CN110196016A - 一种拼装机管片位姿测量系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拼装机管片位姿测量系统及其使用方法，包括盾构机，所述盾构机的内壁位于管片拼装部分安装有激光测距传感器，所述激光测距传感器的数目为多个(大于5个)，且多个激光测距传感器构成环线，所有射线位于盾构机的同一横截面内，所述环线的数目为两组，且两组所述环线分别为A环与B环，所述盾构机的内部设置有隧道管片。本发明在隧道管片拼装期间，各个激光测距传感器实时报告隧道管片和盾构机内壁的间距，通过A环与B环位姿参考基准坐标系内隧道管片环中心点的位移偏差和隧道管片宽度，可以分别求得隧道管片环中心轴与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差，从而及时进行校正，提高管片拼装的精确度。

Description

一种拼装机管片位姿测量系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及盾构机管片拼装位姿测量技术领域，具体为一种拼装机管片位姿测量系统。

背景技术

管片拼装机，又称举重臂，是一种设置在盾尾部位、可以迅速把管片拼装成确定形式的起重机械，开挖后的隧道需要安装洞外预制好的钢筋混凝土管片作为永久性支护，管片拼装机的作用就是将管片快速准确地安装到刚开挖的隧道表面，以支护隧道表面，防止地下水土的渗透和地表沉降，管片承担着盾构前进的推进反力，隧道最终质量主要取决于隧道管片的拼装质量，不精确的管片拼装往往造成隧道渗水、管片裂缝甚至破损，造成隧道偏离设计要求，严重时将直接影响到管片拼装和盾构的推进，若要确保隧道施工质量，必须要做到隧道管片拼装和设计完全符合，显而易见，在盾构推进及管片拼装过程中，如何协调好盾构姿态和管片姿态的关联性矛盾是解决隧道管片拼装的核心问题，为此，提供隧道管片拼装中管片位姿的实施测量系统是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决不精确的管片拼装往往造成隧道渗水、管片裂缝甚至破损，造成隧道偏离设计要求，严重时将直接影响到管片拼装和盾构的推进，如何协调好盾构姿态和管片姿态的关联性矛盾的问题，提供一种拼装机管片位姿测量系统方案。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种拼装机管片位姿测量系统，包括盾构机1，所述盾构机1的内壁的管片拼装部分形成有至少两个环线3，每个环线3上安装有至少五个激光测距传感器2；所述盾构机1的内部设置有隧道管片6，同一环线3上激光测距传感器2发出的射线均处于对应环线3的所在平面内且均打到隧道管片6上；环线3包括A环4与B环5，A环4与B环5之间的间距小于隧道管片6的宽度。

优选的，同一环线3上激光测距传感器2发出的射线均朝向对应环线3的中心；每个环线3上安装有大于五个数量的激光测距传感器2。

优选的，所述A环4和B环5的环平面均与盾构机轴线垂直。

优选的，包括如下步骤：

步骤一、在盾构机内安装激光测距传感器2并建立隧道管片姿态参考基准坐标系：在盾构机初始水平、横向无旋转放置时，由盾尾部位向切口观察，取盾构中心轴线与B环平面交点为坐标系原点，过原点水平向左为X轴正向，垂直向上为Y轴正向，垂直X轴及Y轴指向盾构机前部为Z轴正向，记坐标系为O-XYZ；

步骤二、测定所有激光测距传感器在坐标系O-XYZ内的状态量X_i，记为X_i＝[x_i,y_i,θ_i]^T，其中x_i,y_i分别表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的X轴和Y轴的位置坐标，θ_i表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的入射角即X轴正半轴沿原点O逆时针旋转至激光射线平行且同向时所扫过的角度。

步骤三、对隧道管片6外壁与盾构机内壁实际间距、设计路线参数、盾构机实时位姿和隧道管片拼装姿态进行关联分析；通过A环与B环位姿以及隧道管片宽度6和计算得到的参考O-XYZ坐标系内隧道管片的环中心点相对盾构机轴线的横向偏差，由平面解析计算得到隧道管片6轴线与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差。

