CN113981981B - 基于激光导向的沉井掘进机导向系统 - Google Patents

基于激光导向的沉井掘进机导向系统 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其包括至少两个前置测量装置和至少两根导向管，两前置测量装置均设置于沉井内位于其底部的沉井管片的内壁上，且两前置测量装置与沉井管片轴心的连接线在沉井管片的周向上呈一预设夹角，每个前置测量装置包括至少一个激光发射器和至少一个倾角仪，每个激光发射器的上方分别设置有激光靶，各激光发射器分别位于对应的导向管的内部，各导向管分别延伸至液面上方且靠近对应的激光靶的位置，各激光发射器所发射的激光光束穿过对应的导向管的内部空间分别射入至位于其上方的激光靶的靶面。本发明解决了水下掘进机的姿态测量过程繁琐、精度差、成本高的技术问题。

Description

基于激光导向的沉井掘进机导向系统
技术领域
本发明涉及沉井掘进领域，尤其涉及一种基于激光导向的沉井掘进机导向系统。
背景技术
水下沉井掘进机是一种专用工程机械，其具有开挖水下岩土、排出泥水混合物、开挖轮廓检测控制、沉井深度及姿态检测等功能。
目前，大型涉水桥梁的桥墩多采用多仓沉井法构筑，其具有成本低、质量好等优点。作为沉井掘进机的眼睛，导向系统用于在掘进过程中指导掘进机调整姿态，以确保掘进作业的高效、高质完成，但是对于水下沉井掘进机一般工作的环境均在水下，而导向系统所采用的激光直接照射测量的方法不再适用，因此，对于水下作业，现阶段只能采用人工测量的方法对掘进机姿态和沉井姿态进行测量，该方法不仅测量精度差，而且费时费力、无法连续测量。
针对相关技术中水下掘进机的姿态测量过程繁琐、精度差、成本高的问题，目前尚未给出有效的解决方案。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种基于激光导向的沉井掘进机导向系统，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光导向的沉井掘进机导向系统，结构简单、操作方便，适用于水下环境，测量精度高，且节省人力物力，实现了沉井姿态的实时监测，有效解决了水下掘进机姿态测量无法精确化、自动化的难题。
本发明的目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供了一种基于激光导向的沉井掘进机导向系统，包括至少两个前置测量装置和至少两根导向管，两所述前置测量装置均设置于沉井内位于其底部的沉井管片的内壁上，且两所述前置测量装置与所述沉井管片轴心的连接线在所述沉井管片的周向上呈一预设夹角，其中：
每个所述前置测量装置包括至少一个激光发射器和至少一个倾角仪，每个所述激光发射器的上方分别设置有激光靶，各所述激光发射器分别位于对应的所述导向管的内部，各所述导向管分别延伸至液面上方且靠近对应的所述激光靶的位置，各所述激光发射器所发射的激光光束穿过对应的所述导向管的内部空间分别射入至位于其上方的所述激光靶的靶面。
在本发明的一较佳实施方式中，所述前置测量装置还包括第一安装支架，所述第一安装支架固定于所述沉井管片的内壁上，所述激光发射器和所述倾角仪均设置于所述第一安装支架上。
在本发明的一较佳实施方式中，所述导向管沿竖直方向设置，所述导向管的底端与所述第一安装支架密封连接，所述激光发射器位于所述导向管的内部且靠近所述导向管的底端，所述导向管的顶端延伸至所述沉井的井口处且位于所述激光靶的下方。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一安装支架包括第一安装板和第二安装板，所述第二安装板固定于所述沉井管片的内壁上，所述第一安装板与所述第二安装板相连接，所述激光发射器和所述倾角仪分别设置于所述第一安装板的顶部，所述导向管的底端与所述第一安装板的顶部密封连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一安装板沿水平方向设置，所述第一安装板的一端与所述第二安装板的侧壁连接，所述第一安装板的另一端向所述沉井管片的轴心方向延伸，以使所述激光发射器所发射的激光光束沿竖直方向射入至位于其上方的所述激光靶的靶面。
在本发明的一较佳实施方式中，每根所述导向管包括多根导向短管，各所述导向短管由下至上顺序且密封连接，各所述导向短管与所述沉井管片的内壁之间连接有第二安装支架。
