CN111765878A - 一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法 - Google Patents

一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法 Download PDF

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杜文阳
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Tianjin Hengdu Quantum Precision Instrument Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法，所述盾构机位姿测量方法包括：通过角度采集单元以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿。其能够降低盾构机位姿测量过程中盾构机的振动对测量结果的影响，提高盾构机位姿的测量精度。

Description

一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及盾构机领域，进一步地涉及一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法，所述抗振型激光标靶尤其适用于矿用盾构机。
背景技术
随着科技的发展，隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM，又名盾构机)得到了极大的发展，被广泛地应用于城市地铁施工、煤矿巷道掘进等施工领域。利用隧道掘进机进行煤矿巷道掘进施工使煤矿采掘领域的一种新型工程建设技术，相比其他传统机械设备具有自动化程度高、节省人力、施工质量高以及施工速度快等优势。一般地，在隧道轴线较长，埋深较大的情况下，采用隧道掘进机采掘更为经济合理。特别是面对地下硬岩时，采用隧道掘进机进行掘进的优势会更加明显。
可以理解的是，在使用隧道掘进机进行采掘的过程中需要不断地确定隧道掘进机的位置和姿态，以对隧道掘进机的工作路径进行微调，使得所述隧道掘进机能够沿着预设的路径工作。
传统隧道掘进机的位置和姿态的测量方法有三种：人工测量法、三棱镜测量法以及两棱镜测量法。需要指出的是，传统隧道掘进机的三种位姿测量方法的测量精度都相对较低，而且测量过程较为繁琐。尤其是在施工过程中隧道掘进机遇到硬岩土层，隧道掘进机在掘进过程中的振动非常大，利用棱镜法测量时非常容易出现激光搜索不到棱镜的问题，并且由于振动的影响导致测量结果不精确。
综上所述，如何在隧道掘进机工作过程中精确地测量隧道掘进机的位置和姿态，是隧道掘进机进一步发展与应用所亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法，其能够降低盾构机位姿测量过程中盾构机的振动对测量结果的影响，提高盾构机位姿的测量精度。
为了实现上述目的，本发明提供一种抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶适于安装于盾构机，用于与全站仪相配合，以测量所述盾构机在掘进过程中的位姿，包括：
棱镜；
相机；
角度采集单元，所述角度采集单元用于以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；
滤波单元，所述滤波单元连接于所述角度采集单元，用于基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及
壳体，所述壳体具有一个密封的容纳空间，所述棱镜、所述相机、所述角度采集单元、所述振动采集单元以及所述滤波单元分别安装于所述壳体的所述容纳空间内，并且所述棱镜和所述相机同轴设置，所述壳体的一侧具有一个透光区域，所述全站仪所发出的光线适于穿过所述透光区域依次照射进入所述棱镜和所述相机。
在本发明的一些优选实施例中，所述第一预设频率是100HZ。
在本发明的一些优选实施例中，所述壳体包括一个通光孔和一个透光件，所述透光件的形状与所述通光孔的形状相适配，所述透光件安装于所述通光孔，并且所述通光孔、所述棱镜以及所述相机同轴设置。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种盾构机位姿测量系统，用于测量盾构机在掘进过程中的位姿，包括：
上述所述的抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶安装于所述盾构机的盾体后端；
全站仪，所述全站仪安装于所述盾构机所处的隧道的侧壁，并且所述全站仪和所述抗振型激光标靶位于所述盾构机的相同一侧；
后视棱镜，所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁，并与所述全站仪在同一侧，所述全站仪位于所述抗振型激光标靶和所述后视棱镜之间；以及
