一种拼装机管片位姿测量系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种拼装机管片位姿测量系统及其使用方法，包括盾构机，所述盾构机的内壁位于管片拼装部分安装有激光测距传感器，所述激光测距传感器的数目为多个(大于5个)，且多个激光测距传感器构成环线，所有射线位于盾构机的同一横截面内，所述环线的数目为两组，且两组所述环线分别为A环与B环，所述盾构机的内部设置有隧道管片。本发明专利技术在隧道管片拼装期间，各个激光测距传感器实时报告隧道管片和盾构机内壁的间距，通过A环与B环位姿参考基准坐标系内隧道管片环中心点的位移偏差和隧道管片宽度，可以分别求得隧道管片环中心轴与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差，从而及时进行校正，提高管片拼装的精确度。

A Measuring System for Pipe Position and Posture of Assembly Machine and Its Application Method

【技术实现步骤摘要】
一种拼装机管片位姿测量系统及其使用方法
本专利技术涉及盾构机管片拼装位姿测量
，具体为一种拼装机管片位姿测量系统。
技术介绍
管片拼装机，又称举重臂，是一种设置在盾尾部位、可以迅速把管片拼装成确定形式的起重机械，开挖后的隧道需要安装洞外预制好的钢筋混凝土管片作为永久性支护，管片拼装机的作用就是将管片快速准确地安装到刚开挖的隧道表面，以支护隧道表面，防止地下水土的渗透和地表沉降，管片承担着盾构前进的推进反力，隧道最终质量主要取决于隧道管片的拼装质量，不精确的管片拼装往往造成隧道渗水、管片裂缝甚至破损，造成隧道偏离设计要求，严重时将直接影响到管片拼装和盾构的推进，若要确保隧道施工质量，必须要做到隧道管片拼装和设计完全符合，显而易见，在盾构推进及管片拼装过程中，如何协调好盾构姿态和管片姿态的关联性矛盾是解决隧道管片拼装的核心问题，为此，提供隧道管片拼装中管片位姿的实施测量系统是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为了解决不精确的管片拼装往往造成隧道渗水、管片裂缝甚至破损，造成隧道偏离设计要求，严重时将直接影响到管片拼装和盾构的推进，如何协调好盾构姿态和管片姿态的关联性矛盾的问题，提供一种拼装机管片位姿测量系统方案。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种拼装机管片位姿测量系统，包括盾构机1，所述盾构机1的内壁的管片拼装部分形成有至少两个环线3，每个环线3上安装有至少五个激光测距传感器2；所述盾构机1的内部设置有隧道管片6，同一环线3上激光测距传感器2发出的射线均处于对应环线3的所在平面内且均打到隧道管片6上；环线3包括A环4与B环5，A环4与B环5之间的间距小于隧道管片6的宽度。优选的，同一环线3上激光测距传感器2发出的射线均朝向对应环线3的中心；每个环线3上安装有大于五个数量的激光测距传感器2。优选的，所述A环4和B环5的环平面均与盾构机轴线垂直。优选的，包括如下步骤：步骤一、在盾构机内安装激光测距传感器2并建立隧道管片姿态参考基准坐标系：在盾构机初始水平、横向无旋转放置时，由盾尾部位向切口观察，取盾构中心轴线与B环平面交点为坐标系原点，过原点水平向左为X轴正向，垂直向上为Y轴正向，垂直X轴及Y轴指向盾构机前部为Z轴正向，记坐标系为O-XYZ；步骤二、测定所有激光测距传感器在坐标系O-XYZ内的状态量Xi，记为Xi＝[xi,yi,θi]T，其中xi,yi分别表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的X轴和Y轴的位置坐标，θi表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的入射角即X轴正半轴沿原点O逆时针旋转至激光射线平行且同向时所扫过的角度。步骤三、对隧道管片6外壁与盾构机内壁实际间距、设计路线参数、盾构机实时位姿和隧道管片拼装姿态进行关联分析；通过A环与B环位姿以及隧道管片宽度6和计算得到的参考O-XYZ坐标系内隧道管片的环中心点相对盾构机轴线的横向偏差，由平面解析计算得到隧道管片6轴线与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差。