在本发明的一较佳实施方式中，所述倾角仪的横滚角的绕向轴与所述沉井管片的径向相重合，所述倾角仪的俯仰角的绕向轴与所述沉井管片在水平方向上的切线相重合。
在本发明的一较佳实施方式中，所述倾角仪的X轴或者Y轴朝向所述沉井管片的轴心方向。
在本发明的一较佳实施方式中，所述激光发射器为点状激光器。
在本发明的一较佳实施方式中，所述基于激光导向的沉井掘进机导向系统还包括上位机，各所述激光靶的检测信号输出端和各所述倾角仪的检测信号输出端分别与所述上位机的检测信号接收端连接。
由上所述，本发明的基于激光导向的沉井掘进机导向系统的特点及优点是：
在沉井内位于其底部的沉井管片的内壁上设置有两个前置测量装置，每个前置测量装置分别包括一个激光发射器和一个倾角仪，激光发射器的上方设置有激光靶，在沉井掘进过程中由井口位置不断对沉井管片拼接成环，并推动下方的沉井管片下移，倾角仪可实时检测沉井管片的倾角信息，激光靶通过采集激光发射器射入至靶面上的光斑位置信息可得到沉井管片的垂直度信息，通过两倾角仪以及两激光靶所采集到的数据即可确定两前置测量装置在沉井内的位置，从而由两前置测量装置的初始位置至其实际监测位置所发生的变化，可获得沉井的滚动角以及垂直度等姿态信息，达到对沉井姿态的实时监测的目的。
由于将激光发射器设置于导向管的内部，导向管延伸至液面上方且靠近对应的激光靶的位置，使得激光发射器所发射的激光光束能够穿过导向管的内部空间射入至位于其上方的激光靶的靶面，即使在水下进行掘进作业，也能够通过激光发射器与激光靶相配合准确采集沉井的垂直度信息，解决了水下环境无法采用激光直接照射测量的难题，从而适用于水下环境的掘进作业，提高测量精度，无需工作人员下井测量，大大提高了水下掘进机姿态测量的精确度和自动化程度。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
其中：
图1：为本发明基于激光导向的沉井掘进机导向系统的安装位置示意图。
图2：为本发明基于激光导向的沉井掘进机导向系统中前置测量装置的结构示意图。
图3：为本发明基于激光导向的沉井掘进机导向系统中两前置测量装置的安装位置示意图。
图4：为本发明基于激光导向的沉井掘进机导向系统的控制结构框图。
本发明中的附图标号为：
1、前置测量装置； 101、激光发射器；
102、倾角仪； 103、第一安装支架；
1031、第一安装板； 1032、第二安装板；
2、激光靶； 3、导向管；
4、第二安装支架； 5、沉井管片；
6、上位机。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示，本发明提供了一种基于激光导向的沉井掘进机导向系统，该基于激光导向的沉井掘进机导向系统包括至少两个前置测量装置1和与前置测量装置1配合使用的至少两根导向管3(导向管3的数量与前置测量装置1的数量相同)，两前置测量装置1均设置于沉井内位于其底部的沉井管片5(即：由下至上方向上第一节沉井管片5)的内壁上，且两前置测量装置1与沉井管片5轴心的连接线在沉井管片5的周向上呈一预设夹角
Figure BDA0003318570290000041
其中：每个前置测量装置1包括至少一个激光发射器101和至少一个倾角仪102，每个激光发射器101的上方分别设置有激光靶2，各激光发射器101分别位于对应的导向管3的内部，各导向管3分别向上延伸至液面上方且靠近对应的激光靶2底部的位置，各激光发射器101所发射的激光光束穿过对应的导向管3的内部空间并由导向管3的顶部开口射出，以使各激光发射器101所发射的激光光束分别射入至位于其上方的激光靶2的靶面。
在沉井掘进过程中，由井口位置不断对沉井管片5拼接成环，并推动下方的沉井管片5下移，在此过程中，倾角仪102可实时检测沉井管片5的倾角信息，同时激光靶2通过采集激光发射器101射入至靶面上的光斑位置信息可得到沉井管片5的垂直度信息，通过两倾角仪102以及两激光靶2所采集到的数据即可确定两前置测量装置1在沉井内的位置，从而由两前置测量装置1的初始位置至其实际监测位置所发生的变化，可获得沉井的滚动角以及垂直度等姿态信息，达到对沉井姿态的实时监测的目的。另外，由于将激光发射器101设置于导向管3的内部，导向管3延伸至液面上方且靠近对应的激光靶2的位置，使得激光发射器101所发射的激光光束能够穿过导向管3的内部空间射入至位于其上方的激光靶2的靶面，导向管3不仅将激光发射器101与沉井中的水相隔离，而且为激光的入射提供了通道，因此即使在水下进行掘进作业，也能够通过激光发射器101与激光靶2相配合准确采集沉井的垂直度信息，解决了水下环境无法采用激光直接照射测量的难题，从而适用于水下环境的掘进作业，提高测量精度，无需工作人员下井测量，大大提高了水下掘进机姿态测量的精确度和自动化程度。