控制机构，所述控制机构安装于所述盾构机的驾驶室内，并且可工作地连接于所述抗振型激光标靶和所述全站仪。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种盾构机位姿测量方法，包括：
通过角度采集单元以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；
基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及
基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿。
在本发明的一些优选实施例中，所述基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿，进一步包括：
标定抗振型激光标靶、全站仪、后视棱镜以及盾构机的位置关系；
建立全站仪坐标系、角度传感器坐标系以及相机坐标系，其中所述全站仪坐标系的原点是所述全站仪的中心，XT轴与全站仪的码盘的零刻度同向，ZT轴垂直于所述码盘向上；其中所述相机坐标系的原点是所述抗振型激光标靶坐标系的棱镜中心，所述棱镜与所述抗振型激光标靶的相机之间的连线为YS轴，ZS轴与所述ZT轴相同；所述角度传感器坐标系的坐标原点是所述棱镜的中心，所述角度传感器的XS轴和YS轴分别与角度传感器的两轴方向相同；其中所述全站仪坐标系、所述角度传感器坐标系以及所述相机坐标系分别是左手坐标系；
确定所述角度传感器坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数；
通过所述全站仪测量所述抗振型激光标靶的棱镜在所述全站仪坐标系下的第一坐标；
基于所述第一坐标和光线照射进入所述棱镜的角度进行坐标转换，以获得所述棱镜在大地坐标系下的第二坐标；以及
基于所述第二坐标和所述抗振型激光标靶所提供的所述第二角度数据，确定所述盾构机的位姿。
在本发明的一些优选实施例中，所述确定所述角度传感器坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数，进一步包括：
通过所述全站仪直接测量获得所述盾构机的三个水平参数；
基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的滚动角和俯仰角；以及
基于所述滚动角和所述俯仰角，确定所述盾构机的方位角。
在本发明的一些优选实施例中，所基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的滚动角，包括：
基于所述角度传感器坐标系的YS轴与基准面之间的夹角确定所述俯仰角，其中所述基准面是所述全站仪坐标系的XT轴与YT轴所在的平面。
在本发明的一些优选实施例中，基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的俯仰角，包括：
基于所述角度传感器坐标系的YS轴与所述基准面之间的夹角、所述角度传感器坐标系的XS轴与所述基准面之间的夹角，确定所述滚动角。
在本发明的一些优选实施例中，所述第一预设频率是100HZ。
本发明方案包括以下至少一项有益效果：
1、能够降低盾构机位姿测量过程中盾构机的振动对测量结果的影响，提高盾构机位姿的测量精度。
2、通过提高姿态角采集的频率和振动采集的频率，并且基于振动频率对姿态角数据进行滤波处理，以提高测量的精度。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明方案、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的一个优选实施例的盾构机位姿测量方法的流程图。
图2是本发明的一个优选实施例的抗振型激光标靶的结构示意图。
图3是本发明的一个优选实施例的盾构机位姿测量系统的结构示意图。
图4是本发明的上述优选实施例的盾构机位姿测量系统的坐标系示意图。
图5是本发明的上述优选实施例的盾构机位姿测量系统的坐标系转换示意图。
图6是本发明的上述优选实施例的盾构机位姿测量系统的全站仪坐标系和激光靶坐标系。
附图标号说明：
1抗振型激光标靶、2全站仪、3盾构机、4后视棱镜、5控制机构、6数据处理机构、7显示机构；
11棱镜、12相机、13角度采集单元、14壳体、15透光件、16安装件；
140容纳空间、141透光侧壁、1410通光孔。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。
实施例一
参考说明书附图2，本发明提供一种抗振型激光标靶1，所述抗振型激光标靶1适于与全站仪2相配合，以测量盾构机3在掘进过程中的位姿，本发明所提供的所述抗振型激光标靶1能够减小所述盾构机3掘进过程中所产生的振动对所述盾构机3的位姿测量的影响，使得所述盾构机3的位姿测量结果更加地精确。
