CN111693315A - 一种刚体参数的测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚体参数的测量系统，其特征在于，包括：设置于刚体上的测量装置、设置于固定位置的全站仪，以及设置于全站仪正中心的铅垂线上方的LED灯；所述测量装置包括相机，所述相机用于测量方位角和俯仰角，所述测量装置和全站仪与计算机相连。本发明还涉及一种刚体参数的测量方法，通过测量装置和全站仪可以有效测量刚体的各种参数。本发明中的测量装置体积小且易安装，本发明能够效对被测刚体在运行过程中，震动状态下的姿态角、水平偏差和垂直偏差进行准确测量，为刚体施工提供准确的导向数据。

Description

一种刚体参数的测量系统和方法

技术领域

本发明涉及工程建设技术领域，特别是涉及一种刚体参数的测量系统和方法。

背景技术

盾构机是一种挖掘隧道常用的掘进设备，具有安全和稳定等特点，但是盾构机内部测量通道狭小，不论是测量设备的安装，还是测量设备的使用，都受到了不小的限制；而在某些地层中施工时，盾构机震动也成为了测量的一大难题。

目前常用的传统激光靶的测量方式，由于激光靶较大而盾构机前部可用空间有限，导致激光靶可用的安装点位较少，使用不便；传统的激光靶对于激光入射角有一定的要求，当遇到测量通道狭小的盾构机时常常测量失败，现场测量工程师只能缩短换站距离，频繁搬站；当遇到较硬地层时，盾构机会在掘进过程中发生震动，传统的激光靶在这时无法工作。

有鉴于此，在合理的成本内为盾构机施工提供一套实时准确、体积小便于安装、测量范围大且在震动环境下可以工作的导向系统，为盾构机施工提供准确的导向数据，是业内人士亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种刚体参数的测量系统和方法，测量装置体积小且易安装，测量方法能够准确测量刚体的姿态角、平面偏差和垂直偏差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种刚体参数的测量系统，包括：设置于刚体上的测量装置、设置于固定位置的全站仪，以及设置于全站仪正中心的铅垂线上方的LED灯；所述测量装置包括相机，所述相机用于测量方位角和俯仰角，所述测量装置和全站仪与计算机相连。

所述测量装置还包括棱镜，所述棱镜用于测量水平偏差和垂直偏差。

所述测量装置还包括倾角仪，所述倾角仪用于测量滚动角。

所述倾角仪的轴与所述测量装置的壳体轴线平行。

所述相机经过标定。

本发明还提供一种刚体参数的测量方法，包括：采用上述测量装置，则所述测量装置用于测量刚体的方位角和俯仰角，具体为：

步骤(1)：通过所述全站仪来测量所述全站仪的中心至所述测量装置连线的方位角A_c和俯仰角P_c；

步骤(2)：通过所述相机拍照LED灯来测量所述全站仪的中心至所述测量装置连线与所述相机的CCD平面法向量的第一方位角夹角A_j1和第一俯仰角夹角P_j1；

步骤(3)：通过被标定的相机来获取所述相机的CCD平面法向量与所述测量装置的壳体轴线的第二方位角夹角A_j2和第二俯仰角夹角P_j2；

步骤(4)：测量所述测量装置与被测刚体之间的轴线的第三方位角夹角A_j3和第三俯仰角夹角P_j3；

步骤(5)：求出被测刚体轴线的方位角A和俯仰角P，公式分别为：

A＝A_c+A_j1+A_j2+A_j3

P＝P_c+P_j1+P_j2+P_j3

所述测量装置还用于测量刚体的滚动角；

所述步骤(4)中还包括：通过所述倾角仪来测量所述测量装置与被测刚体滚动角之间的固定差值；

所述步骤(5)之后还包括步骤(6)：读取所述倾角仪的滚动角和倾角仪的俯仰角，所述倾角仪的俯仰角用于双重检核，利用倾角仪的滚动角减去所述步骤(4)中测量装置与被测刚体滚动角之间的固定差值，得到被测刚体的滚动角。