进一步的，激光发射器101可为但不限于激光发射器101为点状激光器。
进一步的，如图3所示，倾角仪102的横滚角的绕向轴与沉井管片5的径向(即：沉井管片5在水平方向上直径的方向)相重合，倾角仪102的俯仰角的绕向轴与沉井管片5的外壁在水平方向上的切线相重合，从而可以倾角仪102的横滚角的绕向轴以及倾角仪102的俯仰角的绕向轴分别作为X轴和Y轴建立坐标系，由于倾角仪102距离沉井管片5轴心位置的距离(即：沉井管片5的半径r，可预先测量)已知，而且两倾角仪102与沉井管片5轴心的连接线在沉井管片5的周向上的夹角(即：两前置测量装置1与沉井管片5轴心的连接线在沉井管片5的周向上的预设夹角
Figure BDA0003318570290000051
)也已知，因此，可获得两倾角仪102以及两激光发射器101的坐标；又因为两激光发射器101下入沉井内的深度可根据激光发射器101安装在沉井管片5上的位置以及下入沉井管片5的节数获知，因此，也可获得激光靶2上激光点的坐标。当然，倾角仪102的横滚角的绕向轴以及倾角仪102的俯仰角的绕向轴在不与X轴和Y轴重合的情况下，可以通过坐标变换的方式，将各坐标轴统一到一个坐标系内。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，前置测量装置1还包括第一安装支架103，第一安装支架103固定于沉井管片5的内壁上，激光发射器101和倾角仪102均设置于第一安装支架103上。通过第一安装支架103的设置，保证激光发射器101和倾角仪102在沉井内具有良好的稳定性。
进一步的，如图2所示，导向管3沿竖直方向设置，导向管3的底端与第一安装支架103密封连接，激光发射器101位于导向管3的内部且靠近导向管3的底端，导向管3的顶端延伸至沉井的井口处且位于激光靶2的下方，以使激光发射器101发射的激光光束能够穿过导向管3的内部空间并顺利射入激光靶2。通过导向管3的设置以及导向管3与第一安装支架103之间的密封连接关系，能够防止沉井中的水流入至导向管3内，保证激光发射器101能够顺利将激光光束发射至激光靶2的靶面上，从而保证测量数据的精准度。
具体的，如图2所示，第一安装支架103包括第一安装板1031和第二安装板1032，第一安装板1031沿水平方向设置，第二安装板1032沿竖直方向设置，第二安装板1032的一侧壁固定于沉井管片5的内壁上，第一安装板1031的一端与第二安装板1032的另一相对侧壁的中间位置连接，第一安装板1031的另一端向沉井管片5的轴心方向延伸，激光发射器101和倾角仪102分别设置于第一安装板1031的顶部，以使激光发射器101所发射的激光光束沿竖直方向射入至位于其上方的激光靶2的靶面，导向管3的底端与第一安装板1031的顶部密封连接。
进一步的，第一安装板1031与第二安装板1032之间可为但不限于焊接或者一体成型。
在本发明的一个可选实施例中，如图1所示，每根导向管3包括多根导向短管，各导向短管由下至上顺序且密封连接，各导向短管与沉井管片的内壁之间连接有第二安装支架4，从而提高各导向短管连接的稳定性，使各导向短管与沉井管片5之间的相对位置固定。
进一步的，激光靶2的靶面朝向下方设置，以使激光靶2的靶面的中心轴线与对应的导向管3的轴线相重合，提高激光光束在靶面上所形成光斑位置的准确性。
在本发明的一个可选实施例中，如图4所示，基于激光导向的沉井掘进机导向系统还包括上位机6，上位机6设置于地面上的控制室内，各激光靶2的检测信号输出端和各倾角仪102的检测信号输出端分别与上位机的检测信号接收端连接，激光靶2和倾角仪102分别将各自检测到的数据传输至上位机6，上位机6即可获得沉井的滚动角以及垂直度等姿态信息，从而达到对沉井姿态实时监测的目的。
进一步的，激光靶2可通过但不限于TCP/IP协议将数据传输给上位机6，倾角仪102可通过但不限于RS485协议将数据传输给上位机6。