具体地，所述抗振型激光标靶1进一步包括一个棱镜11、一个相机12，一个角度采集单元13以及一个壳体14，其中所述壳体14围绕形成一个容纳空间140，所述棱镜11、所述相机12以及所述角度采集单元13安装于所述壳体14，并位于所述壳体14的所述容纳空间140内。
所述壳体14所围绕形成的所述容纳空间140是密封的空间，以使在使用过程中防止灰尘等杂物进入所述容纳空间140内。所述壳体14具有一个透光侧壁141，所述全站仪2所发出的光线能够穿过所述透光侧壁141依次经过所述棱镜11和所述相机12。
具体地，所述壳体14的所述透光侧壁141具有一个通光孔1410，所述通光孔1410的位置与所述棱镜11、所述相机12的位置相对应。优选地，所述通光孔1410的中心与所述棱镜11、所述相机12的中心同轴设置。
所述抗振型激光标靶1进一步具有一个透光件15，所述透光件15的形状与所述通光孔1410的形状相适配，所述透光件15安装于所述通光孔1410。所述透光件15由透光材料制作而成，所述全站仪2所发出的光线能够穿过所述透光件15依次经过所述棱镜11和所述相机12。
所述抗振型激光标靶11进一步包括一个安装件16，所述安装件16被配置用于将所述透光件15安装于所述透光侧壁141的所述通光孔1410，并且将所述透光件15与所述通光孔1410的周壁间的间隙密封，防止外界灰尘等杂物通过所述透光件15与所述通光孔1410的周壁之间的间隙进入所述容纳空间140。可选地，还能够通过其他的方式将所述透光件15安装于所述壳体14的所述透光侧壁141，比如，通过胶水将所述透光件15沾附于所述透光侧壁41。
所述抗振型激光标靶1进一步包括一个滤波单元，所述滤波单元可工作地连接于所述角度采集单元13。所述滤波单元能够基于滤波算法对所述角度采集单元13所采集的角度数据进行滤波处理，使得所生成的角度数据更加地平稳，提高所述角度采集单元13所采集的所述角度数据的精确度，避免所述盾构机3的振动而对所述角度采集单元13所采集的所述角度数据造成干扰。
所述角度采集单元13用于以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；所述滤波单元连接于所述角度采集单元13，用于基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据。所述第一预设频率是100HZ。
需要指出的是，在本优选实施例中，为了进一步提高角度采集数据的准确度，所述角度采集单元13采集所述盾构机3的角度数据的频率也在100HZ以上，以进一步降低所述盾构机3的振动对所述角度采集单元13数据采集结果的影响。
优选地，所述滤波单元采用卡尔曼滤波算法进行滤波。卡尔曼滤波(Kalmanfiltering)是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术，Kalman滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态，能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理。
卡尔曼滤波算法有两个基本假设:1.信息过程的足够精确的模型，是由白噪声所激发的线性(也可以是时变的)动态系统；2.每次的测量信号都包含着附加的白噪声分量。本发明所提供的抗振型激光标靶1的使用环境满足以上假设，可以应用卡尔曼滤波算法。
卡尔曼滤波算法分为两步:预测和更新，预测：根据上一时刻(k－1时刻)的后验估计值来估计当前时刻(k时刻)的状态，得到k时刻的先验估计值；更新：使用当前时刻的测量值来更正预测阶段估计值，得到当前时刻的后验估计值。卡尔曼滤波器可以分为时间更新方程和测量更新方程。时间更新方程(即预测阶段)根据前一时刻的状态估计值推算当前时刻的状态变量先验估计值和误差协方差先验估计值；测量更新方程(即更新阶段)负责将先验估计和新的测量变量结合起来构造改进的后验估计。时间更新方程和测量更新方程也被称为预测方程和校正方程。因此卡尔曼算法是一个递归的预测—校正方法。
系统的状态方程为：xk＝Axk-1+Buk-1+wk-1，观测方程为:zk＝Hxk+vk，卡尔曼滤波器时间更新方程:
Figure BDA0002574417520000061
卡尔曼滤波状态更新方程:
Figure BDA0002574417520000062
Figure BDA0002574417520000063
其中，每个参数代表的意义：
1.vk是观测的噪声，服从高斯分布，vk～N(0,R),R即是测量噪声协方差矩阵，wk-1是服从高斯分布的噪声，对应了xk中每个分量的噪声；
2.
Figure BDA0002574417520000064
分别表示k－1时刻和k时刻的后验状态估计值，是滤波的结果之一，即更新后的结果，也叫最优估计；
3.
