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矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法，该测量装置包括：至少两个目标棱镜，设于矩形盾构机上；两个双轴传感器，对称设于所述矩形盾构机盾尾的两侧中心处；全站仪，设于隧道进入口处的管节上；工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收并利用所述双轴传感器测量的所述矩形盾构机的方位角、坡度角、以及滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述矩形盾构机的姿态信息。本发明提供了一种适用于矩形盾构的姿态测量方法，确保测量的准确性，还具有操作简单实现方便的特点。
【专利说明】矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道工程领域，尤指一种矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法。

【背景技术】
[0002] 为了达到精准地控制盾构姿态，使盾构沿着既定的设计轴线掘进，必须要实时准 确地获取盾构及管片的当前位置信息（盾构及管片的姿态），所以目前盾构掘进施工中均 采用盾构、管片姿态自动测量系统来获取。
[0003] 但目前成熟的盾构、管片姿态自动测量系统均是针对圆形盾构机设计的，而矩形 盾构与圆形盾构对于盾构姿态和管片姿态的信息要求是有很大区别的，首先矩形盾构同一 隧道内有两条设计线路（左线路和右线路），受其形状的特殊性的影响，在转角较大时，左 右线路的姿态会有很大差值（尤其是在高程上），而圆盾构转角对姿态的影响几乎可以忽 略，因而在矩形盾构掘进施工中，不仅要关注盾构机中轴线的姿态，其左右两条线路的姿态 和高精度的转角信息也必须及时准确地获取。其次，矩形盾构受到转角影响，管片与盾尾间 隙最小的位置会出现在矩形的角点位置，因此在测量管片姿态信息时，利用圆形盾构设置 上下左右四个位置进行测量，其无法测量到矩形的角部，使得测量管片姿态信息不准确。所 以现有的圆形盾构的测量方法无法应用到矩形盾构施工中，故提供一种适用于矩形盾构的 盾构姿态及管片姿态测量方法尤为必要。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种矩形盾构施工的姿态测量装置 及测量方法，解决现有圆形盾构测量方法因其测量中忽略转角、测量过程中仅测量中轴线 的姿态、及管片测量时无法测量到矩形角部而无法应用到矩形盾构中的问题。
[0005] 实现上述目的的技术方案是：
[0006] 本发明一种矩形盾构施工的姿态测量装置，包括：
[0007] 至少两个目标棱镜，设于矩形盾构机上；
[0008] 两个双轴传感器，对称设于所述矩形盾构机盾尾的两侧中心处，用于测量所述矩 形盾构机的坡度角、以及滚角；
[0009] 全站仪，设于隧道内已稳固的拼装衬砌环上，用于获取所述目标棱镜的坐标信 息；
[0010] 工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收所述双轴传感器测量的 所述矩形盾构机的坡度角、滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，利用所述 目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、所述滚角，计算得出所述矩形盾构机的当前的左线路轴 线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述矩形 盾构机的姿态信息。
[0011] 本发明提供了一种适用于矩形盾构的姿态测量方法，测量矩形盾构的左线路轴线 和右线路轴线，结合两个双轴传感器获得高精度的转角信息，可以及时准确的获取矩形盾 构在施工过程中的姿态信息，用于指导矩形盾构的施工，为矩形盾构的施工提供重要保证。 工控机内的算法可以保证系统精度，确保测量的准确性，还具有操作简单实现方便的特点。
[0012] 本发明矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，
[0013] 所述工控机利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出 所述矩形盾构机的中轴线的位置信息；
[0014] 以所述矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述矩形盾构机的中轴线 为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标 系；
[0015] 根据所述矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述 矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐 标系中的坐标信息（Χα,Υα,Ζ。）；
[0016] 利用公式

【权利要求】
1. 一种矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，包括： 至少两个目标棱镜，设于矩形盾构机上； 两个双轴传感器，对称设于所述矩形盾构机盾尾的两侧中心处，用于测量所述矩形盾 构机的坡度角、滚角； 全站仪，设于隧道进入口处的管节上，用于获取所述目标棱镜的坐标信息； 工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收所述双轴传感器测量的所述 矩形盾构机的坡度角、以及滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，利用所述 目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述矩形盾构机的当前的左线 路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述 矩形盾构机的姿态信息。
2. 如权利要求1所述的矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于， 所述工控机利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述 矩形盾构机的中轴线的位置信息； 以所述矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述矩形盾构机的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系； 根据所述矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述矩形 盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系 中的坐标信息（X。，YQ，Ztl); 利用公式
计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右 线路轴线， 式中：(X1,Y1,Z1)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，（Xtl,Ytl,Ztl)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信 息，（X2,Y2,Z2)为所述矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述 矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，供为滚角。