优选的，所述步骤三包括如下步骤：a：待测隧道管片6穿过A环平面和B环平面进入测量区域；A环平面、B环平面与待测隧道管片6形成的圆柱面即S面均相交。b：计算A环、B环上的所有激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面的交点坐标记Q′i＝[x′i,y′i]T；其中x′i表示交点在坐标系O-XYZ内的x轴坐标；y′i表示交点在坐标系O-XYZ内的y轴坐标；c：利用最小二乘法对b中获得的交点集进行非线性回归计算，分别获得A环平面、B环平面与S面相交的椭圆曲线的方程；d：由A环平面、B环平面上的椭圆曲线的中心坐标XA＝[xA,yA,zA]T，XB＝[xB,yB,zB]T计算获得当前隧道管片相对于姿态参考基准坐标系的角度偏差记为其中，角标D表示盾构机；角标S表示设计路线；表示隧道管片中心轴线在X-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-O-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；其中xA,yA,zA分别表示A环平面与S面相交的椭圆曲线的中心的X、Y、Z轴坐标；xB,yB,zB分别表示B环平面与S面相交的椭圆曲线的中心的X、Y、Z轴坐标；e：获取盾构机实时位姿，记为及设计路线参数，即设计路线相对于大地坐标系下的角度偏移，记为由坐标变换公式，计算当前隧道管片相对设计路线的角度偏移，记为及当前隧道管片在大地坐标系下的角度偏移记为其中，大地坐标系记为G-XYZ坐标系，以盾构机中心点G为坐标系原点，以盾构机初始位置的运动方向为X轴正向，Z轴指向地心为正向，Y轴与X轴构成右手坐标系；表示盾构机中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示盾构机中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示当前位置点下设计路线的切线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示当前位置点下设计路线的切线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与当前位置点下设计路线的切线在X-G-Z面上的投影之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与当前位置点下设计路线的切线在Y-G-Z面上的投影的角度；表示隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度。f：获取上一段隧道管片在大地坐标系下的角度偏移记为计算得到当前隧道管片与上一段隧道管片的角度偏差记为θL＝[αL,βL]T；其中，表示上一段隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；表示上一段隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影与Z轴正向之间的角度；αL表示前后两节隧道管片中心轴线在X-G-Z面上的投影的偏转角度；βL表示前后两节隧道管片中心轴线在Y-G-Z面上的投影的偏转角度。优选的，管片拼装过程中，通过盾构机实时横向旋转角和盾构内隧道管片拼装旋转角计算求得隧道管片的横向旋转累积值，根据盾构体内预设校准点读数取得盾构内管片拼装旋转角。优选地，在如上所述的隧道管片位姿测量步骤b中，任意激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面(S面)的交点坐标Q′i＝[x′i,y′i]T计算公式如下：其中，Qi＝[xi,yi]T为编号i激光测距传感器在姿态参考基准坐标系(O-XYZ)中的位置坐标；θi表示激光传感器的入射角；di表示当前测距传感器测得的盾构机内壁到隧道管片外表面的距离。