CN113804152A

CN113804152A - 基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置

Info

Publication number: CN113804152A
Application number: CN202010544269.1A
Authority: CN
Inventors: 曹动; 曹力
Original assignee: Rocketech Technology Corp ltd
Current assignee: Rocketech Technology Corp ltd
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-17

Abstract

本发明提供了一种基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置，使用装置测量的方法包括：校准测量主体和准直光源；视觉技术标记投影光斑的初始位置坐标；测量投影光斑的动态位置坐标；解算导向光束相对于测量主体的平移和偏转；解算盾构机的三维姿态。本发明提供的基于导向光束的盾构姿态测量方法通过视觉技术测量准直光束在盾构机行进时投影光斑的坐标变化，解算准直光束相对盾构机的方位变化，从而解算盾构机在世界坐标系下的姿态变化。本发明提供的测量装置结构简单，成本低，拆卸方便，测量精度灵活可调，适于多种场合使用。

Description

基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置

技术领域

本发明涉及工程建设领域，具体涉及一种基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置。

背景技术

盾构技术是指使用盾构机,一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣,并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆,从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构施工开始时，先在隧道的一端建造竖井，使盾构机安装就位，盾构机从竖井的开孔处出发，沿着隧道设计轴线向另一竖井进行掘进。

一般情况，盾构掘进过程中，隧道轴线平面和高程允许偏差为±50mm，为了保证盾构机能沿着设计线路推进，防止盾构机偏差超限，使成型隧道轴线符合设计要求，需要通过导向测量系统对隧道轴线控制测量，确保盾构机在掘进过程中的姿态偏差在误差限内。

隧道施工中的盾构机位姿测量的人工方法主要包括前后标尺法和三点法。这些方法需要在施工间隙进行，不能够实现连续测量，且操作复杂，测量人员要兼顾控制测量和施工测量，工作量大，测量时间长，效率低。

盾构姿态测量的自动化方法主要包括以下几种：

(1)陀螺仪导向，该方法在盾构机中体顶部安装一个陀螺仪，同时安装两个倾斜仪用来测量盾构机的滚角和俯仰角。

(2)棱镜法导向，该方法是在盾构机内部安装三个反射棱镜。在安装时，需要确定三个棱镜与盾构机切口中心和盾尾中心的相对位置，为盾构掘进过程中盾构机姿态计算提供基础数据。全站仪在一次测量过程中依次搜索三个棱镜，并进行坐标测量，利用所得结果，通过几何关系换算可得到盾构机切口中心和盾尾中心坐标。

(3)全站仪激光标靶导向，该方法的主要测量仪器部件是全站仪和电子激光标靶，电子激光标靶安装于盾构机头部，与盾构机切口中心和盾尾中心的位置确定，用来测量盾构机的三个姿态角。全站仪对电子标靶进行测量定位，同时为盾构机水平角的测量提供测量激光。

上述方法的不足是测量精度依赖于陀螺仪或全站仪的测角精度，受机械加工和装配的影响，且系统复杂，成本较高。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种基于导向光束的盾构姿态测量方法和装置，通过对导向光束的投影光斑进行视觉测量来确定盾构姿态，解决盾构机自动化位姿测量技术中存在的系统复杂成本高及测量精度不稳的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于导向光束的盾构姿态测量方法，该方法包括：校准测量主体和准直光源，使所述测量主体的投屏垂直于盾构机预定运动方向，使所述准直光源发出的导向光束垂直于所述测量主体的投屏；校准后，通过视觉技术测量所述导向光束的投影光斑位置坐标，记为初始位置坐标；盾构行进时，通过视觉技术测量所述导向光束的投影光斑位置坐标，记为动态位置坐标；由投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标解算盾构行进状态下所述导向光束相对于所述测量主体的平移和偏转；解算盾构机的三维姿态；其中，所述投屏包括前置投屏和后置投屏，所述前置投屏与所述后置投屏平行设置；所述投影光斑包括第一束斑和第二束斑，所述第一束斑由导向光束经前置投屏透射在后置投屏正面形成；所述第二束斑由导向光束在前置投屏背面形成。

具体地，所述校准测量主体的方法还包括：固定所述准直光源，将所述测量主体固定安装在所述盾构机上，或固定所述测量主体，将所述准直光源固定安装在所述盾构机上。

优选地，所述导向光束为阵列光束，所述阵列光束的阵列形状为非对称形状。

本发明还提供一种基于导向光束的盾构姿态测量装置，该装置包括：准直光源和测量主体；所述准直光源和所述测量主体其中之一固定安装在盾构机上，另一个固定安装于世界坐标系静止参考物；所述准直光源，用于发出导向光束，所述导向光束与所述盾构机的预定运动方向平行；所述测量主体，包括底座、投屏、视觉设备和信息处理单元，所述投屏和所述视觉设备固定安装在所述底座上，所述信息处理单元与所述视觉设备电性连接；所述投屏，用于接收所述导向光束形成投影光斑，所述投影光斑包括第一束斑和第二束斑；所述视觉设备，用于测量所述投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，输出数据至信息处理单元；所述信息处理单元，根据所述投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，计算所述导向光束相对于所述测量主体的平移和偏转，计算所述盾构机的三维姿态。