所述测量装置还用于测量刚体的水平偏差和垂直偏差；

所述步骤(1)中还包括：通过所述全站仪测量所述棱镜的坐标(X,Y,Z)；

所述步骤(4)中还包括：测量被测刚体轴线与棱镜之间的相对位置关系；

所述步骤(5)之后还包括步骤(6)：根据所述步骤(1)中测得的棱镜的坐标(X,Y,Z)，计算被测刚体任意给定位置的水平偏差ΔH和垂直偏差ΔV，公式分别为：

ΔV＝Z+L*tan(P)-Z_D

其中，ΔX是给定位置正北方向的偏差且ΔX＝X+L*cos(A)-X_D，ΔY是给定位置正东方向的偏差且ΔY＝Y+L*sin(A)-Y_D，L是给定位置到棱镜的距离，(X_D,Y_D,Z_D)给定位置的设计坐标。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明中的测量装置体积小且简单实用易安装，解决了传统激光靶体积大不易安装的问题；本发明中的测量装置测量角度范围大且在震动状态下也能对刚体(盾构机)进行测量，解决了传统激光靶激光入射角允许范围小、对测量通道要求高的问题；本发明能够效对被测刚体在运行过程中，震动状态下的姿态角、水平偏差和垂直偏差进行准确测量，为刚体施工提供准确的导向数据，加快了工程建设进度，也间接保障了工程建设的安全性，为工程建设测量提供了新思路。

附图说明

图1是本发明实施方式的实际测量过程示意图；

图2是本发明实施方式的测量装置结构剖面图；

图3是本发明实施方式中通过相机拍摄LED灯来测量第一方位角夹角的测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种刚体参数的测量系统，如图1所示，为本发明实施方式的实际测量过程示意图，包括：设置于刚体4(盾构机)上的测量装置3，且该测量装置3位于刚体4的尾部，设置于固定位置的全站仪1，且所述全站仪1位于刚体4后侧的隧道壁上，以及设置于全站仪1正中心的铅垂线上方的LED灯2，所述测量装置3和全站仪1与计算机相连。

进一步地，如图2所示，为本发明实施方式的测量装置结构剖面图，所述测量装置3还包括棱镜6，所述棱镜6用于测量水平偏差和垂直偏差，所述测量装置3还包括倾角仪7，所述倾角仪7用于测量滚动角，所述相机5和倾角仪7放置于测量装置3内部，所述棱镜6安装于与测量装置3相对位置关系的外部预设位置，所述相机5经过标定，所述倾角仪7的轴与所述测量装置3的壳体轴线平行，并且所述测量装置3可以根据实际测量要求对相机5、棱镜6和倾角仪7进行调整。

以下通过四个具体的实施方式来进一步说明本发明：

实施方式一：采用的测量装置3设置有相机5，则所述测量装置3用于测量刚体4的方位角和俯仰角，具体为：

步骤(1)：通过所述全站仪1来测量所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线的方位角A_c和俯仰角P_c；

步骤(2)：通过所述相机5拍照LED灯2来测量出所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线与所述相机5的CCD(相机传感器)平面法向量的第一方位角夹角A_j1和第一俯仰角夹角P_j1；

如图3所示，为本发明实施方式中通过相机拍摄LED灯来测量第一方位角夹角的测量原理示意图，其中，2表示LED灯，51表示相主点，52表示相片，53表示相机轴线，54表示相机焦点，55表示LED灯成像，从图3中可清晰看出所述第一方位角夹角A_j1。

步骤(3)：由于所述相机5经过标定，则可测量所述相机5的CCD平面法向量与所述测量装置3的壳体轴线的第二方位角夹角A_j2和第二俯仰角夹角P_j2；

步骤(4)：测量所述测量装置3与被测刚体4之间的轴线的第三方位角夹角A_j3和第三俯仰角夹角P_j3；

步骤(5)：求出被测刚体4轴线的方位角A和俯仰角P，公式分别为：

A＝A_c+A_j1+A_j2+A_j3

P＝P_c+P_j1+P_j2+P_j3

实施方式二：采用的测量装置3设置有相机5和倾角仪7，则所述测量装置3用于测量刚体4的姿态角，具体为：

步骤(1)：通过所述全站仪1来测量所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线的方位角A_c和俯仰角P_c；

步骤(2)：通过所述相机5拍照LED灯2来测量所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线与所述相机5的CCD平面法向量的第一方位角夹角A_j1和第一俯仰角夹角P_j1；

