自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法及装置

摘要

本发明涉及一种自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法及装置，所述的方法包括：计算机控制自动全站仪以设定的测量间隔自对三个目标棱镜进行测量并保存，同时读取陀螺仪传感器中最新的姿态角度数据，然后结合三个目标棱镜的坐标数据和陀螺仪传感器的姿态角度数据计算出盾构机首尾三维坐标和姿态偏差，并进行显示，用于控制盾构机的推进方向；所述的装置包括自动全站仪、无线电台、计算机以及设置在盾构机上的陀螺仪传感器和目标棱镜，所述的无线电台分别通过RS232串口通讯线连接自动全站仪和计算机，所述的陀螺仪传感器通过专用电缆和计算机连接。与现有技术相比，本发明具有控制与纠偏效果好、精度高、成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构机姿态的测量方法及装置，尤其是涉及一种自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法及装置。

背景技术

为缓解城市地面交通的严重拥挤状态，世界上许多国家和地区的大型城市已经或正在修建地下铁道、越江或越海隧道。自上世纪八十年代始，上海的轨道交通建设得到了巨大的发展，建设规模越来越大。规划中的上海轨道交通路网共有22条线，总运营里程将达到880公里，而其中市区范围内的基本路网均由地下线路构成。目前，上海轨道交通一号线至十一号线(北段)已相继投入正式运营，十一(南段)、十二、十三、十六号线正在建设；现在上海已建成424公里轨道交通基本网络。接着，上海还将有多条地铁线路投入建设，从而形成一个国际型大都市所拥有的便捷的公共交通网。就全国范围而言，地铁工程建设方兴未艾，目前正在建设地铁工程的城市有北京、天津、广州、深圳、南京，无锡，武汉、重庆、沈阳、苏州、杭州、青岛、成都、西安、宁波等，而规划有轨道交通建设工程项目的城市已达二十六个之多，并且大多采用盾构法区间隧道建设工法。据不完全统计，我国今后二十年内，各类隧道所需投入的各类盾构机的总量将达到2000台之多。

世界上不少发达国家，如欧美一些国家和日本，较早地在地下隧道施工中应用了盾构掘进机，由此也带动了科研人员对盾构法施工中引发的各种问题进行深入的研究，大大推动了盾构法的完善和发展。随着自动控制的广泛应用，一些学者对盾构掘进的自动控制进行了研究。随着盾构机技术的发展，由手工操作到辅以计算机监控，机械化施工不断地得到发展和完善，盾构技术也日趋成熟。近年来，为了实现城市地下隧道施工的高效及安全性，盾构掘进机的自动化技术得到了发展。自动化技术应用于盾构法施工的目的之一就是使盾构机尽量准确地沿设计路线自动推进，保证尽量少的环境破坏，从而保证施工质量和安全，加快施工进度，节省人力、物力。自动测量法不仅具有人力投入少、测量频率高、对隧道掘进干扰小、测量速度快和数据处理及时等优点，而且还能够实时显示数据和模拟图像，所以该方法是盾构隧道测量技术的发展方向。很多国家也都投入了大量的人力物力在研究和改进该方法。

目前国内外用于解决盾构导向的方法大致分为三种：标尺法、三点法和陀螺仪法。

标尺法多见于国内的盾构导向解决方案中，属于人工测量，劳动强度大，精度差，不能连续测量，操作复杂，在国外基本已经不再采用；

三点法是采用观测预先安置在盾构机尾部的三个棱镜坐标，通过坐标转换推算出盾首盾尾坐标，该方法配合自动全站仪可以减轻不少劳动力，不过由于每次盾构机的定姿需要观测3个目标，需要较好的通视条件，这对于盾构机尾部复杂的构件结构来说经常是无法做到的，特别是对于小口径盾构机更是难以达到，因此仍然难以实现真正意义上的连续测量；

陀螺仪法则是通过实时获取陀螺仪测量的三个姿态角，方位角、俯仰角和滚动角来直接确定盾构机姿态与设计的偏差，但是陀螺仪的精度较差(±0.05°)，对盾构推进只能起到有限的辅助参考作用，而且对于外界环境要求比较高，在长时间运行中，陀螺总会受到各种干扰因素的影响，如转子质量不均、支撑组件的摩擦力、温度变化引起的陀螺仪组件尺寸的变化、导电丝的弹性干扰力矩、外界磁场的干扰力矩等等，这些因素都会引起陀螺轴的漂移。单独靠陀螺仪在复杂不稳定的盾构机尾部空间内进行测量也无法达到满意的效果。