优选的，所述步骤三包括如下步骤：

a：待测隧道管片6穿过A环平面和B环平面进入测量区域；A环平面、B环平面与待测隧道管片6形成的圆柱面即S面均相交。

b：计算A环、B环上的所有激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面的交点坐标记Q′_i＝[x′_i,y′_i]^T；其中x′_i表示交点在坐标系O-XYZ内的x轴坐标；y′_i表示交点在坐标系O-XYZ内的y轴坐标；

c：利用最小二乘法对b中获得的交点集进行非线性回归计算，分别获得A环平面、B环平面与S面相交的椭圆曲线的方程；

d：由A环平面、B环平面上的椭圆曲线的中心坐标X_A＝[x_A,y_A,z_A]^T，X_B＝[x_B,y_B,z_B]^T计算获得当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差记为其中，角标D表示盾构机；角标S表示设计路线；表示隧道管片中心轴线在X-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；其中x_A,y_A,z_A分别表示A环平面与S面相交的椭圆曲线的中心的X、Y、Z轴坐标；x_B,y_B,z_B分别表示B环平面与S面相交的椭圆曲线的中心的X、Y、Z轴坐标；

e：获取盾构机实时位姿，记为及设计路线参数，即设计路线相对于大地坐标系下的角度偏移，记为由坐标变换公式，计算当前隧道管片相对设计路线的角度偏移，记为及当前隧道管片在大地坐标系下的角度偏移记为其中，大地坐标系记为G-XYZ坐标系，以盾构机中心点G为坐标系原点，以盾构机初始位置的运动方向为X轴正向，Z轴指向地心为正向，Y轴与X轴构成右手坐标系；表示盾构机中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示盾构机中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示当前位置点下设计路线的切线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示当前位置点下设计路线的切线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与当前位置点下设计路线的切线在X-G-Z面上的投影之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与当前位置点下设计路线的切线在Y-G-Z面上的投影的角度；表示隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度。

f：获取上一段隧道管片在大地坐标系下的角度偏移记为计算得到当前隧道管片与上一段隧道管片的角度偏差记为θ_L＝[α_L,β_L]^T；其中，表示上一段隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示上一段隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；α_L表示前后两节隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影的偏转角度；β_L表示前后两节隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影的偏转角度。

优选的，管片拼装过程中，通过盾构机实时横向旋转角和盾构内隧道管片拼装旋转角计算求得隧道管片的横向旋转累积值，根据盾构体内预设校准点读数取得盾构内管片拼装旋转角。

优选地，在如上所述的隧道管片位姿测量步骤b中，任意激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面(S面)的交点坐标Q′_i＝[x′_i,y′_i]^T计算公式如下：

其中，Q_i＝[x_i,y_i]^T为编号i激光测距传感器在姿态参考基准坐标系(O-XYZ)中的位置坐标；θ_i表示激光传感器的入射角；d_i表示当前测距传感器测得的盾构机内壁到隧道管片外表面的距离。

优选地，在如上所述的隧道管片位姿测量步骤三中，利用最小二乘法进行非线性回归计算，获得A面、B面与S面相交的椭圆曲线的方程的过程的具体说明如下：

(a)已知平面空间中，任意一个椭圆方程可以用如下方程表示：

x²+gxy+cy²+dx+ey+f＝0

其中，x和y分别表示椭圆上某点的横坐标和纵坐标；只需要确定参数c、d、e、f、g就可以在平面空间内确定椭圆。

(b)只需将任意5个激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面(S面)的交点坐标Q′_i＝[x′_i,y′_i]^T代入上述方程中即可求解5个待定系数。具体实施时，为了减小测量误差带来的影响，A面与B面上必须安装至少5个激光测距传感器，利用最小二乘方回归计算获得待定系数的值。

(c)设已知椭圆上N个点的坐标的测量值Q′_i＝[x′_i,y′_i]^T(含有检测误差),i＝1,2,···，N，将每组检测值[x′_i,y′_i]^T代入(a)中方程，则有方程误差ε_i。即：

x_i ²+gx_iy_i+cy_i ²+dx_i+ey_i+f＝ε_i

(d)根据最小二乘法非线性回归原理，利用最优化方法求解误差平方和(如下式)的最小值点(c^*,d^*,e^*,f^*,g^*)即为(a)中待求系数，椭圆方程确定。c^*、d^*、e^*、f^*、g^*表示所求椭圆方程中的待定系数c、d、e、f、g的最小二乘数值解。

优选地，在如上所述的隧道管片位姿测量步骤d中，A面、B面上的椭圆曲线的中心坐标(记为X_A＝[x_A,y_A,z_A]^T，X_B＝[x_B,y_B,z_B]^T，显然z_B＝0，z_A＝w，w为A面与B面之间的距离；与椭圆方程中的待定系数c、d、e、f、g之间有如下关系：

