CN104457719B - 类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法，该测量装置包括：至少两个目标棱镜，设于类矩形盾构机上；两个双轴传感器，对称设于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处；全站仪，设于隧道进入口处的管节上；工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收并利用所述双轴传感器测量的所述类矩形盾构机的方位角、坡度角、以及滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。本发明提供了一种适用于类矩形盾构的姿态测量方法，确保测量的准确性，还具有操作简单实现方便的特点。

Description

类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤指一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法。

背景技术

为了达到精准地控制盾构姿态，使盾构沿着既定的设计轴线掘进，必须要实时准确地获取盾构及管片的当前位置信息(盾构及管片的姿态)，所以目前盾构掘进施工中均采用盾构、管片姿态自动测量系统来获取。

但目前成熟的盾构、管片姿态自动测量系统均是针对圆形盾构机设计的，而类矩形盾构与圆形盾构对于盾构姿态和管片姿态的信息要求是有很大区别的，首先类矩形盾构同一隧道内有两条设计线路(左线路和右线路)，受其形状的特殊性的影响，在转角较大时，左右线路的姿态会有很大差值(尤其是在高程上)，而圆盾构转角对姿态的影响几乎可以忽略，因而在类矩形盾构掘进施工中，不仅要关注盾构机中轴线的姿态，其左右两条线路的姿态和高精度的转角信息也必须及时准确地获取。其次，类矩形盾构受到转角影响，管片与盾尾间隙最小的位置会出现在类矩形的角点位置，因此在测量管片姿态信息时，利用圆形盾构设置上下左右四个位置进行测量，其无法测量到类矩形的角部，使得测量管片姿态信息不准确。所以现有的圆形盾构的测量方法无法应用到类矩形盾构施工中，故提供一种适用于类矩形盾构的盾构姿态及管片姿态测量方法尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法，解决现有圆形盾构测量方法因其测量中忽略转角、测量过程中仅测量中轴线的姿态、及管片测量时无法测量到类矩形角部而无法应用到类矩形盾构中的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种类矩形盾构施工的姿态测量装置，包括：

至少两个目标棱镜，设于类矩形盾构机上；

两个双轴传感器，对称设于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处，用于测量所述类矩形盾构机的坡度角、以及滚角；

全站仪，设于隧道内已稳固的拼装衬砌环上，用于获取所述目标棱镜的坐标信息；

工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收所述双轴传感器测量的所述类矩形盾构机的坡度角、滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

本发明提供了一种适用于类矩形盾构的姿态测量方法，测量类矩形盾构的左线路轴线和右线路轴线，结合两个双轴传感器获得高精度的转角信息，可以及时准确的获取类矩形盾构在施工过程中的姿态信息，用于指导类矩形盾构的施工，为类矩形盾构的施工提供重要保证。工控机内的算法可以保证系统精度，确保测量的准确性，还具有操作简单实现方便的特点。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，

所述工控机利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；

以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；

根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息(X₀，Y₀，Z₀)；

利用公式

计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，

式中：(X₁，Y₁，Z₁)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，(X₀，Y₀，Z₀)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X₂，Y₂，Z₂)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，所述工控机利用公式

D＝AH×sinθ(1)

C＝Ca+CH(2)

CH＝AH×cosθ(3)

Vh＝Z1-Z'(4)

计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，

式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，还包括设于所述类矩形盾构机盾尾的八个摄像头和与所述摄像头连接的通信单元，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置，所述摄像头拍摄拼装好的管片形成图像信息，通过所述通信单元传送给所述工控机，所述工控机对接收到的所述图像信息处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，所述工控机利用图像分割公式

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)>T\\ 0& otherwise\end{array}\right.---\left(5\right)$

将管片区域分割出来，

式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；

分割出来后，利用二维高斯函数

$G(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线。

本发明一种类矩形盾构施工的姿态测量方法，包括：

于类矩形盾构机上设置至少两个目标棱镜；

于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处对称设置双轴传感器；

于隧道内已稳固的拼装衬砌环上设置全站仪；

通过所述双轴传感器获取当前的所述类矩形盾构机的坡度角、以及滚角和所述全站仪获取当前的所述目标棱镜的坐标信息；

利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，所述的计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线包括：