由于国外在这方面研究起步较早，也研究出一些产品(目前处于垄断阶段)，但国内工程中却很少采用国外自动系统，究其原因：一是费用太昂贵(单一套盾构姿态引导系统就要140万，而且只能采用指定的测量仪器及在指定的盾构机上用)；二是使用者素质要求较高，普通技术人员不易掌握；三是有些系统的操作和维护较人工方法复杂，在精度可靠性上要其它方法辅助来保证；因此，目前在国内绝大多数隧道盾构施工中仍采用人工测量方法。

由于人工测量方法存在过多的人为因素且工作强度大，这就迫切需要开发拥有自主知识产权的自动测量系统，打破国外在这方面的垄断，并且结合三点法与陀螺仪法各自的优点，研究出一套稳定、高效并切实可行的算法。因此，本课题研究复杂条件下工程测量与定位信息化技术，对复杂测量设备集成，研制自动测量及测量数据可视化管理系统，将测量数据库管理系统与复杂条件下自动测量技术的相结合，解决地铁施工中的测量速度、精度等技术难题，实现对工程施工进度、质量、安全的有效监控。

总之，地下工程投资大、施工复杂、对周围环境影响显著，对国民经济和大众生活具有重要影响，具有重要的社会、经济和战略意义。在我国，地下工程建设方兴未艾，尤其是地铁建设目前在我国的许多城市开展，地下工程建设将越来越多。由于地下施工的特殊性，其施工条件等往往较地面困难，并对贯通和引导具有很高的要求，其引导系统的自动化水平直接制约了施工的精度和进度。

目前国外已有盾构掘进自动测量系统的产品，但价格十分昂贵单价需140万，还有很多限制，必须采用指定的测量仪器、只能在指定的盾构机上使用，加上许多功能不适合我国的国情，并且不能用于解决铰接盾构的自动导向；迫切需要研发适合我国国情的、拥有自主知识产权的自动测量系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制与纠偏效果好、精度高、成本低的自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法，该方法包括：

1)设置自动全站仪和陀螺仪传感器的配置参数；

2)计算机通过无线电台向自动全站仪发送连接指令，并判断连接是否成功，若是，则执行步骤3)，若否，则对步骤1)设置的自动全站仪配置参数进行检核后重新返回步骤1)；

3)计算机向陀螺仪传感器发送连接指令，并判断连接是否成功，若是，则执行步骤4)，若否，则对步骤1)设置的陀螺仪传感器配置参数进行检核后重新返回步骤1)；

4)对自动全站仪进行设站定位操作；

5)自动全站仪依次测量三个目标棱镜，记录各目标棱镜的空间方位角度信息并保存至计算机中；

6)自动全站仪以设定的测量间隔自动对三个目标棱镜进行测量，并通过RS232串口通讯线和无线电台将测量得到的坐标数据传输给计算机；

7)计算机判断三个目标棱镜是否全都测量到，若是，则执行步骤8)，若否，则返回步骤6)；

8)计算机从陀螺仪传感器读取最新的姿态角度数据；

9)计算机根据三个目标棱镜的坐标数据和陀螺仪传感器的姿态角度数据计算出盾构机首尾三维坐标和姿态偏差，并进行显示；

10)计算机将三个目标棱镜的坐标与陀螺仪传感器的姿态角度数据、盾构机首尾三维坐标与姿态偏差进行保存，返回自动测量，执行步骤6)。

所述的自动全站仪和陀螺仪传感器的配置参数根据实际盾构工程文件设置，所述的配置参数包括连接参数和测量参数。

所述的姿态角度数据包括方位角数据、俯仰角数据和扭转角数据。

所述的步骤9)中计算出盾构机首尾三维坐标和姿态偏差具体包括：

901)初始化三维直角坐标转换参数；

902)根据自动全站仪测到的两个或三个目标棱镜的坐标数据，对三维直角坐标转换公式进行线性化，获得坐标的误差方程式；

903)根据从陀螺仪传感器读取的方位角数据、俯仰角数据和扭转角数据，结合三维直角坐标转换，获得角度的误差方程式；

904)对上述误差方程式进行定权，根据最小二乘准则联合平差解算出参数改正数；

905)判断参数改正数是否小于设定值，若是，则迭代计算收敛，进入步骤906)，若否，则返回步骤902)，继续进行迭代计算；

906)根据迭代计算得出的坐标转换参数，解算出盾构机首尾坐标与姿态偏差，并进行显示，用于控制盾构机的掘进方向。

一种自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量装置，该装置用于测量盾构机掘进过程中的坐标和姿态数据，该装置包括设置在盾构机上的陀螺仪传感器和目标棱镜，该装置还包括自动全站仪、无线电台和计算机，所述的无线电台分别连接自动全站仪和计算机，所述的陀螺仪传感器通过专用电缆和计算机连接。

