CN113566798A - 一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法 - Google Patents

一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双护盾掘进机姿态测量系统，包括安装在主推油缸上的第一倾角仪、安装在支撑盾与主推油缸底座连接处的角度测量装置、安装在前盾上的第二倾角仪、安装在支撑盾上的激光靶、工业计算机，以及安装在洞壁上的全站仪和后视棱镜，所述主推油缸的一端连接前盾，所述主推油缸的另一端连接支撑盾；所述角度测量装置用于测量主推油缸的方位角；所述第一倾角仪用于测量主推油缸的俯仰角；所述第二倾角仪用于测量前盾的俯仰角和转动角；工业计算机用于根据各测量装置得到的测量结果计算出支撑盾和前盾的姿态。本发明还涉及一种双护盾掘进机姿态测量系统的测量方法，可在恶劣环境中稳定准确地解决双护盾掘进机的前进状态进行准确测量。

Description

一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及隧道挖掘技术领域，特别是涉及一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法。
背景技术
双护盾掘进机，主要特征是位于设备前面部分的前盾可以伸长，该机型地质适应性非常广泛，既可用于硬岩，又可用于软岩，尤其能安全地穿过断层破碎地带，常用于混合岩石地层的隧道掘进领域。大多实际应用中相比较于常规盾构机环境较为恶劣，存在强震动、高粉尘的特点，另外由于前盾与支撑盾之间通过球形铰接油缸连接，前盾位置较为灵活与支撑盾不固定，常规的盾构导向系统无法直接满足测量需求。
目前国内外用于双护盾姿态测量的系统主要是在支撑盾安装激光靶，通过安装在洞壁的全站仪测量得出支撑盾的姿态；在前盾的姿态测量中采用在支撑盾固定安装激光，在前盾安装激光接收靶，通过检测激光光斑的位置变化来确定前盾相对于支撑盾相对变化，再根据支撑盾当前位置计算出前盾的姿态。另外也有采用在支撑盾安装CCD测量相机，在前盾安装LED特征点，通过对CCD成像光斑进行处理从而确定前盾与支撑盾的相对位置关系。
在实际施工过程中由于小半径转弯的需求以及小直径掘进机的设计越来越广泛，前盾与支撑盾之间的测量通道逼仄，并且存在大量粉尘，对于视觉测量条件较差，目前市面上已有的导向系统不能很好地适应各类工况。针对以上问题，如何在现有施工环境下实时自动测量出前盾位姿，在保证测量精度的同时做到各类工况均能稳定实用的需求，是业内技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双护盾掘进机姿态测量系统及其测量方法，可在恶劣环境中稳定准确地解决双护盾掘进机前盾与支撑盾之间的相对位置测量，以及支撑盾的姿态测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种双护盾掘进机姿态测量系统，包括安装在主推油缸上的第一倾角仪、安装在支撑盾与主推油缸底座连接处的角度测量装置、安装在前盾上的第二倾角仪、安装在支撑盾上的激光靶、工业计算机，以及安装在洞壁上的全站仪和后视棱镜，所述主推油缸的一端连接前盾，所述主推油缸的另一端连接支撑盾；所述角度测量装置用于测量主推油缸的方位角；所述第一倾角仪用于测量主推油缸的俯仰角；所述第二倾角仪用于测量前盾的俯仰角和转动角；
所述全站仪通过测量后视棱镜对自身进行定位，所述工业计算机根据全站仪测量激光靶计算出支撑盾的姿态；
所述工业计算机根据计算出的支撑盾的姿态计算出主推油缸与支撑盾连接端的姿态；
所述工业计算机根据计算出的主推油缸与支撑盾连接端的姿态、角度测量装置测得的主推油缸的方位角、第一倾角仪测得的主推油缸的俯仰角和转动角，以及主推油缸的行程计算出主推油缸与前盾连接端的姿态，并根据计算出的主推油缸与前盾连接端的姿态，以及第二倾角仪测得的前盾的俯仰角和转动角计算出前盾的姿态。
所述角度测量装置包括两个与工业计算机连接的拉线传感器，所述两个拉线传感器用于测量主推油缸相对于支撑盾的水平角度变化。