利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；

以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；

根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息(X₀，Y₀，Z₀)；

利用公式

计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，

式中：(X₁，Y₁，Z₁)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，(X₀，Y₀，Z₀)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X₂，Y₂，Z₂)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，所述的分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息包括：

利用公式

D＝AH×sinθ(1)

C＝Ca+CH(2)

CH＝AH×cosθ(3)

Vh＝Z1-Z'(4)

计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，

式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，还包括：

于所述类矩形盾构机盾尾设置八个摄像头，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置；

利用八个所述摄像头拍摄拼装好的管片，形成图像信息；

对所述图像信息进行处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，所述的对所述图像信息进行处理包括：

利用图像分割公式

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)>T\\ 0& otherwise\end{array}\right.---\left(5\right)$

将管片区域分割出来，

式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；

分割出来后，利用二维高斯函数

$G(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线。

附图说明

图1为本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置的结构示意图；

图2为本发明类矩形盾构机盾尾的剖视图；

图3为本发明类矩形盾构偏差计算示意图；以及

图4为图3中Q处放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法，解决现有的盾构、管片姿态自动测量系统无法用于指导类矩形盾构掘进施工。因现有成熟的盾构、管片姿态自动测量系统均是针对圆形盾构设计的，而类矩形盾构与圆形盾构对于盾构姿态和管片姿态的信息要求是有很大区别的。下面结合附图对本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置的结构示意图。参阅图2，显示了本发明类矩形盾构机盾尾的剖视图。下面结合图1和图2，对本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置进行说明。

如图1和图2所示，本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置包括至少两个目标棱镜11、两个双轴传感器12、全站仪13、工控机14、八个摄像头15、以及通信单元16。至少两个目标棱镜11设于类矩形盾构机21上，可以在类矩形盾构机21上设置三个目标棱镜，安装目标棱镜11在类矩形盾构机21上时，确定类矩形盾构机坐标系中的局部坐标参数初值。两个双轴传感器12对称设于类矩形盾构机21的盾尾212的两侧中心处，用于测量类矩形盾构机21的坡度角、以及滚角。全站仪13设于隧道进入口处的管节上，用于获取目标棱镜11的坐标信息。工控机14与双轴传感器12、全站仪13、以及通信单元16通信连接，用于接收双轴传感器12、全站仪13、以及通信单元16发来的信息并进行处理。八个摄像头15设于类矩形盾构机21的盾尾212上，分别设于盾尾212的四个角部和四条边的中心位置，用于拍摄拼装好的管节形成图像信息，并将图像信息传输给通信单元16。

工控机14接收双轴传感器12测量的类矩形盾构机21坡度角、以及滚角和全站仪13获取的目标棱镜11的坐标信息，利用目标棱镜11的坐标信息、坡度角、以及滚角，计算得出类矩形盾构机21的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出类矩形盾构机21的姿态信息。

工控机14通过如下方式计算类矩形盾构机21的当前的左线路轴线和右线路轴线。首先获取类矩形盾构21的中轴线向量的空间位置，可以通过在三维空间测量三个点的三维坐标(需要设置三个目标棱镜实现)，全站仪13可实时获取目标棱镜11的坐标信息，根据三个点的坐标信息计算得出类矩形盾构机21的切口211上任一点的坐标，并得到类矩形盾构机的坡度和滚角，再根据铰接油缸的行程，计算得出类矩形盾构机21的盾尾212上任一点的坐标；还可以通过利用双轴传感器12感测的坡度和滚角结合两个目标棱镜11的坐标信息，计算得出类矩形盾构机21的切口211上任一点的坐标，并得到类矩形盾构机的坡度和滚角，再根据铰接油缸的行程，计算得出类矩形盾构机21的盾尾212上任一点的坐标；目标棱镜点的三维坐标通过全站仪对棱镜实时地进行跟踪测量获取，类矩形盾构机的倾斜和侧滚角通过安装在盾构机内的双轴传感器来实现。这样就计算得出了类矩形盾构机21的中轴线的位置信息。