该装置还包括RS232串口通讯线，所述的无线电台分别通过RS232串口通讯线与自动全站仪和计算机连接。

所述的目标棱镜设有三个，三个目标棱镜均匀固定在盾构机上。

所述的陀螺仪传感器设置在盾构机掘进方向的尾部。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明针对三点法需要较高通视条件的缺点以及单陀螺仪法精度低且要求环境条件高的缺点，提出以自动全站仪(测量机器人)获取的姿态数据为主、以陀螺仪测量的姿态数据为辅，即以全站仪数据补偿陀螺仪数据。本发明可以结合自动全站仪长距离控制精度高但视线容易被遮挡，而陀螺仪短距离容易快速测量但长距离精度低的各自特点，充分发挥各自的优势，即当有目标被挡住时，就可发挥陀螺仪短距离测量的优势，当没有遮挡物时，就可启动全站仪精度高的优势。二者可以相互切换组合，以达到控制与纠偏的效果。

2)本发明具有智能切换的功能以及多传感器数据融合的联合平差算法，适用于不同特殊情况下的姿态解算，算法稳定且精度高，而且计算机中带有的自主开发软件可以不再依赖价格昂贵的国外引导测量系统，具有非常重要的实用意义。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的流程示意图；

图3为本发明计算机解算过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例采用自动全站仪作为数据采集传感器，在盾构出洞之前或在挖掘新的一环之前，也可以在施工的某一间歇时间内，利用计算机控制全站仪去测量盾构机上特征点的坐标，然后计算机利用这些特征点的坐标并根据已经录入系统的线性数据和标定参数等自动计算出盾构的位置和姿态，并且把它作为盾构的真实位置和姿态，也就是说，盾构的姿态偏差以全站仪的测量值为准，用以指导盾构推进。

然后将计算机连通陀螺仪传感器，并先读取一次陀螺仪传感器的初始数据。如先前所述，陀螺仪传感器得到的姿态角和自动全站仪得到的姿态角有可能是不一样的。如果偏差比较大，就需要补正(本实施例中将陀螺仪传感器得到的姿态角和自动全站仪得到的姿态角之差定义为补正角)。补正角可以根据用户的选择在每环或者每几环掘进之后而算出。而在未更新补正角的区间内，计算机自动使用之前的固定补正角来修正每隔一定时间读取的陀螺仪传感器数据。因此，盾构在依靠陀螺仪传感器指导推进时，是按照陀螺仪传感器计测出的姿态角减去补正角后的方向进行掘进的。这样，经过修正后，陀螺仪传感器的漂移可以得到补偿，计算当前盾构的位置和姿态。

由于补偿了陀螺仪传感器的漂移误差，所以只需要考虑它的精度对偏差的影响。另外，在自动全站仪测量之后，又可以及时地将其修正到正确的位置，这样就消除了误差积累，达到了控制的作用。而在未更新补正角的区间内，可以通过陀螺仪传感器快速、方便的获取姿态数据；当自动全站仪视线被暂时遮挡或隧道中观测条件不佳而无法测量时也可以得到盾构的姿态，避免了单独使用自动全站仪时可能影响姿态测量的现象。重复上述过程，自动全站仪测量坐标观测值为主，陀螺仪传感器测量姿态转动角为辅，两种数据融合解算，不等权联合平差，便可以较高的精度连续不断地获取盾构首尾与设计的偏差。最后将盾构姿态偏差刷新显示在计算机界面上，完成施工测量自动化。

