矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置及測量方法，該測量裝置包括：至少兩個目標棱鏡，設(shè)于矩形盾構(gòu)機上；兩個雙軸傳感器，對稱設(shè)于所述矩形盾構(gòu)機盾尾的兩側(cè)中心處；全站儀，設(shè)于隧道進入口處的管節(jié)上；工控機，與所述雙軸傳感器和所述全站儀通信連接，接收并利用所述雙軸傳感器測量的所述矩形盾構(gòu)機的方位角、坡度角、以及滾角和所述全站儀獲取的所述目標棱鏡的坐標信息，計算得出所述矩形盾構(gòu)機的當前的左線路軸線和右線路軸線，并分別與存儲的左側(cè)設(shè)定軸線和右側(cè)設(shè)定軸線進行對比以得出所述矩形盾構(gòu)機的姿態(tài)信息。本發(fā)明提供了一種適用于矩形盾構(gòu)的姿態(tài)測量方法，確保測量的準確性，還具有操作簡單實現(xiàn)方便的特點。
【專利說明】矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及隧道工程領(lǐng)域，尤指一種矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置及測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了達到精準地控制盾構(gòu)姿態(tài)，使盾構(gòu)沿著既定的設(shè)計軸線掘進，必須要實時準 確地獲取盾構(gòu)及管片的當前位置信息（盾構(gòu)及管片的姿態(tài)），所以目前盾構(gòu)掘進施工中均 采用盾構(gòu)、管片姿態(tài)自動測量系統(tǒng)來獲取。
[0003] 但目前成熟的盾構(gòu)、管片姿態(tài)自動測量系統(tǒng)均是針對圓形盾構(gòu)機設(shè)計的，而矩形 盾構(gòu)與圓形盾構(gòu)對于盾構(gòu)姿態(tài)和管片姿態(tài)的信息要求是有很大區(qū)別的，首先矩形盾構(gòu)同一 隧道內(nèi)有兩條設(shè)計線路（左線路和右線路），受其形狀的特殊性的影響，在轉(zhuǎn)角較大時，左 右線路的姿態(tài)會有很大差值（尤其是在高程上），而圓盾構(gòu)轉(zhuǎn)角對姿態(tài)的影響幾乎可以忽 略，因而在矩形盾構(gòu)掘進施工中，不僅要關(guān)注盾構(gòu)機中軸線的姿態(tài)，其左右兩條線路的姿態(tài) 和高精度的轉(zhuǎn)角信息也必須及時準確地獲取。其次，矩形盾構(gòu)受到轉(zhuǎn)角影響，管片與盾尾間 隙最小的位置會出現(xiàn)在矩形的角點位置，因此在測量管片姿態(tài)信息時，利用圓形盾構(gòu)設(shè)置 上下左右四個位置進行測量，其無法測量到矩形的角部，使得測量管片姿態(tài)信息不準確。所 以現(xiàn)有的圓形盾構(gòu)的測量方法無法應(yīng)用到矩形盾構(gòu)施工中，故提供一種適用于矩形盾構(gòu)的 盾構(gòu)姿態(tài)及管片姿態(tài)測量方法尤為必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置 及測量方法，解決現(xiàn)有圓形盾構(gòu)測量方法因其測量中忽略轉(zhuǎn)角、測量過程中僅測量中軸線 的姿態(tài)、及管片測量時無法測量到矩形角部而無法應(yīng)用到矩形盾構(gòu)中的問題。
[0005] 實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是：
[0006] 本發(fā)明一種矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置，包括：