(x₀,y₀)表示所求椭圆圆心坐标。

求解方程组得：

将A、B面上的椭圆方程中的系数代入上式即可计算出椭圆曲线的中心坐标。当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差(记为)按下式计算。

优选地，在如上所述的隧道管片位姿测量步骤c中，当前隧道管片在大地坐标系下的角度偏移计算公式为：

当前隧道管片相对设计路线的角度偏移计算公式为：

优选地，在如上所述的隧道管片位姿测量步骤f中，当前隧道管片与上一段隧道管片的角度偏差计算公式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于在盾构机的内壁安装多个激光传感器，提出一种隧道管片拼装姿态误差测量系统。激光测距传感器能够实时测量隧道管片外壁和盾构机内壁的相对距离，根据多个测量点的数据，利用最小二乘法对步骤二中获得的交点集进行非线性回归计算，得出激光测量面与隧道管片所围成圆柱的两个椭圆截面的参数方程；根据椭圆参数方程求出椭圆的中心坐标，进而计算获得当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差。由两个椭圆曲线的中心坐标计算获得当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差，由坐标变换公式，计算当前隧道管片相对设计路线的角度偏移及当前隧道管片在大地坐标系下的角度偏移。根据计算出的角度偏差，及时对安装进行校正，从而提高拼装管片的位置精度。

附图说明

图1为本发明的激光测距传感器布置示意图；

图2为本发明的隧道管片位姿参考基准平面坐标示意图；

图3为本发明的隧道管片位姿参考示意图；

图4为本发明的隧道管片纵向角度偏差示意图；

图5为本发明推荐的激光测距传感器安装示意图；

图6为本发明盾构机内激光测距示意图。

图中：1、盾构机；2、激光测距传感器；3、环线；4、A环；5、B环；6、隧道管片。

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。

请参阅图1-4，一种拼装机管片位姿测量系统，包括盾构机、激光测距传感器组、位姿解算模块。所述盾构机的内壁上，位于管片拼装部分安装有激光测距传感器，所述激光测距传感器的数目为多组(大于5个)，且多组激光测距传感器构成环线，所有射线位于盾构机的同一横截面内，所述环线的数目为两组，且两组所述环线分别为A环与B环，所述盾构机的内部设置有隧道管片，所述A环与B环之间的间距略小于隧道管片的宽度。

请着重参阅图2，为明确隧道管片的位姿，在盾构机内建立隧道管片位姿参考基准坐标系。其定义如下：在盾构机初始水平、横向无旋转放置时，由盾尾部位向切口观察，取盾构中心轴线与B环平面交点为坐标系原点，过原点水平向左为X轴正向，垂直向上为Y轴正向，垂直X轴及Y轴指向盾构机前部为Z轴正向，记该坐标系为O-XYZ。本发明由于隧道管片姿态参考基准坐标系是建立在盾构机内确定部位，在盾构机内是相对静止、固定的，盾构推进或管片拼装施工时，可直接联系盾构机内液压缸、激光测距传感器等具体标识物来标识。

所述一种拼装机管片位姿测量系统中激光测距传感器的安装方法为：多组激光测距传感器安装在盾构机内壁位于管片拼装部分，构成A环与B环。同一环上的激光测距传感器均匀地分布在环上，同一环上的激光测距传感器的射线都在环平面上，保证各个激光测距传感器的射线都能打到隧道管片上，同时传感器之间互不干扰(一种推荐做法是令传感器的射线指向环平面的圆心，如图5所示)。A环平面、B环平面均与盾构机轴线垂直(显然，A环平面与B环平面相互平行)，每个环上的激光测距传感器的分布和密度根据管片特点和测量精度要求确定。

请着重参阅图2，盾构机安装激光测距传感器时，测定所有激光测距传感器在位姿参考基准坐标系内状态量，记为X_i＝[x_i,y_i,θ_i]，其中(x_i,y_i)表示激光传感器在权利要求2所述的坐标系(位姿参考基准坐标系)中的位置坐标，θ_i表示激光传感器在位姿参考基准坐标系中的入射角，其定义为X轴正半轴沿原点O逆时针旋转至激光射线平行且同向时所扫过的角度。

请着重参阅图1，隧道管片在拼装过程中，同时受到众多因素共同制约，这些因素主要包括管片外壁与盾构机内壁最大实际间距、设计路线参数、盾构机1实时位姿和隧道管片拼装姿态，本发明将以上四种制约因素统一、协调的解决，利用隧道管片位姿参考基准平面坐标，采用横向偏差分析的方法可以对四大因素的关联性作出完整的分析。