如图1所示，本实施例自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量装置包括自动全站仪2、无线电台4、计算机1、陀螺仪传感器3、目标棱镜5和RS232串口通讯线，所述的无线电台4分别通过RS232串口通讯线连接自动全站仪2和计算机1，所述的陀螺仪传感器3通过专用电缆和计算机1连接，所述的陀螺仪传感器3和目标棱镜5设置在盾构机上。所述的目标棱镜5设有三个，三个目标棱镜均匀固定在盾构机上。所述的陀螺仪传感器3设置在盾构机掘进方向的尾部。本实施例装置定时进行自动测量，完成对盾构机推进姿态的控制。

如图2所示，本实施例自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法，包括如下步骤：

在步骤401中，新建一个数据库文件，里面包括各种数据表及字段，然后执行步骤402；

在步骤402中，将配置数据输入已有的数据库文件，包括初始设定的三个目标棱镜、盾尾与铰接中心的坐标数据，然后执行步骤403；

在步骤403中，设置自动全站仪2和陀螺仪传感器3的连接参数与测量参数设置，然后执行步骤404；

在步骤404中，计算机1通过无线电台4向自动全站仪2发送连接指令，并判断连接是否成功，若是，则执行步骤405，若否，则对步骤403设置的自动全站仪配置参数进行检核后重新返回步骤403；

在步骤405中，计算机1向陀螺仪传感器3发送连接指令，并判断连接是否成功，若是，则执行步骤406，若否，则对步骤403设置的陀螺仪传感器配置参数进行检核后重新返回步骤403；

在步骤406中，对全站仪进行设站定位，然后进入步骤407；

在步骤407中，自动全站仪2依次测量三个目标棱镜5，记录各目标棱镜的空间方位角度信息并保存至计算机1中，然后执行步骤408；

在步骤408中，自动全站仪2以设定的测量间隔自动对三个目标棱镜进行测量，并通过RS232串口通讯线和无线电台4将测量得到的坐标数据传输给计算机5，然后执行步骤409；

在步骤409中，计算机1判断三个目标棱镜是否全都测到，若是，则执行步骤410，若否，则返回步骤408；

在步骤410中，计算机1从陀螺仪传感器3读取最新的角度数据，包括方位角数据、俯仰角数据和扭转角数据，然后执行步骤411；

在步骤411中，计算机1利用三个目标棱镜的坐标与陀螺仪传感器的角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差，显示在计算机的界面上，执行步骤412；

在步骤412中，计算机1将三个目标棱镜的坐标与陀螺仪传感器的姿态角数据、盾构首尾坐标与姿态偏差进行保存；返回自动测量，执行步骤408。

如图3所示，上述步骤411中计算出盾构机首尾三维坐标和姿态偏差具体包括：

在步骤501中，初始化三维直角坐标转换的七个参数，然后执行步骤502；

在步骤502中，根据自动全站仪2测到的两个或三个目标棱镜，对三维直角坐标转换公式进行线性化，列出坐标的误差方程式，然后执行步骤503；

在步骤503中，将从陀螺仪传感器2读取的方位角、俯仰角与扭转角，结合三维直角坐标转换，列出角度的误差方程式，然后执行步骤504；

在步骤504中，对上述误差方程式进行定权，根据最小二乘准则联合平差解算出参数改正数，然后执行步骤505；

在步骤505中，判断参数改正数是否小于设定值，若是，则迭代计算收敛，进入步骤506，若否，则返回步骤502，继续进行迭代计算；

在步骤506中，根据解算出的坐标转换参数，解算出盾构机首尾坐标与姿态偏差，并进行显示，用于控制盾构机的掘进方向。

本实施例中基于自动全站仪和陀螺仪数据的联合严密解算方法，其核心是基于三维直角坐标转换，将全站仪测到的三个目标棱镜的坐标数据与初始标定坐标系的数据进行坐标转换，线性化后列出误差函数式；同时独创性的将陀螺仪的角度数据与坐标转换进行变换，盾首盾尾两点的高差为该两点的斜距与俯仰角正弦的乘积，而该两点的斜距为固定值，不随坐标转换发生变化；通过盾首盾尾平面坐标差可以解算出此时盾构机盾首盾尾所在轴线的方位角，与加以改正的陀螺仪读出的方位角进行对比；目标棱镜在盾构机首尾轴线存在唯一投影点，该投影点与目标棱镜的斜距同为固定值，该两点的高差为两点的斜距与扭转角的余弦的乘积。由此可列出包含三个限制条件的误差方程式。根据陀螺仪的标定精度，将限制条件方程按照一定的权重与三维直角坐标转换联合严密平差，求解出盾构首尾坐标与姿态数据。