[0007] 至少兩個目標棱鏡，設(shè)于矩形盾構(gòu)機上；
[0008] 兩個雙軸傳感器，對稱設(shè)于所述矩形盾構(gòu)機盾尾的兩側(cè)中心處，用于測量所述矩 形盾構(gòu)機的坡度角、以及滾角；
[0009] 全站儀，設(shè)于隧道內(nèi)已穩(wěn)固的拼裝襯砌環(huán)上，用于獲取所述目標棱鏡的坐標信 息；
[0010] 工控機，與所述雙軸傳感器和所述全站儀通信連接，接收所述雙軸傳感器測量的 所述矩形盾構(gòu)機的坡度角、滾角和所述全站儀獲取的所述目標棱鏡的坐標信息，利用所述 目標棱鏡的坐標信息、所述坡度角、所述滾角，計算得出所述矩形盾構(gòu)機的當前的左線路軸 線和右線路軸線，并分別與存儲的左側(cè)設(shè)定軸線和右側(cè)設(shè)定軸線進行對比以得出所述矩形 盾構(gòu)機的姿態(tài)信息。
[0011] 本發(fā)明提供了一種適用于矩形盾構(gòu)的姿態(tài)測量方法，測量矩形盾構(gòu)的左線路軸線 和右線路軸線，結(jié)合兩個雙軸傳感器獲得高精度的轉(zhuǎn)角信息，可以及時準確的獲取矩形盾 構(gòu)在施工過程中的姿態(tài)信息，用于指導(dǎo)矩形盾構(gòu)的施工，為矩形盾構(gòu)的施工提供重要保證。 工控機內(nèi)的算法可以保證系統(tǒng)精度，確保測量的準確性，還具有操作簡單實現(xiàn)方便的特點。
[0012] 本發(fā)明矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置的進一步改進在于，
[0013] 所述工控機利用所述坡度角和所述滾角結(jié)合所述目標棱鏡的坐標信息，計算得出 所述矩形盾構(gòu)機的中軸線的位置信息；
[0014] 以所述矩形盾構(gòu)機的中軸線在切口處的位置為原點，以所述矩形盾構(gòu)機的中軸線 為X軸，以垂直于X軸并與左線路軸線和右線路軸線相交的線為Y軸，形成中軸線切口坐標 系；
[0015] 根據(jù)所述矩形盾構(gòu)機的尺寸信息，結(jié)合所述左線路軸線和所述右線路軸線距所述 矩形盾構(gòu)機的中軸線的距離，得出所述左線路軸線和所述右線路軸線在所述中軸線切口坐 標系中的坐標信息（Χα,Υα,Ζ。）；
[0016] 利用公式

【權(quán)利要求】
1. 一種矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置，其特征在于，包括： 至少兩個目標棱鏡，設(shè)于矩形盾構(gòu)機上； 兩個雙軸傳感器，對稱設(shè)于所述矩形盾構(gòu)機盾尾的兩側(cè)中心處，用于測量所述矩形盾 構(gòu)機的坡度角、滾角； 全站儀，設(shè)于隧道進入口處的管節(jié)上，用于獲取所述目標棱鏡的坐標信息； 工控機，與所述雙軸傳感器和所述全站儀通信連接，接收所述雙軸傳感器測量的所述 矩形盾構(gòu)機的坡度角、以及滾角和所述全站儀獲取的所述目標棱鏡的坐標信息，利用所述 目標棱鏡的坐標信息、所述坡度角、以及所述滾角，計算得出所述矩形盾構(gòu)機的當前的左線 路軸線和右線路軸線，并分別與存儲的左側(cè)設(shè)定軸線和右側(cè)設(shè)定軸線進行對比以得出所述 矩形盾構(gòu)機的姿態(tài)信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置，其特征在于， 所述工控機利用所述坡度角和所述滾角結(jié)合所述目標棱鏡的坐標信息，計算得出所述 矩形盾構(gòu)機的中軸線的位置信息； 以所述矩形盾構(gòu)機的中軸線在切口處的位置為原點，以所述矩形盾構(gòu)機的中軸線為X軸，以垂直于X軸并與左線路軸線和右線路軸線相交的線為Y軸，形成中軸線切口坐標系； 根據(jù)所述矩形盾構(gòu)機的尺寸信息，結(jié)合所述左線路軸線和所述右線路軸線距所述矩形 盾構(gòu)機的中軸線的距離，得出所述左線路軸線和所述右線路軸線在所述中軸線切口坐標系 中的坐標信息（X。，YQ，Ztl); 利用公式