Figure BDA0002574417520000065
k时刻的先验状态估计值，是滤波的中间计算结果，即根据上一时刻(k-1时刻)的最优估计预测的k时刻的结果，是预测方程的结果；
4.Pk-1、Pk：分别表示k－1时刻和k时刻的后验估计协方差(即
Figure BDA0002574417520000066
的协方差，表示状态的不确定度)，是滤波的结果之一；
5.
Figure BDA0002574417520000067
k时刻的先验估计协方差(
Figure BDA0002574417520000068
的协方差)，是滤波的中间计算结果；
6.zk：测量值(观测值)，是滤波的输入；
7.Kk：滤波增益矩阵，是滤波的中间计算结果；
8.A:状态转移矩阵，实际上是对目标状态转换的一种猜想模型。例如在机动目标跟踪中，状态转移矩阵常常用来对目标的运动建模，其模型可能为匀速直线运动或者匀加速运动。当状态转移矩阵不符合目标的状态转换模型时，滤波会很快发散；
9.H:是状态变量到测量(观测)的转换矩阵，表示将状态和观测连接起来的关系，卡尔曼滤波里为线性关系，它负责将m维的测量值转换到n维，使之符合状态变量的数学形式，是滤波的前提条件之一，观测矩阵和观测噪声协方差矩阵R为常数；
10.Q:过程激励噪声协方差(系统过程的协方差)。该参数被用来表示状态转换矩阵与实际过程之间的误差，是卡尔曼滤波器用于估计离散时间过程的状态变量，也叫预测模型本身带来的噪声，状态转移协方差矩阵；
11.B:将输入转换为状态的矩阵；
12.zk-
Figure BDA0002574417520000071
实际观测和预测观测的残差，和卡尔曼增益一起修正先验(预测)，得到后验。
参考下表1和表2，其中表1表示的是采集频率是2HZ，抗振型激光标靶振动的情况下的角度数据；表2表示的是采集频率是2HZ，抗振型激光标靶不振动的情况下的角度数据。由此可见，在抗振型激光标靶振动的情况下，横滚和俯仰的标准差均大于不振动情况下的横滚和俯仰的标准差。可以理解的是，通过提高角度的采集频率，比如由2HZ提高到100HZ以上，能够在单位时间内采集更多的角度数据，使得所采集的角度数据更加平稳。
表1
Figure BDA0002574417520000072
Figure BDA0002574417520000081
表2
横滚 俯仰
数值1 -0.4957 0.4724
数值2 -0.4957 0.4724
数值3 -0.4956 0.4725
数值4 -0.4956 0.4725
数值5 -0.4955 0.4725
数值6 -0.4956 0.4724
数值7 -0.4955 0.4725
数值8 -0.4953 0.4725
数值9 -0.4952 0.4726
数值10 -0.4951 0.4726
数值11 -0.4951 0.4726
数值12 -0.495 0.4726
数值13 -0.495 0.4727
数值14 -0.495 0.4727
数值15 -0.4951 0.4727
数值16 -0.495 0.4728
标准差 0.000278 0.00012
实施例二
参考说明书附图3，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种盾构机位姿测量系统，用于测量盾构机3在掘进过程中的位姿，包括上述抗振型激光标靶1、全站仪2、后视棱镜4以及控制机构5。所述抗振型激光标靶1安装于所述盾构机3的盾体后端；所述全站仪2安装于所述盾构机3所处的隧道的侧壁，并且所述全站仪2和所述抗振型激光标靶1位于所述盾构机3的相同一侧；所述后视棱镜4安装于所述隧道的侧壁，并且与所述全站仪2在同一侧，并且所述全站仪2位于所述抗振型激光标靶1和所述后视棱镜4之间；所述控制机构5安装于所述盾构机3的驾驶室内，并且可工作地连接于所述抗振型激光标靶1和所述全站仪2，用于控制所述抗振型激光标靶1和所述全站仪2的工作。
所述盾构机位姿测量系统进一步包括一个数据处理机构6和一个显示机构7，所述数据处理机构6和所述显示机构7分别安装于所述盾构机3的驾驶室内，所述数据处理机构6可工作地连接于所述抗振型激光标靶1和所述全站仪2，用于获取所述抗振型激光标靶1和所述全站仪2所采集的数据，并能够对所述抗振型激光标靶1和所述全站仪2所采集的数据处理生成所述盾构机3的位姿信息。所述显示机构7可工作地连接于所述数据处理机构6，用于将所述数据处理机构6所生成的数据进行显示。优选地，所述数据处理机构6和所述显示机构7被相互集成为一个工业电脑，所述工业电脑、所述控制机构5通过通信线缆与所述抗振型激光标靶1、所述全站仪2相连接。可选地，所述工业电脑、所述控制机构5还能够通过无线的方式可工作地连接于所述抗振型激光标靶1、所述全站仪2。