所述两个拉线传感器的拉线的线端固定于主推油缸上一点。
所述主推油缸的一端设置有前部球心、另一端设置有后部球心，所述主推油缸通过所述前部球心和前盾连接，所述主推油缸通过所述后部球心和支撑盾连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种如上述双护盾掘进机姿态测量系统的测量方法，包括：
步骤(1)：在掘进机施工掘进前，获取激光靶与支撑盾的初始位置关系、角度测量装置与主推油缸的初始位置关系、主推油缸的前部球心与前盾的初始位置关系、主推油缸的后部球心与支撑盾的初始位置关系，以及第二倾角仪与前盾的初始位置关系；
步骤(2)：在掘进机施工过程中，安装在洞壁上的全站仪通过实时测量激光靶确定支撑盾的实时位置信息，由于主推油缸的后部球心与支撑盾位置关系相对固定，所述工业计算机根据所述支撑盾的实时位置信息计算出主推油缸的后部球心的实时三维坐标；
步骤(3)：根据计算出的主推油缸的后部球心的实时三维坐标、角度测量装置测得的主推油缸相对于支撑盾的方位角度变化、第一倾角仪测得的主推油缸的俯仰角，以及主推油缸的行程，通过坐标正得算出主推油缸的前部球心的实时三维坐标；由于主推油缸的前部球心与前盾位置关系相对固定，所述工业计算机根据计算出的主推油缸的前部球心的实时三维坐标，以及第二倾角仪测得的前盾的转动角和俯仰角，采用七参数模型计算出前盾的实时位置信息，并将计算出的前盾的实时位置信息与设计位置姿态进行对比，最后将对比结果实时显示。
所述步骤(1)具体为：在掘进机施工掘进前，在同一坐标系下测得支撑盾轴线端点、前盾轴线端点、主推油缸的前部球心和后部球心的初始三维坐标、前盾的初始俯仰角和转动角，以及支撑盾的初始俯仰角和转动角，所述工业计算机根据测量结果计算得到激光靶与支撑盾的初始位置关系、角度测量装置与主推油缸的初始位置关系、主推油缸的前部球心与前盾的初始位置关系、主推油缸的后部球心与支撑盾的初始位置关系，以及第二倾角仪与前盾的初始位置关系。
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：本发明提供的测量系统前盾与支撑盾之间无需激光或者图像设备，仅需要通过由拉线传感器组成的角度测量装置直接测得水平角度，适用于平行或V字型油缸布置的双护盾掘进机，适用于各类含有粉尘、水汽的恶劣环境，同时解决了掘进机小半径转弯的自动定位需求，成本低且实用性好；本发明能够实时测量双护盾掘进机前盾、支撑盾的水平偏差、垂直偏差和姿态角及时为现场施工人员提供准确的数据支持，避免了姿态获取不及时稳定造成“盲推”现象；本发明在前盾与支撑盾之间的测量设备安装简单，同时标定方便。
附图说明
图1是本发明实施方式的双护盾掘进机姿态测量系统结构原理图；
图2是本发明实施方式的角度测量装置结构原理图。
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双护盾掘进机姿态测量系统，请参阅图1，包括安装在主推油缸上的第一倾角仪1、安装在支撑盾与主推油缸底座连接处的角度测量装置2、安装在前盾上的第二倾角仪3、安装在支撑盾上的激光靶4、安装在驾驶室的工业计算机5，以及安装在洞壁上的全站仪6和后视棱镜7，所述主推油缸的一端连接前盾，所述主推油缸的另一端连接支撑盾；所述角度测量装置2用于测量主推油缸的方位角；所述第一倾角仪1用于测量主推油缸的俯仰角和转动角；所述第二倾角仪3用于测量前盾的俯仰角和转动角。
所述全站仪6通过测量后视棱镜7对自身进行定位，所述工业计算机5根据全站仪6测量激光靶4计算出支撑盾的姿态。
进一步地，所述工业计算机5根据计算出的支撑盾的姿态计算出主推油缸与支撑盾连接端的姿态。
进一步地，所述工业计算机5根据计算出的主推油缸与支撑盾连接端的姿态、角度测量装置2测得的主推油缸的方位角、第一倾角仪1测得的主推油缸的俯仰角，以及主推油缸的行程计算出主推油缸与前盾连接端的姿态，并根据计算出的主推油缸与前盾连接端的姿态，以及第二倾角仪3测得的前盾的俯仰角和转动角计算出前盾的姿态。
进一步地，所述主推油缸的一端设置有前部球心、另一端设置有后部球心，所述主推油缸通过所述前部球心和前盾连接，所述主推油缸通过所述后部球心和支撑盾连接。
