CN111220537B - 张拉孔道走向测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于钢筋混凝土箱梁建造技术领域，提供了一种张拉孔道走向测量系统。该系统包括：运行装置，用于在张拉孔道的内壁上运行；所述运行控制装置，与所述运行装置连接，用于牵引所述运行装置运行；所述测量装置，安装在所述运行装置上，用于当所述运行装置在张拉孔道中运行时实时测量所述运行装置的运行参数，所述运行参数包括加速度数据与角度数据。根据运行参数建立张拉孔道走向模型，可以测得孔道实际转角，避免按图纸转角计算造成张拉力不准确的问题。

Description

张拉孔道走向测量系统

技术领域

本发明属于钢筋混凝土箱梁建造技术领域，尤其涉及一种张拉孔道走向测量系统。

背景技术

预应力钢筋混凝土箱梁是高速铁路中常用的一种梁，纵向预应力钢绞线穿过施工时预埋的单壁塑料波纹管成型的纵向钢束孔道，进行张拉、封锚以及灌浆等工艺，完成箱梁施工过程。而钢绞线的张拉值、伸长量等参数是影响箱梁质量的主控项目之一，这些参数的确定与该箱梁的锚口损失及孔道摩阻损失关系密切，而在摩阻损失测试中，孔道的转角是重要参数，因此建立张拉孔道模型时需要首先获得孔道的角度。现有技术中张拉力大小按照图纸转角计算，但实际箱梁施工可能会造成转角与设计图纸存在误差，导致张拉力计算不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种张拉孔道走向测量系统，以解决现有技术中孔道的张拉力大小按照图纸转角计算，容易造成张拉力计算偏差较大的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种张拉孔道走向测量系统，包括：运行装置、测量装置和运行控制装置；

所述运行装置，用于在张拉孔道的内壁上运行；

所述测量装置，安装在所述运行装置上，用于当所述运行装置在张拉孔道中运行时实时测量所述运行装置的运行参数，并根据所述运行参数建立张拉孔道走向模型；

所述运行控制装置，与所述运行装置连接，用于牵引所述运行装置运行。

在一实施例中，所述运行装置包括车板、多个支架、多个丝杠、多个车轮、多个车轴以及拉环，其中，所述多个支架、所述多个丝杠、所述多个车轮以及所述多个车轴的数量均相同；

所述车板，用于承载并固定所述测量装置；

所述多个支架固定在所述车板周围，所述多个支架上均设置支架连接接口；

所述多个车轴的一端设置车轴连接接口，另一端穿过对应的车轮，用于支撑对应的车轮；

所述多个丝杠的一端与对应的支架的支架连接接口连接，另一端与对应的车轴的车轴连接接口连接，用于调节连接的支架和车轴之间的距离，使对应的车轮紧贴所述张拉孔道的内壁；

所述拉环设置在所述车板前端，用于连接所述运行控制装置。

在一实施例中，每个车轴为U型车轴；多个U型车轴分别穿过对应的车轮并将对应的车轮固定在U型车轴的U弯处；

每个丝杠为螺纹丝杠，每个支架连接接口内设置对应螺纹，每个车轴连接接口内设置对应螺纹。

在一实施例中，所述运行装置还包括：与车轴数量相同的轴承；

每个轴承设置在对应的车轴上，使每个车轮分别通过对应的轴承固定在对应的U型车轴外侧，支撑对应的车轮转动。

在一实施例中，所述运行控制装置，包括：

提供支撑作用的收绳杆；

第一滑轮，固定在所述收绳杆的中部；

电机，固定在所述收绳杆的顶端；

第二滑轮，通过万向联轴器固定在所述收绳杆上所述电机的对端；

拉绳的一端连接所述运行装置，所述拉绳的另一端绕过所述第一滑轮后绕在所述第二滑轮上，以便所述电机通过所述万向联轴器带动所述第二滑轮转动，将所述拉绳缠绕在所述第二滑轮上，通过所述拉绳转动所述第一滑轮，拉动所述运行装置运动。

在一实施例中，所述测量装置，包括主控单元、加速度测量单元以及角度测量单元；所述运行参数，包括所述运行装置的加速度数据和所述运行装置的角度数据；

所述主控单元，分别与所述加速度测量单元以及所述角度测量单元连接，用于向所述加速度测量单元以及所述角度测量单元发送测量命令；

所述加速度测量单元，用于根据接收到的所述测量命令，实时采集所述运行装置的加速度数据，并将所述加速度数据发送给所述主控单元；

所述角度测量单元，用于根据接收到的所述测量命令，实时采集所述运行装置的角度数据，并将所述角度数据发送给所述主控单元；

所述主控单元，还用于接收所述加速度数据以及所述角度数据，并将所述加速度数据以及所述角度数据进行运算处理。

在一实施例中，在对张拉孔道走向进行测量时，建立空间直角坐标系和测量装置坐标系，并通过测量的所述运行装置的运行参数进行测量装置坐标系至空间直角坐标系的转换，并根据坐标系统转换后的运行参数建立张拉孔道走向模型。