实施例三
参考说明书附图1，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种盾构机位姿的测量方法，用于测量盾构机3掘进过程中的位姿，包括：
101：通过角度采集单元13以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机3的第一角度数据；
102：基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及
103：基于所述第二角度数据和全站仪2所采集的全站仪数据，确定所述盾构机3的位姿。
具体地，在所述步骤101中，所述第一预设频率的数值为100HZ。也就是说，所述角度采集单元13以100HZ以上的频率采集所述盾构机3的所述第一角度数据，以能够更加充分地采集所述第一角度数据，提高测量结果的精确程度。
在所述步骤102中，基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以滤除所述第一角度数据中所述盾构机3的振动对角度数据的采集而造成的影响，使得角度数据更加平稳，进一步提高角度数据采集的精确度。
进一步地，在所述步骤103中，基于所述第二角度数据和全站仪2所采集的全站仪数据，确定所述盾构机3的位姿，进一步包括：
1031：标定抗振型激光标靶1、全站仪2、后视棱镜4以及盾构机3的位置关系；
1032：建立全站仪坐标系、角度传感器坐标系以及相机坐标系，其中所述全站仪坐标系的原点是所述全站仪2的中心，XT轴与所述全站仪2的码盘的零刻度同向，ZT轴垂直于所述码盘向上；其中所述相机坐标系的原点是所述抗振型激光标靶坐标系的棱镜11的中心，所述棱镜11与所述抗振型激光标靶的相机之间的连线为YS轴，ZS轴与所述ZT轴相同；所述角度传感器坐标系的坐标原点是所述棱镜11的中心，所述角度传感器的XS轴和YS轴分别与角度传感器的两轴方向相同；其中所述全站仪坐标系、所述角度传感器坐标系以及所述相机坐标系分别是左手坐标系；
1033：确定所述角度传感器坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数；
1034：通过所述全站仪2测量所述棱镜11在所述全站仪坐标系下的第一坐标；
1035：基于所述第一坐标和光线照射进入所述棱镜11的角度进行坐标转换，以获得所述棱镜11在大地坐标系下的第二坐标；以及
1036：基于所述第二坐标和所述抗振型激光标靶所提供的所述第二角度数据，确定所述盾构机3的位姿。
在所述步骤1031中，标定所述抗振型激光标靶1、所述全站仪2、所述后视棱镜4以及盾构机3的位置关系，在进行位姿测量之前，标定所述抗振型激光标靶1、所述全站仪2、所述盾构机3以及所述后视棱镜4之间的位置关系。可以理解的是，在测量过程中需要在所述盾构机的相应位置安装多个测量特征点，以测量所述抗振型激光标靶1与所述盾构机3的前盾、盾中以及盾尾的位置关系。另外，所述盾构机位姿测量系统在测量前需要进行软件上配置，输入隧道掘进的计划线、零位，读写PLC数据，配置全站仪、激光靶的位置信息参数，然后再进行盾构机的前盾、盾中以及盾尾的计算。
在所述步骤1032中，建立全站仪坐标系即全站仪坐标系OTXTYTZT，角度传感器坐标系OSXSYSZS以及相机坐标系OCXCYCZC。
在所述步骤1033中，确定所述抗振型激光标靶坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数，进一步包括：
10331：通过所述全站仪2直接测量获得所述盾构机的三个水平参数；
10332：基于所述第二角度数据，确定所述盾构机3的滚动角和俯仰角；以及
10333：基于所述滚动角和所述俯仰角，确定所述盾构机3的方位角。
六自由度测量系统的目的即为获取传感器坐标系在全站仪坐标系下的六个位姿参数，即三个姿态量和三个位移量，可以用旋转矩阵
Figure BDA0002574417520000101
和平移向量
Figure BDA0002574417520000102
来表示。通过空间坐标变换，传感器坐标系下的点SP可以通过下式变换到全站仪坐标系下：
Figure BDA0002574417520000103
三个姿态量同样可以采用欧拉角来表示，即滚转角、俯仰角、方位角，分别由(γ，β,α)来表示。欧拉角的定义如图4中所示。则旋转矩阵
Figure BDA0002574417520000111
可以表示为：
Figure BDA0002574417520000112
