一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法及裝置，所述方法具體為：實時控制測量機器人測定盾構機上棱鏡控制點的坐標，根據(jù)觀測到的棱鏡數(shù)目選擇計算模型，結合電子傾斜儀持續(xù)返回的同步水平傾角數(shù)據(jù)，計算出盾構機的即時姿態(tài)角參數(shù)，結合設計線路數(shù)據(jù)計算盾構首尾中心點的水平、豎直偏差；所述的裝置包括測量機器人、無線電臺、工業(yè)計算機、目標棱鏡、RS232串口通訊線和電子傾斜儀，所述的測量機器人和工業(yè)計算機分別通過RS232串口通訊線與無線電臺連接，所述的目標棱鏡與測量機器人連接，所述的電子傾斜儀通過RS232串口通訊線與工業(yè)計算機連接。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有測量精度高、自動化程度等優(yōu)點。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種盾構機姿態(tài)實時控制技術，尤其是涉及一種基于空間幾何分析的 盾構姿態(tài)自動測量方法及裝置。 一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法及裝置

【背景技術】
[0002] 目前我國很多城市都在大力開展地鐵建設工程，其隧道施工階段廣泛應用到了盾 構掘進的方法。在盾構施工中，為了確保掘進線路與設計線路相符及最后站間的成功貫通， 需要對盾構機姿態(tài)進行實時控制。
[0003] 盾構姿態(tài)的實時獲取需要借助測量手段，分為人工測量和自動化測量兩種。其中 人工測量方法主要包括前后標尺法和三點法，國內部分隧道施工的盾構姿態(tài)測量中仍舊 在使用該方法。自動化測量方法則主要依靠引進國外的盾構自動引導系統(tǒng)，根據(jù)使用的 儀器設備及核心計算原理可分為：陀螺儀自動導向系統(tǒng)，以日本東京計器株式會社開發(fā)的 TMG-32B和Tellus導向系統(tǒng)為代表；三棱鏡自動導向系統(tǒng)，以日本ENZAN公司的R0B0TEC系 統(tǒng)為代表；激光自動導向系統(tǒng)，以德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng)和英國ZED公司的ZED261系 統(tǒng)為代表。
[0004] 人工測量方法具有精度低、同步性差、作業(yè)量大等缺陷，已逐漸被自動化測量方法 取代。但由于國內盾構自動引導系統(tǒng)研究起步較晚，目前自動化測量主要依靠引進國外的 商業(yè)化系統(tǒng)。這些系統(tǒng)雖然功能比較完善，但是在實際的工程應用中，受到儀器設備及施工 環(huán)境限制，仍會出現(xiàn)不少問題。
[0005] 1)陀螺儀自動導向系統(tǒng)在盾構機中體頂部安裝一個陀螺儀，同時安裝兩個傾斜傳 感器獲取滾動角和俯仰角。陀螺儀的作用為提供真方位角，用來確定盾構機的偏轉角。該 方法很大程度上受到陀螺儀精度的影響。實際上由于機械加工及裝配的原因，陀螺儀不僅 靜定精度較低，施工中還存在零點漂移的現(xiàn)象。另外陀螺儀位于盾構機中體的一端，計算盾 構機姿態(tài)會有兩方面的放大誤差：一是陀螺儀到盾構中軸線的間距放大誤差，二是陀螺儀 到刀盤中心（盾首中心）的縱向間距放大誤差。這也大幅降低了測量精度，因此國內使用 陀螺儀導向系統(tǒng)也僅僅是起到輔助參考作用，盾構機每掘進一段距離，就需要人工測量方 法不斷進行修測。