请参阅图2，所述角度测量装置2包括两个呈水平一字安装、且与工业计算机5连接的拉线传感器8，两个所述拉线传感器8用于测量主推油缸相对于支撑盾的水平角度变化；两个拉线传感器8固定安装在钢型板材上，两个拉线传感器8出线孔间距20CM左右，角度测量装置整体安装于主推油缸后部底座上方或下方，两个拉线传感器8拉线的线端9固定于主推油缸上同一点，拉线长度约为40CM，通过检测拉线长度的变化即可计算出主推油缸方位角度的变化。
本实施方式还涉及一种双护盾掘进机姿态测量系统的测量方法，适用于高粉尘小半径转弯的环境中准确测量出前盾与支撑盾的相对位置关系，以下进行详细说明：
步骤(1)：在掘进机施工掘进前，在同一坐标系下获取初始测量数据，所述初始测量数据包括：测得支撑盾轴线端点、前盾轴线端点、主推油缸的前部球心和后部球心的初始三维坐标、前盾的初始俯仰角和转动角，以及支撑盾的初始俯仰角和转动角；
所述工业计算机5根据所述初始测量数据计算得到激光靶4与支撑盾的初始位置关系，根据所述初始测量数据计算得到角度测量装置2与主推油缸的初始位置关系，根据所述初始测量数据计算得到主推油缸的前部球心与前盾的初始位置关系，根据所述初始测量数据计算得到主推油缸的后部球心与支撑盾的初始位置关系，根据所述初始测量数据计算得到第二倾角仪3与前盾的初始位置关系。
步骤(2)：在掘进机施工过程中，安装在洞壁上的全站仪6通过实时测量激光靶4确定支撑盾的实时位置信息，由于主推油缸的后部球心与支撑盾位置关系相对固定，所述工业计算机5根据所述支撑盾的实时位置信息计算出主推油缸的后部球心的实时三维坐标。
步骤(3)：根据计算出的主推油缸的后部球心的实时三维坐标、角度测量装置2测得的主推油缸相对于支撑盾的方位角度变化、第一倾角仪1测得的主推油缸的俯仰角，以及主推油缸的行程，通过坐标正算得出主推油缸的前部球心的实时三维坐标；由于主推油缸的前部球心与前盾位置关系相对固定，所述工业计算机5根据计算出的主推油缸的前部球心的实时三维坐标，以及第二倾角仪3测得的前盾的转动角和俯仰角，采用七参数模型计算出前盾的实时位置信息，并将计算出的前盾的实时位置信息与设计位置姿态进行对比，最后将对比结果实时显示给司机。
步骤(3)中坐标正算公式为：
X＝X1+L*cos(azimuth)
Y＝Y1+L*sin(azimuth)
Z＝Z1+L*tan(pitch)
其中，X,Y,Z为主推油缸前部球心的三维坐标，X1,Y1,Z1为主推油缸后部球心的三维坐标，L＝L1+L2，L1为初始标定时主推油缸前部球心距离后部球心的空间距离，L2为主推油缸当前行程，azimuth＝azimuth0+α，azimuth0为支撑盾的当前方位角，α＝J2-J1，J1为角度测量装置检测的当前方位角数据，J2为角度测量装置检测的初始方位角数据，pitch为第一倾角仪检测到的俯仰角数据。
本发明有两个关键技术点，具体如下：
一是不同坐标系间接传递的方法，即认为支撑盾与前盾为两个不同的坐标系通过主推油缸连接，主推油缸的两端分别为前部球心、后部球心，前部球心、后部球心分别能与前盾、支撑盾发生任意角度旋转，但主推油缸的前部球心相对于前盾位置固定，主推油缸的后部球心相对于支撑盾位置固定，即通过已知后部球心位置以及主推油缸的方位、俯仰角即可求出前部球心的三维坐标，其中主推油缸的方位角和俯仰角分别由角度测量装置2和第一倾角仪1测得。通过两个主推油缸前部球心三维坐标可以计算出前盾的方位角，再结合安装在前盾的第二倾角仪3数据可通过七参数模型计算出前盾的姿态。
二是主推油缸的角度测量装置2的标定与算法，如图2所示，两个拉线传感器8的出线孔间距固定，距离为AB，两个线头端固定至同一点C，D点为(AB)的中点。则有在△ABC中，AB为已知值，AC、BC为拉线数据，先通过AC、AB、BC的长度用余弦定理计算出∠CAB，由于AD＝AB/2，在应用余弦定理求出DC长度，此时AC、CD、AD为已知，进而求出∠ADC，∠ADC的变化值即为主推油缸的水平角度变化。
由此可见，本发明提供的双护盾掘进机姿态测量系统采用了更加稳定准确的方案，能够不受粉尘、测量通道大小的影响，及时为现场施工人员提供准确的数据支持，实用性较好。