优选地，在如上所述的隧道管片位姿测量步骤三中，利用最小二乘法进行非线性回归计算，获得A面、B面与S面相交的椭圆曲线的方程的过程的具体说明如下：(a)已知平面空间中，任意一个椭圆方程可以用如下方程表示：x2+gxy+cy2+dx+ey+f＝0其中，x和y分别表示椭圆上某点的横坐标和纵坐标；只需要确定参数c、d、e、f、g就可以在平面空间内确定椭圆。(b)只需将任意5个激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面(S面)的交点坐标Q′i＝[x′i,y′i]T代入上述方程中即可求解5个待定系数。具体实施时，为了减小测量误差带来的影响，A面与B面上必须安装至少5个激光测距传感器，利用最小二乘方回归计算获得待定系数的值。(c)设已知椭圆上N个点的坐标的测量值Q′i＝[x′i,y′i]T(含有检测误差),i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拼装机管片位姿测量系统，包括盾构机(1)，其特征在于：所述盾构机(1)的内壁的管片拼装部分形成有至少两个环线(3)，每个环线(3)上安装有至少五个激光测距传感器(2)；所述盾构机(1)的内部设置有隧道管片(6)，同一环线(3)上激光测距传感器(2)发出的射线均处于对应环线(3)的所在平面内且均打到隧道管片(6)上；环线(3)包括A环(4)与B环(5)，A环(4)与B环(5)之间的间距小于隧道管片(6)的宽度。

【技术特征摘要】
1.一种拼装机管片位姿测量系统，包括盾构机(1)，其特征在于：所述盾构机(1)的内壁的管片拼装部分形成有至少两个环线(3)，每个环线(3)上安装有至少五个激光测距传感器(2)；所述盾构机(1)的内部设置有隧道管片(6)，同一环线(3)上激光测距传感器(2)发出的射线均处于对应环线(3)的所在平面内且均打到隧道管片(6)上；环线(3)包括A环(4)与B环(5)，A环(4)与B环(5)之间的间距小于隧道管片(6)的宽度。2.如权利要求1所述的拼装机管片位姿测量系统，其特征在于，同一环线(3)上激光测距传感器(2)发出的射线均朝向对应环线(3)的中心；每个环线(3)上安装有大于五个数量的激光测距传感器(2)。3.如权利要求1所述的拼装机管片位姿测量系统，其特征在于，所述A环(4)和B环(5)的环平面均与盾构机轴线垂直。4.如权利要求1-3任一所述的拼装机管片位姿测量系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在盾构机内安装激光测距传感器(2)并建立隧道管片姿态参考基准坐标系：在盾构机初始水平、横向无旋转放置时，由盾尾部位向切口观察，取盾构中心轴线与B环平面交点为坐标系原点，过原点水平向左为X轴正向，垂直向上为Y轴正向，垂直X轴及Y轴指向盾构机前部为Z轴正向，记坐标系为O-XYZ；步骤二、测定所有激光测距传感器在坐标系O-XYZ内的状态量Xi，记为Xi＝[xi,yi,θi]T，其中xi,yi分别表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的X轴和Y轴的位置坐标，θi表示激光传感器在O-XYZ坐标系中的入射角即X轴正半轴沿原点O逆时针旋转至激光射线平行且同向时所扫过的角度。步骤三、对隧道管片(6)外壁与盾构机内壁实际间距、设计路线参数、盾构机实时位姿和隧道管片拼装姿态进行关联分析；通过A环与B环位姿以及隧道管片宽度(6)和计算得到的参考O-XYZ坐标系内隧道管片的环中心点相对盾构机轴线的横向偏差，由平面解析计算得到隧道管片(6)轴线与隧道设计路线的角度偏差以及前后两环隧道管片轴线的角度偏差。5.如权利要求4所述的拼装机管片位姿测量系统的使用方法，其特征在于，所述步骤三包括如下步骤：a：待测隧道管片(6)穿过A环平面和B环平面进入测量区域；A环平面、B环平面与待测隧道管片(6)形成的圆柱面即S面均相交。b：计算A环、B环上的所有激光测距传感器的射线与待测隧道管片形成的圆柱面的交点坐标记Qi′＝[xi′,yi′]T；其中xi′表示交点在坐标系O-XYZ内的x轴坐标；yi′表示交点在坐标系O-XYZ内的y轴坐标；c：利用最小二乘法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，龙腾，钟杭，刘理，邓广，厉洪浩，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43