CN110081904A - 双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置及测量方法 - Google Patents

双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置及测量方法，涉及测量装置及测量方法领域，该装置包括双平面光电传感器阵列、激光源；双平面光电传感器阵列包括两个平面光电传感器阵列，两个平面光电传感器阵列位于同一平面上，其中一个平行设置在另一个的上方；双平面光电传感器阵列安装在顶管机机头，位于下方的平面光电传感器阵列的中心与机头轴线重合；激光源包括两个激光器，两个激光器发出的激光束均沿水平方向；两个平面光电传感器阵列分别对应两个激光器。本发明的优点在于：可以对顶管机姿态进行实时高精度测量，获取其工作时在空间中的位置。

Description

双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及测量装置及测量方法领域，尤其涉及一种双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置及测量方法。
背景技术
顶管机在顶管施工中，其顶管轨迹需按照预定的设计轨迹前进，为确保顶管机沿着设计轨迹推进，需要对其姿态进行实时高精度测量，获取其工作时在空间中的位置，包括顶进距离、角度偏差(俯仰角、水平角、滚角)、距离偏差(水平偏差、竖直偏差)等。传统方式采用激光靶和施工人员的目测来进行测量，自动化程度低，严重阻碍了施工的效率和质量；对于复杂的曲线顶管，现有技术采用经纬仪激光导向和全站仪一站式测量，需要架设多台仪器来进行坐标传递，操作复杂且造价较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对顶管机姿态进行实时高精度测量的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置及测量方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置，包括双平面光电传感器阵列、激光源；
所述双平面光电传感器阵列包括第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)，所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)位于同一平面上，所述第一平面光电传感器阵列(1)平行设置在所述第二平面光电传感器阵列(2)的上方；所述双平面光电传感器阵列安装在顶管机机头，所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)所在的平面垂直于顶管机的机头轴线(5)，所述第二平面光电传感器阵列(2)的中心与机头轴线(5)重合；
所述激光源包括第一激光器(3)、第二激光器(4)，所述激光源安装在顶管机工作的井内，所述第一激光器(3)位于所述第二激光器(4)的上方，所述第一激光器(3)、第二激光器(4)发出的激光束均沿水平方向；
所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)分别对应所述第一激光器(3)、第二激光器(4)。
初始时第一激光器、第二激光器发出的激光束分别照射在第一平面光电传感器阵列、第二平面光电传感器阵列的中心，双平面光电传感器阵列随顶管机机头运动时，第一激光器、第二激光器发出的激光束分别照射在第一平面光电传感器阵列、第二平面光电传感器阵列的其他位置。
通过获得第一激光器、第二激光器发出的激光束照射在第一平面光电传感器阵列、第二平面光电传感器阵列上位置的坐标值，结合几何关系可以计算出顶管机的姿态，可以对顶管机姿态进行实时高精度测量，获取其工作时在空间中的位置，自动化程度高，提高了施工的效率和质量，操作简便。
作为优化的技术方案，所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)分别包括呈阵列式排布的m×n个光电传感器，m、n为整数。
作为优化的技术方案，所述光电传感器采用光敏电阻(11)作为感光元器件。光敏电阻具有光普特性好、可靠性高、体积小、灵敏度高、反应快速、环氧树脂封装、寿命长等优点。
作为优化的技术方案，所述第一激光器(3)、第二激光器(4)均采用光斑大小可调的激光器。
双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，包括以下步骤：首先通过双平面光电传感器阵列识别激光源，然后通过识别的坐标值计算顶管机在三维坐标系中的坐标姿态。
