一种用于隧道工程精准导向的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于隧道工程精准导向的系统和方法，该导向系统和方法用于隧道工程的掘进设备，包括惯性测量装置、位移传感器、工控机和上位机；惯性测量装置包括惯性测量组件、导轨和驱动机构，惯性测量组件与导轨滑动配合，驱动机构与惯性测量组件驱动连接，驱动机构用于驱动惯性测量组件沿导轨匀速往复运动；导轨平行于掘进设备的中心轴线，惯性测量组件包括光纤陀螺仪和加速度计；惯性测量组件和位移传感器均与工控机连接，工控机与上位机连接。本发明专利技术的方法有利于对隧道内掘进设备的轨迹进行精准测量和定位，测量步骤简单、通用性强，提高导向的精准性和提升施工质量。本发明专利技术的导向系统达到测量数据精准、适用性强的目的。的。的。

【技术实现步骤摘要】
一种用于隧道工程精准导向的系统和方法


[0001]本专利技术涉及地下隧道工程施工掘进设备导向
，尤其涉及一种用于隧道工程精准导向的系统和方法。

技术介绍

[0002]随着地下空间的开发，隧道工程的建设越来越多，其中导向测量和姿态控制一直是隧道工程施工中的技术关键点。精准导向和精细化姿态控制，减少隧道掘进机顶进中的纠偏量，有利于减小施工对土体扰动，减小地面沉降和对周边环境的影响，利于掘进机以设计姿态顺利贯通，保证施工质量。
[0003]目前，隧道工程中顶管机导向技术主要包括光学导向和陀螺导向技术。光学导向方法多数是以激光测量为基础，再根据不同的施工类型和实际应用环境来融合其他测量技术。例如，短距离的直线顶管施工，只需依靠激光经纬仪测量即可达到导向目的，操作简单，数据获取容易且直观易懂，实时反馈测量结果，对操作人员技能要求不高。随着顶进距离越长或者曲线顶管施工，激光经纬仪测量导向技术不再适用，需采用全站仪进行测量导向。但是全站仪测量范围有限及视线易被遮挡，无法测量顶进里程和绝对坐标值，测量精度低，曲线施工时需间隔设置棱镜及人工频繁复测，以至于导向精度不高，通用性差。因此，地下工程测量逐渐引进光纤陀螺导向技术。
[0004]相比于光学导向技术，光纤陀螺导向技术有着较大的优势。其设备简单，质量轻、体积小，成本低、测量精度极高，数据自动连续采集，无需设置棱镜和减少人工进入隧道复测频率，且测量不受地形、施工环境(如隧道内雾气重容易干扰激光的通视性从而影响测量精度)等限制，不受电磁干扰，故可为顶管机在长距离、曲线、小尺寸管幕施工等场景下的提供精确导向和姿态控制。
[0005]申请号为CN2016107011142.X，名称为一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统及其方法的专利申请。采用三轴光纤陀螺仪作为检测单元，PLC控制器作为控制核心，实时采集顶管机三维坐标，将实时三维坐标与控制目标坐标进行比较得出机头轴线偏差。通过预先设置的模糊控制规则表查询纠偏油缸量的模糊值并相应的改变顶管机的机头姿态，进行自动纠偏。
[0006]申请号为CN202011495358.8，名称为采用光纤陀螺仪和静力水准仪用于盾构掘进机导向的系统和方法的专利申请。提供光纤陀螺仪并安装在掘进机上，提供加速度计并靠近光纤陀螺仪安装在掘进机上，提供静力水准仪并靠近光纤陀螺仪安装在掘进机上。利用光纤陀螺仪直接获取掘进机的空间姿态数据，通过精力水准仪获取掘进机的水平落差数据，通过加速度计获取掘进机的速度数据。通过三者数据计算得到掘进机的实际掘进路径，再将实际掘进路径与设计路径计算得出掘进机的推进路线以实现掘进机的导向。
[0007]光纤陀螺仪是一种高精密仪器，采样时间越长，零偏稳定性数值越好。目前地下隧道工程中的掘进机顶进速度较慢，其顶进速率不在光纤陀螺仪可感应的速率范围，且实际工程中由于不可控因素会导致掘进机停机时间较长，存在光纤陀螺仪读取的数据离散较
大、误差大、精度无法保证的情况。此外，加速度计有确切输出的最小加速度输入量，即光纤陀螺仪能感应的最小输入速率，由于既有技术中掘进机顶进速度较慢无法被光纤陀螺仪感应，从而加速度计不能读取到掘进机掘进的真实数据。综上，现有技术中通过将光纤陀螺仪直接装在掘进机上获取数据的导向方法及原理基本类似，但是针对掘进机顶进速度较慢或不可控因素会导致掘进机停机时间较长的情况，光纤陀螺仪无法准确获得掘进机实际的空间姿态数据和实际掘进路线，从而不能达到精确导向的目的。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提出一种用于隧道工程精准导向的方法，有利于对隧道内掘进设备的轨迹进行精准测量和导向，测量步骤简单、通用性强，提高导向的精准性和提升施工质量。