在一实施例中，所述测量装置，还包括：电池单元、测量模式选择单元以及存储单元；

所述电池单元分别连接所述主控单元、所述加速度测量单元以及所述角度测量单元，用于为所述主控单元、所述加速度测量单元以及所述角度测量单元供电；

所述测量模式选择单元，用于提供张拉孔道测试的对应的模式，所述模式包括竖弯孔道模式和平弯孔道模式；

所述存储单元，用于接收并存储所述主控单元发送的坐标信息。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过设置运行装置，用于在张拉孔道的内壁上运行；所述测量装置，安装在所述运行装置上，用于当所述运行装置在张拉孔道中运行时实时测量所述运行装置的运行参数，并根据所述运行参数建立张拉孔道走向模型；所述运行控制装置，与所述运行装置连接，用于牵引所述运行装置运行。从而可以实时测量运行装置的运行参数，根据运行参数建立张拉孔道走向模型，可以测得孔道实际转角，避免按图纸转角计算造成张拉力不准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的张拉孔道走向测量系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的运行装置的示意图；

图3是本发明实施例提供的运行控制装置的示意图；

图4是本发明实施例提供的测量装置的示例图；

图5是本发明实施例提供的张拉孔道走向测量系统的电路示意图；

图6是本发明实施例提供的张拉孔道走向测量的方法的流程示意图；

图7是本发明实施例提供的平弯孔道测量模式下加速度分解示意图；

图8是本发明实施例提供的平弯走向局部测量示意图；

图9是本发明实施例提供的竖弯走向局部测量示意图；

图10是本发明实施例提供的运行装置发生旋转运行的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明实施例提供的张拉孔道走向测量系统的示意图，详述如下。

所述张拉孔道走向测量系统，可以包括：运行装置1、测量装置2和运行控制装置3。

所述运行装置1，用于在张拉孔道的内壁上运行；

所述测量装置2，安装在所述运行装置1上，用于当所述运行装置1在张拉孔道中运行时实时测量所述运行装置1的运行参数，并根据所述运行参数建立张拉孔道走向模型；

所述运行控制装置3，与所述运行装置1连接，用于牵引所述运行装置1运行。

上述张拉孔道走向测量系统，通过设置在运行装置上的测量装置，可以随着运行装置的运行实时测量运行参数，并根据运行参数建立张拉孔道走向模型，与现有技术中孔道的转角通常是按设计图纸计算相比，本实施例可以通过运行装置实际检测张拉孔道的参数，使得建立准确的张拉孔道模型。

可选的，不同箱梁内部的张拉孔道直径有所不同，使得运行装置1的尺寸也不同，例如，不同张拉孔道直径不同时，设计的车板大小和/或车轮大小也不同，但运行装置1需紧贴张拉孔道的内壁上运行。如图2所示，在某一箱梁内部的张拉孔道10内，所述运行装置1可以包括车板11、多个支架15、多个丝杠16、多个车轮12、多个车轴13以及拉环14，其中，所述多个支架15、所述多个丝杠16、所述多个车轮12以及所述多个车轴13的数量均相同。

所述车板11，用于承载并固定所述测量装置2，以便测量装置2可以随着运行装置1的运行而运行，可以测量不同的运行位置的运行参数。图2中还包括螺丝15；可选的，所述车板11通过螺丝15固定所述测量装置2。

可选的，测量装置2可以设置在车板11前端面的中心位置处，方便后续的根据测量装置测量的运行参数进行计算。可选的，可以在车板11的前端面的中心位置处设置一个凹槽，将测量装置2置于凹槽内，以固定测量装置2。

所述多个支架15固定在所述车板11周围，所述多个支架15上均设置支架连接接口；

所述多个车轴13的一端设置车轴连接接口，另一端穿过对应的车轮12，用于支撑对应的车轮12；

所述多个丝杠16的一端与对应的支架15的支架连接接口连接，另一端与对应的车轴13的车轴连接接口连接，用于调节连接的支架15和车轴13之间的距离，使对应的车轮12紧贴所述张拉孔道的内壁；

可选的，支架、丝杠、车轮以及车轴均可以设置为四个，这样四个车轮通过四个支架分别固定在所述车板11的上、下、左、右四个面，丝杠连接对应的支架以及车轴，车轮安装在车轴上，通过旋转丝杠可以调节支架和车轴的距离，使得车轮可以紧贴所述张拉孔道的内壁。可选的，车板11上面的车轮和车板11下面的车轮可以对称设计，车板11左面的车轮和车板11右面的车轮可以对称设计。

可选的，每个丝杠15为螺纹丝杠，每个支架16连接接口内设置对应螺纹，每个车轴13连接接口内设置对应螺纹，以便于丝杠15与支架16和车轴13连接。

所述拉环14设置在所述车板11前端，用于连接所述运行控制装置3。

可选的，每个车轴13为U型车轴，多个U型车轴分别穿过对应的车轮并将对应的车轮固定在U型车轴的U弯处。即四个U型车轴分别固定在所述车板11的上、下、左、右四个面上。可选的，车板11上面的车轴和车板11下面的车轴可以对称设计，车板11左面的车轴和车板11右面的车轴可以对称设计。