α平移向量由全站仪直接观测得到，而滚转角和俯仰角是由角度采集单元13计算求得。所述角度采集单元13可以得到其两个轴与大地水平面的夹角，而全站仪的测量必须要保证调平，因此倾角仪的测量基准面可以认为就是全站仪坐标系的OTXTYT平面。根据图4的坐标系定义，所述角度采集单元13的观测量(η,θ)表示传感器坐标系的YS轴和YT轴与水平面的夹角，而俯仰角的定义即为OSYS轴与水平面的夹角,因此可得，β＝η,滚转角的求解可由图4和图5示出的几何关系计算。
参考说明书附图5，坐标系O-XYZ由坐标系O-X'Y'Z'通过俯仰β角和滚转γ角变换而来，OX'轴和OY'轴坐落在水平面H上。根据滚转角的定义，轴OY是由轴OY'绕OX轴旋转γ角得到。因此可知，由于OX'⊥OY'，则OX⊥OY。作直线YC平行于直线OX，点C为其与平面H的交点，则YC必然垂直于平面OYB，因此，得到YC⊥YB作直线D垂直于平面H交于点D，连接直线CD并延长交OY'于点B，可知OB⊥YD。再加上OB⊥YC，我们得到直线OB垂直于平面YBC。因此，可知OB⊥YB,并且OB⊥BC。因为
Figure BDA0002574417520000119
可知∠YCB＝η，而对两个直角三角形△YBC和△YBD来说，又有∠BYD＝η，因此cosη＝YD/YB。对于直角三角形OYB和△OYD，可知sinγ＝YB/OY并且sinθ＝YD/OY。因此我们得到sinγ·cosη＝sinθ。最终可得滚转角的计算公式：
Figure BDA0002574417520000113
计算方位角α。由于相机坐标系与角度传感器坐标系原点相同，因此两者之间的变换关系只有姿态变换，我们设为
Figure BDA0002574417520000114
由于全站仪坐标系下的测量光矢量Tv是平移向量
Figure BDA0002574417520000115
的单位矢量，即：
Figure BDA0002574417520000116
由此，可建立起光矢量在相机坐标系和全站仪坐标系下的等式关系：
Figure BDA0002574417520000117
将方程(2)代入方程(5)，化解可得到:
Figure BDA0002574417520000118
其中:
Figure BDA0002574417520000121
当滚转角和俯仰角解算后，
Figure BDA0002574417520000122
即已知，方程(6)只有前两行包括了未知的方位角α,可得：
Figure BDA0002574417520000123
该式的几何意义为二维矢量
Figure BDA0002574417520000124
通过旋转角度α得到二维矢量
Figure BDA0002574417520000125
因此可知两个二维矢量的范数相等，即：
Figure BDA0002574417520000126
令
Figure BDA0002574417520000127
则方程(9)可变换为：
Figure BDA0002574417520000128
式中的2×2矩阵Rp是单位正交矩阵，因此
Figure BDA0002574417520000129
的解为：
Figure BDA00025744175200001210
由此可得:
Figure BDA00025744175200001211
所以方位角的解为:
Figure BDA0002574417520000131
在所述步骤10332中，基于所述角度传感器坐标系的YS轴与基准面之间的夹角确定所述俯仰角，其中所述基准面是所述全站仪坐标系的XT轴与YT轴所在的平面。
在所述步骤10332中，基于所述角度传感器坐标系的YS轴与所述基准面之间的夹角、所述角度传感器坐标系的XS轴与所述基准面之间的夹角，确定所述滚动角。
还需要指出的是：
坐标系定义：所述全站仪坐标系、所述相机坐标系以及所述角度传感器坐标系均为左手坐标系，具体定义如图6所示，全站仪坐标系为n系，所述相机坐标系为b系。b系中A点代表抗振型激光标靶的棱镜中心，B点代表盾首中心。
激光靶姿态角定义：激光标靶输出的三个姿态角分别为方位角(yaw)、俯仰角(pitch)、滚转角(roll)。其中，对于欧拉角yaw，可以将b系x轴旋转至全站仪光束方向，如果要与n系的x轴重合，则方位角yaw’＝-(θ-yaw)，θ为全站仪水平角，其中：yaw’、pitch、roll这三个欧拉角表示从b至n的一组有顺序的旋转角度。
结算过程如下:
零位标定：
抗振型激光标靶与后视棱镜是刚体关系，通过零位标定数据，求解在b系中棱镜B的坐标bB0，且该值恒定。由向量的旋转可得：
nAB0＝Rbn0·bAB0
Figure BDA0002574417520000132
Figure BDA0002574417520000133
bB0＝Rbn0·(nB0-nA0)
坐标求解：
nABt＝Rbnt·bABt
