CN204461409U - 一种盾构姿态快速解算装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构姿态快速解算装置，涉及盾构姿态解算技术领域。本实用新型包括两台手柄上安装棱镜的全站仪，两个倾斜仪，三个目标棱镜，一个便携式计算机，以及用于数据传输的无线通信模块。其中，一台全站仪安装于隧道顶部的吊篮中；另一台全站仪安装盾构机的支架上，并且在支架上设置自动整平的基座；两台倾斜仪安装在盾构机机身上，分别用于测定盾构机行进过程中的俯仰角和翻滚角；目标棱镜尽可能地分布在盾构机的机身上；计算机作为控制中心，通过通信模块向测量机器人和倾斜仪发送指令和采集数据，然后根据空间坐标转换的联合数据解算模型，计算出盾构坐标系和工程坐标系之间的转换参数，从而快速求出盾构机的即时姿态。

Description

一种盾构姿态快速解算装置

技术领域

本实用新型涉及盾构姿态解算技术领域，具体是一种盾构姿态快速解算装置。

背景技术

地铁建设过程中常采用盾构法施工，而确定盾构机在开挖过程中的姿态是确保盾构顺利贯通的前提。实际工程中利用支导线测量手段，通过盾构盾尾、切口实际工程坐标和设计坐标的比较，得到盾构机的实时姿态，包括盾尾水平偏差、盾尾竖直偏差、切口水平偏差、切口竖直偏差、横摆角、旋转角、俯仰角以及盾尾当前里程8个参数。

国内较成熟的盾构姿态解算装置都是随着盾构机成套引进，代表性产品包括：德国VMT公司的SLS-T系统，以全站仪激光标靶为核心解算装置；日本ENZAN公司的ROBOTEC系统，以全站仪和倾斜仪作为核心解算装置；日本东京计器株式会社开发的TMG-32B系统，以陀螺仪和全站仪作为核心解算装置。这些进口装置虽然在性能和效率方面表现良好，但是价格昂贵，且由于盾构机的核心技术、关键零部件、解算软件等高度保密，盾构机的维护和保养等都不得不依赖国外盾构制造厂商，并且需要花费大量的时间和金钱。

国内盾构施工中普遍还是采用人工测量来控制盾构的方向。施工人员在盾构内安装固定的前标和靠重力悬垂的后标，以及两个倾角仪，利用全站仪对前标和后标进行定位测量，通过计算可以得到盾构的水平方位，同时通过倾角仪得到盾构的滚角和坡度角，然后再结合前标后标在盾构内的安装尺寸，就能够计算出盾构此时的切口中心坐标和盾尾中心坐标，将坐标值带入隧道设计轴线的算法公式中，可以推算出盾构的推进里程、切平、切高、尾平、尾高。这种测量方法耗时耗力，测量时盾构必须停止掘进，严重影响工作效率，而且测量结果依赖测量人员的业务素质，质量难以得到保障。

国内多家企业和科研院所也在致力盾构姿态自动解算装置的研究与开发，取得了不错的成绩。这些姿态解算设置基本是参照国外的设备进行复制，并且测站都是位于管片顶部的吊篮里，单站观测距离一般在100m左右，距离再远棱镜就不易观测，需要及时换观测站。对于小直径和小曲率的隧道而言，测站的观测距离不仅受前方棱镜的影响还受后视点通视的影响，其观测距离会大幅缩短，从而增加换站的次数，每次换站都需盾构机暂停工作。一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统首次提出了将测站安置在盾构机车架上，利用后方交会的方法测点测站的实时坐标，再去测量棱镜进行姿态解算。但是当后视点相距较近时，交会出的测站坐标误差较大，影响姿态解算的精度。

另外，无论国内还是国外的盾构姿态解算装置，当采用两个以上的棱镜进行空间坐标数据采集时，全站仪的搜索时间不仅会随距离增长而增长，并且十分容易错测或漏测。所以在姿态解算之前需要通过硬件或软件进行棱镜识别。这样导致姿态解算的时间相对较长，不利运动中的盾构机进行实时纠偏。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种盾构姿态快速解算装置，减少测站换站和搜索棱镜对盾构掘进的影响，通过快速的定位来提高盾构姿态解算精度，保证隧道掘进顺利贯通。