请着重参阅图3和图4，对管片外壁与盾构机内壁实际间距、设计路线参数、盾构机实时位姿和隧道管片拼装姿态关联分析。通过A环与B环参考基准平面坐标系内隧道管片环中心点的横向偏差和隧道管片宽度，由平面解析计算求得隧道管片环中心轴与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差。通过A环与B环参考基准平面坐标系内隧道管片环中心点的横向偏差和隧道管片宽度(记为w)，求得隧道管片环中心轴与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差。

所述一种拼装机管片位姿测量系统的隧道管片在位姿测量步骤及原理如下：

步骤一：待测隧道管片进入测量区域，A环平面(记为A面)、B环平面(记为B面)与待测隧道管片形成的圆柱面(记为S面)均相交。显然截面为两个互相平行的椭圆面(可能出现的圆面看成是特殊的椭圆面)。

步骤二：如图6所示，计算A环、B环上的所有激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面(S面)的交点坐标(记为Q′_i＝[x′_i,y′_i]^T)。计算公式如下：

其中，Q_i＝[x_i,y_i]^T为编号i激光测距传感器在姿态参考基准坐标系中的位置坐标；θ_i表示激光传感器的入射角，其定义为X轴正半轴沿原点O逆时针旋转至激光射线平行且同向时所扫过的角度；d_i表示当前测距传感器测得的盾构机内壁到隧道管片外表面的距离。

步骤三：利用最小二乘法对步骤二中获得的交点集进行非线性回归计算，分别获得A环平面、B环平面与S面相交的椭圆曲线的方程。求解方法及原理如下：

(a)已知平面空间中，任意一个椭圆方程可以用如下方程表示：

x²+gxy+cy²+dx+ey+f＝0

其中，只需要确定参数c、d、e、f、g就可以在平面空间内确定椭圆。

(b)只需将任意5个激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面(S面)的交点坐标Q′_i＝[x′_i,y′_i]^T代入上述方程中即可求解5个待定系数。具体实施时，为了减小测量误差带来的影响通常A面与B面上安装的激光测距传感器大于5个，因此获得的方程组为超定方程组，利用最小二乘方回归计算即可获得待定系数的值。

(c)设已知椭圆上N个点的坐标的测量值Q′_i＝[x′_i,y′_i]^T(含有检测误差),i＝1,2,···，N，将每组检测值[x′_i,y′_i]^T代入(a)中方程，则有方程误差ε_i。即：

x_i ²+gx_iy_i+cy_i ²+dx_i+ey_i+f＝ε_i

(d)根据最小二乘法非线性回归原理，利用最优化方法求解误差平方和(如下式)的最小值点(c^*,d^*,e^*,f^*,g^*)即为(a)中待求系数，椭圆方程确定。利用最优化方法求解误差平方和的最小值点时，推荐采用遗传算法进行计算，其优秀的全局寻优能力可以有效避免诸如牛顿迭代一类算法所带来的“局部最优陷阱”。

步骤四：由A环平面、B环平面上的椭圆曲线的中心坐标(记为X_A＝[x_A,y_A,z_A]^T，X_B＝[x_B,y_B,z_B]^T)计算获得当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差(记为)。显然z_B＝0，z_A＝w，w为A面与B面之间的距离)与椭圆方程中的待定系数c、d、e、f、g之间有如下关系：

求解方程组得：

将A、B面上的椭圆方程中的系数代入上式即可计算出椭圆曲线的中心坐标。当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差(记为)按下式计算。

其中，表示隧道管片中心轴线在X-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度。

步骤五：由盾构机实时位姿(记为)计算当前隧道管片在大地坐标系下的角度偏移(记为)，计算公式如下：

其中，表示隧道管片中心轴线在X-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度。表示隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度。

当前隧道管片相对设计路线的角度偏移(记为)计算公式为：

其中，表示当前位置点下设计路线的切线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示当前位置点下设计路线的切线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度。

步骤六：按下式计算当前隧道管片与上一段隧道管片的角度偏差(记为θ_L＝[α_L,β_L]^T)。

其中，α_L表示前后两节隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影的偏转角度；β_L表示前后两节隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影的偏转角度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种拼装机管片位姿测量系统，包括盾构机(1)，其特征在于：所述盾构机(1)的内壁的管片拼装部分形成有至少两个环线(3)，每个环线(3)上安装有至少五个激光测距传感器(2)；所述盾构机(1)的内部设置有隧道管片(6)，同一环线(3)上激光测距传感器(2)发出的射线均处于对应环线(3)的所在平面内且均打到隧道管片(6)上；环线(3)包括A环(4)与B环(5)，A环(4)与B环(5)之间的间距小于隧道管片(6)的宽度。