作为优化的技术方案，所述双平面光电传感器阵列识别激光源的过程包括点光源坐标识别模块、数据缓存模块、发送模块、控制模块，点光源坐标识别模块输出数据到数据缓存模块，数据缓存模块输出数据到发送模块，控制模块发送读写控制到数据缓存模块，控制模块发送使能到发送模块。
作为优化的技术方案，所述光源坐标识别模块的识别过程包括以下步骤：
步骤一：第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)分别包括呈阵列式排布的m×n个光电传感器，光电传感器采用光敏电阻(11)作为感光元器件，将呈阵列式排布的光电传感器的光敏电阻(11)的行和列进行编码，并增加无光照状态和有光照状态的编码；
步骤二：在双平面光电传感器阵列无光源照射的状态下，预先的将列编码的控制线的全部输出置零，实时等待行编码的状态控制线的输入状态；
步骤三：在行编码的状态控制线的输入状态不全为1的情况下，开始执行扫描，在列编码的扫描控制线循环状态下，执行行编码的状态控制线的逐行扫描，同时，在列编码的扫描控制线循环状态下，对于非当前行编码的扫描控制线的输出全拉高；
步骤四：一旦扫描到有光敏电阻(11)被照射到就进入光照状态，同时在列编码的扫描控制线循环状态下，继续执行下一行的扫描，在光照状态下，记录此时的行、列的编码值以及光照标志；
步骤五：对于不同的行、列的编码值的组合输出相应的光敏电阻(11)的坐标译码值，然后将坐标数据输出。
作为优化的技术方案，步骤五中，在一轮扫描完毕后，将所有记录的光敏电阻(11)的坐标译码值进行求平均值作为最终的坐标数据并输出。
作为优化的技术方案，所述发送模块为RS232串口发送。
作为优化的技术方案，所述通过识别的坐标值计算顶管机在三维坐标系中的坐标姿态的计算过程包括以下步骤：
步骤A，建立双平面光电传感器阵列局部坐标系XYZ和隧道三维坐标系X1Y1Z1；
步骤B，将由第二平面光电传感器阵列(2)识别的第二激光器(4)的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的俯仰角；
步骤C，将由第二平面光电传感器阵列(2)识别的第二激光器(4)的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的水平角；
步骤D，将由第一平面光电传感器阵列(1)识别的第一激光器(3)的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的滚角；
步骤E，结合步骤B、步骤C、步骤D中计算出的俯仰角、水平角和滚角计算出顶管机在三维坐标系中的坐标姿态。
本发明的优点在于：通过获得第一激光器、第二激光器发出的激光束照射在第一平面光电传感器阵列、第二平面光电传感器阵列上位置的坐标值，结合几何关系可以计算出顶管机的姿态，可以对顶管机姿态进行实时高精度测量，获取其工作时在空间中的位置，自动化程度高，提高了施工的效率和质量，操作简便。
附图说明
图1是本发明实施例双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置的结构示意图。
图2是本发明实施例第一双平面光电传感器阵列的结构示意图。
图3本发明实施例光敏电阻的光电信号调理电路图。
图4本发明实施例双平面光电传感器阵列识别激光源的过程的模块框图。
图5本发明实施例光源坐标识别模块的识别过程的流程图。
图6是本发明实施例俯仰角的计算方法的几何关系示意图。
图7是本发明实施例水平角的计算方法的几何关系示意图。
图8是本发明实施例滚角的计算方法的几何关系示意图。
具体实施方式
实施例一
双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置，包括双平面光电传感器阵列、激光源。
如图1所示，双平面光电传感器阵列包括第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2，第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2位于同一平面上，第一平面光电传感器阵列1平行设置在第二平面光电传感器阵列2的上方，双平面光电传感器阵列安装在顶管机机头，第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2所在的平面垂直于顶管机的机头轴线5，第二平面光电传感器阵列2的中心与机头轴线5重合。
激光源包括第一激光器3、第二激光器4，激光源安装在顶管机工作的井内，第一激光器3位于第二激光器4的上方，第一激光器3、第二激光器4发出的激光束均沿水平方向。
第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2分别对应第一激光器3、第二激光器4，初始时第一激光器3、第二激光器4发出的激光束分别照射在第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2的中心，双平面光电传感器阵列随顶管机机头运动时，第一激光器3、第二激光器4发出的激光束分别照射在第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2的其他位置。
