掘进机盾体间的位姿测量系统及位姿测量方法、掘进机技术方案

本发明专利技术公开了一种掘进机盾体间的位姿测量系统及位姿测量方法、掘进机，所述掘进机盾体间的位姿测量系统利用两个倾角传感器进行接触式测量，不需要通视测量，即使在掘进施工过程中灰尘较大的情况下也可以准确测量出前盾的位姿，并且，整个测量系统安装在油缸底座上，无需前盾留出很大的安装空间，有效地解决了小直径掘进机空间设备不足导致无法安装较大测量仪器的问题，可以很好地适用于小直径掘进机。进机。进机。

【技术实现步骤摘要】
掘进机盾体间的位姿测量系统及位姿测量方法、掘进机


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，特别地，涉及一种掘进机盾体间的位姿测量系统及位姿测量方法，另外，还特别涉及一种采用上述位姿测量系统的掘进机。

技术介绍

[0002]在隧道施工过程中，测量掘进机盾体之间的相对位置是非常重要的，特别是两节盾体通过球铰油缸连接时，前盾位置更加灵活，因为球铰是可以随意摆动的，油缸位置不固定，前盾和支撑盾的相对位置关系也是变动的，想要测量出前盾的位姿，就更加困难。目前测量掘进机盾体间的位姿主要有两种方式，第一种位姿测量系统由安装在前盾上的LED标准特征点、安装在支撑盾上的CCD测量相机、安装在隧道管片壁上的全站仪和后视棱镜以及安装在支撑盾上的激光靶等部件组成，在隧道掘进施工时，CCD测量相机通过提取LED标准特征点光斑位置的变化，并且与开始在CCD测量相机内标定的位置进行比较，从而得出支撑盾和前盾的精确位置关系，具体可参考专利CN105115499A。但是，在掘进过程中，前盾空间内灰尘很大，相机无法拍摄出清晰的图片，从而无法准确地解算出前盾坐标。而第二种位姿测量系统由安装在前盾上的感光靶、安装在支撑盾上的激光发射器、安装在隧道管片壁上的全站仪和后视棱镜以及安装在支撑盾上的激光靶等部件组成，在隧道掘进施工时，通过感光靶内置相机拍摄并处理光斑图像，得到光斑的偏移量，从而得到前盾水平和垂直移动量，得出支撑盾和前盾的精确位置关系，具体可参考专利CN109539992A。但是感光靶的安装尺寸较大，对于小直径掘进机而言内部空间本就有限，如果线路转弯半径也很小，在转弯时，感光靶等测量仪器很容易与油缸、盾体等发生干涉，从而导致无法获取光斑坐标，前盾姿态就无法测量。
[0003]因此，现有掘进机盾体间的位姿测量系统在盾体空间不足、施工过程中灰尘较大的条件下，无法准确地测量前盾的实时位姿。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种掘进机盾体间的位姿测量系统及位姿测量方法、掘进机，以解决现有掘进机盾体间的位姿测量系统在盾体空间不足、施工过程中灰尘较大的条件下，无法准确地测量前盾的实时位姿的技术问题。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种掘进机盾体间的位姿测量系统，包括门架、底板、转轴、圆钢、第一倾角传感器、第二倾角传感器和处理器，所述门架的一端固定安装在油缸后底座上、另一端悬空，所述底板通过所述转轴可转动地安装在所述门架上，所述圆钢固定安装在所述底板的底部并斜搭在油缸上，油缸在掘进过程中会发生摆动并推动所述圆钢和底板转动，所述第一倾角传感器安装在所述底板上，用于检测所述底板的俯仰角，所述第二倾角传感器安装在油缸上，用于检测油缸的俯仰角，所述处理器与第一倾角传感器、第二倾角传感器电性连接，用于基于第一倾角传感器、第二倾角传感器的检测结果计算得到油缸的方位角，并结合支撑盾的位姿信息计算得到前盾的位姿信息。
[0006]进一步地，还包括安装在所述转轴上的角度编码器，在掘进过程中采用所述角度编码器检测底板的俯仰角，在停止掘进时采用第一倾角传感器检测底板的俯仰角。
[0007]进一步地，还包括安装在所述门架和底板之间的扭力弹簧，用于施加给所述底板一个下压力，以在油缸摆动过程中使所述圆钢始终紧贴在油缸上。
[0008]进一步地，还包括安装在隧道后方管片壁上的全站仪、安装在管片上的后视棱镜、安装在支撑盾后端面上的激光靶，所述全站仪与处理器电性连接，通过全站仪可测量得到支撑盾的位姿信息。
[0009]进一步地，所述处理器先获取得到支撑盾的位姿信息，然后获取第二倾角传感器检测到的油缸的俯仰角和第一倾角传感器的安装长度，并计算得到第一倾角传感器所在位置处的上下移动量，再基于第一倾角传感器所在位置处的上下移动量和第一倾角传感器检测到的底板的俯仰角计算得到第一倾角传感器所在位置处的水平移动量，然后基于第一倾角传感器所在位置处的水平移动量和第一倾角传感器的安装长度计算得到油缸的方位角，最后基于油缸的俯仰角和方位角、支撑盾的位姿信息计算得到前盾的位置坐标。
[0010]另外，本专利技术还提供一种掘进机盾体间的位姿测量方法，采用如上所述的位姿测量系统，包括以下内容：
[0011]获取支撑盾的位姿信息；
[0012]测量底板和油缸的俯仰角；
[0013]基于底板和油缸的俯仰角计算得到油缸的方位角，并结合支撑盾的位姿信息计算得到前盾的位姿信息。
[0014]进一步地，所述基于底板和油缸的俯仰角计算得到油缸的方位角的过程具体为：