計算得出所述左線路軸線和所述右線路軸線的施工坐標，獲得當前的左線路軸線和右 線路軸線， 式中：(X1,Y1,Z1)為待計算的所述左線路軸線或所述右線路軸線的施工坐標，（Xtl,Ytl,Ztl)為對應(yīng)計算的所述左線路軸線或所述右線路軸線在所述中軸線切口坐標系中的坐標信 息，（X2,Y2,Z2)為所述矩形盾構(gòu)機的中軸線上與待計算坐標相對應(yīng)的位置信息，α為所述 矩形盾構(gòu)機的中軸線的方位角，β為坡度角，供為滾角。
3. 如權(quán)利要求2所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置，其特征在于，所述工控機利用 公式 D = AHXsin0 (1) C=Ca+CH(2) CH=AHXcosΘ(3) Vh=Z1-Z' (4) 計算得出所述左線路軸線上切口和盾尾的偏差信息與所述右線路軸線上切口和盾尾 的偏差信息，以形成所述矩形盾構(gòu)機的姿態(tài)信息， 式（1)、式（2)、式（3)、以及式（4)中，H為待計算位置點，D為待計算位置點H的平面 偏差，AH為A點到待計算位置點H的距離，A點為設(shè)定軸線上對應(yīng)待計算位置點H的位置， 利用H點與軸線數(shù)據(jù)庫中最短的平面距離進行查詢獲取，B點設(shè)于設(shè)定軸線上靠近A點的 位置，Θ為直線AH與直線AB之間的夾角，C為待計算位置點的里程，Ca為軸線上A點的里 程，Vh為待計算位置點H的垂直偏差，Zl為待計算位置點的高程，Z'為H到直線AB的投影 高程。
4. 如權(quán)利要求1所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置，其特征在于，還包括設(shè)于所述 矩形盾構(gòu)機盾尾的八個攝像頭和與所述攝像頭連接的通信單元，八個所述攝像頭分別設(shè)于 所述盾尾的四個角部和四條邊的中心位置，所述攝像頭拍攝拼裝好的管片形成圖像信息， 通過所述通信單元傳送給所述工控機，所述工控機對接收到的所述圖像信息處理以得到拼 裝好的管片的邊界曲線，進而形成管片的姿態(tài)信息。
5. 如權(quán)利要求4所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量裝置，其特征在于，所述工控機利用 圖像分割公式
將管片區(qū)域分割出來， 式（5)中，f(x，y)為原始圖像的像素值，T為灰度閾值，g(x，y)為處理后的圖像； 分割出來后，利用二維高斯函數(shù)
對圖像進行邊緣檢測，得到所述管片的邊界曲線。
6. -種矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量方法，其特征在于，包括： 于矩形盾構(gòu)機上設(shè)置至少兩個目標棱鏡； 于所述矩形盾構(gòu)機盾尾的兩側(cè)中心處對稱設(shè)置雙軸傳感器； 于隧道進入口處的管節(jié)上設(shè)置全站儀； 通過所述雙軸傳感器獲取當前的所述矩形盾構(gòu)機坡度角與滾角和所述全站儀獲取當 前的所述目標棱鏡的坐標信息； 利用所述目標棱鏡的坐標信息、所述坡度角、以及所述滾角，計算得出所述矩形盾構(gòu)機 的當前的左線路軸線和右線路軸線，并分別與預(yù)設(shè)的左側(cè)設(shè)定軸線和右側(cè)設(shè)定軸線進行對 比以得出所述矩形盾構(gòu)機的姿態(tài)信息。