nBt-nAt＝Rbnt·bABt
nBt-nAt＝Rbnt·bB0
nBt＝nAt+Rbnt·bB0
其中：
Figure BDA0002574417520000141
Figure BDA0002574417520000142
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶适于安装于盾构机，用于与全站仪相配合，以测量所述盾构机在掘进过程中的位姿，其特征在于，包括：
棱镜；
相机；
角度采集单元，所述角度采集单元用于以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；
滤波单元，所述滤波单元连接于所述角度采集单元，用于基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及
壳体，所述壳体具有一个密封的容纳空间，所述棱镜、所述相机、所述角度采集单元、所述振动采集单元以及所述滤波单元分别安装于所述壳体的所述容纳空间内，并且所述棱镜和所述相机同轴设置，所述壳体的一侧具有一个透光区域，所述全站仪所发出的光线适于穿过所述透光区域依次照射进入所述棱镜和所述相机。
2.根据权利要求1所述的抗振型激光标靶，其特征在于，其中所述第一预设频率是100HZ。
3.根据权利要求1所述的抗振型激光标靶，其特征在于，其中所述壳体包括一个通光孔和一个透光件，所述透光件的形状与所述通光孔的形状相适配，所述透光件安装于所述通光孔，并且所述通光孔、所述棱镜以及所述相机同轴设置。
4.一种盾构机位姿测量系统，用于测量盾构机在掘进过程中的位姿，其特征在于，包括：
如权利要求1-3中任一项所述的抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶安装于所述盾构机的盾体后端；
全站仪，所述全站仪安装于所述盾构机所处的隧道的侧壁，并且所述全站仪和所述抗振型激光标靶位于所述盾构机的相同一侧；
后视棱镜，所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁，并与所述全站仪在同一侧，所述全站仪位于所述抗振型激光标靶和所述后视棱镜之间；以及
控制机构，所述控制机构安装于所述盾构机的驾驶室内，并且可工作地连接于所述抗振型激光标靶和所述全站仪。
5.一种盾构机位姿测量方法，其特征在于，包括：
通过角度采集单元以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；
基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及
基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿。
6.根据权利要求5所述的盾构机位姿测量方法，其特征在于，其中所述基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿，进一步包括：
标定抗振型激光标靶、全站仪、后视棱镜以及盾构机的位置关系；
建立全站仪坐标系、角度传感器坐标系以及相机坐标系，其中所述全站仪坐标系的原点是所述全站仪的中心，XT轴与全站仪的码盘的零刻度同向，ZT轴垂直于所述码盘向上；其中所述相机坐标系的原点是所述抗振型激光标靶坐标系的棱镜中心，所述棱镜与所述抗振型激光标靶的相机之间的连线为YS轴，ZS轴与所述ZT轴相同；所述角度传感器坐标系的坐标原点是所述棱镜的中心，所述角度传感器的XS轴和YS轴分别与角度传感器的两轴方向相同；其中所述全站仪坐标系、所述角度传感器坐标系以及所述相机坐标系分别是左手坐标系；
确定所述角度传感器坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数；
通过所述全站仪测量所述抗振型激光标靶的棱镜在所述全站仪坐标系下的第一坐标；
基于所述第一坐标和光线照射进入所述棱镜的角度进行坐标转换，以获得所述棱镜在大地坐标系下的第二坐标；以及
基于所述第二坐标和所述抗振型激光标靶所提供的所述第二角度数据，确定所述盾构机的位姿。
7.根据权利要求6所述的盾构机位姿测量方法，其特征在于，其中所述确定所述角度传感器坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数，进一步包括：
通过所述全站仪直接测量获得所述盾构机的三个水平参数；
基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的滚动角和俯仰角；以及
基于所述滚动角和所述俯仰角，确定所述盾构机的方位角。
