CN106223966A - 具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置及盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置及盾构机。管片拼装机空间姿态测量装置包括惯性传感器模块、数据处理模块和无线传输模块。惯性传感器模块用于测量管片拼装机的俯仰角、偏摆角和旋转角。数据处理模块用于将管片拼装机的空间姿态信息进行处理，以获得管片姿态变化数据。无线传输模块包括无线发射器和无线接收器，无线发射器与惯性传感器模块电连接，无线接收器与数据处理模块电连接。根据本发明的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，管片拼装位姿能够实时检测，且装置安装方便、测量精度高、体积小、成本降低。

Description

具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置及盾构机

技术领域

本发明涉及盾构管片拼装机姿态的空间运动检测装置，尤其是涉及一种具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置及盾构机。

背景技术

管片拼装机是盾构施工中重要的部件。目前，管片拼装作业是在潮湿、较热和狭窄的盾构工作环境空间里进行安装，而且施工人员的可视距离受到空间的限制，工作交流也受到诸如噪声之类的影响。另外，仅仅依靠施工人员的技能水平，拼装精度和拼装速度都会发生较大的波动，很难保证管片拼装的质量和过程控制。特别是，由于管片的拼装定位是靠人为的点动和凿削安装，管片的破损时有发生，并导致隧道漏水和管片环的扭曲变形。而且现在人工的技术水平参差不齐和劳动力受到年龄和数量的短缺都会影响到盾构施工的质量。所以，需要对拼装机的运动进行精确检测。

但是，由于管片拼装机具有多个自由度运动，现在更多的是采用拼装机驱动部件的行程来测量。例如，俯仰运动的检测：被抓取的管片与已装管片之间的相对位置是通过检测盾构机推进油缸的行程实现的，其俯仰角度还要基于管片回转位置检测的角度进行空间几何运算得到。偏摆运动的检测：被拼装管片的偏摆运动检测采用与俯仰运动检测一样的技术方法。滚动微调运动的检测：通过对旋转编码器检测实现管片的滚动微调运动。然而，行程传感器只能测量位移，对拼装机角度的测量仍需要进行换算处理，难以保证测量精度。另外，旋转编码器在实际安装中难以保证精度要求，如果这些检测数据不够准确，还需输入计算机中进行数据处理。

所以，在管片拼装过程中，必须采用安装更加简便、可直接检测和测量精度较高的空间姿态检测传感器，实现管片拼装的精确定位，从而保证拼装施工的安全、可靠和高质量。

发明内容

本申请是旨在至少现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明旨在提供一种具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，以解决管片拼装检测精度较低、安装难度大、数据传输和处理繁琐等问题。

本发明的另一个目的在于提供一种具有上述管片拼装机空间姿态测量装置的盾构机。

根据本发明的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，包括：惯性传感器模块，所述惯性传感器模块适于与管片拼装机连接以测量管片拼装机的空间姿态信息，所述管片拼装机的空间姿态信息包括管片拼装机的俯仰角、偏摆角和旋转角；数据处理模块，所述数据处理模块用于将所述管片拼装机的空间姿态信息进行处理以获得所述管片拼装机姿态变化数据；无线传输模块，所述无线传输模块包括无线发射器和无线接收器，所述无线发射器与所述惯性传感器模块电连接以发射所述管片拼装机的空间姿态信息，所述无线接收器接收所述无线发射器发出的所述管片拼装机的空间姿态信息，所述无线接收器与所述数据处理模块电连接以将所述管片拼装机的空间姿态信息传输至所述数据处理模块。

根据本发明实施例的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，因为使用了惯性传感器模块取代传统的行程位移和编码器测量定位，并使用无线传输模块对数据进行无线传输，使得管片拼装位姿能够实时检测，且装置安装方便、测量精度高、体积小、成本降低。

在一些实施例中，所述惯性传感器模块包括：三维加速度计。

具体地，所述惯性传感器模块包括：陀螺仪。

进一步地，所述陀螺仪为三个，三个所述陀螺仪相互正交设置。

更进一步地，三个所述陀螺仪分别固连在所述三维加速度计的三个敏感轴上。

可选地，所述陀螺仪为光钎陀螺仪。

具体地，所述惯性传感器模块适于与管片拼装机的夹持装置连接，所述夹持装置用于夹持管片。

根据本发明的盾构机，包括根据本发明所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置。

本发明实施例的盾构机，在施工时工程质量可以得到提升。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置的结构框图。

附图标记：

管片拼装机空间姿态测量装置10、

惯性传感器模块1、无线传输模块2、无线发射器201、无线接收器202、数据处理模块3、

管片拼装机20、控制器30。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1描述根据本发明实施例的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置10。

根据本发明实施例的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置10，如图1所示，包括：惯性传感器模块1、数据处理模块3和无线传输模块2。

惯性传感器模块1适于与管片拼装机20连接以测量管片拼装机的空间姿态信息，管片拼装机的空间姿态信息包括管片拼装机的俯仰角、偏摆角和旋转角。数据处理模块3用于将管片拼装机的空间姿态信息进行处理，以获得管片拼装机姿态变化数据。无线传输模块2包括无线发射器201和无线接收器202，无线发射器201与惯性传感器模块1电连接以发射管片拼装机的空间姿态信息，无线接收器202接收无线发射器201发出的管片拼装机的空间姿态信息，无线接收器202与数据处理模块3电连接以将管片拼装机的空间姿态信息传输至数据处理模块3。