步骤(3)：由于所述相机5经过标定，则可测量所述相机5的CCD平面法向量与所述测量装置3的壳体轴线的第二方位角夹角A_j2和第二俯仰角夹角P_j2；

步骤(4)：测量所述测量装置3与被测刚体4之间的轴线的第三方位角夹角A_j3、第三俯仰角夹角P_j3，以及所述测量装置3与被测刚体4滚动角之间的固定差值；

步骤(5)：求出被测刚体4轴线的方位角A和俯仰角P，公式分别为：

A＝A_c+A_j1+A_j2+A_j3

P＝P_c+P_j1+P_j2+P_j3

步骤(6)：读取所述倾角仪7的滚动角和倾角仪的俯仰角，所述倾角仪7的俯仰角用于双重检核，利用倾角仪7的滚动角减去本步骤(4)中测量装置3与被测刚体4滚动角之间的固定差值，得到被测刚体4的滚动角。

实施方式三：采用测量装置3设置有相机5和棱镜6，则所述测量装置3用于测量刚体4的方位角、俯仰角、水平偏差和垂直偏差，具体为：

步骤(1)：通过所述全站仪1来测量所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线的方位角A_c和俯仰角P_c，并通过所述全站仪1测量所述棱镜6的坐标(X,Y,Z)；

步骤(2)：通过所述相机5拍照LED灯2来测量出所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线与所述相机5的CCD平面法向量的第一方位角夹角A_j1和第一俯仰角夹角P_j1；

步骤(3)：由于所述相机5经过标定，则可测量所述相机5的CCD平面法向量与所述测量装置3的壳体轴线的第二方位角夹角A_j2和第二俯仰角夹角P_j2；

步骤(4)：测量所述测量装置3与被测刚体4之间的轴线的第三方位角夹角A_j3、第三俯仰角夹角P_j3，以及被测刚体4轴线与棱镜6之间的相对位置关系；

步骤(5)：求出被测刚体4轴线的方位角A和俯仰角P，公式分别为：

A＝A_c+A_j1+A_j2+A_j3

P＝P_c+P_j1+P_j2+P_j3

步骤(6)：根据本步骤(1)中测得的棱镜6的坐标(X,Y,Z)，以及所述被测刚体4轴线的方位角A和俯仰角P，来计算被测刚体4任意给定位置的水平偏差ΔH和垂直偏差ΔV，公式分别为：

ΔV＝Z+L*tan(P)-Z_D

其中，ΔX是给定位置正北方向的偏差且ΔX＝X+L*cos(A)-X_D，ΔY是给定位置正东方向的偏差且ΔY＝Y+L*sin(A)-Y_D，L是给定位置到棱镜6的距离，(X_D,Y_D,Z_D)给定位置的设计坐标。

实施方式四：采用的测量装置3设置有相机5、倾角仪7和棱镜6，则所述测量装置3用于测量刚体4的姿态角、水平偏差和垂直偏差，具体为：

步骤(1)：通过所述全站仪1来测量所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线的方位角A_c和俯仰角P_c，并通过所述全站仪1测量所述棱镜6的坐标(X,Y,Z)；

步骤(2)：通过所述相机5拍照LED灯2来测量出所述全站仪1的中心至所述测量装置3连线与所述相机5的CCD平面法向量的第一方位角夹角A_j1和第一俯仰角夹角P_j1；

步骤(3)：由于所述相机5经过标定，则可测量所述相机5的CCD平面法向量与所述测量装置3的壳体轴线的第二方位角夹角A_j2和第二俯仰角夹角P_j2；

步骤(4)：测量所述测量装置3与被测刚体4之间的轴线的第三方位角夹角A_j3、第三俯仰角夹角P_j3、所述测量装置3与被测刚体4滚动角之间的固定差值，以及被测刚体4轴线与棱镜6之间的相对位置关系；

步骤(5)：求出被测刚体4轴线的方位角A和俯仰角P，公式分别为：

A＝A_c+A_j1+A_j2+A_j3

P＝P_c+P_j1+P_j2+P_j3

步骤(6)：读取所述倾角仪7的滚动角和倾角仪的俯仰角，所述倾角仪7的俯仰角用于双重检核，利用倾角仪7的滚动角减去本步骤(4)中测量装置3与被测刚体4滚动角之间的固定差值，得到被测刚体4的滚动角；