7. 如權(quán)利要求6所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的計算得出 所述矩形盾構(gòu)機的當前的左線路軸線和右線路軸線包括： 利用所述坡度角和所述滾角結(jié)合所述目標棱鏡的坐標信息，計算得出所述矩形盾構(gòu)機 的中軸線的位置信息； 以所述矩形盾構(gòu)機的中軸線在切口處的位置為原點，以所述矩形盾構(gòu)機的中軸線為X軸，以垂直于X軸并與左線路軸線和右線路軸線相交的線為Y軸，形成中軸線切口坐標系； 根據(jù)所述矩形盾構(gòu)機的尺寸信息，結(jié)合所述左線路軸線和所述右線路軸線距所述矩形 盾構(gòu)機的中軸線的距離，得出所述左線路軸線和所述右線路軸線在所述中軸線切口坐標系 中的坐標信息（X。，Ytl，Ztl); 利用公式
計算得出所述左線路軸線和所述右線路軸線的施工坐標，獲得當前的左線路軸線和右 線路軸線， 式中：(X1,Y1,Z1)為待計算的所述左線路軸線或所述右線路軸線的施工坐標，（Xtl,Ytl,Ztl)為對應(yīng)計算的所述左線路軸線或所述右線路軸線在所述中軸線切口坐標系中的坐標信 息，（X2,Y2,Z2)為所述矩形盾構(gòu)機的中軸線上與待計算坐標相對應(yīng)的位置信息，α為所述 矩形盾構(gòu)機的中軸線的方位角，β為坡度角，f為滾角。
8. 如權(quán)利要求7所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的分別與預(yù) 設(shè)的左側(cè)設(shè)定軸線和右側(cè)設(shè)定軸線進行對比以得出所述矩形盾構(gòu)機的姿態(tài)信息包括： 利用公式 D=AHXsin0 (1) C=Ca+CH(2) CH=AHXcosΘ(3) Vh=Z1-Z' (4) 計算得出所述左線路軸線上切口和盾尾的偏差信息與所述右線路軸線上切口和盾尾 的偏差信息，以形成所述矩形盾構(gòu)機的姿態(tài)信息， 式（1)、式（2)、式（3)、以及式（4)中，H為待計算位置點，D為待計算位置點H的平面 偏差，AH為A點到待計算位置點H的距離，A點為設(shè)定軸線上對應(yīng)待計算位置點H的位置， 利用H點與軸線數(shù)據(jù)庫中最短的平面距離進行查詢獲取，B點設(shè)于設(shè)定軸線上靠近A點的 位置，Θ為直線AH與直線AB之間的夾角，C為待計算位置點的里程，Ca為軸線上A點的里 程，Vh為待計算位置點H的垂直偏差，Zl為待計算位置點的高程，Z'為H到直線AB的投影 高程，。
9. 如權(quán)利要求6所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量方法，其特征在于，還包括： 于所述矩形盾構(gòu)機盾尾設(shè)置八個攝像頭，八個所述攝像頭分別設(shè)于所述盾尾的四個角 部和四條邊的中心位置； 利用八個所述攝像頭拍攝拼裝好的管片，形成圖像信息； 對所述圖像信息進行處理以得到拼裝好的管片的邊界曲線，進而形成管片的姿態(tài)信 肩、。
10. 如權(quán)利要求9所述的矩形盾構(gòu)施工的姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的對所述圖 像信息進行處理包括： 刺田圖像4V割公忒
將管片區(qū)域分割出來， 式（5)中，f(x，y)為原始圖像的像素值，T為灰度閾值，g(x，y)為處理后的圖像； 分割出來后，利用二維高斯函數(shù)
對圖像進行邊緣檢測，得到所述管片的邊界曲線。
【文檔編號】G01C15/00GK104457719SQ201410837423
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月28日
【發(fā)明者】王浩, 黃德中, 朱雁飛, 李剛, 王旋東, 顧嫣, 黃 俊, 劉喜東 申請人:上海隧道工程股份有限公司, 上海隧道工程有限公司, 上海隧道盾構(gòu)工程有限公司