一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法，所述盾构机位姿测量方法包括：通过角度采集单元以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿。其能够降低盾构机位姿测量过程中盾构机的振动对测量结果的影响，提高盾构机位姿的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法
本专利技术涉及盾构机领域，进一步地涉及一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法，所述抗振型激光标靶尤其适用于矿用盾构机。
技术介绍
随着科技的发展，隧道掘进机(TunnelBoringMachine，TBM，又名盾构机)得到了极大的发展，被广泛地应用于城市地铁施工、煤矿巷道掘进等施工领域。利用隧道掘进机进行煤矿巷道掘进施工使煤矿采掘领域的一种新型工程建设技术，相比其他传统机械设备具有自动化程度高、节省人力、施工质量高以及施工速度快等优势。一般地，在隧道轴线较长，埋深较大的情况下，采用隧道掘进机采掘更为经济合理。特别是面对地下硬岩时，采用隧道掘进机进行掘进的优势会更加明显。可以理解的是，在使用隧道掘进机进行采掘的过程中需要不断地确定隧道掘进机的位置和姿态，以对隧道掘进机的工作路径进行微调，使得所述隧道掘进机能够沿着预设的路径工作。传统隧道掘进机的位置和姿态的测量方法有三种：人工测量法、三棱镜测量法以及两棱镜测量法。需要指出的是，传统隧道掘进机的三种位姿测量方法的测量精度都相对较低，而且测量过程较为繁琐。尤其是在施工过程中隧道掘进机遇到硬岩土层，隧道掘进机在掘进过程中的振动非常大，利用棱镜法测量时非常容易出现激光搜索不到棱镜的问题，并且由于振动的影响导致测量结果不精确。综上所述，如何在隧道掘进机工作过程中精确地测量隧道掘进机的位置和姿态，是隧道掘进机进一步发展与应用所亟需解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种抗振型激光标靶、盾构机位姿测量系统及测量方法，其能够降低盾构机位姿测量过程中盾构机的振动对测量结果的影响，提高盾构机位姿的测量精度。为了实现上述目的，本专利技术提供一种抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶适于安装于盾构机，用于与全站仪相配合，以测量所述盾构机在掘进过程中的位姿，包括：棱镜；相机；角度采集单元，所述角度采集单元用于以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；滤波单元，所述滤波单元连接于所述角度采集单元，用于基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及壳体，所述壳体具有一个密封的容纳空间，所述棱镜、所述相机、所述角度采集单元、所述振动采集单元以及所述滤波单元分别安装于所述壳体的所述容纳空间内，并且所述棱镜和所述相机同轴设置，所述壳体的一侧具有一个透光区域，所述全站仪所发出的光线适于穿过所述透光区域依次照射进入所述棱镜和所述相机。在本专利技术的一些优选实施例中，所述第一预设频率是100HZ。在本专利技术的一些优选实施例中，所述壳体包括一个通光孔和一个透光件，所述透光件的形状与所述通光孔的形状相适配，所述透光件安装于所述通光孔，并且所述通光孔、所述棱镜以及所述相机同轴设置。根据本专利技术的另一方面，本专利技术进一步提供一种盾构机位姿测量系统，用于测量盾构机在掘进过程中的位姿，包括：上述所述的抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶安装于所述盾构机的盾体后端；全站仪，所述全站仪安装于所述盾构机所处的隧道的侧壁，并且所述全站仪和所述抗振型激光标靶位于所述盾构机的相同一侧；后视棱镜，所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁，并与所述全站仪在同一侧，所述全站仪位于所述抗振型激光标靶和所述后视棱镜之间；以及控制机构，所述控制机构安装于所述盾构机的驾驶室内，并且可工作地连接于所述抗振型激光标靶和所述全站仪。根据本专利技术的另一方面，本专利技术进一步提供一种盾构机位姿测量方法，包括：通过角度采集单元以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿。在本专利技术的一些优选实施例中，所述基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿，进一步包括：标定抗振型激光标靶、全站仪、后视棱镜以及盾构机的位置关系；建立全站仪坐标系、角度传感器坐标系以及相机坐标系，其中所述全站仪坐标系的原点是所述全站仪的中心，XT轴与全站仪的码盘的零刻度同向，ZT轴垂直于所述码盘向上；其中所述相机坐标系的原点是所述抗振型激光标靶坐标系的棱镜中心，所述棱镜与所述抗振型激光标靶的相机之间的连线为YS轴，ZS轴与所述ZT轴相同；所述角度传感器坐标系的坐标原点是所述棱镜的中心，所述角度传感器的XS轴和YS轴分别与角度传感器的两轴方向相同；其中所述全站仪坐标系、所述角度传感器坐标系以及所述相机坐标系分别是左手坐标系；确定所述角度传感器坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数；通过所述全站仪测量所述抗振型激光标靶的棱镜在所述全站仪坐标系下的第一坐标；基于所述第一坐标和光线照射进入所述棱镜的角度进行坐标转换，以获得所述棱镜在大地坐标系下的第二坐标；以及基于所述第二坐标和所述抗振型激光标靶所提供的所述第二角度数据，确定所述盾构机的位姿。在本专利技术的一些优选实施例中，所述确定所述角度传感器坐标系在所述全站仪坐标系下的六个位姿参数，进一步包括：通过所述全站仪直接测量获得所述盾构机的三个水平参数；基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的滚动角和俯仰角；以及基于所述滚动角和所述俯仰角，确定所述盾构机的方位角。在本专利技术的一些优选实施例中，所基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的滚动角，包括：基于所述角度传感器坐标系的YS轴与基准面之间的夹角确定所述俯仰角，其中所述基准面是所述全站仪坐标系的XT轴与YT轴所在的平面。在本专利技术的一些优选实施例中，基于所述第二角度数据，确定所述盾构机的俯仰角，包括：基于所述角度传感器坐标系的YS轴与所述基准面之间的夹角、所述角度传感器坐标系的XS轴与所述基准面之间的夹角，确定所述滚动角。在本专利技术的一些优选实施例中，所述第一预设频率是100HZ。本专利技术方案包括以下至少一项有益效果：1、能够降低盾构机位姿测量过程中盾构机的振动对测量结果的影响，提高盾构机位姿的测量精度。2、通过提高姿态角采集的频率和振动采集的频率，并且基于振动频率对姿态角数据进行滤波处理，以提高测量的精度。附图说明下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本专利技术方案、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。图1是本专利技术的一个优选实施例的盾构机位姿测量方法的流程图。图2是本专利技术的一个优选实施例的抗振型激光标靶的结构示意图。图3是本专利技术的一个优选实施例的盾构机位姿测量系统的结构示意图。图4是本专利技术的上述优选实施例的盾构机位姿测量系统的坐标系示意图。图5是本专利技术的上述优选实施例的盾构机位姿测量系统的坐标系转换示意图。图6是本专利技术的上述优选实施例的盾构机位姿测量系统的全站仪坐标系和激光靶坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶适于安装于盾构机，用于与全站仪相配合，以测量所述盾构机在掘进过程中的位姿，其特征在于，包括：/n棱镜；/n相机；/n角度采集单元，所述角度采集单元用于以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；/n滤波单元，所述滤波单元连接于所述角度采集单元，用于基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及/n壳体，所述壳体具有一个密封的容纳空间，所述棱镜、所述相机、所述角度采集单元、所述振动采集单元以及所述滤波单元分别安装于所述壳体的所述容纳空间内，并且所述棱镜和所述相机同轴设置，所述壳体的一侧具有一个透光区域，所述全站仪所发出的光线适于穿过所述透光区域依次照射进入所述棱镜和所述相机。/n

