CN112855173B - 一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，包括PLC控制器、导航计算机系统、移动激光靶、后视棱镜、陀螺全站仪，其特征在于，还包括警报装置；所述移动激光靶包括激光接收装置、信号处理装置、与信号处理装置连接的激光陀螺仪和石英摆式加速度仪。本发明通过在移动激光靶内设置激光陀螺仪和石英摆式加速度仪，在全站仪接收不到后视棱镜的返回信号时，可继续对盾构机进行连续量测和导航，而不需要停机搬站，可提高量测和掘进效率。

Description

一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统

技术领域

本发明属于盾构掘进自动导向技术领域，具体涉及一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统。

背景技术

盾构法是建造地下隧道最先进的施工方法之一。

随着我国经济的迅猛发展，城市化进程在不断加快，城市的规模也在不断增大。由此，盾构掘进技术的要求也在不断加大。隧道盾构机是一种专门用于隧道施工的一种大型设备，它同时集中了多门学科的技术，如：机械、液压、材料、控制、测量等，是一种运行原理非常复杂的设备^[1]。盾构机在施工过程中，在控制开挖面稳定的同时，能够进行出渣、拼装管片、形成衬砌、注浆等操作。盾构机在城市地铁建设、穿山隧道挖掘、市政管道等工程中都得到了广泛的应用。与其他挖掘隧道的方法相比，盾构施工法不会对周边环境产生大的影响，快速的施工速度可以缩短施工周期，减少人力物力成本，且安全性较高。

由于盾构机工作环境的地质条件、工况的不确定性以及掘进装备的高度复杂性，且考虑到在城市施工时，地面上往往有建筑或道路，必须保证隧道的施工质量，否则会造成地面沉降等危险。盾构机的实际掘进轴线与隧道设计轴线(DTA) 的吻合程度以及掘进中的姿态控制是确保隧道施工质量的关键因素，盾构机的姿态偏离过大，势必会造成掘进轨迹偏离设计轴线。

随着盾构法的广泛应用，高效精确的盾构导向方法也逐渐成为各界研究的难点之一，自动导向系统也得到各界越来越广泛的青睐。掘进机全自动化的基础是对掘进姿态参数的自动测定。

国外的掘进导向系统的发展主要包含三个阶段：最初的人工测量法(标尺法)、目前应用较多的半自动测量法(陀螺仪校对法等)以及自动测量法(标靶法和棱镜法)。

(1)人工测量法

目前煤矿巷道的设计中心轴线是由精确调整的激光指向仪指示，掘进机司机通过目测端面上的激光光斑位置，控制掘进机截割头在断面上截割运行。由于工作强度大，无法确保测量结果的精确性。因而，掘进巷道的质量完全取决于司机的经验和熟练程度。人工测量方法已经无法满足掘进速度不断提高的需求。

(2)半自动测量法

如陀螺仪法，采用传统机械式陀螺仪和加速度计等惯性测量器件组合得到目标物体的位置和姿态，该方法存在累积误差，稳定性差，需定时校准，测量误差较大。

(3)自动测量法

棱镜法：主要包括两棱镜法和三棱镜法，在目标物体上安装反射棱镜，利用全站仪，激光跟踪仪等仪器实现目标位置测量，该方法虽然结构简单，但要求现成条件高，实时性差，测量效率低，现在该方法已基本淘汰。

激光靶法：使用全站仪和单个激光靶即可实现目标物体位置测量，使用方便、稳定性强。目前工程较多的激光靶导向系统^[11]有英国的ZED自动导向系统、德国的VMT导向系统和TACS导向系统等。其原理都是依靠激光靶内置的双轴倾角仪测量目标物体的俯仰角和滚转角，水平方位角则利用全站仪内置的测距仪得出。该导向系统缺点是光斑容易不规则，图像后处理难度稍大，前坪易损伤，导致测量误差稍大；并且，在盾构掘进过程中，由于固定激光靶与全站仪的距离会越来越远，测量一段时间后激光靶将无法接收到激光信号，从而需要停机搬站，因此常规激光靶法不能实现盾构掘进过程中的连续量测，从而影响了量测和掘进效率。