本实用新型是以如下技术方案实现的：一种盾构姿态快速解算装置，包括一台用于采集盾构姿态位置的动态全站仪、一台用于获取测站瞬时坐标的静态全站仪、两台用于采集盾构机姿态角度的倾斜仪、三个用于姿态解算的目标棱镜以及一个后视棱镜；所述的动态全站仪、静态全站仪以及两台倾斜仪各自连接一分站，所述的分站通过通讯模块连接一主站，所述的主站连接一中心计算机；所述的动态全站仪安装在盾构机身上，所述的静态全站仪安装在隧道的顶部，所述的动态全站仪和静态全站仪的手柄上分别安装一棱镜，棱镜中心和仪器底座中心重合；所述的后视棱镜位于静态全站仪的后方；所述的三个目标棱镜安装在盾构机身上且不在同一平面，三个目标棱镜相互间距离差不小于10厘米，有一个目标棱镜位于盾构机右半部，三个目标棱镜的镜面均朝向动态全站仪；两台倾斜仪对应安装在平行于盾构机纵向轴线和横向轴线的位置。

在同盾构机同步运动的车体上固定一支架，在支架上安装有自动整平装置，动态全站仪安装在自动整平装置上。

所述的动态全站仪和静态全站仪均采用具有马达驱动和自动目标识别装置的全站仪。

所述的具有马达驱动和自动目标识别装置的全站仪采用徕卡TM30高精度全站仪。

中间一个目标棱镜应位于盾构机机身顶部，另外两个目标棱镜分别位于盾尾左右两侧。

所述的目标棱镜采用徕卡小棱镜或360°小棱镜。

所述的倾斜仪采用单轴倾斜仪。

在隧道顶部安装有吊篮，所述的静态全站仪安装在吊篮中。

所述的通讯模块采用无线通讯模块；动态全站仪、静态全站仪以及两台倾斜仪各自通过RS232或RS485通讯串口线和分站连接。

所述的中心计算机通过RS232串口和主站连接。

本实用新型的有益效果是：引入两台全站仪用于姿态解算，其中一台静止全站仪可以实时测出运动中全站仪的瞬时姿态，实现了动态全站仪可以连续进行姿态解算而不需移站，困难条件下只需及时移动静态全站仪即可，这样有助于节省时间；另外，随盾构机同步运动的全站仪和目标棱镜的位置始终相对不变，测量过程中不会出现目标丢失的情况，并且全站仪可以在很小的范围内进行搜索棱镜，大大节省观测时间，并且减少目标棱镜不同步观测带来的误差；同时，由于姿态解算时可以始终获取三个位置数据和两个角度数据，存在多余观测，姿态解算的精度相对较高。

附图说明：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为盾构坐标系示意图。

图中：1、中心计算机，2、主站，3、倾斜仪，4、目标棱镜，5、自动整平装置，6、动态全站仪，7、支架，8、静态全站仪，9、吊篮，10、后视棱镜，11、分站，12、盾构机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明

如图1所示，一种盾构姿态快速解算装置有一台用于采集盾构姿态位置的动态全站仪6、一台用于获取测站瞬时坐标的静态全站仪8、两台用于采集盾构机姿态角度的倾斜仪3、三个用于姿态解算的目标棱镜4以及一个后视棱镜10；所述的动态全站仪6、静态全站仪8以及两台倾斜仪3各自连接一分站11，所述的分站11通过通讯模块连接一主站2，所述的主站2连接一中心计算机1。

所述的动态全站仪6安装在盾构机身上，所述的静态全站仪8安装在隧道的顶部，所述的动态全站仪6和静态全站仪8的手柄上分别安装一棱镜，棱镜中心和仪器底座中心重合，并且能够精确测定两者间相对位置关系。所述的后视棱镜10位于静态全站仪8的后方；所述的三个目标棱镜4安装在盾构机12身上且不在同一平面，三个目标棱镜4相互间距离差不小于10厘米，有一个目标棱镜4位于盾构机右半部，三个目标棱镜4的镜面均朝向动态全站仪6；两台倾斜仪对应安装在平行于盾构机纵向轴线和横向轴线的位置。

两台倾斜仪应分别安装在平行盾构机轴线的位置，以便测量盾构机纵倾角和横倾角。倾斜仪3为单轴倾斜仪，全不锈钢结构，坚固耐用，附有调节和固定支架方便安装，具有智能识别功能，输出RS232信号。该倾斜仪可以通过串口调试软件设置通讯模式、初始读数、显示方式等参数。相关物理参数如下：测量范围：±15°；灵敏度：9〃/F；测量精度：±0.1％F.S。

两台倾斜仪安装完毕后，还应对倾斜仪进行初始状态标定，即将安装在盾构机纵向和横向的两个倾斜仪读数分别跳刀α和β。也可以不对倾斜仪进行初始标定，但要记下当前各自的读数α'和β'，分别计算他们和盾构机纵横倾的差值，作为已知参数输到系统中，计算出纵倾常数和横倾常数，纵倾常数V_C＝α'-α，横倾常数H_C＝β'-β。