优选地，所述投屏包括前置投屏和后置投屏，所述前置投屏和所述后置投屏平行设置，所述前置投屏朝向后置投屏一面涂敷有散射层，所述后置投屏为朗伯体；所述导向光束经所述前置投屏透射在后置投屏形成第一束斑；所述导向光束在所述前置投屏散射层表面形成第二束斑。

具体地，所述导向光束为阵列光束，阵列形状为非对称形状。

由上可知，本发明提供的技术方案有益效果是：本发明提供一种基于导向光束的盾构姿态的实时测量装置，该装置通过对导向光束的投影光斑进行视觉测量来确定盾构姿态，以便实时矫正，避免盾构机在施工过程中出现的轴线偏差。

附图说明

图1为本发明提供的基于导向光束的盾构姿态测量方法流程图；

图2为本发明提供的前后屏测量主体结构示意图；

图3为本发明的基于前后屏测量主体的盾构姿态坐标计算示意图；

图4为本发明的非对称阵列光斑结构示意图。

图中各标号表示：

1、底座；2、前置投屏；3、后置投屏；4、视觉设备；5、信息处理单元；61、准直光束；62、偏移光束；7、第一束斑；8、第二束斑；9、光斑阵列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

请参阅图1，图1为本发明提供的盾构姿态测量方法的流程图，由图可知，一种基于导向光束的盾构姿态测量方法包括：

S1:校准准直光源和测量主体，使测量主体的投屏垂直于盾构机预定运动方向，使准直光源发出的导向光束垂直于测量主体的投屏，在投屏上形成投影光斑；具体还包括：固定准直光源，将测量主体固定安装在盾构机上，或固定测量主体，将准直光源固定安装在盾构机上；

S2:标记投影光斑的初始位置坐标，具体包括：标定视觉设备4的内外参数；通过视觉技术测量投影光斑，标记投影光斑的位置坐标作为初始位置坐标；

S3:盾构机行进时，通过视觉技术测量投影光斑的位置坐标作为动态位置坐标；

S4:由投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，解算导向光束相对于测量主体的平移和偏转；

S5:解算盾构机的三维姿态。

请参阅图2，图2是本发明提供的前后屏测量主体结构示意图，由图可知，该装置包括：准直光源和测量主体；准直光源和测量主体其中之一固定安装在盾构机上，另一个固定安装于世界坐标系静止参考物；准直光源，用于发出导向光束，导向光束与盾构机的预定运动方向平行；

测量主体包括底座1、投屏、视觉设备4和信息处理单元5，投屏和视觉设备4固定安装在底座1上，信息处理单元5与视觉设备4电性连接；投屏用于接收导向光束形成投影光斑，投影光斑包括第一束斑7和第二束斑8；投屏包括前置投屏2和后置投屏3，前置投屏2和后置投屏3平行设置，前置投屏2朝向后置投屏3一面涂敷有散射层，后置投屏3为朗伯体；导向光束经前置投屏2透射在后置投屏3形成第一束斑7；导向光束在前置投屏2散射层表面形成第二束斑8；视觉设备4，用于测量投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，输出数据至信息处理单元5；信息处理单元5，根据投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，计算导向光束相对于测量主体的平移和偏转，计算盾构机的三维姿态。

下面以实施例为例，详细说明使用本发明提供的测量装置实现盾构姿态测量的方法。请参阅图3，图3为本发明的基于前后屏测量主体的盾构姿态坐标计算示意图，该实施例中，解算导向光束相对于测量主体的平移和偏转的步骤具体如下：

以投屏法线方向为Z轴，以校准状态下的导向光束为准直光束61，以盾构行进状态下的导向光束为偏移光束62，假设准直光束61从参考点垂直射入测量主体，在后置投屏3形成第一束斑7的初始位置N₁，在前置投屏2形成第二束斑8的初始位置N₂，并分别以N₁和N₂为坐标原点建立两个OXY平面坐标系。设前置投屏2和后置投屏3垂直距离为d。假设盾构机姿态发生变化，准直光束61在标靶坐标系下方位发生偏移成为偏移光束62，偏移光束62第一束斑7位置N′₁和第二束斑8动态位置N′₂的坐标分别为(a,b)和(a′,b′)。本发明实施例的装置测量如下参数：相对于参考点的平移量(x,y)，偏移光束62相对于准直光束61向两个正交方向的偏转角

