一種盾構(gòu)姿態(tài)快速解算系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及盾構(gòu)姿態(tài)解算技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種盾構(gòu)姿態(tài)快速解算系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地鐵建設(shè)過程中常采用盾構(gòu)法施工，而確定盾構(gòu)機在開挖過程中的姿態(tài)是確保盾 構(gòu)順利貫通的前提。實際工程中利用支導(dǎo)線測量手段，通過盾構(gòu)盾尾、切口實際工程坐標和 設(shè)計坐標的比較，得到盾構(gòu)機的實時姿態(tài)，包括盾尾水平偏差、盾尾豎直偏差、切口水平偏 差、切口豎直偏差、橫擺角、旋轉(zhuǎn)角、俯仰角以及盾尾當前里程8個參數(shù)。
[0003] 國內(nèi)較成熟的盾構(gòu)姿態(tài)解算系統(tǒng)都是隨著盾構(gòu)機成套引進，代表性產(chǎn)品包括：德 國VMT公司的SLS-T系統(tǒng)，以全站儀激光標靶為核心裝置進行姿態(tài)解算；日本ENZAN公司 的ROBOTEC系統(tǒng)，通過全站儀和傾斜儀采集坐標數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算；日本東京 計器株式會社開發(fā)的TMG-32B系統(tǒng)，以陀螺儀定向進行姿態(tài)解算。這些進口裝置雖然在性 能和效率方面表現(xiàn)良好，但是價格昂貴，且由于盾構(gòu)機的核心技術(shù)、關(guān)鍵零部件、解算方法 高度保密，盾構(gòu)機的維護和保養(yǎng)等都不得不依賴國外盾構(gòu)制造廠商，并且需要花費大量的 時間和金錢。
[0004] 國內(nèi)盾構(gòu)施工中普遍還是采用人工測量的方法來控制盾構(gòu)的方向。施工人員在盾 構(gòu)內(nèi)安裝固定的前標和靠重力懸垂的后標，以及兩個傾角儀，利用全站儀對前標和后標進 行定位測量，通過計算可以得到盾構(gòu)的水平方位，同時通過傾角儀得到盾構(gòu)的滾角和坡度 角，然后再結(jié)合前標后標在盾構(gòu)內(nèi)的安裝尺寸，就能夠計算出盾構(gòu)此時的切口中心坐標和 盾尾中心坐標，將坐標值帶入隧道設(shè)計軸線的算法公式中，可以推算出盾構(gòu)的推進里程、切 平、切高、尾平、尾高。這種測量方法耗時耗力，測量時盾構(gòu)必須停止掘進，嚴重影響工作效 率，而且測量結(jié)果依賴測量人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，質(zhì)量難以得到保障。
[0005] 國內(nèi)多家企業(yè)和科研院所也在致力盾構(gòu)姿態(tài)自動解算系統(tǒng)的研宄與開發(fā)，取得了 不錯的成績。進展比較快的有上海隧道股份公司和華中科技大學(xué)聯(lián)合研制的盾構(gòu)導(dǎo)向系 統(tǒng)，該系統(tǒng)和ROBOTEC原理一致，也是采用棱鏡結(jié)合傾斜儀作為盾構(gòu)姿態(tài)解算裝置，并且已 在多條線路進行實驗；上海市第二市政工程有限公司研制的盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)一一盾構(gòu)之星， 也經(jīng)過可行性論證，其工作原理是利用三個棱鏡在盾構(gòu)坐標系和工程坐標系下的對應(yīng)關(guān)系 解算兩者的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而計算盾尾和切口中心空間坐標。但是，由于沒有使用傾斜儀，當 三個棱鏡的分布位置不是很理想時，很難保證姿態(tài)的解算精度；同濟大學(xué)潘國榮教授提出 了一種基于空間幾何分析的盾構(gòu)姿態(tài)自動測量裝置，該裝置在融合了上述兩種姿態(tài)解算方 法的基礎(chǔ)上利用三棱鏡數(shù)據(jù)和傾斜儀數(shù)據(jù)進行聯(lián)合數(shù)據(jù)解算，支持三棱鏡兩角度、兩棱鏡 兩角度以及單獨三棱鏡三種解算模式，具有更好的適用性。但是，該套系統(tǒng)在進行棱鏡觀測 后需要及時對觀察到的棱鏡進行匹配，從而根據(jù)結(jié)果選用相應(yīng)的模型，這樣導(dǎo)致全站儀搜 索棱鏡的時間相對較長，不利運動中的盾構(gòu)機進行姿態(tài)解算與糾正。
[0006] 當姿態(tài)解算裝置需要采集多于兩個棱鏡的數(shù)據(jù)時，全站儀的搜索范圍會隨著距離 延長逐漸擴大，十分容易測錯或漏側(cè)，在姿態(tài)解算之前需要通過算法進行棱鏡識別。這樣導(dǎo) 致姿態(tài)解算的時間相對較長，不利運動中的盾構(gòu)機進行實時糾偏。