目标棱镜4采用徕卡小棱镜或360°小棱镜。3个目标棱镜固定安装在盾构机机身上且镜面朝向动态全站仪6，3个目标棱镜和动态全站仪6之间不应有遮挡物。中间一个目标棱镜应位于盾构机机身顶部，另外两个目标棱镜分别位于盾尾左右两侧，位置尽量分散且易于被动态全站仪6搜索。盾构机在始发前还应测量三个目标棱镜在盾构坐标系(如图2)中的相对位置。

动态全站仪6和静态全站仪8为徕卡TM30高精度全站仪，采用电陶瓷驱动技术与异型抛物镜面传输技术，确保即使在高速旋转状态下，仍能够保证测量达到最佳精度，从而保证姿态解算数据高效可靠。在小视场多个棱镜时缩小目标可视范围，准确锁定目标。具备优异的自动跟踪性能，更高驱动速度180°/秒，最大加速度360°/秒。测角精度0.5”，测距精度0.6mm+1ppm。另外，动态全站仪6和静态全站仪8手柄上应分别精确安置一个棱镜，用于测量棱镜中心到仪器中心的相对位置。

支架7的位置选择在控制室的中后部，要求视野要好，既能满足后视的需要又能测量到三个目标棱镜。支架在确保稳定平整的同时，能够固定一个自动整平装置5。自动整平装置5固定在随盾构机同步运动的支架7上，通过RS232串口线与从站11连接。在盾构机掘进过程中，动态全站仪6每次通过静态全站仪8上的棱镜进行后视，并以最新的测站坐标观测目标棱镜4，每3个目标棱镜观测数据作为一组，连同采用的测站数据一同反馈给中心计算机1。在下次观测前，中心计算机1利用测站坐标和目标棱镜坐标修正全站仪和目标棱镜间的角度偏差，以便全站仪快速精确找到目标棱镜。当静态全站仪8无法观测到动态全站仪6上棱镜之前，应暂停盾构掘进，及时移动静态全站仪8。实际工程中，如果根据经验提前设置吊篮或启动备用动态全站仪，可以大大减少换站的影响。

静态全站仪8固定在位于管片弧顶的吊篮9里，也通过RS232串口线与从站11连接。在盾构机掘进过程中，静态全站仪8应保证随时可以观测到动态全站仪6上的棱镜，并定期后视棱镜10，通过和初始观测值进行比较来判断管片有无沉降或较大位移，否则应及时查找原因。

静态全站仪8在后视棱镜10定向的基础上实时测定动态全站仪6的瞬时坐标。动态全站仪6可以静态全站仪8手柄上的棱镜作为后视点，也可以其他后视点进行定向，通过瞬时坐标和后视点的坐标反算出两者间的方位角，通过角度修正快速找到后视点。由于动态全站仪6随盾构机同步运动，其和盾构机上的三个目标棱镜的相对位置基本不变，即前后两次测量的方位角之差可以忽略不计，所以动态全站仪6按原有能快速搜索到棱镜，并且不会测错目标。动态全站仪6在每进行一次棱镜观测前，都需以当前瞬时坐标代入测量，减少目标棱镜测量时间差带来的影响。

通讯模块采用一点对多点的无线数传方式，其中主站通过RS232串口线与中心计算机连接，两台全站仪和两台倾斜仪各自通过RS232或RS485通讯串口线和从站连接，这样即形成1对4的无线通讯网络。由于该网络通信通道是半双工的，通讯协调完全由主站控制，主站采用带地址码的数据帧发送数据或命令，分站全部都接受，并根据地址码的比较，选择响应。

主站2和分站11构成1对4的无线通讯模块，是一种中远距离无线数据传输产品，它体积小，功耗低，稳定性及可靠性极高，能方便为用户提供双向的数据信号传输、检测和控制。根据中心计算机1设置的数据采集间隔和采集顺序，无线通讯模块将仪器采集到的2个角度数据和3个坐标数据作为原始观测值传入中心计算机1，中心计算机1利用空间坐标联合数据转换模型，计算出盾构机盾尾和切口的中心位置，并且与设计位置进行对比，得出盾构机的八个姿态数据。

中心计算机1通过九针公头串口线与无线主站连接，该串口线可以直接从计算机上的物理串口接出，也可以通过串口虚拟软件将USB接口转换成RS232串口，以满足和主站的连接中心计算机是安装了盾构姿态解算软件和数据采集系统的便携式计算机，用于数据的读取和存储。中心计算机内置盾构姿态解算软件，根据实时采集的姿态数据(姿态位置和姿态角度)，通过空间坐标联合数据转换模型，计算出盾构机盾尾和切口的中心位置，并且与设计位置进行对比，得出盾尾中心和切口中心的位置偏差以及盾构机机身的姿态数据。