8.根据权利要求7所述的盾构机位姿测量方法，其特征在于，其中所基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的滚动角，包括：
基于所述角度传感器坐标系的YS轴与基准面之间的夹角确定所述俯仰角，其中所述基准面是所述全站仪坐标系的XT轴与YT轴所在的平面。
9.根据权利要求7所述的盾构机位姿测量方法，其特征在于，其中基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的俯仰角，包括：
基于所述角度传感器坐标系的YS轴与基准面之间的夹角、所述角度传感器坐标系的XS轴与所述基准面之间的夹角，确定所述滚动角。
10.根据权利要求5所述的盾构机位姿测量方法，其特征在于，其中所述第一预设频率是100HZ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113566798A (zh) * 2021-07-20 2021-10-29 上海米度测量技术有限公司 一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH041393A (ja) * 1990-04-18 1992-01-06 Ohbayashi Corp シールド掘進機の掘進制御方法
CN102052078A (zh) * 2010-11-04 2011-05-11 华中科技大学 一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统
CN103335647A (zh) * 2013-07-02 2013-10-02 华中科技大学 一种盾构机姿态测量系统及其测量方法
CN105115499A (zh) * 2015-09-09 2015-12-02 中船重工（青岛）轨道交通装备有限公司 应用于双护盾隧道掘进机的导向系统及定位方法
CN109696126A (zh) * 2019-02-27 2019-04-30 中国矿业大学(北京) 测量掘进机位姿的系统
CN111121748A (zh) * 2019-12-09 2020-05-08 重庆巨能建设(集团)有限公司 基于挖掘机械土石方开挖作业的施工测量系统及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH041393A (ja) * 1990-04-18 1992-01-06 Ohbayashi Corp シールド掘進機の掘進制御方法
CN102052078A (zh) * 2010-11-04 2011-05-11 华中科技大学 一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统
CN103335647A (zh) * 2013-07-02 2013-10-02 华中科技大学 一种盾构机姿态测量系统及其测量方法
CN105115499A (zh) * 2015-09-09 2015-12-02 中船重工（青岛）轨道交通装备有限公司 应用于双护盾隧道掘进机的导向系统及定位方法
CN109696126A (zh) * 2019-02-27 2019-04-30 中国矿业大学(北京) 测量掘进机位姿的系统
CN111121748A (zh) * 2019-12-09 2020-05-08 重庆巨能建设(集团)有限公司 基于挖掘机械土石方开挖作业的施工测量系统及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孟祥瑞: "新型激光标靶位姿测量系统关键技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)》 *
高扬: "面对大型精密工程的六自由度测量技术", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅰ辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113566798A (zh) * 2021-07-20 2021-10-29 上海米度测量技术有限公司 一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法
CN113566798B (zh) * 2021-07-20 2023-03-21 上海米度测量技术有限公司 一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法

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