可选的，所述运行装置1还包括：与车轴数量相同的轴承。每个轴承设置在对应的车轴上，使每个车轮分别通过对应的轴承固定在对应的U型车轴上，支撑对应的车轮转动。可选的，当车轮为四个时，轴承也设置为四个。

可选的，如图3所示，所述运行控制装置3，可以包括：收绳杆31、第一滑轮32、电机33、第二滑轮34、万向联轴器35以及拉绳36。

提供支撑作用的收绳杆31；

第一滑轮32，固定在所述收绳杆31的中部；

电机33，固定在所述收绳杆31的顶端；

第二滑轮34，通过万向联轴器35固定在所述收绳杆31上所述电机33的对端；

拉绳36的一端连接所述运行装置1，所述拉绳36的另一端绕过所述第一滑轮32后绕在所述第二滑轮34上，以便所述电机33通过所述万向联轴器35带动所述第二滑轮34转动，将所述拉绳36缠绕在所述第二滑轮34上，通过所述拉绳36转动所述第一滑轮32，拉动所述运行装置1运动。可选的，拉绳36的一端通过所述拉环14连接所述运行装置1。

可选的，如图3所示，所述收绳杆31中心设置通孔；通孔可以为长方形，通孔的长度可以根据需求进行设定，例如通孔的长度为大于或等于收绳杆长度的2/3，以便调整第一滑轮的高度，使得拉绳可以与运行装置1处于同一水平线。

可选的，如图3所示，所述运行控制装置，还包括：第一轴承37、螺丝38、第一垫片39、与所述螺丝相匹配的螺母310、辅助杆311、第二轴承312、减速器313以及第二垫片314；

所述第一轴承37设置在所述第一滑轮32内，使所述第一滑轮32通过所述第一轴承37套接在所述螺丝38上；

所述螺丝38穿过所述通孔采用与所述螺丝相匹配的螺母310固定在所述收绳杆31上，使所述运行装置1运行时，连接所述第一滑轮32与所述运行装置的拉绳36保持水平；

所述第一垫片39设置在所述螺丝38与所述通孔之间，以增大螺丝与通孔之间的摩擦力，使得第一滑轮固定得更稳固。

所述辅助杆311一端连接所述收绳杆31，另一端设置在所述电机33下，用于固定所述电机33；

所述第二轴承312固定在所述收绳杆31的内部，所述第二轴承312内部的转轴连接所述万向联轴器35的一端，所述万向联轴器35的另一端连接所述减速器313后与所述电机33内的转轴连接；

所述第二垫片314设置于所述第二轴承312与所述第二滑轮34之间，以增大第二轴承与第二滑轮之间的摩擦力，使得第二滑轮固定得更稳固。

可选的，通过图3所示的运行控制装置，可以控制运行装置的移动。

可选的，如图4所示，所述测量装置2，包括主控单元21、加速度测量单元22以及角度测量单元23；所述运行参数，包括所述运行装置的加速度数据和所述运行装置的角度数据；

所述主控单元21，分别与所述加速度测量单元22以及所述角度测量单元23连接，用于向所述加速度测量单元22以及所述角度测量单元23发送测量命令；

所述加速度测量单元22，用于根据接收到的所述测量命令，实时采集所述运行装置1的加速度数据，并将所述加速度数据发送给所述主控单元21；可选的，所述加速度测量单元22可以采集三轴加速度数据。

所述角度测量单元23，用于根据接收到的所述测量命令，实时采集所述运行装置1的角度数据，并将所述角度数据发送给所述主控单元21；可选的，所述角度测量单元23可以采集三轴角度数据。

所述主控单元21，还用于接收所述加速度数据以及所述角度数据，并根据所述加速度数据以及所述角度数据进行运算处理。

可选的，如图4所示，所述测量装置2，还包括：电池单元24、存储单元25以及测量模式选择单元26；

所述电池单元24分别连接所述主控单元21、所述加速度测量单元22以及所述角度测量单元23，用于为所述主控单元21、所述加速度测量单元22以及所述角度测量单元23供电；

所述存储单元25，用于接收并存储所述主控单元发送的坐标信息。

所述测量模式选择单元26，用于提供张拉孔道测试的对应的模式，所述模式包括竖弯孔道模式和平弯孔道模式。即当需要进行竖弯孔道测量时，则可以选择竖弯孔道模式，当需要进行平弯孔道测量时，则可以选择平弯孔道模式。

可选的，所述测量装置2，还可以包括：复位单元，用于在运行装置每次运行之前对测量装置进行复位，清除测量记录数据空间。

可选的，主控单元21可以采用控制器，控制器可以为STM32F103C8T6，加速度测量单元22以及角度测量单元23可以采用高度集成芯片MPU6050。电池单元24包括供电子单元和电压转换子单元，供电子单元采用可以提供5V电压的电池P1，电压转化子单元采用RT9193—33，经过RT9193—33后将5V电压变为3.3v为整个电路供电。如图5所示张拉孔道走向测试系统的电路示意图。电池P1可以选择Header 6，电池P1的VCC引脚连接RT9193—33的电压输入引脚VIN，电池P1的GND引脚连接RT9193—33的GND引脚后接地，接RT9193—33的BP引脚串接电容C4后接地，电池P1的VCC引脚和GND引脚之间并联电容C3，RT9193—33的EN引脚串接开关按键KEY1后连接RT9193—33的电压输出VOUT引脚后分别连接电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R1的一端，电容C1的另一端、电容C2的另一端接地，电阻R1的另一端串接LED灯后接地。电容C2与RT9193—33的VOUT引脚的连接点为电压输出端。可选的，当开关按键KEY1按下后，供电子单元和电压转换子单元连通，输出3.3V的电压，此时LED灯亮。