3. 如权利要求2所述的矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，所述工控机利用 公式 D = AHXsin0 (1) C=Ca+CH(2) CH=AHXcosΘ(3) Vh=Z1-Z' (4) 计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾 的偏差信息，以形成所述矩形盾构机的姿态信息， 式（1)、式（2)、式（3)、以及式（4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面 偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置， 利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的 位置，Θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里 程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Zl为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影 高程。
4. 如权利要求1所述的矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，还包括设于所述 矩形盾构机盾尾的八个摄像头和与所述摄像头连接的通信单元，八个所述摄像头分别设于 所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置，所述摄像头拍摄拼装好的管片形成图像信息， 通过所述通信单元传送给所述工控机，所述工控机对接收到的所述图像信息处理以得到拼 装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。
5. 如权利要求4所述的矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，所述工控机利用 图像分割公式
将管片区域分割出来， 式（5)中，f(x，y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x，y)为处理后的图像； 分割出来后，利用二维高斯函数
对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线。
6. -种矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，包括： 于矩形盾构机上设置至少两个目标棱镜； 于所述矩形盾构机盾尾的两侧中心处对称设置双轴传感器； 于隧道进入口处的管节上设置全站仪； 通过所述双轴传感器获取当前的所述矩形盾构机坡度角与滚角和所述全站仪获取当 前的所述目标棱镜的坐标信息； 利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述矩形盾构机 的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对 比以得出所述矩形盾构机的姿态信息。
7. 如权利要求6所述的矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的计算得出 所述矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线包括： 利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述矩形盾构机 的中轴线的位置信息； 以所述矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述矩形盾构机的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系； 根据所述矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述矩形 盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系 中的坐标信息（X。，Ytl，Ztl); 利用公式
计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右 线路轴线， 式中：(X1,Y1,Z1)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，（Xtl,Ytl,Ztl)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信 息，（X2,Y2,Z2)为所述矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述 矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，f为滚角。
8. 如权利要求7所述的矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的分别与预 设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述矩形盾构机的姿态信息包括： 利用公式 D=AHXsin0 (1) C=Ca+CH(2) CH=AHXcosΘ(3) Vh=Z1-Z' (4) 计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾 的偏差信息，以形成所述矩形盾构机的姿态信息， 式（1)、式（2)、式（3)、以及式（4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面 偏差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置， 利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获�。珺点设于设定轴线上靠近A点的 位置，Θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里 程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Zl为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影 高程，。
9. 如权利要求6所述的矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，还包括： 于所述矩形盾构机盾尾设置八个摄像头，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角 部和四条边的中心位置； 利用八个所述摄像头拍摄拼装好的管片，形成图像信息； 对所述图像信息进行处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信 肩、。
10. 如权利要求9所述的矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的对所述图 像信息进行处理包括： 刺田图像4V割公忒
将管片区域分割出来， 式（5)中，f(x，y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x，y)为处理后的图像； 分割出来后，利用二维高斯函数
对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线。
【文档编号】G01C15/00GK104457719SQ201410837423
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月28日 优先权日:2014年12月28日
【发明者】王浩, 黄德中, 朱雁飞, 李刚, 王旋东, 顾嫣, 黄 俊, 刘喜东 申请人:上海隧道工程股份有限公司, 上海隧道工程有限公司, 上海隧道盾构工程有限公司