CN109991025B - 一种地铁管片偏差自动测量靶及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种地铁管片偏差自动测量靶及其测量方法，所述地铁管片偏差自动测量靶包括：外壳、棱镜、测距模块、倾角仪模块、电池组、控制电路板；外壳，所述外壳为中空腔体；棱镜，所述棱镜贯穿设置在外壳上；通过棱镜的反射作用，配合测量全站仪测量得到外壳的三维坐标；测距模块，所述测距模块包括第一测距模块和第二测距模块，第一测距模块和第二测距模块设置在外壳的两端，且第一测距模块和第二测距模块在同一条直线上，并与棱镜的长度方向垂直；通过第一测距模块测量得到外壳到第一地铁管片的距离L₁，通过第二测距模块测量得到外壳到第二地铁管片的距离L₂。所述测量方法采用地铁管片偏差自动测量靶。

Description

一种地铁管片偏差自动测量靶及其测量方法

技术领域

本发明涉及地铁测量领域，尤其涉及一种地铁管片偏差自动测量靶及其测量方法。

背景技术

盾构管片安装的偏差程度直接关系到建成隧道的质量，同时也是复核盾构导向系统的重要依据，所以对管片偏差的测量是最常见同时也是最危险的盾构工程测量工作，由于对管片的测量需要占用盾构的运输通道，所以当进行管片测量时盾构的掘进施工必须停止，这也无疑在某种程度上降低了施工的效率。目前，最常用的方法是水平尺杆法：采用一个安装有水平气泡的铝合金方管，中间部位放置测量目标点(棱镜或反光贴片)，一名测量员负责摆放，要确保气泡水平，另一名负责瞄准测量，测量结果通过一系列的整理换算，从而得到管片的偏差。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

水平尺杆需要摆放水平，实际中要反复调整；由于水平尺杆只能摆放一个固定的高度，所以在有障碍物时就无法使用；效率较低，要占用大量的施工时间。

发明内容

本发明提供一种地铁管片偏差自动测量靶及其测量方法，所述地铁管片偏差自动测量靶包括：外壳、棱镜、测距模块、倾角仪模块、电池组、控制电路板；

外壳，所述外壳为中空腔体；

棱镜，所述棱镜贯穿设置在外壳上；通过棱镜的反射作用，配合测量全站仪测量得到外壳的三维坐标；

测距模块，所述测距模块包括第一测距模块和第二测距模块，第一测距模块和第二测距模块设置在外壳的两端，且第一测距模块和第二测距模块在同一条直线上，并与棱镜的长度方向垂直；通过第一测距模块测量得到外壳到第一地铁管片的距离L₁，通过第二测距模块测量得到外壳到第二地铁管片的距离L₂；

倾角仪模块，所述倾角仪模块设置在外壳内，用于测量外壳的左右倾斜角θ；

电池组，所述电池组设置在外壳内；

控制电路板，所述控制电路板设置在测距模块上方，通过线路分别与测距模块、倾角仪模块和电池组连接；所述控制电路板包括：

数据采集模块，用于采集测距模块和倾角仪模块的数据；

无线数传模块，用于无线通讯，与测量全站仪连接；

I/O模块，用于导出数据；

电源管理模块，连接电池组，为测距模块、倾角仪模块、数据采集模块、无线数传模块和I/O模块提供电源，监测电池组的电量。

优选的，所述外壳为封闭的长方体形。

优选的，所述棱镜为可旋转棱镜，所述棱镜包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜和第二棱镜的轴心处于同一直线上，第一棱镜贯穿设置在外壳的第一端面，第二棱镜贯穿设置在外壳的第三端面，第一端面与第三端面为相对面。

优选的，所述第一测距模块和第二测距模块发射的激光光路在同一条直线上，且激光光路与外壳的第一端面和第三端面垂直。

优选的，所述电池组为18650高容锂电池组。

优选的，控制电路板采用MSP430处理器。

优选的，所述地铁管片偏差自动测量靶还包括：安装托架，所述安装托架设置在外壳的底部。

优选的，所述地铁管片偏差自动测量靶还包括：天线，设置在外壳上。

优选的，所述第一测距模块和第二测距模块均为激光测距模块。

本发明还提供一种地铁管片偏差自动测量靶的测量方法，所述方法包括：

步骤1；通过第一测距模块测量得到外壳到第一地铁管片的距离L₁，通过第二测距模块测量得到外壳到第二地铁管片的距离L₂；

步骤2：用倾角仪模块测量出外壳的左右倾斜角θ；

步骤3：通过数据采集模块采集所述L₁,L₂，θ数据；

步骤4：通过测量全站仪定位棱镜，再通过棱镜定位外壳，在测量全站仪上得到外壳的三维坐标x、y、z；将测量全站仪所测得的坐标x、y、z、测距模块测出的L₁、L₂、以及倾角仪模块测量外壳的左右倾斜角θ导出；