本发明的工作过程为：将两前置测量装置1(每个前置测量装置1包括一个激光发射器101和一个倾角仪102)呈一预设夹角
Figure BDA0003318570290000076
固定安装于由下至上方向上第一节沉井管片5的内壁上，在每个激光发射器101的上方位于井口的位置上分别设置激光靶2，在激光发射器101的外侧设置导向管3，导向管3的顶端延伸至激光靶2的下方且靠近激光靶2的位置，以防止沉井内的水进入导向管3内。在沉井掘进过程中，由井口位置不断对沉井管片5拼接成环，并推动位于井口下方的沉井管片5下移，在此过程中，两倾角仪102可实时检测沉井管片5的倾角信息，同时两激光发射器101所发射的激光光束穿过导向管3的内部空间并射入对应的激光靶2的靶面上，实时检测沉井管片5的垂直度信息，各倾角仪102和各个激光靶2将检测到的数据传输至上位机6，上位机6即可获得沉井的滚动角以及垂直度等姿态信息，从而对沉井姿态以及水下掘进机姿态进行实时监测，确保对沉井的顺利掘进。
本发明在实际使用过程中：根据施工要求，所监测参数为沉井开挖断面实际的中心轴线与涉及轴线之间的水平偏差。则可知两激光靶2的靶面上激光点的坐标分别为(x1p，y1p，zp)和(x2p，y2p，zp)，当激光发射器101在沉井内的深度为zp时，开挖截面圆心Op的坐标可记为(xop，yop，zp)，则具体计算公式为：
Figure BDA0003318570290000071
Figure BDA0003318570290000072
Figure BDA0003318570290000073
n＝2×(x1p-c1)×c2-2×y1p④；
Figure BDA0003318570290000074
Figure BDA0003318570290000075
Figure BDA0003318570290000081
其中：c1、c2、m、n、q均为为简化后续公式而设定的公式代号；r表示沉井管片的半径。
当激光发射器101在沉井内的深度为0时，初始井口开挖截面的圆心坐标可记为(x'op，y'op，0)；
当激光发射器101在沉井内的深度为zp时，开挖截面圆心坐标可记为(xop，yop，zp)，在x轴方向的垂直偏差为△1＝|xop－x'op|，在y轴方向的垂直偏差为△2＝|yop－y'op|，则此时沉井管片5的垂直度为：
Figure BDA0003318570290000082
由倾角仪102采集的倾角信息可知，当倾角仪102在沉井内的深度为zp时，倾角仪102的横滚角β以及倾角仪102的俯仰角α。
当开挖的深度为z＝zp时，在开挖截面上，一激光靶2的靶面上激光点的坐标为(x1p，y1p，zp)，沉井管片5上开挖截面圆心Op的坐标为(xop，yop，zp)；当开挖的深度为z＝0时，初始井口开挖截面圆心坐标为(x'op，y'op，0)，而上述激光靶2的靶面上激光点的坐标可记为原点坐标(0，0，0)，则当开挖的深度为z＝zp时，位于沉井内底部的沉井管片5在由井口下放过程中绕沉井的中心轴旋转的角度为
Figure BDA0003318570290000083
其中，r为沉井管片的半径。
本发明的基于激光导向的沉井掘进机导向系统的特点及优点是：
一、该基于激光导向的沉井掘进机导向系统，通过两倾角仪102以及两激光靶2所采集到的数据确定两前置测量装置1在沉井内的位置，从而通过两前置测量装置1的初始位置至其实际监测位置所发生的变化，即可获得沉井的滚动角以及垂直度等姿态信息，达到沉井姿态的实时监测的目的，整个测量过程完全无需工作人员下井作业，大大提高了水下掘进机姿态测量的精确度和自动化程度。
二、该基于激光导向的沉井掘进机导向系统，将激光发射器101设置于导向管3的内部，导向管3不仅将激光发射器101与沉井中的水相隔离，而且为激光的入射提供了通道，因此即使在水下进行掘进作业，也能够通过激光发射器101与激光靶2相配合准确采集沉井的垂直度信息，解决了水下环境无法采用激光直接照射测量的难题，从而适用于水下环境的掘进作业，提高测量精度。
三、该基于激光导向的沉井掘进机导向系统，可实现掘进机自动导向的功能，同时承受沉井内泥水的压力，无需人工下井作业，检测结果可直接对外显示，实时性以及自动化程度得到大大提高。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，包括至少两个前置测量装置和至少两根导向管，两所述前置测量装置均设置于沉井内位于其底部的沉井管片的内壁上，且两所述前置测量装置与所述沉井管片轴心的连接线在所述沉井管片的周向上呈一预设夹角，其中：