[0006] 2)三棱鏡自動導向系統(tǒng)的核心計算原理是三維空間直角坐標轉換，在全站儀通視 條件較好，盾構機內棱鏡安裝位置的選擇范圍較大時，其精度和連續(xù)觀測距離能夠滿足施 工要求。但是在大曲率的隧道施工中，全站儀通視區(qū)域狹長，盾構頂進一段距離之后，往往 再不能保證同時與三個棱鏡合作目標通視。如果采用棱鏡集中布設的方法，雖然持續(xù)觀測 距離得到了保障，但姿態(tài)參數(shù)解算精度必然大幅降低，全站儀甚至會無法識別棱鏡。事實 上，國際上該方法主要用于系統(tǒng)安裝檢測，而很少用于施工環(huán)節(jié)下的盾構引導。
[0007] 3)激光自動導向系統(tǒng)根據(jù)盾構機偏轉角測量原理的不同，電子激光標靶會有所 不同。SLS-T系統(tǒng)所采用的電子標靶是采用陰屏來接收與全站儀激光同軸的導向激光，并 旋轉內部光柵使得透光光強最大，通過記錄旋轉角度來得到盾構機偏轉角。ZED261系統(tǒng) 的電子標靶則是利用安裝在標靶內部側面和底面的傳感器檢測入射激光在標靶平面的入 射點，和經(jīng)過透鏡折射后的匯聚點的不同位置來確定盾構機的偏轉角。以上兩種方法測量 出的偏轉角受到激光強度及光斑大小限制。同時，電子激光標靶的內部安裝有兩個傾斜 傳感器分別用來測量盾構機的滾動角和俯仰角。以SLS系統(tǒng)為例，其傾斜傳感器精度為 lmrad(0. 057° )，取盾構機首尾中心點距離為10m，角度測量誤差引起的點位計算偏差將 達到lcm，這是該類型系統(tǒng)的主要誤差來源。實際上我們完全可以通過提高傾斜傳感器的精 度來提高整個系統(tǒng)的精度等級。


【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種測量精度高、自 動化程度高、算法簡單的基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法及裝置。
[0009] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0010] 一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，該方法根據(jù)觀測到的目標棱 鏡數(shù)目選擇計算模型，結合電子傾斜儀持續(xù)返回的同步水平傾角數(shù)據(jù)，計算出盾構機的即 時姿態(tài)角參數(shù)，結合設計線路數(shù)據(jù)計算盾構首尾中心點的水平、堅直偏差，具體包括如下步 驟：
[0011] 1)工業(yè)計算機獲取設計數(shù)據(jù)；
[0012] 2)工業(yè)計算機設置測量機器人的通訊參數(shù)；
[0013] 3)通過無線電臺判斷測量機器人是否連接成功，若是，則執(zhí)行步驟4)，若否，則返 回步驟2);
[0014] 4)工業(yè)計算機判斷是否與電子傾斜儀連接成功，若是，則執(zhí)行步驟5)，若否，則對 電子傾斜儀進行檢核后重新執(zhí)行步驟4);
[0015] 5)測量機器人完成設站及定向；
[0016] 6)測量機器人按照設定的時間間隔對三個目標棱鏡的空間方位角度信息進行自 動測量及記錄，并將記錄結果通過RS232串口通訊線和無線電臺傳輸給工業(yè)計算機；
[0017] 7)工業(yè)計算機判斷是否觀測到全部三個目標棱鏡，若是，則選擇三棱鏡計算模型 進行計算，并執(zhí)行步驟9)，若否，則執(zhí)行步驟8);
[0018] 8)工業(yè)計算機判斷是否觀測到兩個目標棱鏡，若是，則選擇兩棱鏡計算模型進行 計算，并執(zhí)行步驟9)，若否，則返回步驟6);
[0019] 9)工業(yè)計算機同步獲取電子傾斜儀持續(xù)返回的水平傾角數(shù)據(jù)，根據(jù)所選擇的計算 模型，并結合設計數(shù)據(jù)計算盾構姿態(tài)參數(shù)；
[0020] 10)工業(yè)計算機即時存儲步驟9)計算的相關數(shù)據(jù)，并根據(jù)盾構姿態(tài)參數(shù)模擬顯示 盾構姿態(tài)指導盾構施工。