再计算得出当前的左线路轴线和右线路轴线。以类矩形盾构机21的中轴线在切口211处的位置为原点，以类矩形盾构机21的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系.根据类矩形盾构机21的尺寸信息，结合左线路轴线和右线路轴线距类矩形盾构机21的中轴线的距离，得出左线路轴线和右线路轴线在中轴线切口坐标系中的坐标信息(X₀，Y₀，Z₀)。设定左线路轴线和右线路轴线距中轴线的距离为s，盾构机的长度为l，在中轴线切口坐标系中，左线路轴线的切口坐标为(0,-s,0)，左线路轴线的盾尾坐标为(-l,-s,-)，右线路轴线的切口坐标为(0,s,0)，右线路轴线的盾尾坐标为(-l,s,0)。利用公式

计算得出左线路轴线和右线路轴线的施工坐标，即当前的左线路轴线的切口坐标和盾尾坐标与右线路轴线的切口坐标和盾尾坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线。上述公式中：(X₁，Y₁，Z₁)为待计算的左线路轴线或右线路轴线的施工坐标，(X₀，Y₀，Z₀)为对应计算的左线路轴线或右线路轴线在中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X₂，Y₂，Z₂)为类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

以计算左线路轴线的切口坐标为例进行说明，上述公式中的(X₂，Y₂，Z₂)对应为(X_切，Y_切，Z_切)，(X₀，Y₀，Z₀)对应为(0，-s，0)，所以左线路轴线的切口坐标的计算公式为：

类矩形盾构机21的切口211的三维坐标、中轴线的方位、实时的坡度转角都能都获取，计算得出当前的左线路轴线的切口坐标和盾尾坐标，即获得了当前的左线路轴线，同样也可以计算得出右线路轴线。

再对当前的左线路轴线和右线路轴线与左设定轴线和右设定轴线进行比对获取类矩形盾构21的姿态信息。利用公式

D＝AH×sinθ(1)

C＝Ca+CH(2)

CH＝AH×cosθ(3)

Vh＝Z1-Z'(4)

计算得出左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，偏差信息包括平面偏差和高程偏差，形成类矩形盾构机的姿态信息。式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程，CH为点H到直线AB上的投射点与A点的距离。

如图3和图4所示，以计算类矩形盾构中轴线切口位置的偏差为例进行说明。图中H点表示盾构中轴线切口位置，C表示盾构中轴线铰接中心，T表示盾构中轴线的盾尾位置。若要计算H点的平面偏差，则先要查找到H点在设定的中轴线上的位置(用数据库)，查询条件为H点与表中各元素最短的平面距离，即(X1–Xi)^2+(Y1–Yi)^2最小。设此点为A，若要计算左线路轴线的切口位置偏差，则找H点到左设定轴线上的位置。得知A点的平面坐标后，再找到B点，B点为该设定轴线上靠近A点的位置；用H点到直线AB的平面距离近似代替偏差。利用式(1)、式(2)、以及式(3)计算得出中轴线切口的平面偏差和里程，其中：AH为点A到头部点H的距离；θ为直线AH与直线AB之间的夹角；Ca为轴线上A点处的里程。从而可得出盾构在推进中在轴线任意位置的头部和尾部的平面偏差和里程。用类似的方法也可求出高程偏差，用内插法求出H点在AB上的投影高程Z′，Z1为头部的高程。利用式(4)计算得出中轴线切口的高程偏差。

工控机14接收到通信单元16发送来的八个摄像头15拍摄的图像信息，对图像信息进行处理，得到拼装好的管片31的边界曲线，进而形成管片31的姿态信息。

对图像信息进行处理：先利用图像分割公式

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)>T\\ 0& otherwise\end{array}\right.---\left(5\right)$

将管片区域分割出来，

式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；

分割出来后，利用二维高斯函数

$G(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

对图像进行边缘检测，得到管片31的边界曲线，G(x,y)为二维高斯函数，σ为高斯滤波器参数。

利用图形解析的原理通过高分辨率的摄像机15能够分辨出图形中的管片31边缘的影像，同时由于摄像机安装在类矩形盾构的固定位置，其图像中心与盾尾212边缘的关系在定焦的情况下是固定的，而每次管片拼装的位置在类矩形盾构机内是固定的，因此在管片刚拼装好后进行摄像，就可以在定焦的情况下拍摄到清晰的图像，且图像的像素与实际距离的比例关系也可以在安装时获取，这样通过图像解析，就可以知道管片外边缘与盾尾之间的像素进而换算出距离。由于类矩形盾构的特殊性，测定盾尾间隙的位置为八个点，即八个摄像头设置的位置。盾尾间隙测量系统在测量时，先对盾尾间隙处管片的局部进行图像采集，采集到盾尾间隙的图像后，再利用灰度差进行分割。