通过获得第一激光器3、第二激光器4发出的激光束照射在第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2上位置的坐标值，结合几何关系可以计算出顶管机的姿态。
如图2所示，第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2分别包括呈阵列式排布的40×40个光电传感器，光电传感器采用光敏电阻11作为感光元器件，光敏电阻11的波长感应范围为700nm～1100nm。
如图3所示，光敏电阻11在光电信号调理时，一端电性接地，另一端一方面通过分压电阻12电性连接电源，另一方面作为光电传感器的输出端。
光敏电阻11在正常光照下，电路输出电压为高电平；当激光束照射到光敏电阻11时，其阻值将发生改变，输出电压为为低电平。
第一激光器3、第二激光器4均采用光斑大小可调的激光器，第一激光器3、第二激光器4发出的激光束均为波长在808nm左右的不可见红光光束，发射功率稳定为100mW。
双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，包括以下步骤：首先通过双平面光电传感器阵列识别激光源，然后通过识别的坐标值计算顶管机在三维坐标系中的坐标姿态。
如图4所示，所述双平面光电传感器阵列识别激光源的过程包括点光源坐标识别模块、数据缓存模块、发送模块、控制模块，点光源坐标识别模块输出数据到数据缓存模块，数据缓存模块输出数据到发送模块，控制模块发送读写控制到数据缓存模块，控制模块发送使能到发送模块。
如图5所示，所述光源坐标识别模块的识别过程包括以下步骤：
步骤一：第一平面光电传感器阵列1、第二平面光电传感器阵列2分别包括呈阵列式排布的40×40个光电传感器，光电传感器采用光敏电阻11作为感光元器件，将呈阵列式排布的光电传感器的光敏电阻11的行和列进行编码，并增加无光照状态和有光照状态的编码；
步骤二：在双平面光电传感器阵列无光源照射的状态下，预先的将列编码的控制线的全部输出置零，实时等待行编码的状态控制线的输入状态；
步骤三：在行编码的状态控制线的输入状态不全为1的情况下，开始执行扫描，在列编码的扫描控制线循环状态下，执行行编码的状态控制线的逐行扫描，同时，在列编码的扫描控制线循环状态下，对于非当前行编码的扫描控制线的输出全拉高；
步骤四：一旦扫描到有光敏电阻11被照射到就进入光照状态，同时在列编码的扫描控制线循环状态下，继续执行下一行的扫描，在光照状态下，记录此时的行、列的编码值以及光照标志；
步骤五：对于不同的行、列的编码值的组合输出相应的光敏电阻11的坐标译码值，在一轮扫描完毕后，将所有记录的光敏电阻11的坐标译码值进行求平均值作为最终的坐标数据并输出。
所述发送模块为RS232串口发送。
所述通过识别的坐标值计算顶管机在三维坐标系中的坐标姿态的计算过程包括以下步骤：
步骤A，建立双平面光电传感器阵列局部坐标系XYZ和隧道三维坐标系X1Y1Z1；双平面光电传感器阵列局部坐标系XYZ随双平面光电传感器阵列的移动而移动，双平面光电传感器阵列局部坐标系XYZ的X轴、Y轴、Z轴的交点位于第二平面光电传感器阵列2的中心；隧道三维坐标系X1Y1Z1固定不动，隧道三维坐标系X1Y1Z1的X1轴、Y1轴、Z1轴的交点位于第二激光器4的激光束起点；
如图6所示，步骤B，将由第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的俯仰角，俯仰角的计算方法为：
顶管机机头上下摆动时，摆动后的机头轴线5与初始的机头轴线5的夹角即为顶管机的俯仰角β，在直角三角形EFO3中，有：
其中，EF的值为摆动后的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Z轴上的坐标值相对于初始的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Z轴上的坐标值的差值；
EO3的值为机头轴线5的摆动中心到机头轴线5与第二平面光电传感器阵列2的交点的长度；
数据处理时，定义顶管机机头向上或向下摆动时俯仰角β的值为正值，向另一个方向摆动时俯仰角β的值为负值；
如图7所示，步骤C，将由第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的水平角，水平角的计算方法为：
顶管机机头左右摆动时，摆动后的机头轴线5与初始的机头轴线5的夹角即为顶管机的水平角γ，在直角三角形EFO3中，有：