[0021] 所述的設計數(shù)據(jù)包括盾構機標定坐標數(shù)據(jù)、傾斜儀改正數(shù)據(jù)和設計線路坐標數(shù) 據(jù)。
[0022] 所述的盾構姿態(tài)參數(shù)包括盾構三姿態(tài)角參數(shù)及首尾中心點坐標偏差。
[0023] 所述的計算盾構姿態(tài)參數(shù)具體包括：
[0024] 901)根據(jù)設定的空間旋轉變換規(guī)則建立7參數(shù)坐標轉換模型，并進行坐標轉換參 數(shù)初始化，所述的坐標轉換參數(shù)包括三個坐標平移參數(shù)、一個尺度比例參數(shù)以及三個對應 于姿態(tài)角的旋轉矩陣歐拉角參數(shù)；
[0025] 902)根據(jù)電子傾斜儀返回的水平傾角數(shù)據(jù)，結合傾斜儀水平傾角與旋轉矩陣歐拉 角的函數(shù)關系，建立角度觀測值誤差方程；
[0026] 903)根據(jù)測量機器人觀測的目標棱鏡坐標數(shù)據(jù)，結合7參數(shù)坐標轉換模型建立坐 標觀測值誤差方程；
[0027] 904)根據(jù)測量機器人和電子傾斜儀的標定精度對水平傾角數(shù)據(jù)、目標棱鏡坐標數(shù) 據(jù)進行定權；
[0028] 905)根據(jù)最小二乘準則解算坐標轉換參數(shù)改正數(shù)，并計算新的坐標轉換參數(shù)；
[0029] 906)判斷坐標轉換參數(shù)改正數(shù)是否收斂，若是，則執(zhí)行步驟907)，若否，則返回步 驟 901);
[0030] 907)進行后驗方差檢驗，并輸出盾構姿態(tài)角參數(shù)；
[0031] 908)根據(jù)坐標轉換參數(shù)及盾構機標定坐標數(shù)據(jù)，計算該兩點在工程坐標系下即時 坐標，結合設計線路坐標數(shù)據(jù)計算出對應水平、堅直偏差。
[0032] 所述的步驟905)中根據(jù)最小二乘準則解算坐標轉換參數(shù)改正數(shù)具體為：
[0033] a)根據(jù)誤差方程及不同觀測數(shù)據(jù)的權組成法方程；
[0034] b)解算法方程，得到坐標轉換參數(shù)改正數(shù)。
[0035] 所述的步驟906)中，若當前坐標轉換參數(shù)改正數(shù)小于預先設置的限差，則坐標轉 換參數(shù)改正數(shù)收斂。
[0036] -種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量裝置，包括測量機器人、無線電臺、工 業(yè)計算機、目標棱鏡、RS232串口通訊線和電子傾斜儀，所述的測量機器人和工業(yè)計算機分 別通過RS232串口通訊線與無線電臺連接，所述的目標棱鏡與測量機器人連接，所述的電 子傾斜儀通過RS232串口通訊線與工業(yè)計算機連接。
[0037] 所述的無線電臺設有兩個，通過無線網(wǎng)絡連接。
[0038] 所述的目標棱鏡設有三個，分布設置在盾構機上。
[0039] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0040] 1)與陀螺儀自動導向系統(tǒng)相比，本發(fā)明通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取的原始觀測數(shù)據(jù) 精度較高，而且采用基于空間坐標轉換的聯(lián)合數(shù)據(jù)解算模型，與陀螺儀直接利用傾斜儀原 始觀測數(shù)據(jù)相比，計算獲得的滾動角、俯仰角參數(shù)會有一定的精度補正。此外，本發(fā)明計算 出的偏轉角參數(shù)相對于陀螺儀導向系統(tǒng)高出很多，而且能夠利用解算出的盾構首尾中心點 坐標對當前盾構機位置進行精確定位，因而不需要像陀螺儀導向系統(tǒng)一樣進行人工輔助測 量，自動化程度更高。
