟踪测量和实时测量。

对于本发明的进一步改进，两个棱镜3、4设置成在x轴上的投影距离在1000mm以上或/和在z轴上的投影距离在500mm以上。这样可以在测量机体姿态前用全站仪2可以更准确的测量出两个棱镜3、4在第一坐标系内的坐标。两个棱镜3、4间的距离越大其坐标值越精确。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种用于隧道预切槽机的导向系统，所述隧道预切槽机包括相对隧道预切槽机的机身固定的两个公共点和预设的加工轴线段，所述公共点和所述加工轴线段的端点在相对于所述隧道预切槽机的机身固定的第一坐标系中的坐标已知，所述导向系统包括：

测量单元，用于测量所述两个公共点的在相对于隧道固定的第二坐标系中的坐标，以及测量所述隧道预切槽机的机身向在相对机身固定的两个相互垂直方位的两个倾斜角度；

控制单元，用于根据所述两个公共点在第一坐标系和第二坐标系中的坐标、所述两个倾斜角度、加工轴线段的端点在第一坐标系中的坐标以及隧道预设线在第二坐标系中的坐标来计算所述隧道预切槽机的加工轴线段与隧道预设线之间的位置偏差。

2.根据权利要求1所述的导向系统，其特征在于，所述第一坐标系构造为两条坐标轴与机身的上下方向垂直的直角坐标系，所述两个相互垂直的方位分别与所述第一坐标系垂直于机身的上下方向垂直的两条坐标系平行。

3.根据权利要求1或2所述的导向系统，其特征在于，所述系统还包括连接于控制单元的显示单元，用于显示所述位置偏差。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的导向系统，其特征在于，所述测量单元包括设置在各个公共点处的棱镜、连接于控制单元的并能与棱镜之间形成光传输的全站仪、固定在隧道内的第二坐标系的坐标已知的后视棱镜，以及连接于控制单元且设置在机身上的双轴倾斜仪，其中，所述全站仪用于测量所述棱镜在第二坐标系中的坐标并发送到控制单元，所述双轴倾斜仪用于测量所述两个倾斜角度并发送到控制单元。

5.根据权利要求4所述的导向系统，其特征在于，所述全站仪包括第一无线通信机构，所述控制单元包括第二无线通信机构，全站仪与控制单元通过第一无线通信机构与第二无线通信机构相连。

6.根据权利要求4或5中所述的导向系统，其特征在于，两个棱镜设置成在机身前后方向的投影距离在1000mm以上或/和在机身上下方向的投影距离在500mm以上。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的导向系统，其特征在于，全站仪包括自动识别模块，用于自动识别并跟踪所述两个棱镜。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的导向系统，其特征在于，所述第二坐标系构造成第二直角坐标系，所述第二直角坐标系的一条坐标轴与竖直方向平行。

9.一种隧道预切槽机，包括根据权利要求1～8中任一项所述的导向系统。