[0009]本专利技术的目的在于提出一种用于隧道工程精准导向的系统，采用上述的导向方法，达到测量数据精准、适用性强的特点。
[0010]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]一种用于隧道工程精准导向的方法，该方法用于隧道工程的掘进设备，包括惯性测量装置、位移传感器、工控机和上位机；
[0012]所述惯性测量装置包括惯性测量组件、导轨和驱动机构，所述惯性测量组件与所述导轨滑动配合，所述驱动机构与所述惯性测量组件驱动连接，所述驱动机构用于驱动所述惯性测量组件沿所述导轨匀速往复运动；所述导轨平行于掘进设备的中心轴线，所述惯性测量组件包括光纤陀螺仪和加速度计；
[0013]所述惯性测量组件和所述位移传感器均与所述工控机连接，所述工控机与所述上位机连接；
[0014]该方法包括以下步骤：
[0015]S0、所述掘进设备始发前，完成惯性测量装置的调试；
[0016]S1、在所述上位机生成预设三维轨迹曲线F(x，y，z)＝0及其投影曲线F1(x，0，z)＝0和F2(x，y，0)＝0；所述工控机获取惯性测量装置的初始数据；
[0017]S2、所述掘进设备始发后，所述惯性测量组件在驱动机构的驱动下沿所述导轨匀速往复运动所述惯性测量组件在运动过程中向所述工控机发送数据信号：角速度信号ω0(ω
x0
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)和加速度信号a0(a
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)；
[0018]S3、当所述工控机根据所述位移传感器的信号获得所述掘进设备推进ΔL时,所述工控机根据获得的角速度信号和加速度信号，得出所述掘进设备的姿态角ψ
i
(α
i
，β
i
，γ
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)和在被测点A
i
大地坐标系OXYZ下的三维坐标(X
i
，Y
i
，Z
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)并发送至所述上位机；
[0019]S4、所述上位机根据掘进设备的姿态角和在大地坐标系下的三维坐标与预设三维轨迹曲线的参数进行比较，得出掘进设备的实测轨迹偏差量；
[0020]S5、重复步骤S2
‑
S4，所述掘进设备推进多个ΔL时，所述上位机生成所述掘进设备的实时轨迹曲线，并将所述实时轨迹曲线f(x，y，z)＝0与预设三维轨迹曲线F(x，y，z)＝0进行对比，所述上位机对所述掘进设备的姿态进行导向和纠偏控制。
[0021]进一步的，所述步骤S3中，所述工控机对所述惯性测量组件发送的数据信号进行剔除趋势项，所述工控机将所述惯性测量组件发送的信号数据连成曲线得到导轨随掘进设
备前进的运动姿态曲线；
[0022]然后所述掘进设备推进ΔL的位移间隔内，取导轨运动曲线的最前端或最末端的点的角速度信号ω
i
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)和加速度信号a
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)，并转化为所述掘进设备的姿态角ψ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于隧道工程精准导向方法，其特征在于，该方法用于隧道工程的掘进设备，包括惯性测量装置、位移传感器、工控机和上位机；所述惯性测量装置包括惯性测量组件、导轨和驱动机构，所述惯性测量组件与所述导轨滑动配合，所述驱动机构与所述惯性测量组件驱动连接，所述驱动机构用于驱动所述惯性测量组件沿所述导轨匀速往复运动；所述导轨平行于掘进设备的中心轴线，所述惯性测量组件包括光纤陀螺仪和加速度计；所述惯性测量组件和所述位移传感器均与所述工控机连接，所述工控机与所述上位机连接；该方法包括以下步骤：S0、所述掘进设备始发前，完成惯性测量装置的调试；S1、在所述上位机生成预设三维轨迹曲线F(x，y，z)＝0及其投影曲线F1(x，0，z)＝0和F2(x，y，0)＝0；所述工控机获取惯性测量装置的初始数据；S2、所述掘进设备始发后，所述惯性测量组件在驱动机构的驱动下沿所述导轨匀速往复运动，所述惯性测量组件在运动过程中向所述工控机发送数据信号：角速度信号ω0(ω