[0041] 2)與三棱鏡自動導向系統(tǒng)相比，本發(fā)明采用測量機器人-三棱鏡與傾斜儀兩個子 模塊進行聯(lián)合數(shù)據(jù)采集，對棱鏡的必要觀測數(shù)減少為2個，在保證精度的同時，解決了三棱 鏡自動導向系統(tǒng)在盾構狹小空間內不易測出三個目標點的情況，可以有效延長單測站的觀 測距離。且由于高精度傾斜儀觀測的水平傾角數(shù)據(jù)引入，在三棱鏡工作模式（該模式為一 般工作模式）下能夠獲得更高的平差精度，且能夠利用角度數(shù)據(jù)進行有效檢核。
[0042] 3)與激光自動導向系統(tǒng)相比，激光自動導向系統(tǒng)（以VMT公司的SLS-T為代表） 由于其精度高、穩(wěn)定性好而受到業(yè)內人士廣泛認可，標志著當前盾構導向測量技術的先進 發(fā)展水平。本發(fā)明采用的傾斜儀標準配置為標稱精度在0.0Γ附近的電子雙軸水平傾斜 儀（以所選儀器實際參數(shù)為準），相對于激光自動導向系統(tǒng)標定精度為lmrad(0. 057° )的 傾斜傳感器大幅提升了精度，將水平傾角的測量誤差引起的盾構首尾中心點位（假設相距 l〇m)的偏差控制在了毫米級，與測量機器人獲取的控制點坐標觀測值精度等級相當。該精 度足以滿足盾構施工要求。同時，本發(fā)明可以通過控制點坐標及傾斜儀角度數(shù)據(jù)聯(lián)合平差 計算包含偏轉角（方位角）在內的三個姿態(tài)角參數(shù)。由于存在多余觀測，該計算模型相對 于激光導向系統(tǒng)利用極坐標原理計算偏轉角的簡單算法，在使用相同精度等級的測量機器 人（全站儀）的情況下，精度有一定的提升。
[0043] 4)本發(fā)明計算盾構姿態(tài)參數(shù)的算法適用于多棱鏡-傾斜儀聯(lián)合導向系統(tǒng)，棱鏡的 觀測數(shù)可任意選取2)，根據(jù)盾構導向的精度要求及施工環(huán)境，控制點棱鏡實際安裝個 數(shù)可選為3。工業(yè)計算機的計算模型根據(jù)實際觀測到的棱鏡個數(shù)可以在三棱鏡模式與兩棱 鏡模式之間切換，其中三棱鏡模式（結合傾斜儀數(shù)據(jù)）擁有該系統(tǒng)最高精度，為默認工作模 式；兩棱鏡模式對于盾構施工的狹窄空間環(huán)境適應性更強，能夠很好地保證單測站持續(xù)觀 測距離，在大曲率的隧道施工路段優(yōu)勢明顯。
[0044] 5)本發(fā)明計算盾構姿態(tài)參數(shù)的算法能夠在既定的儀器精度等級基礎上，通過嚴密 平差計算，提升盾構姿態(tài)的計算精度。該算法選取的空間坐標轉換模型的比較合理，能夠 同步解算坐標轉換參數(shù)和盾構姿態(tài)角參數(shù)，再根據(jù)坐標轉換參數(shù)計算盾構首尾中心點的坐 標。該計算模型下盾構三姿態(tài)角和盾構首尾中心點坐標計算精度取決于兩類觀測值的整體 平差精度，在原始觀測數(shù)據(jù)精度的基礎上相應地會有一定的提升。
[0045] 6)目前本發(fā)明已經(jīng)成功應用于上海、杭州、蘇州等地區(qū)多個地鐵隧道區(qū)間工程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046] 圖1為本發(fā)明裝置的結構示意圖；
[0047] 圖2為本發(fā)明方法的流程示意圖；
[0048] 圖3為本發(fā)明計算盾構機姿態(tài)參數(shù)的流程示意圖。

【具體實施方式】