可选的，如图5所示，将MPU6050的SDA引脚与SCL引脚分别与STM32F103C8T6的PA1引脚与PA2引脚连接，VDD引脚均连接3.3V，VSS引脚均接地；TF卡座的DATA3引脚接入STM32F103C8T6的PA4引脚，TF卡座的CMD引脚接入引脚，TF卡座的CLK引脚接入STM32F103C8T6的PA5引脚，TF卡座的DATA0引脚接入STM32F103C8T6的PA6引脚。

另外，MPU6050的SCL引脚与STM32F103C8T6的PA2引脚连接之间串联电阻R3，MPU6050的SCL引脚还连接电阻R9后接入3.3V电压。MPU6050的SDA引脚与STM32F103C8T6的PA1引脚连接之间还串联电阻R5，MPU6050的SDA引脚还连接电阻R10后接入3.3V电压。MPU6050的INT引脚串接电阻R6后连接电池P1的2脚。MPU6050的CLKIN引脚连接MPU6050的FSYNC引脚后接地。MPU6050的AD0引脚分别连接电阻R7的一端和电阻R8的一端，电阻R7的另一端接地，电阻R8的另一端连接电池P1的1脚。MPU6050的VLOGIC引脚连接MPU6050的VDD引脚后分别连接电容C5的一端以及3.3V电压，电容C5的另一端接地。MPU6050的REGOUT引脚串接电容C7后接地，MPU6050的CPOUT引脚串接电容C6后接地。

STM32F103C8T6的PDI-OSC_IN引脚分别连接晶振Y1的一端和电容C10的一端后接地，Y1的另一端连接STM32F103C8T6的PDI-OSC_OUT引脚后串接电容C9后接地。STM32F103C8T6的NRST引脚分别连接电容C8和复位按键SW1的并联电路后接地。

张拉孔道走向测量系统的电路连接好后，就可以开启电池单元供电进行张拉孔道走向的测试，运动装置在张拉孔道内壁行驶，测量装置进行实时测量，测量的运行参数经过测量装置处理后，建立张拉孔道走向模型。在对张拉孔道走向进行测量时，建立空间直角坐标系和测量装置坐标系，并通过测量的所述运行装置的运行参数进行测量装置坐标系至空间直角坐标系的转换，并根据坐标系统转换后的运行参数建立张拉孔道走向模型。

可选的，如图6所示，所述张拉孔道走向测量的方法可以包括：

步骤601，当电源开启，测量模式选择后，设置在张拉孔道前端的所述运行控制装置通过拉绳控制所述运行装置驶入张拉孔道并在所述张拉孔道的内壁上运动，同时设置在所述运行装置上的所述测量装置实时测量所述运行装置的运行参数。

可选的，在电源开启之前，先将运行控制装置放置于张拉孔道前端的人工操作平台上，然后调整平台高度，使运行控制装置置于合理位置，且稳固放置。然后将运行控制装置中的拉绳的一端捆绑在一根穿过穿束机的钢绞线上，穿束机将捆绑有拉绳的钢绞线送至孔道待测端，解下拉绳，由穿束机抽出钢绞线，使拉绳贯穿整个待测孔道。将拉绳固定在运行装置上的拉环上，将运行装置放于张拉孔道的待测段端口处。将拉绳的另一端绕过第一滑轮后缠绕在第二滑轮上，且调整第一滑轮的位置，保持拉绳水平，然后用螺母将其固定，准备工作完成。

可选的，本实施例中可以包括竖弯孔道模式和平弯孔道模式。因此当进行竖弯孔道的测量时，打开电源后，选择竖弯孔道模式；当进行平弯孔道的测量时，打开电源后，选择平弯孔道模式。然后打开电机开关，运行装置由拉绳牵引缓慢行驶进张拉孔道中，运行装置上的测量装置实时采集加速度数据和角度数据。

步骤602，在对张拉孔道走向进行测量时，建立空间直角坐标系和测量装置坐标系，并通过测量的所述运行装置的运行参数进行测量装置坐标系至空间直角坐标系的转换，并根据坐标系统转换后的运行参数建立张拉孔道走向模型。

可选的，本步骤可以包括：加速度转换计算、速度计算、坐标计算；

根据所述运行参数中的加速度数据，借助所述角度数据，将所述加速度数据转换为空间直角坐标系下的合加速度数据；根据所述合加速度数据，计算获得运行装置的速度数据；根据所述合加速度数据以及所述速度数据，计算获得运行装置在空间直角坐标系下的坐标信息。