较佳地，在类矩形盾构机21铰接的千斤顶处安装行程传感器，根据安装于推进千斤顶位置的高精度行程传感器结合类矩形盾构机的三维坐标，可换算出当前拼装环的管片楔形量。

下面对本发明的类矩形盾构施工的姿态测量方法进行说明。

如图1所示，本发明类矩形盾构施工的姿态测量方法包括：

于类矩形盾构机21上设置至少两个目标棱镜11；

于类矩形盾构机21的盾尾212的两侧中心处对称设置双轴传感器12，用于实时测量类矩形盾构机21的坡度角、以及滚角；

于隧道进入口处的管节上设置全站仪13，用于实时获取目标棱镜11的坐标信息；

通过双轴传感器12获取当前的类矩形盾构机21的坡度角、以及滚角和全站仪13获取当前的目标棱镜11的坐标信息；

利用目标棱镜11的坐标信息、坡度角、以及滚角，计算得出类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出类矩形盾构机21的姿态信息。

计算得出类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线包括：

利用坡度角和滚角结合目标棱镜11的坐标信息，计算得出类矩形盾构机21的中轴线的位置信息；在3维空间测量3个点的三维坐标或者2个点和类矩形盾构机的倾斜和侧滚角度，可以计算出类矩形盾构机21上切口211任一点的X,Y,Z坐标，并可以得到类矩形盾构机的坡度和滚角；根据铰接油缸的行程，计算出类矩形盾构机盾尾任一点的X,Y,Z坐标；目标棱镜点的三维坐标通过全站仪对棱镜实时地进行跟踪测量获取，类矩形盾构机的倾斜和侧滚角通过安装在盾构机内的双轴传感器来实现。

在获取了类矩形盾构中轴线向量的空间位置后，根据空间几何学及盾构机本身的尺寸信息以及当前的盾构坡度和滚角来进行左线路轴线和右线路轴线的中心三维坐标的推算，即根据类矩形盾构的结构尺寸及高精度的坡度和滚角，利用空间解析几何原理推算出两侧中心的轴线坐标；

以类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以类矩形盾构机的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；

根据类矩形盾构机的尺寸信息，结合左线路轴线和右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出左线路轴线和右线路轴线在中轴线切口坐标系中的坐标信息(X₀，Y₀，Z₀)，设定左线路轴线和右线路轴线距中轴线的距离为s，盾构机的长度为l，在中轴线切口坐标系中，左线路轴线的切口坐标为(0,-s,0)，左线路轴线的盾尾坐标为(-l,-s,-)，右线路轴线的切口坐标为(0,s,0)，右线路轴线的盾尾坐标为(-l,s,0)；

利用公式

计算得出左线路轴线和右线路轴线的施工坐标，即左线路轴线的切口坐标和盾尾坐标与右线路轴线的切口坐标和盾尾坐标。获得当前的左线路轴线和右线路轴线，式中：(X₁，Y₁，Z₁)为待计算的左线路轴线或右线路轴线的施工坐标，(X₀，Y₀，Z₀)为对应计算的左线路轴线或右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X₂，Y₂，Z₂)为类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标的位置信息，α为类矩形盾构的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

将获得左线路轴线和右线路轴线分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出类矩形盾构机的姿态信息包括：

利用公式

D＝AH×sinθ(1)

C＝Ca+CH(2)

CH＝AH×cosθ(3)

Vh＝Z1-Z'(4)

计算得出左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程。

如图3和图4所示，以计算类矩形盾构中轴线切口位置的偏差为例进行说明。图中H点表示盾构中轴线切口位置，C表示盾构中轴线铰接中心，T表示盾构中轴线的盾尾位置。若要计算H点的平面偏差，则先要查找到H点在设定的中轴线上的位置(用数据库)，查询条件为H点与表中各元素最短的平面距离，即(X1–Xi)^2+(Y1–Yi)^2最小。设此点为A，得知A点的平面坐标后，再找到B点，B点为该设定轴线上靠近A点的位置；用H点到直线AB的平面距离近似代替偏差。利用式(1)、式(2)、以及式(3)计算得出中轴线切口的平面偏差和里程，其中：AH为点A到头部点H的距离；θ为直线AH与直线AB之间的夹角；Ca为轴线上A点处的里程。从而可得出盾构在推进中在轴线任意位置的头部和尾部的平面偏差和里程。用类似的方法也可求出高程偏差，用内插法求出H点在AB上的投影高程Z′，Z1为头部的高程。利用式(4)计算得出中轴线切口的高程偏差。