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)和加速度信号a0(a
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)；S3、当所述工控机根据所述位移传感器的信号获得所述掘进设备推进ΔL时,所述工控机根据获得的角速度信号和加速度信号，得出所述掘进设备的姿态角ψ
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)和在被测点A
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大地坐标系OXYZ下的三维坐标(X
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)并发送至所述上位机；S4、所述上位机根据掘进设备的姿态角和在大地坐标系下的三维坐标与预设三维轨迹曲线的参数进行比较，得出实测轨迹偏差量；S5、重复步骤S2
‑
S4，所述掘进设备推进多个ΔL时，所述上位机生成所述掘进设备的实时轨迹曲线，并将所述实时轨迹曲线f(x，y，z)＝0与预设三维轨迹曲线F(x，y，z)＝0进行对比，所述上位机对所述掘进设备的姿态进行导向和纠偏控制。2.根据权利要求1所述的用于隧道工程精准导向方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述工控机对所述惯性测量组件发送的数据信号进行剔除趋势项，所述工控机将所述惯性测量组件发送的信号数据连成曲线得到导轨随掘进设备前进的运动姿态曲线；然后所述掘进设备推进ΔL的位移间隔内，取导轨运动曲线的最前端或最末端的点的角速度信号ω
i
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)和加速度信号a
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)，并转化为所述掘进设备的实测姿态角ψ
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(α
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)和被测点A
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在大地坐标系OXYZ下的三维坐标(X
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)。3.根据权利要求2所述的用于隧道工程精准导向方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述惯性测量组件位于所述导轨首端和/或尾端时，分别向所述工控机发送一组数据信号，即角速度信号ω0(ω
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)和加速度信号a0(a
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)；所述步骤S3中，所述工控机对所述惯性测量组件位于所述导轨首端或尾端时的信号数据进行剔除趋势项，所述工控机将所述惯性测量组件位于所述导轨首端或尾端时的信号数据连成曲线得到导轨随掘进设备前进的运动姿态曲线。4.根据权利要求1所述的用于隧道工程精准导向方法，其特征在于，所述步骤S1中，在所述上位机输入所述掘进设备在大地坐标系OXYZ下的初始点C(X0，Y0，Z0)、初始二维切向量υ0(m0，n0)、μ0(m0，k0)，以及在相对坐标系Oxyz下的预设三维轨迹曲线F(x，y，z)＝0的参数、轨迹偏差允许值；生成预设三维轨迹曲线F(x，y，z)＝0及其投影曲线F1(x，0，z)＝0和F2(x，
y，0)＝0。5.根据权利要求4所述的用于隧道工程精准导向方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述上位机将被测点A
i
在大地坐标系OXYZ下...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雪华，陈湘生，
申请(专利权)人：广州金土岩土工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：