[0015]基于油缸的俯仰角和第一倾角传感器的安装长度计算得到第一倾角传感器所在位置处的上下移动量；
[0016]基于第一倾角传感器所在位置处的上下移动量和第一倾角传感器检测到的底板的俯仰角计算得到第一倾角传感器所在位置处的水平移动量；
[0017]基于第一倾角传感器所在位置处的水平移动量和第一倾角传感器的安装长度计算得到油缸的方位角。
[0018]进一步地，具体基于以下公式计算得到油缸的方位角：
[0019][0020]其中，γ表示油缸的方位角，R和r分别表示油缸后底座和油缸的半径，α表示底板的俯仰角，β表示油缸的俯仰角。
[0021]进一步地，计算得到前盾的位姿信息的过程具体为：
[0022]先基于以下公式计算得到油缸前底座的中心坐标：
[0023][0024]其中，(X，Y，Z)表示油缸前底座的中心坐标，(x，y，z)表示油缸后底座的中心坐标，L表示油缸的长度，β和γ分别表示油缸的俯仰角和方位角，φ和分别表示支撑盾的俯仰
角和方位角；
[0025]然后基于油缸前底座的中心坐标进行坐标换算得到前盾的中心坐标。
[0026]另外，本专利技术还提供一种掘进机，采用如上所述的位姿测量系统。
[0027]本专利技术具有以下效果：
[0028]本专利技术的掘进机盾体间的位姿测量系统，通过在油缸后底座上固定安装门架，在门架上通过转轴可转动地安装底板，并将安装在底板下端的圆钢斜搭在油缸上，油缸在掘进过程中发生摆动时会推动圆钢和底板围绕转轴发生转动，并通过第一倾角传感器检测底板的俯仰角、通过第二倾角传感器检测油缸的俯仰角。由于油缸的上下摆动和左右摆动均会导致第一倾角传感器的检测结果发生变化，而第二倾角传感器的检测结果则不受油缸水平摆动的影响，只受到油缸上下摆动的影响，可以准确地测量出油缸的俯仰角，从而通过将油缸的摆动分解为上下摆动和左右摆动，并结合第一倾角传感器和第二倾角传感器的检测结果进行求解，可以计算得到油缸的方位角。最后，基于油缸的俯仰角和方位角、支撑盾的位姿信息即可计算得到前盾的位姿信息。本专利技术的掘进机盾体间的位姿测量系统，利用两个倾角传感器进行接触式测量，不需要通视测量，即使在掘进施工过程中灰尘较大的情况下也可以准确测量出前盾的位姿，并且，整个测量系统安装在油缸底座上，无需前盾留出很大的安装空间，有效地解决了小直径掘进机空间设备不足导致无法安装较大测量仪器的问题，可以很好地适用于小直径掘进机。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掘进机盾体间的位姿测量系统，其特征在于，包括门架(1)、底板(2)、转轴(3)、圆钢(4)、第一倾角传感器(5)、第二倾角传感器(6)和处理器，所述门架(1)的一端固定安装在油缸后底座(100)上、另一端悬空，所述底板(2)通过所述转轴(3)可转动地安装在所述门架(1)上，所述圆钢(4)固定安装在所述底板(2)的底部并斜搭在油缸(200)上，油缸(200)在掘进过程中会发生摆动并推动所述圆钢(4)和底板(2)转动，所述第一倾角传感器(5)安装在所述底板(2)上，用于检测所述底板(2)的俯仰角，所述第二倾角传感器(6)安装在油缸(200)上，用于检测油缸(200)的俯仰角，所述处理器与第一倾角传感器(5)、第二倾角传感器(6)电性连接，用于基于第一倾角传感器(5)、第二倾角传感器(6)的检测结果计算得到油缸(200)的方位角，并结合支撑盾(500)的位姿信息计算得到前盾(400)的位姿信息。2.如权利要求1所述的掘进机盾体间的位姿测量系统，其特征在于，还包括安装在所述转轴(3)上的角度编码器(7)，在掘进过程中采用所述角度编码器(7)检测底板(2)的俯仰角，在停止掘进时采用第一倾角传感器(5)检测底板(2)的俯仰角。3.如权利要求1所述的掘进机盾体间的位姿测量系统，其特征在于，还包括安装在所述门架(1)和底板(2)之间的扭力弹簧(8)，用于施加给所述底板(2)一个下压力，以在油缸(200)摆动过程中使所述圆钢(4)始终紧贴在油缸(200)上。4.如权利要求1所述的掘进机盾体间的位姿测量系统，其特征在于，还包括安装在隧道后方管片壁上的全站仪(9)、安装在管片上的后视棱镜(10)、安装在支撑盾(500)后端面上的激光靶(11)，所述全站仪(9)与处理器电性连接，通过全站仪(9)可测量得到支撑盾(500)的位姿信息。5.如权利要求4所述的掘进机盾体间的位姿测量系统，其特征在于，所述处理器先获取得到支撑盾(500)的位姿信息，然后获取第二倾角传感器(6)检测到的油缸(200)的俯仰角和第一倾角传感器(5)的安装长度，并计算得到第一倾角传感器(5)所在位置处的上下移动量，再基于第一倾角传感器(5)所在位置处的上下移动量和第一倾角传感器(5)检测到的底板(2)的俯仰角计算得到第一倾角...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宗华，彭红军，贺泊宁，吴伟进，王宁，吴宇辉，聂哲俊，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团股份有限公司，
类型：发明
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