一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置及定位方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置及定位方法，属于非开挖技术领域，解决了现有技术中顶管导向方法无法满足小口径、大高程、长距离和大曲率的顶管工程要求、光纤陀螺惯性导航技术无法直接应用到顶管导向技术的问题。本发明专利技术包括上位机、补偿水箱和与上位机连接的里程仪、光纤惯导和静力水准仪，静力水准仪包括第一静力水准仪和第二静力水准仪，里程仪设于工作井入口处的管片上方，光纤惯导设于所述顶管掘进机的机头内，第一静力水准仪作为测量点位于顶管掘进机的机头内，第二静力水准仪作为参考点位于管片外，第一静力水准仪、第二静力水准仪和补偿水箱之间通过气管和液管连通。本发明专利技术提高了顶管掘进机姿态和轴线偏差的测量精度。和轴线偏差的测量精度。和轴线偏差的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置及定位方法


[0001]本专利技术涉及非开挖
，尤其涉及一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置及定位方法。

技术介绍

[0002]顶管导向技术在顶管施工过程中，是保证所铺设地下管线始终沿着计划线的方向铺设，以及确保顶管掘进机可以顺利推进至接收井。顶管导向的重要参数是顶管掘进机的姿态和轴线偏差，司钻人员通过这些数据准确了解顶管掘进机当前的姿态和轴线偏差，通过调整推进油缸各点推力或切削刀盘角度，最终，按照预先设计的计划线路高效并且安全的推进。
[0003]目前应用于顶管导向的方法为人工目测法、激光制导法和全站仪法。人工目测法，测量误差较大，自动化程度较低，影响施工效率和质量。因此，近年来，为了提高导向精度和自动化程度，激光制导法和全站仪法在大口径直线顶管施工中广泛应用。
[0004]激光制导法采用的测量仪器一般为激光经纬仪，该仪器可以发射出能量集中、肉眼可见的红色激光束，通过激光束在标靶上的偏移距离判断顶管轨迹是否出现偏差，在出现偏差时通过纠偏油缸进行纠偏。国内外多家公司和机构已经研发出较为成熟的激光导向系统，较好的应用在短距离直线顶管工程中，并且对系统进一步进行优化，最大长度已经达到250m，但是激光制导法只适用于直线顶管工程，且导向距离较短，在长距离顶管施工中激光光斑会发散，进而失效。
[0005]全站仪法的测量原理是导线测量原理，通过计算机控制全站仪来测量导线点的坐标，逐站传递最后得到机头坐标，求得机头偏差。该导向方法可以进行曲线顶进，可以通过增加全站仪个数提高测量距离，目前国内外全站仪导向法已经日益完善，并且在不断优化，也已经成功应用在大口径的曲线顶管工程。但多数顶管施工的管径一般不是很大，管内可操作空间极为狭小，就会造成观测条件极为不利，会给实际应用带来许多不便，降低导向效率。目前市面上的全站仪导向系统价格昂贵，甚至超过整个工程造价，而且施工过程中，需要多名全站仪技术人员，因此应用并不广泛。随着小口径、大高程、长距离和大曲率的顶管工程不断增多，传统的顶管导向方法越来越不能满足其迫切的需要。
[0006]光纤陀螺惯性导航技术具有输出信息多、可靠性高、体积小和成本低，可以引入外部辅助信息(如GPS、里程仪等)以满足长时间工作的精度要求的特点，在各类飞机、舰船、探空火箭、车辆导航定位等军民用系统中都有大量应用，并且相对成熟，多采用惯导系统/GPS/高度计的组合导航方案。但是顶管施工长时间处于地下，并无GPS信息，航空航天领域成熟应用的组合导航方法不能完全直接移植到顶管导向技术上。