如图2所示，本发明类矩形盾构施工的姿态测量方法还包括：

于类矩形盾构机盾尾212设置八个摄像头15，八个所述摄像头15分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置；

利用八个所述摄像头15拍摄拼装好的管片31，形成图像信息；

对所述图像信息进行处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

对所述图像信息进行处理包括：

利用图像分割公式

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)>T\\ 0& otherwise\end{array}\right.---\left(5\right)$

将管片区域分割出来，

式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；

分割出来后，利用二维高斯函数

$G(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线。

本发明类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法的有益效果为：

通过设置两个双轴传感器，提高类矩形盾构转角的测量精度。利用全站仪和棱镜的配合获取类矩形盾构的实时坐标信息，工控机内的算法保证了系统的精度，通过计算可以得到当前的类矩形盾构的左线路轴线和右线路轴线，实现了双轴线的自动实时测量。具有高实时性以及高自动化，还具有操作简单实现方便的特点。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，包括：

至少两个目标棱镜，设于类矩形盾构机上；

两个双轴传感器，对称设于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处，用于测量所述类矩形盾构机的坡度角、滚角；

全站仪，设于隧道进入口处的管节上，用于获取所述目标棱镜的坐标信息；

工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收所述双轴传感器测量的所述类矩形盾构机的坡度角、以及滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

2.如权利要求1所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，

所述工控机利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；

以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；

根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息(X₀，Y₀，Z₀)；

利用公式

计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，

式中：(X₁，Y₁，Z₁)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，(X₀，Y₀，Z₀)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X₂，Y₂，Z₂)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

3.如权利要求2所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，所述工控机利用公式

D＝AH×sinθ(1)

C＝Ca+CH(2)

CH＝AH×cosθ(3)

Vh＝Z1-Z'(4)

计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，

式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程，CH为点H到直线AB上的投射点与A点的距离。

4.如权利要求1所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，还包括设于所述类矩形盾构机盾尾的八个摄像头和与所述摄像头连接的通信单元，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置，所述摄像头拍摄拼装好的管片形成图像信息，通过所述通信单元传送给所述工控机，所述工控机对接收到的所述图像信息处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

5.如权利要求4所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，所述工控机利用图像分割公式

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)>T\\ 0& otherwise\end{array}\right.---\left(5\right)$

将管片区域分割出来，

式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；

分割出来后，利用二维高斯函数

$G(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线，G(x,y)为二维高斯函数，σ为高斯滤波器参数。

6.一种类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，包括)

于类矩形盾构机上设置至少两个目标棱镜；

于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处对称设置双轴传感器；

于隧道进入口处的管节上设置全站仪；

通过所述双轴传感器获取当前的所述类矩形盾构机坡度角与滚角和所述全站仪获取当前的所述目标棱镜的坐标信息；

利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

7.如权利要求6所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线包括：

利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；

以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；

根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息(X₀，Y₀，Z₀)；

利用公式

计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，

式中：(X₁，Y₁，Z₁)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，(X₀，Y₀，Z₀)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X₂，Y₂，Z₂)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

8.如权利要求7所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息包括：

利用公式

D＝AH×sinθ(1)

C＝Ca+CH(2)

CH＝AH×cosθ(3)

Vh＝Z1-Z'(4)

计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，

式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程，CH为点H到直线AB上的投射点与A点的距离。

9.如权利要求6所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，还包括：

于所述类矩形盾构机盾尾设置八个摄像头，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置；

利用八个所述摄像头拍摄拼装好的管片，形成图像信息；

对所述图像信息进行处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

10.如权利要求9所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的对所述图像信息进行处理包括：

利用图像分割公式

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)>T\\ 0& otherwise\end{array}\right.---\left(5\right)$

将管片区域分割出来，

式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；

分割出来后，利用二维高斯函数

$G(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线，G(x,y)为二维高斯函数，σ为高斯滤波器参数。