2.如权利要求1所述的拼装机管片位姿测量系统，其特征在于，同一环线(3)上激光测距传感器(2)发出的射线均朝向对应环线(3)的中心；每个环线(3)上安装有大于五个数量的激光测距传感器(2)。

3.如权利要求1所述的拼装机管片位姿测量系统，其特征在于，所述A环(4)和B环(5)的环平面均与盾构机轴线垂直。

4.如权利要求1-3任一所述的拼装机管片位姿测量系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在盾构机内安装激光测距传感器(2)并建立隧道管片姿态参考基准坐标系：在盾构机初始水平、横向无旋转放置时，由盾尾部位向切口观察，取盾构中心轴线与B环平面交点为坐标系原点，过原点水平向左为X轴正向，垂直向上为Y轴正向，垂直X轴及Y轴指向盾构机前部为Z轴正向，记坐标系为O-XYZ；

步骤二、测定所有激光测距传感器在坐标系O-XYZ内的状态量X_i，记为X_i＝[x_i,y_i,θ_i]^T，其中x_i,y_i分别表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的X轴和Y轴的位置坐标，θ_i表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的入射角即X轴正半轴沿原点O逆时针旋转至激光射线平行且同向时所扫过的角度。

步骤三、对隧道管片(6)外壁与盾构机内壁实际间距、设计路线参数、盾构机实时位姿和隧道管片拼装姿态进行关联分析；通过A环与B环位姿以及隧道管片宽度(6)和计算得到的参考O-XYZ坐标系内隧道管片的环中心点相对盾构机轴线的横向偏差，由平面解析计算得到隧道管片(6)轴线与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差。

5.如权利要求4所述的拼装机管片位姿测量系统的使用方法，其特征在于，所述步骤三包括如下步骤：

a：待测隧道管片(6)穿过A环平面和B环平面进入测量区域；A环平面、B环平面与待测隧道管片(6)形成的圆柱面即S面均相交。

b：计算A环、B环上的所有激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面的交点坐标记Q_i′＝[x_i′,y_i′]^T；其中x_i′表示交点在坐标系O-XYZ内的x轴坐标；y_i′表示交点在坐标系O-XYZ内的y轴坐标；

c：利用最小二乘法对b中获得的交点集进行非线性回归计算，分别获得A环平面、B环平面与S面相交的椭圆曲线的方程；

d：由A环平面、B环平面上的椭圆曲线的中心坐标X_A＝[x_A,y_A,z_A]^T，X_B＝[x_B,y_B,z_B]^T计算获得当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差记为其中，角标D表示盾构机；角标S表示设计路线；表示隧道管片中心轴线在X-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；其中x_A,y_A,z_A分别表示A环平面与S面相交的椭圆曲线的中心的X、Y、Z轴坐标；x_B,y_B,z_B分别表示B环平面与S面相交的椭圆曲线的中心的X、Y、Z轴坐标；

e：获取盾构机实时位姿，记为及设计路线参数，即设计路线相对于大地坐标系下的角度偏移，记为由坐标变换公式，计算当前隧道管片相对设计路线的角度偏移，记为及当前隧道管片在大地坐标系下的角度偏移记为其中，大地坐标系记为G-XYZ坐标系，以盾构机中心点G为坐标系原点，以盾构机初始位置的运动方向为X轴正向，Z轴指向地心为正向，Y轴与X轴构成右手坐标系；表示盾构机中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示盾构机中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示当前位置点下设计路线的切线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示当前位置点下设计路线的切线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与当前位置点下设计路线的切线在X-G-Z面上的投影之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与当前位置点下设计路线的切线在Y-G-Z面上的投影的角度；表示隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度。

f：获取上一段隧道管片在大地坐标系下的角度偏移记为计算得到当前隧道管片与上一段隧道管片的角度偏差记为θ_L＝[α_L,β_L]^T；其中，表示上一段隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示上一段隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；α_L表示前后两节隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影的偏转角度；β_L表示前后两节隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影的偏转角度。

6.根据权利要求5所述的一种拼装机管片位姿测量系统，其特征在于：管片拼装过程中，通过盾构机实时横向旋转角和盾构内隧道管片拼装旋转角计算求得隧道管片的横向旋转累积值，根据盾构体内预设校准点读数取得盾构内管片拼装旋转角。