其中，EF的值为摆动后的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Y轴上的坐标值相对于初始的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Y轴上的坐标值的差值；
EO3的值为机头轴线5的摆动中心到机头轴线5与第二平面光电传感器阵列2的交点的长度；
数据处理时，定义顶管机机头向左或向右摆动时水平角γ的值为正值，向另一个方向摆动时水平角γ的值为负值；
如图8所示，步骤D，将由第一平面光电传感器阵列(1)识别的第一激光器(3)的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的滚角，滚角的计算方法为：
顶管机机头绕机头轴线5转动时，随双平面光电传感器阵列转动的双平面光电传感器阵列局部坐标系XYZ的转动后的Z轴与初始的Z轴的夹角即为顶管机的滚角α，在直角三角形EO1C2中，有：
其中，EC2的值为转动后的第一平面光电传感器阵列1识别的第一激光器3的激光束光斑在Y轴上的坐标值相对于初始的第一平面光电传感器阵列1识别的第一激光器3的激光束光斑在Y轴上的坐标值的差值；
C2O1的值为初始时第一激光器3的激光束光斑在Z轴上的坐标值与初始时第二激光器4的激光束光斑在Z轴上的坐标值的差值；
数据处理时，定义顶管机机头顺时针或逆时针转动时滚角α的值为正值，向另一个方向转动时滚角α的值为负值；
步骤E，结合步骤B、步骤C、步骤D中计算出的俯仰角β、水平角γ和滚角α计算出顶管机在三维坐标系中的坐标姿态。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于：
如图6所示，步骤B中，俯仰角的计算方法为：
顶管机机头上下摆动时，摆动后的机头轴线5与初始的机头轴线5的夹角即为顶管机的俯仰角β，在扇形O3O1E中，有：
其中，EF的值为摆动后的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Z轴上的坐标值相对于初始的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Z轴上的坐标值的差值；
EO3的值为机头轴线5的摆动中心到机头轴线5与第二平面光电传感器阵列2的交点的长度；
数据处理时，定义顶管机机头向上或向下摆动时俯仰角β的值为正值，向另一个方向摆动时俯仰角β的值为负值；
如图7所示，步骤C中，水平角的计算方法为：
顶管机机头左右摆动时，摆动后的机头轴线5与初始的机头轴线5的夹角即为顶管机的水平角γ，在扇形O3O1E中，有：
其中，EF的值为摆动后的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Y轴上的坐标值相对于初始的第二平面光电传感器阵列2识别的第二激光器4的激光束光斑在Y轴上的坐标值的差值；
EO3的值为机头轴线5的摆动中心到机头轴线5与第二平面光电传感器阵列2的交点的长度；
数据处理时，定义顶管机机头向左或向右摆动时水平角γ的值为正值，向另一个方向摆动时水平角γ的值为负值；
如图8所示，步骤D中，滚角的计算方法为：
顶管机机头绕机头轴线5转动时，随双平面光电传感器阵列转动的双平面光电传感器阵列局部坐标系XYZ的转动后的Z轴与初始的Z轴的夹角即为顶管机的滚角α，在直角三角形EO1C2中，有：
其中，EC2的值为转动后的第一平面光电传感器阵列1识别的第一激光器3的激光束光斑在Y轴上的坐标值相对于初始的第一平面光电传感器阵列1识别的第一激光器3的激光束光斑在Y轴上的坐标值的差值；
C2O1的值为初始时第一激光器3的激光束光斑在Z轴上的坐标值与初始时第二激光器4的激光束光斑在Z轴上的坐标值的差值；
数据处理时，定义顶管机机头顺时针或逆时针转动时滚角α的值为正值，向另一个方向转动时滚角α的值为负值。
以上结合附图详细描述了本发明的具体实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置，其特征在于，包括双平面光电传感器阵列、激光源；
所述双平面光电传感器阵列包括第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)，所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)位于同一平面上，所述第一平面光电传感器阵列(1)平行设置在所述第二平面光电传感器阵列(2)的上方；所述双平面光电传感器阵列安装在顶管机机头，所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)所在的平面垂直于顶管机的机头轴线(5)，所述第二平面光电传感器阵列(2)的中心与机头轴线(5)重合；