步骤5：根据导出的测量全站仪测出的坐标x、y、z、测距模块测出的L₁、L₂、以及倾角仪模块测量外壳的左右倾斜角度θ，得到地铁管片的偏差。

上述技术方案具有如下有益效果：因为采用测距模块、倾角仪模块、控制电路板的技术手段，所以达到了第一时间同步记录、上传原始数据，杜绝了繁琐的人为操作，也保证了数据的安全、可靠等优点的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的自动测量靶的工作原理的主视图；

图2是本发明的自动测量靶的工作原理的侧视图；

图3是本发明的自动测量靶的内部结构框图；

图4是本发明的自动测量靶的工作流程图；

图5是本发明的自动测量靶的立体结构示意图；

图6是本发明的计算地铁管片的圆心以及地铁管片的偏差原理图

附图标号：1.外壳；2.棱镜；31.第一测距模块；32.第二测距模块；4.倾角仪模块；5.电池组；6.控制电路板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种地铁管片偏差自动测量靶，如图5所示，所述地铁管片偏差自动测量靶包括：外壳1、棱镜2、测距模块、倾角仪模块4、电池组5、控制电路板6；

外壳1，所述外壳为中空腔体；用于容纳和保护内部模块，材质可以为塑料或金属；

棱镜2，所述棱镜贯穿设置在外壳上；通过棱镜的反射作用，配合测量全站仪测量得到外壳的三维坐标；棱镜为引导棱镜，可以双向转动；

测距模块，如图1所示，所述测距模块包括第一测距模块31和第二测距模块32，第一测距模块和第二测距模块设置在外壳的两端，且第一测距模块和第二测距模块在同一条直线上，并与棱镜的长度方向垂直；通过第一测距模块测量得到外壳到第一地铁管片的距离L₁，通过第二测距模块测量得到外壳到第二地铁管片的距离L₂；每个测距模块测距范围小于20米，精度±2mm；

倾角仪模块4，所述倾角仪模块设置在外壳内，用于测量外壳的左右倾斜角θ；采用倾角仪的主要目的是减少对装置的水平调整的工作量；能够避免障碍物的影响，现有技术中需要保证水平才可继续测量，但该装置可以随意放置测量。

电池组5，所述电池组设置在外壳内，连接电源管理模块；

控制电路板6，如图3所示，所述控制电路板设置在测距模块上方，通过线路分别与测距模块、倾角仪模块和电池组连接；所述控制电路板包括：

数据采集模块，用于采集测距模块和倾角仪模块的数据；

无线数传模块，用于无线通讯，与测量全站仪连接；无线数传模块主要用于无线通讯，与全站仪连接，采用433MHz工业通讯频段，工作距离大于100米；

I/O模块，用于导出数据；本发明避免了障碍物的影响，可以将测量靶放置在任意位置进行测量；

电源管理模块，为测距模块、倾角仪模块、数据采集模块、无线数传模块和I/O模块提供电源，监测电池组的电量。

优选的，如图5所示，所述外壳1为封闭的长方体形；外壳为长方体形，方便制备。

优选的，如图2、图5所示，所述棱镜2为可旋转棱镜，所述棱镜包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜和第二棱镜的轴心处于同一直线上，第一棱镜贯穿设置在外壳的第一端面，第二棱镜贯穿设置在外壳的第三端面，第一端面与第三端面为相对面；测量全站仪通过棱镜确定地铁管片偏差自动测量靶的位置。

优选的，如图1、图5所示，所述第一测距模块31和第二测距模块32发射的激光光路在同一条直线上，且激光光路与外壳的第一端面和第四端面垂直；两条激光光路在同一条直线上保证了L₁、L₂处于同一直线上，避免了距离误差的产生。

优选的，所述电池组5为18650高容锂电池组；供电电源采用2－3节18650高容锂电池组，容量大于8AH，可支持连续10小时的工作时间。

优选的，控制电路板采用MSP430处理器；该处理器性能好，功耗低。

优选的，所述地铁管片偏差自动测量靶还包括：安装托架，所述安装托架设置在外壳的底部；该安装托架用于支撑地铁管片偏差自动测量靶。

优选的，所述地铁管片偏差自动测量靶还包括：天线，设置在外壳上；用于放大无线信号，提高无线连接稳定性。

优选的，第一测距模块和第二测距模块均为激光测距模块；使用激光测距模块测量更加精准。

本发明实施例还提供了一种地铁管片偏差自动测量靶的测量方法，所述方法包括：

步骤1；通过第一测距模块测量得到外壳到第一地铁管片的距离L₁，通过第二测距模块测量得到外壳到第二地铁管片的距离L₂；

步骤2：用倾角仪模块测量出外壳的左右倾斜角θ；

步骤3：通过数据采集模块采集所述L₁,L₂，θ数据；

步骤4：通过测量全站仪定位棱镜，再通过棱镜定位外壳，在测量全站仪上得到外壳的三维坐标x、y、z；将测量全站仪所测得的坐标x、y、z、测距模块测出的L₁、L₂、以及倾角仪模块测量外壳的左右倾斜角θ导出；