对于以上技术问题，如何减少测量误差，使测量精度更准确和盾构机掘进与隧道设计轴线更吻合，如何避免在测量过程中的停机搬站，以提高量测效率，成为广大技术人员和科研人员的共同追求目标。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，其通过在移动激光靶内设置激光陀螺仪和石英摆式加速度仪，在全站仪接收不到后视棱镜的返回信号时，可继续对盾构机进行连续量测和导航，而不需要停机搬站，可提高量测和掘进效率。

本发明通过下述技术方案实现。

一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，包括PLC控制器、导航计算机系统、移动激光靶、后视棱镜、陀螺全站仪，其特征在于，还包括警报装置；所述移动激光靶包括激光接收装置、信号处理装置、与信号处理装置连接的激光陀螺仪和石英摆式加速度仪；

所述陀螺全站仪包括：用于向后视棱镜发出激光信号，并将返回的激光信号转换为数字信号传输给导航计算机系统；用于向移动激光靶发出激光信号；

所述激光接收装置用于接收陀螺全站仪发出的激光信号，并将激光信号传输至信号处理装置；所述激光陀螺仪用于获取移动激光靶的陀螺施距信息(运动角速度信息)，并将陀螺施距信息传输至信号处理装置；所述石英摆式加速度仪用于获取移动激光靶的比力信息(运动加速度信息)，并将比力信息传输至信号处理装置；所述信号处理装置包括：用于将激光信号转换成数字信号，并将数字信号传输至导航计算机系统；用于接收陀螺施距信息、比力信息，并将陀螺施距信息、比力信息反馈至导航计算机系统；

所述导航计算机系统包括：

用于接收陀螺全站仪传输的数字信号计算出陀螺全站仪的大地坐标；用于接收信号处理装置传输的数字信号，并依据已计算出的陀螺全站仪的大地坐标，计算出移动激光靶的首选大地坐标；

用于接收信号处理装置传输的陀螺施距信息、比力信息，计算出移动激光靶的备用大地坐标；

用于，当导航计算机系统可接收到陀螺全站仪传输的数字信号时，对移动激光靶的首选大地坐标与移动激光靶的备用大地坐标进行比对，若两者差值在在允许范围内，则根据移动激光靶的首选大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器对盾构掘进姿态进行实时纠偏；若移动激光靶的首选大地坐标与移动激光靶的备用大地坐标的差值不在允许范围内，则导航计算机系统将校对异常的警报信息发送至警报装置；用于，当导航计算机系统不能接收到陀螺全站仪传输的数字信号时，导航计算机系统发出测程超限的警报信息至警报装置，同时导航计算机系统根据移动激光靶的备用大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器对盾构掘进姿态进行实时纠偏；

所述PLC控制器用于控制盾构机的掘进姿态，并接收导航计算机系统传输的纠偏量和纠偏位置信息，依据纠偏量和纠偏位置信息对掘进姿态进行实时纠偏；

所述警报装置用于接收导航计算机系统发出的校对异常的警报信息、测程超限的警报信息对盾构操作人员进行警报。

作为优选技术方案，所述移动激光靶设置于盾构中盾上，所述后视棱镜设置于隧道管片上，所述陀螺全站仪设置于盾构后配套系统中。

作为优选技术方案，所述警报装置包括声音警报器、警报灯。

作为优选技术方案，所述导航计算机系统还包括：用于实时储存移动激光靶的首选大地坐标、移动激光靶的备用大地坐标、纠偏量、纠偏位置、实际开挖曲线、隧道设计轴线数据。

作为优选技术方案，所述信号处理装置包括成像机构、倾角仪。

作为优选技术方案，所述移动激光靶还包括凸透镜，所述凸透镜设置于激光接收装置与信号处理装置之间。

作为优选技术方案，所述移动激光靶通过数据线与导航计算机系统连接，所述陀螺全站仪通过数据线与导航计算机系统连接。

本发明有益效果：

1)本发明通过在移动激光靶内设置激光陀螺仪和石英摆式加速度仪，在全站仪接收不到后视棱镜的返回信号时，可继续对盾构机进行连续量测和导航，而不需要停机搬站，可提高量测和掘进效率；同时，当全站仪接收不到后视棱镜的返回信号时，系统可发出测程超限的警报信息，提醒操作人员在不停机的情况下，对后视棱镜进行及时搬站，且不影响盾构掘进的连续量测和导航。