根据本步骤(1)中测得的棱镜6的坐标(X,Y,Z)，以及所述被测刚体4轴线的方位角A和俯仰角P，来计算被测刚体4任意给定位置的水平偏差ΔH和垂直偏差ΔV，公式分别为：

ΔV＝Z+L*tan(P)-Z_D

其中，ΔX是给定位置正北方向的偏差且ΔX＝X+L*cos(A)-X_D，ΔY是给定位置正东方向的偏差且ΔY＝Y+L*sin(A)-Y_D，L是给定位置到棱镜6的距离，(X_D,Y_D,Z_D)给定位置的设计坐标。

由此可见，本发明提供的测量系统可以根据实际工程情况进行多种参数测量，测量装置体积小且已安装，便于操作，本发明提供的测量方法能够效对被测刚体在运行过程中，震动状态下的姿态角、水平偏差、垂直偏差进行准确测量，为刚体施工提供准确的导向数据，实用性较好。

Claims (8)

1.一种刚体参数的测量系统，其特征在于，包括：设置于刚体上的测量装置、设置于固定位置的全站仪，以及设置于全站仪正中心的铅垂线上方的LED灯；所述测量装置包括相机，所述相机用于测量方位角和俯仰角，所述测量装置和全站仪与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的刚体参数的测量系统，其特征在于，所述测量装置还包括棱镜，所述棱镜用于测量水平偏差和垂直偏差。

3.根据权利要求1所述的刚体参数的测量系统，其特征在于，所述测量装置还包括倾角仪，所述倾角仪用于测量滚动角。

4.根据权利要求1所述的刚体参数的测量系统，其特征在于，所述倾角仪的轴与所述测量装置的壳体轴线平行。

5.根据权利要求1所述的刚体参数的测量系统，其特征在于，所述相机经过标定。

6.一种刚体参数的测量方法，其特征在于，包括：采用如权利要求1-5中任一所述测量装置，则所述测量装置用于测量刚体的方位角和俯仰角，具体为：

步骤(1)：通过所述全站仪来测量所述全站仪的中心至所述测量装置连线的方位角A_c和俯仰角P_c；

步骤(2)：通过所述相机拍照LED灯来测量所述全站仪的中心至所述测量装置连线与所述相机的CCD平面法向量的第一方位角夹角A_j1和第一俯仰角夹角P_j1；

步骤(3)：通过被标定的相机来获取所述相机的CCD平面法向量与所述测量装置的壳体轴线的第二方位角夹角A_j2和第二俯仰角夹角P_j2；

步骤(4)：测量所述测量装置与被测刚体之间的轴线的第三方位角夹角A_j3和第三俯仰角夹角P_j3；

步骤(5)：求出被测刚体轴线的方位角A和俯仰角P，公式分别为：

A＝A_c+A_j1+A_j2+A_j3

P＝P_c+P_j1+P_j2+P_j3 。

7.根据权利要求6所述的刚体参数的测量方法，其特征在于，所述测量装置还用于测量刚体的滚动角；

所述步骤(4)中还包括：通过所述倾角仪来测量所述测量装置与被测刚体滚动角之间的固定差值；

所述步骤(5)之后还包括步骤(6)：读取所述倾角仪的滚动角和倾角仪的俯仰角，所述倾角仪的俯仰角用于双重检核，利用倾角仪的滚动角减去所述步骤(4)中测量装置与被测刚体滚动角之间的固定差值，得到被测刚体的滚动角。

8.根据权利要求6所述的刚体参数的测量方法，其特征在于，所述测量装置还用于测量刚体的水平偏差和垂直偏差；

所述步骤(1)中还包括：通过所述全站仪测量所述棱镜的坐标(X,Y,Z)；

所述步骤(4)中还包括：测量被测刚体轴线与棱镜之间的相对位置关系；

所述步骤(5)之后还包括步骤(6)：根据所述步骤(1)中测得的棱镜的坐标(X,Y,Z)，计算被测刚体任意给定位置的水平偏差ΔH和垂直偏差ΔV，公式分别为：

ΔV＝Z+L*tan(P)-Z_D

其中，ΔX是给定位置正北方向的偏差且ΔX＝X+L*cos(A)-X_D，ΔY是给定位置正东方向的偏差且ΔY＝Y+L*sin(A)-Y_D，L是给定位置到棱镜的距离，(X_D,Y_D,Z_D)给定位置的设计坐标。

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