[0007] 目前，國內(nèi)外的盾構(gòu)姿態(tài)解算系統(tǒng)都側(cè)重于采用一臺靜止的全站儀進行采集數(shù) 據(jù)，測站一般位于管片頂部的吊籃里，單站觀測距離一般在IOOm左右，距離再遠棱鏡就不 易觀測，需要及時換觀測站。對于小直徑和小曲率的隧道而言，測站的觀測距離不僅受前方 棱鏡的影響還受后視點通視的影響，其觀測距離會大幅縮短，從而增加換站的次數(shù)，每次換 站都需盾構(gòu)機暫停工作。一種高速定位免換站式盾構(gòu)掘進姿態(tài)實時測量方法及系統(tǒng)首次提 出了將測站安置在盾構(gòu)機車架上，利用后方交會的方法測點測站的實時坐標，再去測量棱 鏡進行姿態(tài)解算。但是當后視點相距較近時，交會出的測站坐標誤差較大，影響姿態(tài)解算的 精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種盾構(gòu)姿態(tài)快速解算系統(tǒng)及方 法，減少測站換站和搜索棱鏡對盾構(gòu)掘進的影響，通過快速的定位來提高盾構(gòu)姿態(tài)解算精 度，保證隧道掘進順利貫通。
[0009] 本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種盾構(gòu)姿態(tài)快速解算方法，采用如下裝置，該 裝置包括一臺用于采集盾構(gòu)姿態(tài)位置的動態(tài)全站儀、一臺用于獲取測站瞬時坐標的靜態(tài)全 站儀、兩臺用于采集盾構(gòu)機姿態(tài)角度的傾斜儀、三個用于姿態(tài)解算的目標棱鏡以及一個后 視棱鏡；所述的動態(tài)全站儀、靜態(tài)全站儀以及兩臺傾斜儀各自連接一分站，所述的分站通過 通訊模塊連接一主站，所述的主站連接一中心計算機；所述的動態(tài)全站儀安裝在盾構(gòu)機身 上，所述的靜態(tài)全站儀安裝在隧道的頂部，所述的動態(tài)全站儀和靜態(tài)全站儀的手柄上分別 安裝一棱鏡，棱鏡中心和儀器底座中心重合；所述的后視棱鏡位于靜態(tài)全站儀的后方；所 述的三個目標棱鏡安裝在盾構(gòu)機身上且不在同一平面，三個目標棱鏡相互間距離差不小于 10厘米，有一個目標棱鏡位于盾構(gòu)機右半部，三個目標棱鏡的鏡面均朝向動態(tài)全站儀；兩 臺傾斜儀對應(yīng)安裝在平行于盾構(gòu)機縱向軸線和橫向軸線的位置；其特征在于：采用一靜一 動兩臺全站儀進行姿態(tài)測量，靜態(tài)全站儀對動態(tài)全站儀實時跟蹤測量，獲取測站瞬時坐標， 動態(tài)全站儀隨盾構(gòu)機同步運動，對三個目標棱鏡進行實時快速監(jiān)測，中心計算機結(jié)合傾斜 儀獲取的角度數(shù)據(jù)，計算出盾構(gòu)機首尾中心的工程坐標，通過與設(shè)計線路數(shù)據(jù)進行比較，得 到當前盾構(gòu)機的姿態(tài)參數(shù)；具體步驟如下：
[0010] 1)中心計算機新建工程，輸入起止站臺名稱，并明確是上行線還是下行線；
[0011] 2)中心計算機進行工程配置，輸入相關(guān)參數(shù)；
[0012] 3)工業(yè)計算機設(shè)置每臺全站儀和傾斜儀的通訊參數(shù)；
[0013] 4)通過無線通訊模塊測試中心計算機和每臺儀器是否連接成功，若是，則執(zhí)行步 驟5)，若否，則返回步驟3);
[0014] 5)靜態(tài)全站儀在吊籃中進行設(shè)站，輸入靜態(tài)測站坐標；
[0015] 6)靜態(tài)全站儀進行后視定向；
[0016] 7)靜態(tài)全站儀根據(jù)已知位置轉(zhuǎn)向動態(tài)全站儀；
[0017] 8)靜態(tài)全站儀搜索動態(tài)全站儀，若搜索成功則執(zhí)行步驟9)，否則，進行換站，并返 回步驟5);
[0018] 9)靜態(tài)全站儀實時測量動態(tài)全站儀的瞬時坐標并存儲在中心計算機中；
[0019] 10)中心計算機通過無線電臺連接動態(tài)全站儀；
[0020] 11)動態(tài)全站儀利用自動整平裝置進行自動整平；
[0021] 12)動態(tài)全站儀在車體固定支架上設(shè)站，站點坐標采用步驟9)中測量結(jié)果；
[0022] 13)動態(tài)全站儀進行后視定向；
[0023] 14)人工判斷此次觀測是否第一次，若是，則人工依次照準三個目標棱鏡并進行測 量，結(jié)果保存在學(xué)習(xí)文件中，否則執(zhí)行步驟15);
[0024] 15)從學(xué)習(xí)文件中讀取目標棱鏡位置，并反算出棱鏡測量時需要的旋轉(zhuǎn)角度；
[0025] 16)動態(tài)全站儀按學(xué)習(xí)文件算出的旋轉(zhuǎn)角度進行搜索棱鏡并照準；
[0026] 17)動態(tài)全站儀對目標棱鏡進行測量，并將測得棱鏡坐標存入學(xué)習(xí)文件中；
[0027] 18)動態(tài)全站儀獲取當前傾斜儀數(shù)據(jù)；
[0028] 19)中心計算機根據(jù)三個棱鏡坐標和兩個傾斜儀數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算；
[0029] 20)中心計算機將求出的最新姿態(tài)參數(shù)進行形象化顯示。
[0030] 一種盾構(gòu)姿態(tài)快速解算方法，其特征在于：姿態(tài)解算步驟如下：
[0031] 1)中心計算機獲取動態(tài)全站儀測量得到的3個目標棱鏡在工程坐標系下的坐