基于多种测量方式数据融合的盾构姿态测量

摘要

为了确保盾构法隧道施工的安全高效,盾构机需配备自动导向系统来实时测量其位姿。两棱镜法、三棱镜法和激光标靶法是几种主要的盾构自动导向方法,几种测量方式具有不同的优缺点。本文研究了基于上述几种测量方式融合的盾构导向系统,将三种方式的测量结果进行融合,提高测量系统的精度和可靠性,主要的工作和研究内容如下:
　　首先建立盾构机位姿的描述方法,采用欧拉角来描述盾构机的姿态,详细的介绍两棱镜法、三棱镜法、多棱镜法以及激光标靶法导向的测量原理及位姿计算方法,并对几种测量方法进行了分析比较。
　　然后针对三棱镜法导向系统中存在的问题进行了进一步的研究。三棱镜的位置对姿态测量精度的影响很大,通过仿真分析及搜索寻求优化的布置方案;针对盾构掘进过程中棱镜测量不同步引起的姿态测量偏差大的问题,引入卡尔曼滤波对棱镜坐标进行预测补偿,由于卡尔曼滤波过程中系统噪声矩阵受环境及人为因素影响,采用自适应算法求取系统噪声矩阵,提高了三棱镜法姿态测量的精度。
　　最后对三种测量方式的测量结果进行融合。分析加权平均融合的最优融合权值与测量误差方差的关系。在不能明确得到各种测量方式测量精度的情况下,提出采用动态加权的方式进行融合处理,根据测量值的规律随时调整融合的权值系数。在融合时为避免过大偏差的测量结果首先根据施工及测量的精度选取合理的阈值进行数据关联。
　　MATLAB平台的融合仿真及施工现场测量数据的融合处理可以看出,融合后的系统可靠性和系统测量精度都有所改善,测量精度高于单一的测量方式。

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1 绪 论

1.1 研究背景和课题来源

1.2 国内外主要的盾构自动导向方法

1.3 卡尔曼滤波在跟踪测量中的应用

1.4 数据融合在测量中的应用

1.5 盾构自动导向系统发展趋势

1.6 本文研究思路

2 盾构位姿测量原理及分析

2.1 盾构位姿的描述

2.2 两棱镜法盾构位姿测量

2.3 三棱镜法测量原理

2.4 多棱镜法测量原理

2.5 激光标靶法测量原理

2.6 本章小结

3 棱镜法盾构姿态测量的优化

3.1 三棱镜的布置与姿态测量误差

3.2 测量不同步对姿态测量影响的仿真研究

3.3 卡尔曼滤波原理

3.4 卡尔曼滤波在盾构姿态测量中的应用

3.5 本章小结

4 基于数据融合的盾构姿态测量

4.1 多传感器数据融合理论

4.2 加权融合方案

4.3 动态加权融合

4.4 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表学术论文情况