根据所述坐标信息，建立张拉孔道走向模型。

可选的，根据运行参数建立张拉孔道走向模型时可以由测量装置执行，也可以将运行参数导入电脑中，在计算机上根据运行参数建立张拉孔道走向模型。

可选的，规定起始点为张拉孔道的孔道口，以道口圆心处为坐标原点即起始点，以X、Y、Z轴组成空间直角坐标系。测量装置每隔预设时间采集一次三轴加速度和三轴角度数据，预设时间可以为10ms、15ms等，在本实施例中不限定预设时间的取值。依据加速度数据，判别运动起始和结束，计算每时刻的速度，结合三轴角度数据，计算每时刻距起始点的距离，构成整个孔道的距离数据组，从而建立起张拉孔孔道走向模型。

可选的，开始记录时，拉动运行装置，当运行装置的X1轴加速度大于第一阈值时作为开始记录的信号；运行装置Z1轴的加速度小于第二阈值时则停止记录。第一阈值和第二阈值可以根据经验设定，在本申请中不限定第一阈值和第二阈值的取值。

在平弯孔道测量时，以张拉孔道的孔道口圆心处为坐标原点建立竖直坐标系，以X、Y轴组成的水平平面为参考面，其中，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，所测角度为Z轴角度，原点处的坐标为(0，0)。如图7所示平弯孔道测量模式下加速度分解示意图(以第e个Δt内的加速度为例)和图8所示的平弯走向局部测量图。在图7中，Z轴角度为φ_pe，需要说明的是，当运行装置在张拉孔道内运行时，运行装置可能会发生绕X轴的旋转，如图10所示运行装置发生旋转运行的示意图，此时X轴就会产生旋转因子γ_p，当运行装置在运行过程中不发生旋转时，则旋转因子为0，因此空间直角坐标系中水平方向的加速度为：A_xpe＝a_xpecosφ_pe-(a_ypesinγ_pe+a_zpecosγ_pe)sinφ_pe，空间直角坐标系中竖直方向的加速度为：A_ype＝a_xpesinφ_pe+(a_ypesinγ_pe+a_zpecosγ_pe)cosφ_pe。在图8中，将每一点可以分解为水平距离和竖直距离，水平距离和竖直距离构成此点的坐标信息，具体参考以下描述。

在第一个Δt后，测得X、Y轴加速度以及X、Z轴角度可以表示为(a_xp1,a_yp1,γ_p1,φ_p1)；经过第二个Δt后，测得X、Y轴加速度以及X、Z轴角度为(a_xp2,a_yp2,γ_p2,φ_p2)；经过第m-1个Δt后，测得X、Y轴加速度以及X、Z轴角度为(a_xpm-1,a_ypm-1,γ_pm-1,φ_pm-1)；经过第m个Δt后，运行装置驶出孔道，测得X、Y轴加速度以及X、Z轴角度为(a_xpm,a_ypm,γ_pm,φ_pm)。由于测量装置测量的数据均以自身坐标系为参考，因此需要进行坐标系的转换，转换为规定X、Y、Z轴组成空间直角坐标系。

需要说明的是，角度为与初始时刻测量装置的角度相比每个Δt内角度的变化量。则空间直角坐标系中水平方向的加速度为：

A_xp1＝a_xp1cosφ_p1-(a_yp1sinγ_p1+a_zp1cosγ_p1)sinφ_p1，

A_xp2＝a_xp2cosφ_p1-(a_yp2sinγ_p2+a_zp2cosγ_p2)sinφ_p2……

A_xpm-1＝a_xpm-1cosφ_pm-1-(a_ypm-1sinγ_pm-1+a_zpm-1cosγ_pm-1)sinφ_pm-1，

A_xpm＝a_xpmcosφ_pm-(a_ypmsinγ_pm+a_zpmcosγ_pm)sinφ_pm。

则运行装置的水平行进距离分别为

其中，

同理，空间直角坐标系中竖直方向的加速度为：

A_yp1＝a_xp1sinφ_p1+(a_yp1sinγ_p1+a_zp1cosγ_p1)cosφ_p1，

A_yp2＝a_xp2sinφ_p2+(a_yp2sinγ_p2+a_zp2cosγ_p2)cosφ_p2……

A_ypm-1＝a_xpm-1sinφ_pm-1+(a_ypm-1sinγ_pm-1+a_zpm-1cosγ_pm-1)cosφ_pm-1，

A_ypm＝a_xpmsinφ_pm+(a_ypmsinγ_pm+a_zpmcosγ_pm)cosφ_pm。

则运行装置的竖直行进距离分别为

其中，

则运行装置在m时刻定位的坐标为：(X_m,Y_m)。其中，计算公式分别为：

X_m＝Δxp₁+Δxp₂+Δxp₃+...+Δxp_m，Y_m＝Δyp₁+Δyp₂+Δyp₃+...+Δyp_m。

在竖弯孔道测量时，以张拉孔道的孔道口圆心处为坐标原点建立竖直坐标系，以X、Z轴组成的竖直平面为参考面，其中，水平方向为X轴，竖直方向为Z轴，所测角度为Y轴角度，原点处的坐标为(0,0)。同理，当运行装置在张拉孔道内运行时，运行装置可能会发生绕X轴的旋转，如图10所示运行装置发生旋转运行的示意图，此时X轴就会产生旋转因子γ，当运行装置在运行过程中不发生旋转时，则旋转因子为0，因此如图9所示竖弯走向局部测量示意图，竖弯孔道测量模式下加速度分解与平弯孔道测量模式下加速度分解方式相同，在此不再一一赘述。