每个所述前置测量装置包括至少一个激光发射器和至少一个倾角仪，每个所述激光发射器的上方分别设置有激光靶，各所述激光发射器分别位于对应的所述导向管的内部，各所述导向管分别延伸至液面上方且靠近对应的所述激光靶的位置，各所述激光发射器所发射的激光光束穿过对应的所述导向管的内部空间分别射入至位于其上方的所述激光靶的靶面；
所述倾角仪的横滚角的绕向轴与所述沉井管片的径向相重合，所述倾角仪的俯仰角的绕向轴与所述沉井管片的外壁在水平方向上的切线相重合，以所述倾角仪的横滚角的绕向轴以及所述倾角仪的俯仰角的绕向轴分别作为X轴和Y轴建立坐标系，所述倾角仪距离所述沉井管片轴心位置的距离已知，两所述倾角仪与所述沉井管片轴心的连接线在所述沉井管片的周向上的夹角已知，可获得两所述倾角仪以及两所述激光发射器的坐标；两所述激光发射器下入所述沉井内的深度根据所述激光发射器安装在所述沉井管片上的位置以及下入所述沉井管片的节数获知，可获得所述激光靶上激光点的坐标；
在所述沉井掘进过程中，由井口位置对所述沉井管片拼接成环，并推动下方的所述沉井管片下移，该过程中，所述倾角仪实时检测所述沉井管片的倾角信息，同时所述激光靶通过采集所述激光发射器射入至所述靶面上的光斑位置信息以得到所述沉井管片的垂直度信息，通过两所述倾角仪以及两所述激光靶所采集到的数据确定两所述前置测量装置在所述沉井内的位置，由两所述前置测量装置的初始位置至其实际监测位置的变化，可获得所述沉井的滚动角以及垂直度姿态信息。
2.如权利要求1所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，所述前置测量装置还包括第一安装支架，所述第一安装支架固定于所述沉井管片的内壁上，所述激光发射器和所述倾角仪均设置于所述第一安装支架上。
3.如权利要求2所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，所述导向管沿竖直方向设置，所述导向管的底端与所述第一安装支架密封连接，所述激光发射器位于所述导向管的内部且靠近所述导向管的底端，所述导向管的顶端延伸至所述沉井的井口处且位于所述激光靶的下方。
4.如权利要求3所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，所述第一安装支架包括第一安装板和第二安装板，所述第二安装板固定于所述沉井管片的内壁上，所述第一安装板与所述第二安装板相连接，所述激光发射器和所述倾角仪分别设置于所述第一安装板的顶部，所述导向管的底端与所述第一安装板的顶部密封连接。
5.如权利要求4所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，所述第一安装板沿水平方向设置，所述第一安装板的一端与所述第二安装板的侧壁连接，所述第一安装板的另一端向所述沉井管片的轴心方向延伸，以使所述激光发射器所发射的激光光束沿竖直方向射入至位于其上方的所述激光靶的靶面。
6.如权利要求1所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，每根所述导向管包括多根导向短管，各所述导向短管由下至上顺序且密封连接，各所述导向短管与所述沉井管片的内壁之间连接有第二安装支架。
7.如权利要求1所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，所述激光靶的靶面朝向下方设置，以使所述激光靶的靶面的中心轴线与对应的所述导向管的轴线相重合。
8.如权利要求1所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，所述激光发射器为点状激光器。
9.如权利要求1所述的基于激光导向的沉井掘进机导向系统，其特征在于，所述基于激光导向的沉井掘进机导向系统还包括上位机，各所述激光靶的检测信号输出端和各所述倾角仪的检测信号输出端分别与所述上位机的检测信号接收端连接。
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