[0049] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0050] 本實施例融合了與盾構導向測量有關的以下關鍵技術：工業(yè)計算機與電子傾斜 儀、測量機器人的雙向通訊；測量機器人的智能控制；觀測數(shù)據(jù)即時采集、傳輸、存貯；盾構 姿態(tài)即時解算及模擬顯示。該發(fā)明以工業(yè)計算機中自主研發(fā)的盾構自動引導軟件系統(tǒng)為主 導，采用無線電臺進行雙向通訊，實時控制測量機器人測定盾構機上棱鏡控制點的坐標，根 據(jù)觀測到的棱鏡數(shù)目選擇計算模型，結合電子傾斜儀持續(xù)返回的同步水平傾角數(shù)據(jù)，計算 出盾構機的即時姿態(tài)角參數(shù)，結合設計線路數(shù)據(jù)計算盾構首尾中心點的水平、堅直偏差。
[0051] 如圖1所示，本實施例基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量裝置，包括測量機 器人2、無線電臺5、工業(yè)計算機3、目標棱鏡1、RS232串口通訊線和電子傾斜儀4,可分為 以下模塊；1)數(shù)據(jù)采集模塊：包括兩個子模塊，一是測量機器人2與三個合作的目標棱鏡 1 (系統(tǒng)實際運行時至少觀測兩個），用于采集盾構機上控制點的三維坐標，三個目標棱鏡 分布設置在盾構機上，系統(tǒng)運行時保持與盾構機相對位置不變；二是高精度的電子傾斜儀 4,用于采集盾構機軸線方向及垂直方向水平傾角數(shù)據(jù)。2)核心控制模塊：工業(yè)計算機3,安 裝自主開發(fā)的盾構自動導向系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)測量機器人的實時控制，盾構姿態(tài)參數(shù)解算及 盾構姿態(tài)模擬顯示等功能。3)數(shù)據(jù)通訊模塊：包括無線電臺5及若干RS232串口通訊線， 用于實現(xiàn)測量機器人2與工業(yè)計算機3之間的雙向通訊及電子傾斜儀4與工業(yè)計算機的單 向通訊；無線電臺5設有兩個，通過無線網(wǎng)絡連接，并配備電源持續(xù)供電。
[0052] 如圖2所示，本實施例基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，該方法根據(jù) 觀測到的目標棱鏡數(shù)目選擇計算模型，結合電子傾斜儀持續(xù)返回的同步水平傾角數(shù)據(jù)，計 算出盾構機的即時姿態(tài)角參數(shù)，結合設計線路數(shù)據(jù)計算盾構首尾中心點的水平、堅直偏差， 具體包括如下步驟：
[0053] 在步驟401中，獲取設計數(shù)據(jù)，包括以下數(shù)據(jù)文件：盾構機標定坐標數(shù)據(jù)、傾斜儀 改正數(shù)據(jù)、設計線路坐標數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行步驟402 ;
[0054] 在步驟402中，將設計數(shù)據(jù)導入工業(yè)計算機3的數(shù)據(jù)庫，然后執(zhí)行步驟403 ;
[0055] 在步驟403中，連接工業(yè)計算機3與測量機器人2,然后執(zhí)行步驟404 ;
[0056] 在步驟404中，工業(yè)計算機3通過安裝的系統(tǒng)軟件（以下簡稱系統(tǒng)）設置測量機 器人的通訊參數(shù)，然后執(zhí)行步驟405 ;
[0057] 在步驟405中，判斷測量機器人2是否連接成功，如果是，進入步驟406 ;如果否， 則返回步驟403,對測量機器人2的設置及連接進行檢核；
[0058] 在步驟406中，連接工業(yè)計算機3與電子傾斜儀4,然后執(zhí)行步驟407 ;
[0059] 在步驟407中，判斷電子傾斜儀4是否連接成功，如果是，進入步驟408 ;如果否， 則返回步驟406,對電子傾斜儀4的設置及連接進行檢核；
[0060] 在步驟408中，測量機器人2完成設站及定向，然后執(zhí)彳丁步驟409 ;
[0061] 在步驟409中，利用測量機器人2測量三個目標棱鏡1，其目的是記錄三個目標棱 鏡的空間方位角度信息。然后執(zhí)行步驟410;