在第一个Δt后，测得X、Z轴加速度以及X、Y轴角度可以表示为(a_x1,az₁,γ₁,θ₁)；经过第二个Δt后，测得X、Z轴加速度以及X、Y轴角度为(a_x2,a_z2,γ₂,θ₂)；经过第m-1个Δt后，测得X、Z轴加速度以及X、Y轴角度为(a_xm-1,a_zm-1,γ_m-1,θ_m-1)；经过第m个Δt后，运行装置驶出孔道，测得X、Z轴加速度以及X、Y轴角度为(a_xm,a_zm,γ_m,θ_m)。由于测量装置测量的数据均以自身坐标系为参考，因此需要进行坐标系的转换，转换为规定X、Y、Z轴组成空间直角坐标系。

需要说明的是，角度为与初始时刻测量装置的角度相比，每个Δt内角度的变化量。则空间直角坐标系中水平方向的加速度为：

A_x1＝a_x1cosθ₁+(a_y1sinγ₁+a_z1cosγ₁)sinθ₁，

A_x2＝a_x2cosθ₂+(a_y2sinγ₂+a_z2cosγ₂)sinθ₂……

A_xm-1＝a_xm-1cosθ_m-1+(a_ym-1sinγ_m-1+a_zm-1cosγ_m-1)sinθ_m-1，

A_xm＝a_xmcosθ_m+(a_ymsinγ_m+a_zmcosγ_m)sinθ_m。

根据水平方向的加速度，可以计算水平方向的距离：

其中，

同理，空间直角坐标系中竖直方向的加速度为：

A_z1＝a_x1sinθ₁-(a_y1sinλ₁+a_z1cosγ₁)cosθ₁，

A_z2＝a_x2sinθ₂-(a_y2sinλ₂+a_z2cosγ₂)cosθ₂，……

A_zm-1＝a_xm-1sinθ_m-1-(a_ym-1sinλ_m-1+a_zm-1cosγ_m-1)cosθ_m-1，

A_zm＝a_xmsinθ_m-(a_ymsinλ_m+a_zmcosγ_m)cosθ_m。

根据竖直方向的加速度，可以计算竖直方向的距离：

其中，

则运行装置在m时刻定位的坐标为：(X_m,Z_m)。其中，计算公式分别为：X_m＝Δx₁+Δx₂+Δx₃+...+Δx_m，Z_m＝Δz₁+Δz₂+Δz₃+...+Δz_m。

需要说明的是，所有通过MPU6050得到的三轴加速度均为重力加速度g的倍数，例如，测出来加速度可以为“0.1235g”，故此所计算的距离结果中均包含重力加速度g。

根据计算获得的坐标建立张拉孔道走向模型。

上述张拉孔道走向测量系统，通过设置在运行装置上的测量装置，可以随着运行装置的运行实时测量运行参数，并根据运行参数建立张拉孔道走向模型，与现有技术中孔道的转角通常是按设计图纸计算相比，本实施例可以通过运行装置实际检测张拉孔道的参数，使得建立准确的张拉孔道模型，可以测得孔道实际转角，避免按图纸转角计算造成张拉力不准确的问题。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种张拉孔道走向测量系统，其特征在于，包括：运行装置、测量装置和运行控制装置；

所述运行装置，用于在张拉孔道的内壁上运行；

所述测量装置，安装在所述运行装置上，用于当所述运行装置在张拉孔道中运行时实时测量所述运行装置的运行参数，并根据所述运行参数建立张拉孔道走向模型，所述根据所述运行参数建立张拉孔道走向模型的过程包括在对张拉孔道走向进行测量时，建立空间直角坐标系和测量装置坐标系，并通过测量的所述运行装置的运行参数进行测量装置坐标系至空间直角坐标系的转换，根据坐标系统转换后的运行参数进行运算处理获得坐标信息，根据所述坐标信息建立张拉孔道走向模型，其中，所述获得坐标信息的过程包括：根据所述运行参数中的加速度数据，借助角度数据，将所述加速度数据转换为空间直角坐标系下的合加速度数据，根据所述合加速度数据，计算获得运行装置的速度数据，根据所述合加速度数据以及所述速度数据，计算获得运行装置在空间直角坐标系下的坐标信息；所述根据所述坐标信息建立张拉孔道走向模型包括：

在平弯孔道测量时，以张拉孔道的孔道口圆心处为坐标原点建立竖直坐标系，以X轴、Y轴组成的水平平面为参考面，其中，水平方向为所述X轴，竖直方向为所述Y轴，所测角度为Z轴角度，原点处的坐标为(0，0)，所述Z轴角度为φ_pe，当所述运行装置在张拉孔道内运行时，所述运行装置可能会发生绕所述X轴的旋转，所述X轴就会产生旋转因子γ_p，当所述运行装置在运行过程中不发生旋转时，则所述旋转因子为0，通过第一公式确定所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，所述第一公式为