Claims (6)

1.一种双护盾掘进机姿态测量系统，其特征在于，包括安装在主推油缸上的第一倾角仪(1)、安装在支撑盾与主推油缸底座连接处的角度测量装置(2)、安装在前盾上的第二倾角仪(3)、安装在支撑盾上的激光靶(4)、工业计算机(5)，以及安装在洞壁上的全站仪(6)和后视棱镜(7)，所述主推油缸的一端连接前盾，所述主推油缸的另一端连接支撑盾；所述角度测量装置(2)用于测量主推油缸的方位角；所述第一倾角仪(1)用于测量主推油缸的俯仰角和转动角；所述第二倾角仪(3)用于测量前盾的俯仰角和转动角；
所述全站仪(6)通过测量后视棱镜(7)对自身进行定位，所述工业计算机(5)根据全站仪(6)测量激光靶(4)计算出支撑盾的姿态；
所述工业计算机(5)根据计算出的支撑盾的姿态计算出主推油缸与支撑盾连接端的姿态；
所述工业计算机(5)根据计算出的主推油缸与支撑盾连接端的姿态、角度测量装置(2)测得的主推油缸的方位角、第一倾角仪(1)测得的主推油缸的俯仰角，以及主推油缸的行程计算出主推油缸与前盾连接端的姿态，并根据计算出的主推油缸与前盾连接端的姿态，以及第二倾角仪(3)测得的前盾的俯仰角和转动角计算出前盾的姿态。
2.根据权利要求1所述的双护盾掘进机姿态测量系统，其特征在于，所述角度测量装置(2)包括两个与工业计算机(5)连接的拉线传感器(8)，所述两个拉线传感器(8)用于测量主推油缸相对于支撑盾的水平角度变化。
3.根据权利要求2所述的双护盾掘进机姿态测量系统，其特征在于，所述两个拉线传感器(8)的拉线的线端(9)固定于主推油缸上一点。
4.根据权利要求1所述的双护盾掘进机姿态测量系统，其特征在于，所述主推油缸的一端设置有前部球心、另一端设置有后部球心，所述主推油缸通过所述前部球心和前盾连接，所述主推油缸通过所述后部球心和支撑盾连接。
5.一种如权利要求1-4中任一所述双护盾掘进机姿态测量系统的测量方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：在掘进机施工掘进前，获取激光靶(4)与支撑盾的初始位置关系、角度测量装置(2)与主推油缸的初始位置关系、主推油缸的前部球心与前盾的初始位置关系、主推油缸的后部球心与支撑盾的初始位置关系，以及第二倾角仪(3)与前盾的初始位置关系；
步骤(2)：在掘进机施工过程中，安装在洞壁上的全站仪(6)通过实时测量激光靶(4)确定支撑盾的实时位置信息，由于主推油缸的后部球心与支撑盾位置关系相对固定，所述工业计算机(5)根据所述支撑盾的实时位置信息计算出主推油缸的后部球心的实时三维坐标；
步骤(3)：根据计算出的主推油缸的后部球心的实时三维坐标、角度测量装置(2)测得的主推油缸相对于支撑盾的方位角度变化、第一倾角仪(1)测得的主推油缸的俯仰角，以及主推油缸的行程，通过坐标正得算出主推油缸的前部球心的实时三维坐标；由于主推油缸的前部球心与前盾位置关系相对固定，所述工业计算机(5)根据计算出的主推油缸的前部球心的实时三维坐标，以及第二倾角仪(3)测得的前盾的转动角和俯仰角，采用七参数模型计算出前盾的实时位置信息，并将计算出的前盾的实时位置信息与设计位置姿态进行对比，最后将对比结果实时显示。
6.根据权利要求5所述的双护盾掘进机姿态测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：在掘进机施工掘进前，在同一坐标系下测得支撑盾轴线端点、前盾轴线端点、主推油缸的前部球心和后部球心的初始三维坐标、前盾的初始俯仰角和转动角，以及支撑盾的初始俯仰角和转动角，所述工业计算机(5)根据测量结果计算得到激光靶(4)与支撑盾的初始位置关系、角度测量装置(2)与主推油缸的初始位置关系、主推油缸的前部球心与前盾的初始位置关系、主推油缸的后部球心与支撑盾的初始位置关系，以及第二倾角仪(3)与前盾的初始位置关系。
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Denomination of invention: A dual shield tunneling machine attitude measurement system and its measurement method

Effective date of registration: 20230921

Granted publication date: 20230321

Pledgee: Societe Generale Bank Co.,Ltd. Qingpu Branch of Shanghai

Pledgor: Shanghai M&D Technical Measurement Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980057750

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