如图2所示，盾构坐标系是以盾尾中心为原点(0,0,0)，盾尾和切口连线作为X轴，水平面内垂直盾构机X轴方向为Y轴，垂直XY平面且方向向上时为Z轴。当盾构机机身长度为L时，则切口中心在盾构坐标系中的坐标为(L,0,0)，当盾构机直径为D时，则过原点且位于盾构机平面右侧轴线上的点为(0,D/2,0)。

工作原理：首先，静态全站仪8通过对动态全站仪的实时观测，获取动态测站的空间三维坐标，减少测站换站对盾构姿态解算造成的影响；其次，动态全站仪6随盾构机同步运动，动态全站仪6和目标棱镜4的相对位置基本不变，测量时动态全站仪6可以缩小搜索范围，实现快速定位；最后，在姿态解算时，由于测站和棱镜的通视条件相对稳定，控制中心每次可以获得三个棱镜坐标和两个倾斜仪数据，存在多余观测，采用联合数据解算模型可以提高解算精度。

工作过程：中心计算机1控制静态全站仪8照准后视棱镜10进行定向，并对动态全站仪6的位置进行跟踪测量；然后，动态全站仪6利用自动整平装置5进行整平后，照准后视棱镜10或者静态全站仪8上的棱镜进行定向，并对盾构机上的三个目标棱镜4进行测量，获取其空间坐标；同时，中心计算机1实时控制倾斜仪3获取盾构机的角度数据。

动态全站仪6、静态全站仪8以及两台倾斜仪将其采集的数据传输至各自的分站11中，4个分站将信息以无线传输的方式，将信息传输至主站2，主战2将所有数据信息输送至中心计算机1进行处理，中心计算机1根据空间坐标转换的联合数据解算模型，计算出盾构坐标系和工程坐标系之间的转换参数，从而求出盾构机的即时姿态。

Claims (10)

1.一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：包括一台用于采集盾构姿态位置的动态全站仪(6)、一台用于获取测站瞬时坐标的静态全站仪(8)、两台用于采集盾构机姿态角度的倾斜仪(3)、三个用于姿态解算的目标棱镜(4)以及一个后视棱镜(10)；所述的动态全站仪(6)、静态全站仪(8)以及两台倾斜仪(3)各自连接一分站(11)，所述的分站(11)通过通讯模块连接一主站(2)，所述的主站(2)连接一中心计算机(1)；所述的动态全站仪(6)安装在盾构机身上，所述的静态全站仪(8)安装在隧道的顶部，所述的动态全站仪(6)和静态全站仪(8)的手柄上分别安装一棱镜，棱镜中心和仪器底座中心重合；所述的后视棱镜(10)位于静态全站仪(8)的后方；所述的三个目标棱镜(4)安装在盾构机身上且不在同一平面，三个目标棱镜(4)相互间距离差不小于10厘米，有一个目标棱镜(4)位于盾构机右半部，三个目标棱镜(4)的镜面均朝向动态全站仪(6)；两台倾斜仪(3)对应安装在平行于盾构机纵向轴线和横向轴线的位置。

2.根据权利要求1所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：在同盾构机同步运动的车体上固定一支架(7)，在支架(7)上安装有自动整平装置5，动态全站仪(6)安装在自动整平装置(5)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：所述的动态全站仪(6)和静态全站仪(8)均采用具有马达驱动和自动目标识别装置的全站仪。

4.根据权利要求3所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：所述的具有马达驱动和自动目标识别装置的全站仪采用徕卡TM30高精度全站仪。

5.根据权利要求1所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：中间一个目标棱镜应位于盾构机机身顶部，另外两个目标棱镜分别位于盾尾左右两侧。

6.根据权利要求1所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：所述的目标棱镜(4)采用徕卡小棱镜或360°小棱镜。

7.根据权利要求1所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：所述的倾斜仪(3)采用单轴倾斜仪。

8.根据权利要求1所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：在隧道顶部安装有吊篮(9)，所述的静态全站仪(8)安装在吊篮(9)中。

9.根据权利要求1所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：所述的通讯模块采用无线通讯模块；动态全站仪(6)、静态全站仪(8)以及两台倾斜仪(3)各自通过RS232或RS485通讯串口线和分站(11)连接。

10.根据权利要求1所述的一种盾构姿态快速解算装置，其特征在于：所述的中心计算机(1)通过RS232串口和主站(2)连接。