2)本发明中移动激光靶经过改造，增设了凸透镜，可以更好地聚焦激光光斑，使得光斑亮度高、光斑规则，从而提高测量精度，测程加长。

3)本发明通过常规激光靶法量测出的首选坐标，激光陀螺仪、石英摆式加速度仪、导航计算机系统量测出的备用坐标，将首选坐标与备用坐标进行实时对比校准，当两者差异较大时可发出校对异常的警报信息，以提示操作人员进行检查，这样可形成“双保险”，从而进一步提高盾构姿态测量的精度。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明中移动激光靶的结构示意图；

图3为本发明系统的工作流程图；

上述图中各标识的含义为：1-前盾；2-移动激光靶；201-凸透镜；202-激光接收装置；203-激光束；204-成像机构；205-信号处理装置；206-倾角仪；207- 激光陀螺仪；208-石英摆式加速度仪；3-螺旋输送机；4-设备连接桥；5-陀螺全站仪；6-隧道管片；7-后视棱镜；8-中盾；9-盾构后配套系统；10-导航计算机系统；11-PLC控制器；12-警报装置；13-拖车。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

实施例1

一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，请参阅图1-图3，包括PLC控制器11、导航计算机系统10、设置于盾构中盾8上的移动激光靶2、设置于隧道管片6上的后视棱镜7、设置于盾构后配套系统9中的陀螺全站仪5、警报装置 12；其中，移动激光靶2包括激光接收装置202，信号处理装置205，与信号处理装置205连接的激光陀螺仪207和石英摆式加速度仪208，设置于激光接收装置202与信号处理装置205之间的凸透镜201；信号处理装置205包括成像机构 204、倾角仪206；移动激光靶2通过数据线与导航计算机系统10连接，陀螺全站仪5通过数据线与导航计算机系统10连接；

陀螺全站仪5包括：用于向后视棱镜7发出激光信号，并将返回的激光信号转换为数字信号传输给导航计算机系统10；用于向移动激光靶2发出激光信号；

激光接收装置202用于接收陀螺全站仪5发出的激光信号，并将激光信号传输至信号处理装置205；激光陀螺仪207用于获取移动激光靶2的陀螺施距信息，即测量移动激光靶2的运动加速度，并将陀螺施距信息传输至信号处理装置205；石英摆式加速度仪208用于获取移动激光靶2的比力信息，即测量移动激光靶2 的运动角速度，并将比力信息传输至信号处理装置205；信号处理装置205包括：用于将激光信号转换成数字信号，并将数字信号传输至导航计算机系统10；用于接收陀螺施距信息、比力信息，并将陀螺施距信息、比力信息反馈至导航计算机系统10；

导航计算机系统10包括：

用于接收陀螺全站仪5传输的数字信号计算出陀螺全站仪5的大地坐标；用于接收信号处理装置205传输的数字信号，并依据已计算出的陀螺全站仪5的大地坐标，计算出移动激光靶2的首选大地坐标；

用于接收信号处理装置205传输的陀螺施距信息、比力信息，计算出移动激光靶2的备用大地坐标；

用于，当导航计算机系统10可接收到陀螺全站仪5传输的数字信号时，对移动激光靶2的首选大地坐标与移动激光靶2的备用大地坐标进行比对，若两者差值在在允许范围内，则根据移动激光靶2的首选大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器11对盾构掘进姿态进行实时纠偏；若移动激光靶2的首选大地坐标与移动激光靶2的备用大地坐标的差值不在允许范围内，则导航计算机系统10将校队异常的警报信息发送至警报装置；用于，当导航计算机系统10不能接收到陀螺全站仪5传输的数字信号时，导航计算机系统10发出测程超限的警报信息至警报装置，同时导航计算机系统10根据移动激光靶2的备用大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器11对盾构掘进姿态进行实时纠偏；

用于实时储存移动激光靶的首选大地坐标、移动激光靶的备用大地坐标、纠偏量、纠偏位置、实际开挖曲线、隧道设计轴线数据；

PLC控制器11用于控制盾构机的掘进姿态，并接收导航计算机系统10传输的纠偏量和纠偏位置信息，依据纠偏量和纠偏位置信息对掘进姿态进行实时纠偏；

警报装置12用于接收导航计算机系统10发出的校对异常的警报信息、测程超限的警报信息对盾构操作人员进行警报；警报装置12包括声音警报器、警报灯，以便于通过声音或不同颜色的警报灯对操作人员进行及时提醒。