A_xpe＝a_xpecosφ_pe-(a_ypesinγ_pe+a_zpecosγ_pe)sinφ_pe

其中，A_xpe为所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，a_xpe为所述X轴加速度，a_ype为所述Y轴加速度，γ_pe为所述X轴产生的旋转因子，φ_pe为所述Z轴角度；

通过第二公式确定所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度，所述第二公式为

A_ype＝a_xpesinφ_pe+(a_ypesinγ_pe+a_zpe cosγ_pe)cosφ_pe

其中，A_ype为所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度；

在第一个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度表示为(a_xp1，a_yp1，γ_p1，φ_p1)；经过第二个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度为(a_xp2，a_yp2，γ_p2，φ_p2)；经过第m-1个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度为(a_xpm-1，a_ypm-1，γ_pm-1，φ_pm-1)；经过第m个Δt后，所述运行装置驶出孔道，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度为(a_xpm，a_ypm，γ_pm，φ_pm)，由于所述测量装置测量的数据均以自身坐标系为参考，因此需要进行坐标系的转换，转换为规定所述X轴、所述Y轴、所述Z轴组成空间直角坐标系；

需要说明的是，角度为与初始时刻测量装置的角度相比每个Δt内角度的变化量，通过第三公式确定所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，所述第三公式为

A_xp1＝a_xp1cosφ_p1-(a_yp1sinγ_p1+a_zp1cosγ_p1)sinφ_p1

A_xp2＝a_xp2cosφ_p1-(a_yp2sinγ_p2+a_zp2cosγ_p2)sinφ_p2……

A_xpm-1＝a_xpm-1cosφ_pm-1-(a_ypm-1sinγ_pm-1+a_zpm-1cosγ_pm-1)sinφ_pm-1

A_xpm＝a_xpmcosφ_pm-(a_ypmsinγ_pm+a_zpmcosγ_pm)sinφ_pm

其中，A_xp1、A_xp2、A_xpm-1和A_xpm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中水平方向的加速度；

通过第四公式确定所述运行装置的水平行进距离，所述第四公式为

其中，

其中，Δxp₁、Δxp₂和Δxp_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述运行装置的水平行进距离；

通过第五公式确定所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度，所述第五公式为

A_yp1＝a_xp1sinφ_p1+(a_yp1sinγ_p1+a_zp1cosγ_p1)cosφ_p1

A_yp2＝a_xp2sinφ_p2+(a_yp2sinγ_p2+a_zp2cosγ_p2)cosφ_p2……

A_ypm-1＝a_xpm-1sinφ_pm-1+(a_ypm-1sinγ_pm-1+a_zpm-1cosγ_pm-1)cosφ_pm-1

A_ypm＝a_xpmsinφ_pm+(a_ypmsinγ_pm+a_zpmcosγ_pm)cosφ_pm

其中，A_yp1、A_yp2、A_ypm-1和A_ypm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度；

通过第六公式确定所述运行装置的竖直行进距离，所述第六公式为

其中，

其中，Δyp₁、Δyp₂和Δyp_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述运行装置的竖直行进距离；

通过第七公式确定所述运行装置在m时刻定位的坐标(X_m，Y_m)，所述第七公式为

X_m＝Δxp₁+Δxp₂+Δxp₃+…+Δxp_m

Y_m＝Δyp₁+Δyp₂+Δyp₃+…+Δyp_m；

在竖弯孔道测量时，以所述张拉孔道的孔道口圆心处为坐标原点建立竖直坐标系，以所述X轴、所述Z轴组成的竖直平面为参考面，其中，水平方向为所述X轴，竖直方向为所述Z轴，所测角度为Y轴角度，所述原点处的坐标为(0，0)，当所述运行装置在张拉孔道内运行时，所述运行装置可能会发生绕所述X轴的旋转，所述X轴就会产生旋转因子γ，当所述运行装置在运行过程中不发生旋转时，则所述旋转因子为0；

在第一个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度表示为(a_x1，a_z1，γ₁，θ₁)；经过第二个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度为(a_x2，a_z2，γ₂，θ₂)；经过第m-1个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度为(a_xm-1，a_zm-1，γ_m-1，θ_m-1)；经过第m个Δt后，所述运行装置驶出孔道，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度为(a_xm，a_zm，γ_m，θ_m)，由于所述测量装置测量的数据均以自身坐标系为参考，因此需要进行坐标系的转换，转换为规定所述X轴、所述Y轴、所述Z轴组成空间直角坐标系；

需要说明的是，角度为与初始时刻测量装置的角度相比，每个Δt内角度的变化量，通过第八公式确定所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，所述第八公式为

A_x1＝a_x1cosθ₁+(a_y1sinγ₁+a_z1cosγ₁)sinθ₁

A_x2＝a_x2cosθ₂+(a_y2sinγ₂+a_z2cosγ₂)sinθ₂……

A_xm-1＝a_xm-1cosθ_m-1+(a_ym-1sinγ_m-1+a_zm-1cosγ_m-1)sinθ_m-1

A_xm＝a_xmcosθ_m+(a_ymsinγ_m+a_zmcosγ_m)sinθ_m

其中，A_x1、A_x2、A_xm-1和A_xm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中水平方向的加速度；