所述激光源包括第一激光器(3)、第二激光器(4)，所述激光源安装在顶管机工作的井内，所述第一激光器(3)位于所述第二激光器(4)的上方，所述第一激光器(3)、第二激光器(4)发出的激光束均沿水平方向；
所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)分别对应所述第一激光器(3)、第二激光器(4)。
2.如权利要求1所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置，其特征在于：所述第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)分别包括呈阵列式排布的m×n个光电传感器，m、n为整数。
3.如权利要求2所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置，其特征在于：所述光电传感器采用光敏电阻(11)作为感光元器件。
4.如权利要求1所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置，其特征在于：所述第一激光器(3)、第二激光器(4)均采用光斑大小可调的激光器。
5.一种使用如权利要求1-4任一项所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量装置的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：首先通过双平面光电传感器阵列识别激光源，然后通过识别的坐标值计算顶管机在三维坐标系中的坐标姿态。
6.如权利要求5所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，其特征在于：所述双平面光电传感器阵列识别激光源的过程包括点光源坐标识别模块、数据缓存模块、发送模块、控制模块，点光源坐标识别模块输出数据到数据缓存模块，数据缓存模块输出数据到发送模块，控制模块发送读写控制到数据缓存模块，控制模块发送使能到发送模块。
7.如权利要求6所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，其特征在于，所述光源坐标识别模块的识别过程包括以下步骤：
步骤一：第一平面光电传感器阵列(1)、第二平面光电传感器阵列(2)分别包括呈阵列式排布的m×n个光电传感器，光电传感器采用光敏电阻(11)作为感光元器件，将呈阵列式排布的光电传感器的光敏电阻(11)的行和列进行编码，并增加无光照状态和有光照状态的编码；
步骤二：在双平面光电传感器阵列无光源照射的状态下，预先的将列编码的控制线的全部输出置零，实时等待行编码的状态控制线的输入状态；
步骤三：在行编码的状态控制线的输入状态不全为1的情况下，开始执行扫描，在列编码的扫描控制线循环状态下，执行行编码的状态控制线的逐行扫描，同时，在列编码的扫描控制线循环状态下，对于非当前行编码的扫描控制线的输出全拉高；
步骤四：一旦扫描到有光敏电阻(11)被照射到就进入光照状态，同时在列编码的扫描控制线循环状态下，继续执行下一行的扫描，在光照状态下，记录此时的行、列的编码值以及光照标志；
步骤五：对于不同的行、列的编码值的组合输出相应的光敏电阻(11)的坐标译码值，然后将坐标数据输出。
8.如权利要求7所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，其特征在于：步骤五中，在一轮扫描完毕后，将所有记录的光敏电阻(11)的坐标译码值进行求平均值作为最终的坐标数据并输出。
9.如权利要求6所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，其特征在于：所述发送模块为RS232串口发送。
10.如权利要求5所述的双平面光电传感器阵列顶管机姿态测量方法，其特征在于，所述通过识别的坐标值计算顶管机在三维坐标系中的坐标姿态的计算过程包括以下步骤：
步骤A，建立双平面光电传感器阵列局部坐标系XYZ和隧道三维坐标系X1Y1Z1；
步骤B，将由第二平面光电传感器阵列(2)识别的第二激光器(4)的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的俯仰角；
步骤C，将由第二平面光电传感器阵列(2)识别的第二激光器(4)的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的水平角；
步骤D，将由第一平面光电传感器阵列(1)识别的第一激光器(3)的激光束的坐标值通过几何关系计算出顶管机的滚角；
步骤E，结合步骤B、步骤C、步骤D中计算出的俯仰角、水平角和滚角计算出顶管机在三维坐标系中的坐标姿态。
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