则图3中的准直光束经过平移和旋转后进入测量主体，(a,b)与四个待测变量的关系如下：

同理，(a′,b′)与四个待测变量的关系如下：

计算(a,b)和(a′,b′)坐标差值，可以得到

解得

从以上推导可以看出，通过测量第一束斑7和第二束斑8的坐标变化，就可以获取导向光束相对于测量主体的方位变化，包括平移量和偏转角。且通过增大接收屏分辨率、亚像素提取等手段提高光斑坐标读数的提取精度，可以对细微的导向光束偏转角度进行感知。

该实施例中，解算盾构机的三维姿态的具体步骤如下：

在本发明的实施例中，准直光源固定于地面，测量主体固定安装在盾构机上，导向光束与盾构机预定运动方向一致，以导向光束方向为Z轴建立世界坐标系，则其光矢量可表示为向量V₀＝(0,0,1)。施工过程中当盾构机相对于世界坐标系发生角度偏转

则导向光束在标靶坐标系中的光矢量方向为：

根据Rodriguez旋转公式，可知V₀到V₁的旋转矩阵为

对应于在世界坐标系下用欧拉角表示的旋转矩阵,可求解出盾构机相对于世界坐标系的角度偏转的欧拉表达式：

实施例二

请参阅图4，图4是本发明的非对称阵列光斑结构示意图，该示意图实施例是在实施例一的基础上的优选方案，使用的导向光束为阵列光束，其阵列形状为非对称形状，目的是通过非对称形状的光斑阵列9，获取盾构机绕导向光束旋转的滚转角度。具体解算步骤与实施例一步骤相似，不同之处在于需要计算光斑阵列9各光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，此处不再赘述。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于导向光束的盾构姿态测量方法，其特征在于，该方法包括：

校准测量主体和准直光源，使所述测量主体的投屏垂直于盾构机预定运动方向，使所述准直光源发出的导向光束垂直于所述测量主体的投屏；

校准后，通过视觉技术测量所述导向光束的投影光斑位置坐标，记为初始位置坐标；盾构行进时，通过视觉技术测量所述导向光束的投影光斑位置坐标，记为动态位置坐标；

由投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标解算盾构行进状态下所述导向光束相对于所述测量主体的平移和偏转；

解算盾构机的三维姿态；

其中，所述投屏包括前置投屏和后置投屏，所述前置投屏与所述后置投屏平行设置；所述投影光斑包括第一束斑和第二束斑，所述第一束斑由导向光束经前置投屏透射在后置投屏正面形成；所述第二束斑由导向光束在前置投屏背面形成。

2.根据权利要求1的盾构姿态测量方法，其特征在于，所述校准测量主体和准直光源的方法还包括：

固定所述准直光源，将所述测量主体固定安装在所述盾构机上，或固定所述测量主体，将所述准直光源固定安装在所述盾构机上。

3.根据权利要求1或2其中任一项权利要求的盾构姿态测量方法，其特征在于，所述导向光束为阵列光束，所述阵列光束的阵列形状为非对称形状。

4.一种基于导向光束的盾构姿态测量装置，其特征在于，该装置包括：准直光源和测量主体；

所述准直光源和所述测量主体其中之一固定安装在盾构机上，另一个固定安装于世界坐标系静止参考物；

所述准直光源，用于发出导向光束，所述导向光束与所述盾构机的预定运动方向平行；

所述测量主体，包括底座、投屏、视觉设备和信息处理单元，所述投屏和所述视觉设备固定安装在所述底座上，所述信息处理单元与所述视觉设备电性连接；

所述投屏，用于接收所述导向光束形成投影光斑，所述投影光斑包括第一束斑和第二束斑；

所述视觉设备，用于测量所述投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，输出数据至信息处理单元；

所述信息处理单元，根据所述投影光斑的初始位置坐标和动态位置坐标，计算所述导向光束相对于所述测量主体的平移和偏转，计算所述盾构机的三维姿态。

5.根据权利要求4的盾构姿态测量装置，其特征在于，所述投屏包括前置投屏和后置投屏，所述前置投屏和所述后置投屏平行设置，所述前置投屏朝向后置投屏一面涂敷有散射层，所述后置投屏为朗伯体；所述导向光束经所述前置投屏透射在后置投屏形成第一束斑；所述导向光束在所述前置投屏散射层表面形成第二束斑。

6.根据权利要求4或5其中任一项权利要求的盾构姿态测量装置，其特征在于，所述导向光束为阵列光束，阵列形状为非对称形状。