实施例2

本发明盾构姿态调整激光靶连续量测系统的工作过程如下：

(1)请参阅图1，在盾构掘进过程中，后视棱镜7固定于隧道管片6上，在测量初始时，可通过人工测量，获得后视棱镜7的大地坐标(X₁,Y₁,Z₁)；

(2)请参阅图3，陀螺全站仪5发出的激光信息(激光束)射向后视棱镜7，激光信息经后视棱镜7返回后，陀螺全站仪5将返回的激光信号转换为数字信号传输给导航计算机系统10，导航计算机系统10计算出陀螺全站仪5的大地坐标 (X₂,Y₂,Z₂)；

(3)请参阅图1-图3，陀螺全站仪5旋转180°寻找移动激光靶2，并向移动激光靶2发出的激光信息(激光束203)，激光束203经激光接收装置202接收后，通过凸透镜201对光束聚焦，从而使光束亮度更高，更利于测量；进一步，激光束经信号处理装置205中的成像机构204、倾角仪206转换成数字信号，传入导航计算机系统10，导航计算机系统10计算出移动激光靶2的首选大地坐标 (X₃,Y₃,Z₃)；同时，激光陀螺仪207获取移动激光靶2的陀螺施距信息，并将陀螺施距信息传输至信号处理装置205；石英摆式加速度仪208获取移动激光靶 2的比力信息，并将比力信息传输至信号处理装置205；信号处理装置205将陀螺施距信息、比力信息反馈至导航计算机系统10，导航计算机系统10计算出移动激光靶2的备用大地坐标(X₄,Y₄,Z₄)；

盾构机姿态参数包括盾构的俯仰角、滚动角和方位角三个姿态角以及偏向位移；激光接收装置中心与盾首和盾尾中心的相对位置固定不变；通过陀螺全站仪和移动激光靶可以测量出激光接收装置的坐标和姿态角，再结合激光接收装置中心与盾首和盾尾中心的相对位置关系，可计算出盾首和盾尾中心的坐标，进而计算出掘进偏差；在盾构掘进过程中，当导航计算机系统10可接收到陀螺全站仪5传输的数字信号时(在测量范围内)，导航计算机系统10对移动激光靶2 的首选大地坐标(X₃,Y₃,Z₃)与移动激光靶2的备用大地坐标(X₄,Y₄,Z₄)进行比对，若两者差值在允许范围内，则根据移动激光靶2的首选大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器11对盾构掘进姿态进行实时纠偏，当纠偏量在允许范围时，则保持当前掘进姿态继续掘进；若移动激光靶2的首选大地坐标与移动激光靶2的备用大地坐标的差值不在允许范围内，则导航计算机系统10将校对异常的警报信息发送至警报装置；该过程中，本发明系统通过将首选坐标与备用坐标进行实时对比校准，当两者差异较大时可发出校对异常的警报信息，以提示操作人员进行检查，这样可形成“双保险”，从而进一步提高盾构姿态测量的精度；

随着盾构掘进的进行，由于后视棱镜7与陀螺全站仪5的距离会越来越远，光束射向后视棱镜7的强度会越来越弱，测量一段时间后陀螺全站仪5将无法接收到后视棱镜7的返回激光信息(超出测量范围)；因此，当导航计算机系统10 不能接收到陀螺全站仪5传输的数字信号时，导航计算机系统10发出测程超限的警报信息至警报装置，警报装置发出警报信号以便提醒操作人员对后视棱镜在不停机的状态下进行及时搬站，从而节约了施工时间，提高了施工效率；同时在不停机的状态下，本发明系统仍然可以通过下述方式对盾构掘进进行量测和导航：导航计算机系统10根据移动激光靶2的备用大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器11对盾构掘进姿态进行实时纠偏，当纠偏量在允许范围时，则保持当前掘进姿态继续掘进。

Claims (7)