技术实现思路

[0007]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置及定位方法，用以解决现有顶管导向方法无法满足要求、光纤陀螺惯性导航技术无法
直接应用到顶管导向技术的问题。
[0008]一方面，本专利技术提供了一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置，包括上位机、补偿水箱和与所述上位机连接的里程仪、光纤惯导和静力水准仪，所述静力水准仪包括第一静力水准仪和第二静力水准仪，所述里程仪设于工作井入口处的管片上方，所述光纤惯导设于所述顶管掘进机的机头内，所述第一静力水准仪作为测量点位于顶管掘进机的机头内，所述第二静力水准仪作为参考点位于管片外，所述第一静力水准仪、所述第二静力水准仪和所述补偿水箱之间通过气管和液管连通。
[0009]进一步地，所述里程仪测得单位时间内的所述管片顶进的路程增量，在导航坐标系上投影累计得到位置信息。
[0010]进一步地，通过第一静力水准仪相对于第二静力水准仪的液压变化，再根据液体密度和重力加速度求得静力水准仪的高度信息。
[0011]另一方面，本专利技术提供了一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置的定位方法，步骤包括：
[0012]步骤1：建立FOG陀螺仪和加速度计的误差模型；
[0013]步骤2：建立速度、位置、姿态参数的误差方程；
[0014]步骤3：根据所述陀螺仪和加速度计的误差模型以及速度、位置、姿态参数的误差方程确定状态变量以及状态方程；
[0015]步骤4：根据顶管更换管节静止时测量得到的零速信息和零角速信息、里程仪测量得到的位置信息、静力水准仪解算得到的高度信息以及光纤惯导解算得到的位置信息建立量测量以及量测方程；
[0016]步骤5：将卡尔曼滤波方程中的连续时间系统离散化；
[0017]步骤6：进行卡尔曼滤波方程解算，根据解算结果对陀螺、加速度计输出数据进行补偿，得到姿态和位置信息。
[0018]进一步地，所述步骤1中，陀螺误差模型为：
[0019][0020]其中，分别为x、y、z轴向陀螺理想值；分别为x、y、z轴向陀螺理想值；分别为陀螺x、y、z轴向在载体坐标系下的零偏；分别为x、y、z轴向陀螺测量值；K
gx
、K
gy
、K
gz
分别为陀螺x、y、z轴向刻度因子；δK
gx
、δK
gy
、δK
gz
分别为陀螺x、y、z轴向刻度因子误差；M
ij
为陀螺j轴向偏向i轴向的失准角。
[0021]进一步地，所述步骤1中，加速度计误差模型为：
[0022][0023]其中，分别为加速度计x、y、z轴向理想值；分别为加速度计x、y、z轴向理想值；分
别为加速度计x、y、z轴向在载体坐标系下的零偏；别为加速度计x、y、z轴向在载体坐标系下的零偏；分别为加速度计x、y、z轴向测量值；K
Ax
、K
Ay
、K
Az
分别为加速度计x、y、z轴向刻度因子；δK
Ax
、δK
Ay
、δK
Az
分别为加速度计x、y、z轴向刻度因子误差；A
ij
为加速度计j轴向偏向i轴向的失准角。
[0024]进一步地，所述步骤2中，速度误差方程为：
[0025][0026]其中，v
E
、v
N
、v
U
分别为导航计算坐标系中东向、北向、天向的速度；δv
E
、δv
N
、δv
U
分别为导航计算坐标系中东向、北向、天向的速度误差；分别为导航计算坐标系中倾角、横滚角、方位角误差；L为光纤惯导所在位置的地球纬度；δL为光纤惯导所在位置的纬度误差；h为光纤惯导所在位置的高度；ω
ie
为地球自转角速度；分别为加速度计x、y、z轴向在导航计算坐标系下的零偏；R
M
为地球子午圈主曲率半径；R
N
为地球卯酉圈主曲率半径。
[0027]进一步地，所述步骤2中，位置误差方程为：
[0028][0029]其中，L，λ，h为光纤惯导所在位置的地球纬度、经度以及深度；δL，δλ，δh为纬度误差，经度误差，高度误差。
[0030]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于组合导航系统的顶管导向定位装置，其特征在于，包括上位机(1)、补偿水箱(7)和与所述上位机(1)连接的里程仪(2)、光纤惯导(3)和静力水准仪，所述静力水准仪包括第一静力水准仪(5)和第二静力水准仪(6)，所述里程仪(2)设于工作井入口处的管片(4)上方，所述光纤惯导(3)设于所述顶管掘进机(8)的机头内，所述第一静力水准仪(5)作为测量点位于顶管掘进机(8)的机头内，所述第二静力水准仪(6)作为参考点位于管片(4)外，所述第一静力水准仪(5)、所述第二静力水准仪(6)和所述补偿水箱(7)之间通过气管和液管连通。2.根据权利要求1所述的基于组合导航系统的顶管导向定位装置，其特征在于，所述里程仪(2)测得单位时间内的所述管片(4)顶进的路程增量，在导航坐标系上投影累计得到位置信息。3.根据权利要求1所述的基于组合导航系统的顶管导向定位装置，其特征在于，通过第一静力水准仪(5)相对于第二静力水准仪(6)的液压变化，再根据液体密度和重力加速度求得静力水准仪的高度信息。4.一种根据权利要求1
‑
3任一项所述的基于组合导航系统的顶管导向定位装置的定位方法，其特征在于，步骤包括：步骤1：建立FOG陀螺仪和加速度计的误差模型；步骤2：建立速度、位置、姿态参数的误差方程；步骤3：根据所述陀螺仪和加速度计的误差模型以及速度、位置、姿态参数的误差方程确定状态变量以及状态方程；步骤4：根据顶管更换管节静止时测量得到的零速信息和零角速信息、里程仪测量得到的位置信息、静力水准仪解算得到的高度信息以及光纤惯导解算得到的位置信息建立量测量以及量测方程；步骤5：将卡尔曼滤波方程中的连续时间系统离散化；步骤6：进行卡尔曼滤波方程解算，根据解算结果对陀螺、加速度计输出数据进行补偿，得到姿态和位置信息。5.根据权利要求4所述的基于组合导航系统的顶管导向定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤1中，陀螺误差模型为：其中，分别为x、y、z轴向陀螺理想值；分别为x、y、z轴向陀螺理想值；分别为陀螺x、y、z轴向在载体坐标系下的零偏；分别为x、y、z轴向陀螺测量值；K
gx
、K
gy
、K
gz
分别为陀螺x、y、z轴向刻度因子；δK
gx
、δK
gy
、δK
gz
分别为陀螺x、y、z轴向刻度因子误差；M
ij
为陀螺j轴向偏向i轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王璐，祖雨彤，胡远彪，李平飞，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：