【技术特征摘要】
1.一种抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶适于安装于盾构机，用于与全站仪相配合，以测量所述盾构机在掘进过程中的位姿，其特征在于，包括：
棱镜；
相机；
角度采集单元，所述角度采集单元用于以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；
滤波单元，所述滤波单元连接于所述角度采集单元，用于基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及
壳体，所述壳体具有一个密封的容纳空间，所述棱镜、所述相机、所述角度采集单元、所述振动采集单元以及所述滤波单元分别安装于所述壳体的所述容纳空间内，并且所述棱镜和所述相机同轴设置，所述壳体的一侧具有一个透光区域，所述全站仪所发出的光线适于穿过所述透光区域依次照射进入所述棱镜和所述相机。


2.根据权利要求1所述的抗振型激光标靶，其特征在于，其中所述第一预设频率是100HZ。


3.根据权利要求1所述的抗振型激光标靶，其特征在于，其中所述壳体包括一个通光孔和一个透光件，所述透光件的形状与所述通光孔的形状相适配，所述透光件安装于所述通光孔，并且所述通光孔、所述棱镜以及所述相机同轴设置。


4.一种盾构机位姿测量系统，用于测量盾构机在掘进过程中的位姿，其特征在于，包括：
如权利要求1-3中任一项所述的抗振型激光标靶，所述抗振型激光标靶安装于所述盾构机的盾体后端；
全站仪，所述全站仪安装于所述盾构机所处的隧道的侧壁，并且所述全站仪和所述抗振型激光标靶位于所述盾构机的相同一侧；
后视棱镜，所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁，并与所述全站仪在同一侧，所述全站仪位于所述抗振型激光标靶和所述后视棱镜之间；以及
控制机构，所述控制机构安装于所述盾构机的驾驶室内，并且可工作地连接于所述抗振型激光标靶和所述全站仪。


5.一种盾构机位姿测量方法，其特征在于，包括：
通过角度采集单元以大于或等于第一预设频率的频率采集盾构机的第一角度数据；
基于滤波算法对所述第一角度数据进行滤波处理，以生成第二角度数据；以及
基于所述第二角度数据和全站仪所采集的全站仪数据，确定所述盾构机的位姿。


6.根据权利要求5所述的盾构机位姿测量方法，其特征在于，其中所述基于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓日，杜文阳，赵旭晔，刘孟健，
申请(专利权)人：上海力信测量系统有限公司，力信测量上海有限公司，天津恒度量子精密仪器技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31