1.一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，包括PLC控制器(11)、导航计算机系统(10)、移动激光靶(2)、后视棱镜(7)、陀螺全站仪(5)，其特征在于，还包括警报装置(12)；所述移动激光靶(2)包括激光接收装置(202)、信号处理装置(205)、与信号处理装置(205)连接的激光陀螺仪(207)和石英摆式加速度仪(208)；

所述陀螺全站仪(5)包括：用于向后视棱镜(7)发出激光信号，并将返回的激光信号转换为数字信号传输给导航计算机系统(10)；用于向移动激光靶(2)发出激光信号；

所述激光接收装置(202)用于接收陀螺全站仪(5)发出的激光信号，并将激光信号传输至信号处理装置(205)；所述激光陀螺仪(207)用于获取移动激光靶(2)的陀螺施距信息，并将陀螺施距信息传输至信号处理装置(205)；所述石英摆式加速度仪(208)用于获取移动激光靶(2)的比力信息，并将比力信息传输至信号处理装置(205)；所述信号处理装置(205)包括：用于将激光信号转换成数字信号，并将数字信号传输至导航计算机系统(10)；用于接收陀螺施距信息、比力信息，并将陀螺施距信息、比力信息反馈至导航计算机系统(10)；所述导航计算机系统(10)包括：

用于接收陀螺全站仪(5)传输的数字信号计算出陀螺全站仪(5)的大地坐标；用于接收信号处理装置(205)传输的数字信号，并依据已计算出的陀螺全站仪(5)的大地坐标，计算出移动激光靶(2)的首选大地坐标；

用于接收信号处理装置(205)传输的陀螺施距信息、比力信息，计算出移动激光靶(2)的备用大地坐标；

用于，当导航计算机系统(10)可接收到陀螺全站仪(5)传输的数字信号时，对移动激光靶(2)的首选大地坐标与移动激光靶(2)的备用大地坐标进行比对，若两者差值在允许范围内，则根据移动激光靶(2)的首选大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器(11)对盾构掘进姿态进行实时纠偏；若移动激光靶(2)的首选大地坐标与移动激光靶(2)的备用大地坐标的差值不在允许范围内，则导航计算机系统(10)将校对异常的警报信息发送至警报装置；用于，当导航计算机系统(10)不能接收到陀螺全站仪(5)传输的数字信号时，导航计算机系统(10)发出测程超限的警报信息至警报装置，同时导航计算机系统(10)根据移动激光靶(2)的备用大地坐标计算盾构实际开挖曲线，并与隧道设计轴线进行对比，计算出纠偏量和确定纠偏位置，当纠偏量超出允许范围时，则将纠偏量和纠偏位置信息传输至PLC控制器(11)对盾构掘进姿态进行实时纠偏；

所述PLC控制器(11)用于控制盾构机的掘进姿态，并接收导航计算机系统(10)传输的纠偏量和纠偏位置信息，依据纠偏量和纠偏位置信息对掘进姿态进行实时纠偏；

所述警报装置(12)用于接收导航计算机系统(10)发出的校对异常的警报信息、测程超限的警报信息对盾构操作人员进行警报。

2.如权利要求1所述的一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，其特征在于，所述移动激光靶(2)设置于盾构中盾(8)上，所述后视棱镜(7)设置于隧道管片(6)上，所述陀螺全站仪(5)设置于盾构后配套系统(9)中。

3.如权利要求1所述的一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，其特征在于，所述警报装置(12)包括声音警报器、警报灯。

4.如权利要求1所述的一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，其特征在于，所述导航计算机系统(10)还包括：用于实时储存移动激光靶(2)的首选大地坐标、移动激光靶(2)的备用大地坐标、纠偏量、纠偏位置、实际开挖曲线、隧道设计轴线数据。

5.如权利要求1所述的一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，其特征在于，所述信号处理装置(205)包括成像机构(204)、倾角仪(206)。

6.如权利要求3所述的一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，其特征在于，所述移动激光靶(2)还包括凸透镜(201)，所述凸透镜(201)设置于激光接收装置(202)与信号处理装置(205)之间。

7.如权利要求1所述的一种盾构姿态调整激光靶连续量测系统，其特征在于，所述移动激光靶(2)通过数据线与导航计算机系统(10)连接，所述陀螺全站仪(5)通过数据线与导航计算机系统(10)连接。

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