[0062] 在步驟410中，測量機器人2按照設定的時間間隔對三個目標棱鏡1的空間方位 角度信息進行自動測量及記錄，并將記錄結果通過RS232串口通訊線和無線電臺5傳輸給 工業(yè)計算機3,然后執(zhí)行步驟411 ;
[0063] 在步驟411中，判斷是否觀測到全部三個目標棱鏡，如果是，進入步驟412,；如果 否，進入步驟413 ;
[0064] 在步驟412中，系統(tǒng)選擇三棱鏡計算模型，然后執(zhí)行步驟415 ;
[0065] 在步驟413中，判斷是否觀測到兩個目標棱鏡，如果是，進入步驟414,如果否，返 回 409 ;
[0066] 在步驟414中，系統(tǒng)選擇兩棱鏡計算模型，然后執(zhí)行步驟415 ;
[0067] 在步驟415中，工業(yè)計算機3同步獲取電子傾斜儀4持續(xù)返回的水平傾角數(shù)據(jù)，然 后執(zhí)彳了步驟416 ;
[0068] 在步驟416中，系統(tǒng)根據(jù)選擇的計算模型，結合設計數(shù)據(jù)即時計算盾構姿態(tài)參數(shù) (姿態(tài)角參數(shù)及首尾中心點偏差），詳細流程見圖3,然后執(zhí)行步驟417 ;
[0069] 在步驟417中，系統(tǒng)即時存儲步驟416計算的相關數(shù)據(jù)，并根據(jù)盾構姿態(tài)參數(shù)模擬 顯示盾構姿態(tài)，用于指導盾構施工。
[0070] 計算盾構姿態(tài)參數(shù)采用的算法為：在對傾斜儀對應的水平傾角、盾構三姿態(tài)角 (滾動角、俯仰角、偏轉角）以及空間坐標旋轉矩陣歐拉角之間的幾何關系進行分析的基礎 上，獨創(chuàng)性地建立了一種適合測量機器人和傾斜儀兩類觀測數(shù)據(jù)的聯(lián)合計算模型。該計算 模型屬于嚴密平差范疇，能夠在原始觀測數(shù)據(jù)精度既定的條件下，解算出最高精度的盾構 姿態(tài)參數(shù)。如圖3所示，具體包括以下步驟：
[0071] 在步驟501中，建立對應于特定空間旋轉變換規(guī)則的7參數(shù)坐標轉換模型，將坐標 轉換參數(shù)初始化，其中包括三個坐標平移參數(shù)、一個尺度比例參數(shù)以及三個對應于姿態(tài)角 的旋轉矩陣歐拉角參數(shù)（系統(tǒng)默認參數(shù)近似值選取為上一組數(shù)據(jù)的計算結果），然后執(zhí)行 步驟502 ;
[0072] 本實施例根據(jù)選定的空間旋轉變換規(guī)則對盾構標定坐標系Ο,-Χ,Υ,Ζ,進行以下空 間旋轉變換：從旋轉軸正向看，以逆時針旋轉方向定義為正向，首先繞X,軸旋轉角度α，得 到新坐標系Ο,-ΧαΥαΑ，再繞Υ α軸旋轉角度-β，得到新坐標系，最后繞20軸旋 轉角度Y，得到坐標系〇<ΓΧ γΥγΖγ。旋轉矩陣的歐拉角分別對應于盾構滾動角、俯仰角、偏 轉角。此時坐標系Ο,-ΧγΥγΖγ與測量坐標系0-ΧΥΖ對應三個坐標軸向量相互平行。以該空 間旋轉變換規(guī)則對應的坐標旋轉矩陣R建立改進7參數(shù)空間轉換模型。
[0073] 在上述空間旋轉變換規(guī)則下，電子傾斜儀的水平傾角（α ,、β ,)實際值與旋轉矩 陣歐拉角ct、β之間的函數(shù)關系為β q = β，ct = arcsin(sin a cos β )。
[0074] 在步驟502中，根據(jù)電子傾斜儀返回的兩個水平傾角值，結合電子傾斜儀水平傾 角與旋轉矩陣歐拉角的函數(shù)關系，建立角度觀測值誤差方程，然后執(zhí)行步驟503 ;
[0075] 在步驟503中，根據(jù)測量機器人觀測的棱鏡坐標，結合7參數(shù)坐標轉換模型建立坐 標觀測值誤差方程，然后執(zhí)行步驟504 ;