通过第九公式确定所述水平方向的距离，所述第九公式为

其中，

其中，Δx₁、Δx₂和Δx_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述水平方向的距离；

通过第十公式确定所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度，所述第十公式为

A_z1＝a_x1sinθ₁-(a_y1sinλ₁+a_z1cosγ₁)cosθ₁

A_z2＝a_x2sinθ₂-(a_y2sinλ₂+a_z2cosγ₂)cosθ₂……

A_zm-1＝a_xm-1sinθ_m-1-(a_ym-1sinλ_m-1+a_zm-1cosγ_m-1)cosθ_m-1

A_zm＝a_xmsinθ_m-(a_ymsinλ_m+a_zmcosγ_m)cosθ_m

其中，A_z1、A_z2、A_zm-1和A_zm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度；

通过第十一公式确定所述竖直方向的距离，所述第十一公式为

其中，

其中，Δz₁、Δz₂和Δz_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述竖直方向的距离；

通过第十二公式确定所述运行装置在m时刻定位的坐标(X_m，Z_m)，所述第十二公式为

X_m＝Δx₁+Δx₂+Δx₃+…+Δx_m

Z_m＝Δz₁+Δz₂+Δz₃+…+Δz_m；

根据所述运行装置在m时刻定位的坐标建立所述张拉孔道走向模型；

所述运行控制装置，与所述运行装置连接，用于牵引所述运行装置运行。

2.如权利要求1所述的张拉孔道走向测量系统，其特征在于，所述运行装置包括车板、多个支架、多个丝杠、多个车轮、多个车轴以及拉环，其中，所述多个支架、所述多个丝杠、所述多个车轮以及所述多个车轴的数量均相同；

所述车板，用于承载并固定所述测量装置；

所述多个支架固定在所述车板周围，所述多个支架上均设置支架连接接口；

所述多个车轴的一端设置车轴连接接口，另一端穿过对应的车轮，用于支撑对应的车轮；

所述多个丝杠的一端与对应的支架的支架连接接口连接，另一端与对应的车轴的车轴连接接口连接，用于调节连接的支架和车轴之间的距离，使对应的车轮紧贴所述张拉孔道的内壁；

所述拉环设置在所述车板前端，用于连接所述运行控制装置。

3.如权利要求2所述的张拉孔道走向测量系统，其特征在于，每个车轴为U型车轴；

多个U型车轴分别穿过对应的车轮并将对应的车轮固定在U型车轴的U弯处；

每个丝杠为螺纹丝杠，每个支架连接接口内设置对应螺纹，每个车轴连接接口内设置对应螺纹。

4.如权利要求2或3所述的张拉孔道走向测量系统，其特征在于，所述运行装置还包括：与车轴数量相同的轴承；

每个轴承设置在对应的车轴上，使每个车轮分别通过对应的轴承固定在对应的U型车轴上，支撑对应的车轮转动。

5.如权利要求1所述的张拉孔道走向测量系统，其特征在于，所述运行控制装置，包括：

提供支撑作用的收绳杆；

第一滑轮，固定在所述收绳杆的中部；

电机，固定在所述收绳杆的顶端；

第二滑轮，通过万向联轴器固定在所述收绳杆上所述电机的对端；

拉绳的一端连接所述运行装置，所述拉绳的另一端绕过所述第一滑轮后绕在所述第二滑轮上，以便所述电机通过所述万向联轴器带动所述第二滑轮转动，将所述拉绳缠绕在所述第二滑轮上，通过所述拉绳转动所述第一滑轮，拉动所述运行装置运动。

6.如权利要求1所述的张拉孔道走向测量系统，其特征在于，所述测量装置，包括主控单元、加速度测量单元以及角度测量单元；所述运行参数，包括所述运行装置的加速度数据和所述运行装置的角度数据；

所述主控单元，分别与所述加速度测量单元以及所述角度测量单元连接，用于向所述加速度测量单元以及所述角度测量单元发送测量命令；

所述加速度测量单元，用于根据接收到的所述测量命令，实时采集所述运行装置的加速度数据，并将所述加速度数据发送给所述主控单元；

所述角度测量单元，用于根据接收到的所述测量命令，实时采集所述运行装置的角度数据，并将所述角度数据发送给所述主控单元；

所述主控单元，还用于接收所述加速度数据以及所述角度数据，并根据所述加速度数据以及所述角度数据进行运算处理，获得坐标信息。

7.如权利要求6所述的张拉孔道走向测量系统，其特征在于，所述测量装置，还包括：电池单元、存储单元以及测量模式选择单元；

所述电池单元分别连接所述主控单元、所述加速度测量单元以及所述角度测量单元，用于为所述主控单元、所述加速度测量单元以及所述角度测量单元供电；

所述存储单元，用于接收并存储所述主控单元发送的坐标信息；

所述测量模式选择单元，用于提供张拉孔道测试的对应的模式，所述模式包括竖弯孔道模式和平弯孔道模式。

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