这里，惯性传感器模块1至少可检测管片拼装机的俯仰角、偏摆角和旋转角，惯性传感器模块1具有陀螺仪原理，装置使用具有陀螺仪原理的惯性传感器模块1，可以确定管片的空间姿态，且能够实时测量管片的空间姿态变化，且装置的检测部分安装也方便。

在管片拼状机中，管片被管片拼装机20的夹持装置夹持后，随夹持装置的运行而转动、倾斜等。惯性传感器模块1适于与管片拼装机20连接，例如惯性传感器模块1可以与管片拼装机20的夹持装置刚性连接，或者惯性传感器模块1可以固着于管片拼装机20的夹持装置附近，从而通过夹持装置得到管片的姿态信息。

在本发明实施例中，采用可靠稳定的无线传输模块2，在获取了管片拼装相对初始位置的旋转姿态信息后，通过无线传输模块2的无线发射器201将从惯性传感器模块1处得到的信息转成无线数据信号以发送，通过无线传输模块2的无线接收器202接收到信号后，传输到数据处理模块3中，无线传输模块2可实时对检测数据进行无线传输。这样，方便了检测数据信号的可靠传输，惯性传感器模块1与数据处理模块3之间可不用连接电线，方便了装置的安装。

在本发明实施例中，采用数据处理模块3，用于进行数据处理，对管片拼装相对初始位置的旋转姿态变化的数据，实行信号有效识别和分析。可选地，数据处理模块3可以用于信号处理，可进行去噪、滤波、融合和计算，从而得出管片拼装过程的位姿和速度信息。可选地，数据处理模块3可以连接操作室内的控制器30上，这样数据处理模块3可将数据处理后得出的结果传输至控制器30内，便于控制器30对该管片空间姿态信息的存储、记录、分析等。

根据本发明实施例的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置10，因为使用了惯性传感器模块1取代传统的行程位移和编码器测量定位，并使用无线传输模块2对数据进行无线传输，使得管片拼装位姿能够实时检测，且装置安装方便、测量精度高、体积小、成本降低。

在本发明实施例中，惯性传感器模块1可以包括三维加速度计和陀螺仪，陀螺仪可以为三个，三个陀螺仪相互正交设置。另外，三个陀螺仪可以分别固连在三维加速度计的三个敏感轴上。

在一个具体实施例中，惯性传感器模块1可以实时检测拼装机的运动状态信息，惯性传感器模块1由三维加速度计及固连在其三个敏感轴上相互正交的光钎陀螺仪组成，惯性传感器模块1可以测量惯性传感器模块1参考坐标系相对于地球惯性坐标系的运动角速度和加速度。

惯性传感器模块1采用陀螺仪法则，即通过实时获取陀螺仪测量的三个姿态角，即通过测量方位角、俯仰角和滚动角来直接检测拼装机姿态的方位角数据、俯仰角数据和旋转角数据的变化，结合三维直角坐标转换，获得拼装机角度的精确测量。

该具体实施例中，无线传输模块2的无线发射器201发送来自惯性传感器模块1检测到的数据信号，无线接收器202接收无线发射器201发送的信号。数据处理模块3主要由数据处理器组成，可对传输来的数据信息进行去噪、滤波、融合和计算，得出管片拼装过程的位姿和速度信息。

当然，对本领域普通技术人员来说，还可以根据本发明实施例的技术方案进行等同替换或改变，比如采用其他实现本发明实施例目的传感器和处理器芯片来替换上述相应元件，例如，光钎陀螺仪可由激光陀螺仪替换等。

通过上述三个模块的组合，可实时获得管片拼装的旋转姿态变化，并能根据检测出的姿态变化进一步提高管片拼装位置精度，从而提高工程质量。

根据本发明实施例的盾构机，包括根据本发明实施例的具有惯性传感器模块1的管片拼装机空间姿态测量装置10。

由于采用了上述具有惯性传感器模块1的管片拼装机空间姿态测量装置10，从而本发明实施例的盾构机在施工时工程质量可以得到提升。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，其特征在于，包括：

惯性传感器模块，所述惯性传感器模块适于与管片拼装机连接以测量管片拼装机的空间姿态信息，所述管片拼装机的空间姿态信息包括管片拼装机的俯仰角、偏摆角和旋转角；

数据处理模块，所述数据处理模块用于将所述管片拼装机的空间姿态信息进行处理以获得所述管片拼装机姿态变化数据；

无线传输模块，所述无线传输模块包括无线发射器和无线接收器，所述无线发射器与所述惯性传感器模块电连接以发射所述管片拼装机的空间姿态信息，所述无线接收器接收所述无线发射器发出的所述管片拼装机的空间姿态信息，所述无线接收器与所述数据处理模块电连接以将所述管片拼装机的空间姿态信息传输至所述数据处理模块。

2.根据权利要求1所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，其特征在于，所述惯性传感器模块包括：三维加速度计。

3.根据权利要求2所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，其特征在于，所述惯性传感器模块包括：陀螺仪。

4.根据权利要求3所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，其特征在于，所述陀螺仪为三个，三个所述陀螺仪相互正交设置。

5.根据权利要求4所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，其特征在于，三个所述陀螺仪分别固连在所述三维加速度计的三个敏感轴上。

6.根据权利要求3所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，其特征在于，所述陀螺仪为光钎陀螺仪。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置，其特征在于，所述惯性传感器模块适于与管片拼装机的夹持装置连接，所述夹持装置用于夹持管片。

8.一种盾构机，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的具有惯性传感器的管片拼装机空间姿态测量装置。