[0076] 在步驟504中，結合系統(tǒng)使用的測量機器人、電子傾斜儀標定精度，對兩類觀測值 進行定權（根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件配置的差異會有所不同），然后執(zhí)行步驟505 ;
[0077] 在步驟505中，根據(jù)最小二乘準則解算坐標轉換參數(shù)改正數(shù)，然后執(zhí)行步驟506 ;
[0078] 根據(jù)最小二乘準則解算坐標轉換參數(shù)改正數(shù)具體為：
[0079] 1)根據(jù)誤差方程及不同觀測數(shù)據(jù)的權組成法方程；
[0080] 2)解算法方程，得到坐標轉換參數(shù)改正數(shù)。
[0081] 在步驟506中，根據(jù)參數(shù)改正數(shù)計算得到新的參數(shù)值，然后執(zhí)行步驟507 ;
[0082] 在步驟507中，根據(jù)參數(shù)改正數(shù)的大小及預先設置的限差，判斷參數(shù)改正值是否 收斂，如果是，進入步驟508中，如果否，返回步驟501，繼續(xù)迭代計算；
[0083] 若當前坐標轉換參數(shù)改正數(shù)小于預先設置的限差，則坐標轉換參數(shù)改正數(shù)收斂。
[0084] 在步驟508中，進行后驗方差檢驗（顯著性水平α較小，作為數(shù)據(jù)檢核及精度評 價的一種輔助手段），進入步驟509 ;
[0085] 在步驟509中，輸出盾構姿態(tài)角參數(shù)，進入步驟510 ;
[0086] 在步驟510中，根據(jù)坐標轉換參數(shù)及設計文件中盾構首尾中心標定坐標，計算該 兩點在工程坐標系下即時坐標，結合設計線路數(shù)據(jù)計算出對應水平、堅直偏差。
【權利要求】
1. 一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，其特征在于，該方法根據(jù)觀測到 的目標棱鏡數(shù)目選擇計算模型，結合電子傾斜儀持續(xù)返回的同步水平傾角數(shù)據(jù)，計算出盾 構機的即時姿態(tài)角參數(shù)，結合設計線路數(shù)據(jù)計算盾構首尾中心點的水平、堅直偏差，該方法 具體包括如下步驟： 1) 工業(yè)計算機獲取設計數(shù)據(jù)； 2) 工業(yè)計算機設置測量機器人的通訊參數(shù)； 3) 通過無線電臺判斷測量機器人是否連接成功，若是，則執(zhí)行步驟4)，若否，則返回步 驟2); 4) 工業(yè)計算機判斷是否與電子傾斜儀連接成功，若是，則執(zhí)行步驟5)，若否，則對電子 傾斜儀進行檢核后重新執(zhí)行步驟4); 5) 測量機器人完成設站及定向； 6) 測量機器人按照設定的時間間隔對三個目標棱鏡的空間方位角度信息進行自動測 量及記錄，并將記錄結果通過RS232串口通訊線和無線電臺傳輸給工業(yè)計算機； 7) 工業(yè)計算機判斷是否觀測到全部三個目標棱鏡，若是，則選擇三棱鏡計算模型進行 計算，并執(zhí)行步驟9)，若否，則執(zhí)行步驟8); 8) 工業(yè)計算機判斷是否觀測到兩個目標棱鏡，若是，則選擇兩棱鏡計算模型進行計算， 并執(zhí)行步驟9)，若否，則返回步驟6); 9) 工業(yè)計算機同步獲取電子傾斜儀持續(xù)返回的水平傾角數(shù)據(jù)，根據(jù)所選擇的計算模 型，并結合設計數(shù)據(jù)計算盾構姿態(tài)參數(shù)； 10) 工業(yè)計算機即時存儲步驟9)計算的相關數(shù)據(jù)，并根據(jù)盾構姿態(tài)參數(shù)模擬顯示盾構 姿態(tài)指導盾構施工。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，其特征在 于，所述的設計數(shù)據(jù)包括盾構機標定坐標數(shù)據(jù)、傾斜儀改正數(shù)據(jù)和設計線路坐標數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，其特征在 于，所述的盾構姿態(tài)參數(shù)包括盾構三姿態(tài)角參數(shù)及首尾中心點坐標偏差。
4. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，其特征在 于，所述的計算盾構姿態(tài)參數(shù)具體包括： 901) 根據(jù)設定的空間旋轉變換規(guī)則建立7參數(shù)坐標轉換模型，并進行坐標轉換參數(shù)初 始化，所述的坐標轉換參數(shù)包括三個坐標平移參數(shù)、一個尺度比例參數(shù)以及三個對應于姿 態(tài)角的旋轉矩陣歐拉角參數(shù)； 902) 根據(jù)電子傾斜儀返回的水平傾角數(shù)據(jù)，結合傾斜儀水平傾角與旋轉矩陣歐拉角的 函數(shù)關系，建立角度觀測值誤差方程； 903) 根據(jù)測量機器人觀測的目標棱鏡坐標數(shù)據(jù)，結合7參數(shù)坐標轉換模型建立坐標觀 測值誤差方程； 904) 根據(jù)測量機器人和電子傾斜儀的標定精度對水平傾角數(shù)據(jù)、目標棱鏡坐標數(shù)據(jù)進 行定權； 905) 根據(jù)最小二乘準則解算坐標轉換參數(shù)改正數(shù)，并計算新的坐標轉換參數(shù)； 906) 判斷坐標轉換參數(shù)改正數(shù)是否收斂，若是，則執(zhí)行步驟907)，若否，則返回步驟 901)； 907) 進行后驗方差檢驗，并輸出盾構姿態(tài)角參數(shù)； 908) 根據(jù)坐標轉換參數(shù)及盾構機標定坐標數(shù)據(jù)，計算該兩點在工程坐標系下即時坐 標，結合設計線路坐標數(shù)據(jù)計算出對應水平、堅直偏差。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，其特征在 于，所述的步驟905)中根據(jù)最小二乘準則解算坐標轉換參數(shù)改正數(shù)具體為： a) 根據(jù)誤差方程及不同觀測數(shù)據(jù)的權組成法方程； b) 解算法方程，得到坐標轉換參數(shù)改正數(shù)。
6. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量方法，其特征在 于，所述的步驟906)中，若當前坐標轉換參數(shù)改正數(shù)小于預先設置的限差，則坐標轉換參 數(shù)改正數(shù)收斂。
7. -種如權利要求1所述的基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量裝置，其特征在 于，包括測量機器人、無線電臺、工業(yè)計算機、目標棱鏡、RS232串口通訊線和電子傾斜儀，所 述的測量機器人和工業(yè)計算機分別通過RS232串口通訊線與無線電臺連接，所述的目標棱 鏡與測量機器人連接，所述的電子傾斜儀通過RS232串口通訊線與工業(yè)計算機連接。
8. 根據(jù)權利要求7所述的一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量裝置，其特征在 于，所述的無線電臺設有兩個，通過無線網(wǎng)絡連接。
9. 根據(jù)權利要求7所述的一種基于空間幾何分析的盾構姿態(tài)自動測量裝置，其特征在 于，所述的目標棱鏡設有三個，分布設置在盾構機上。
【文檔編號】G01C1/00GK104101326SQ201310119648
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月8日 優(yōu)先權日:2013年4月8日
【發(fā)明者】潘國榮, 唐杭 申請人:同濟大學