步骤5：根据导出的测量全站仪测出的坐标x、y、z、测距模块测出的L₁、L₂、以及倾角仪模块测量外壳的左右倾斜角度θ，得到地铁管片的偏差。上述方法利用激光测距模块能够精准测出测量靶至地铁管片两壁的距离，通过倾角仪模块测量测量靶的倾角，最后全站仪通过定位棱镜的位置来定位测量靶的坐标，通过简单的数学计算(数学公式)可得地铁管片的圆心以及地铁管片的偏差；

圆心及偏差计算过程说明：

1.o为圆心，表示管片隧道的中心，管片半径为已知R；

2.激光测距线由m点发出，与管片相交于AB两点；

3.测距靶上的棱镜高度为h；

4.测距靶的滚动角为θ；

5.Lot为圆心向弦AB做的垂线，垂足为t；

如假定0点的坐标为(0，0)，在上述条件已知的情况下，即一旦测量出n点所在的偏差，也可同理求得o点的偏差，分别减去x,y即可。

该管片偏差测量靶可以放置于隧道顶点，通过计算确认，但具体算法与底部一样，不再重复；

第一步：计算0t长度，

第二步：计算tm长度Ltm＝(L1+L2)/2-L2；

第三步：计算Oh的长度

第四步：计算角度〈toh,β＝arcsin(Ltm/Loh)；

第五步：

x＝Loh*sinβ；

y＝-Loh*cosβ；

该方法简单，而且装置精密度高，节省大量人力和时间成本。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地铁管片偏差自动测量靶，其特征在于，所述地铁管片偏差自动测量靶包括：外壳、棱镜、测距模块、倾角仪模块、电池组、控制电路板；

外壳，所述外壳为中空腔体；

棱镜，所述棱镜贯穿设置在外壳上；通过棱镜的反射作用，配合测量全站仪测量得到外壳的三维坐标；

测距模块，所述测距模块包括第一测距模块和第二测距模块，第一测距模块和第二测距模块设置在外壳的两端，且第一测距模块和第二测距模块在同一条直线上，并与棱镜的长度方向垂直；通过第一测距模块测量得到外壳到第一地铁管片的距离L₁，通过第二测距模块测量得到外壳到第二地铁管片的距离L₂；

倾角仪模块，所述倾角仪模块设置在外壳内，用于测量外壳的左右倾斜角θ；

电池组，所述电池组设置在外壳内；

控制电路板，所述控制电路板设置在测距模块上方，通过线路分别与测距模块、倾角仪模块和电池组连接；所述控制电路板包括：

数据采集模块，用于采集测距模块和倾角仪模块的数据；

无线数传模块，用于无线通讯，与测量全站仪连接；

I/O模块，用于导出数据；

电源管理模块，连接电池组，为测距模块、倾角仪模块、数据采集模块、无线数传模块和I/O模块提供电源，监测电池组的电量；

所述棱镜为可旋转棱镜，所述棱镜包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜和第二棱镜的轴心处于同一直线上，第一棱镜贯穿设置在外壳的第一端面，第二棱镜贯穿设置在外壳的第三端面，第一端面与第三端面为相对面；

所述第一测距模块和第二测距模块发射的激光光路在同一条直线上，且激光光路与外壳的第一端面和第三端面平行。

2.如权利要求1所述的一种地铁管片偏差自动测量靶，其特征在于，所述外壳为封闭的长方体形。

3.如权利要求1所述的一种地铁管片偏差自动测量靶，其特征在于，所述电池组为18650高容锂电池组。

4.如权利要求1所述的一种地铁管片偏差自动测量靶，其特征在于，控制电路板采用MSP430处理器。

5.如权利要求1所述的一种地铁管片偏差自动测量靶，其特征在于，所述地铁管片偏差自动测量靶还包括：安装托架，所述安装托架设置在外壳的底部。

6.如权利要求1所述的一种地铁管片偏差自动测量靶，其特征在于，所述地铁管片偏差自动测量靶还包括：天线，设置在外壳上。

7.如权利要求1所述的一种地铁管片偏差自动测量靶，其特征在于，所述第一测距模块与第二测距模块均为激光测距模块。

8.一种用如权利要求1-7任一项所述的地铁管片偏差自动测量靶的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1；通过第一测距模块测量得到外壳到第一地铁管片的距离L₁，通过第二测距模块测量得到外壳到第二地铁管片的距离L₂；

步骤2：用倾角仪模块测量出外壳的左右倾斜角θ；

步骤3：通过数据采集模块采集所述L_1,L₂，θ数据；

步骤4：通过测量全站仪定位棱镜，再通过棱镜定位外壳，在测量全站仪上得到外壳的三维坐标x、y、z；将测量全站仪所测得的坐标x、y、z、测距模块测出的L₁、L₂、以及倾角仪模块测量外壳的左右倾斜角θ导出；

步骤5：根据导出的测量全站仪测出的坐标x、y、z、测距模块测出的L₁、L₂、以及倾角仪模块测量外壳的左右倾斜角度θ，得到地铁管片的偏差。