本发明专利技术公开了一种曲线顶管导向测量的空间姿态算法及其激光靶链，涉及曲线顶管技术领域，包括顶管机；始发井；设置于顶管机的光点识别和角度信息采集模块和全自动安平基座；安装在始发井内的激光测距仪、步进电机和全自动安平基座；安装在管节中的测站，测站包括光点识别和角度信息采集模块、激光测距仪、步进电机、全自动安平基座。该曲线顶管导向测量的空间姿态算法及其激光靶链，在每次推算顶管机的坐标都不会受到上一次推算结果的影响，不会产生累积误差，使得测算数据更加精确，解决了各种直径的长距离曲线顶管导向测量的要求，在施工前根据路线图估算了需要安装的测站的数目，降低了成本。了成本。了成本。
【技术实现步骤摘要】
曲线顶管导向测量的空间姿态算法及其激光靶链
[0001]本专利技术涉及曲线顶管
，具体为曲线顶管导向测量的空间姿态算法及其激光靶链。
技术介绍
[0002]非开挖技术(Trenchless Technology)是指在地表不开挖或少开挖的条件下，利用盾构法、顶管法、定向钻进等技术进行各类地下管线或空间的建设、更新、修复的一种新型施工技术。由于非开挖技术施工往往在地下几米到几十米深度进行，因此该技术施工时对地面交通无阻碍，对地表的建筑，植被等无破坏性影响，同时也不会影响施工沿线医院、学校等各类民用设施及居民的日常工作与生活秩序，较好的解决了以往开挖技术对施工沿线居民生产与社会活动的干扰，对施工沿线周边建筑物基础的破坏大大降低，具有较高的社会经济效益。
[0003]顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推进到接收井内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。
[0004]顶管导向测量系统的基本任务是在顶管掘进施工全过程中进行导向测量，引导顶管机按照隧道设计轴线进行掘进，在实际施工过程中顶管机往往会在刀盘受力不均、推力不均、注浆不均等复杂因素影响下，机头发生偏斜，导致实际顶进轨迹和预设轨迹间存在偏差，造成施工事故危及人身安全或造成严重的经济损失。为了保证各项开挖面能正确贯通且符合设计要求，就必须随着顶管施工掘进实时测量顶管机的掘进姿态。
[0005]顶管导向系统主要分为陀螺仪导向测量系统、棱镜式导向测量系统、激光靶式导向测量系统三大类，其中大多基于全站仪来开发的，造价十分昂贵。基于激光经纬仪或其他摄像器材的顶管导向测量系统，由于顶管机自身安装空间受限，工作环境恶劣、普遍精度不高，经常需要人工测量、校核，两种方法的成本均较高，在施工装备成本中占比较高；鉴于此，我们提出了一种曲线顶管导向测量的空间姿态算法及其激光靶链。
技术实现思路
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种曲线顶管导向测量的空间姿态算法及其激光靶链，解决了上述
技术介绍
提到的问题。
[0007]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：曲线顶管导向测量的激光靶链，包括：
[0008]顶管机；
[0009]始发井；
[0010]设置于顶管机的光点识别和角度信息采集模块和全自动安平基座；
[0011]安装在始发井内的激光测距仪、步进电机和全自动安平基座；
[0012]安装在管节中的测站，测站包括光点识别和角度信息采集模块、激光测距仪、步进电机、全自动安平基座。
[0013]可选的，所述光点识别和角度信息采集模块内部都具有激光靶、倾角传感器和OpenMV机器视觉模块。
[0014]可选的，所述光点识别和角度信息采集模块放置在全自动安平基座上方的标准基座上，将光点识别和角度信息采集模块的坐标当作顶管机和测站的坐标。
[0015]可选的，所述测站中的光点识别和角度信息采集模块放置在全自动安平基座上方的标准基座上，激光测距仪固定在步进电机上方并放置在全自动安平基座上方的标准基座上，所述激光测距仪紧靠在光点识别和角度信息采集模块后方。
[0016]可选的，所述的光点识别和角度信息采集模块和激光测距仪都置于管节中心轴线处。
[0017]曲线顶管导向测量激光靶链的空间姿态算法，包括以下步骤：
[0018]S1、将始发井内的激光测距仪的位置设为初始坐标；
[0019]S2、适当管节处添加测站，构建激光靶链；
[0020]S3、设与始发井相邻的测站为一号测站，根据一号测站与始发井内激光测距仪之间的角度偏移量和距离计算出第一个测站的坐标；
[0021]S4、根据一号测站与二号测站之间的角度偏移量和距离推算出二号测站的坐标，并继续计算后续测站的坐标；
[0022]S5、自初始坐标开始，重复步骤S3
‑
S4直至计算出最后一个测站的坐标，并根据最后一个测站与设置于顶管机的光点识别和角度信息采集模块之间的角度偏移量和距离计算出顶管机的坐标；
[0023]S6、不断推进并增加新的管节，重复步骤S2
‑
S5，以更新顶管机坐标。
[0024]可选的，所述步骤S3中推算一号测站坐标的方法为：
[0025]x1＝x0+L1*cosα1*sinβ1
[0026]y1＝y0+L1*sinα1
[0027]z1＝z0+L1*cosα1*cosβ1
[0028]其中，L1为始发井内激光测距仪测得的距离，α1为一号测站中的光点识别和角度信息采集模块内的倾角传感器测得的俯仰角，β1为激光测距仪发射的激光与顶管机初始顶进方向在水平面上的夹角，x0、y0、z0分别表示为激光测距仪的坐标，x1、y1、z1分别表示为一号测站的坐标。
[0029]可选的，所述步骤S4中推算二号测站坐标的方法为：
[0030]x2＝x1+L2*cosα2*sinβ2
[0031]y2＝y1+L2*sinα2
[0032]z2＝z1+L2*cosα2*cosβ2
[0033]其中，L2为一号测站内激光测距仪测得的距离，α2为二号测站中的光点识别和角度信息采集模块内的倾角传感器测得的俯仰角，β2为一号测站中激光测距仪发射的激光与顶管机初始顶进方向在水平面上的夹角，x1、y1、z1分别表示为测站的坐标，x2、y2、z2分别表示为二号测站的坐标。
[0034]可选的，所述步骤S5中推算顶管机坐标的方法为：
[0035]x3＝x2+L3*cosα3*sinβ3
[0036]y3＝y2+L3*sinα3
[0037]z3＝z2+L3*cosα3*cosβ3
[0038]其中，L3为二号测站内激光测距仪测得的距离，α3为顶管机中的光点识别和角度信息采集模块内的倾角传感器测得的俯仰角，β3为二号测站中激光测距仪发射的激光与顶管机初始顶进方向在水平面上的夹角，x2、y2、z2分别表示为二号测站的坐标，x3、y3、z3分别表示为顶管机的坐标。
[0039]可选的，当有n个测站时，邻近始发井处的测站记为一号测站，邻近顶管机的测站记为n号测站，始发井内激光测距仪坐标表示为：
[0040][0041]坐标变化量表示为：
[0042][0043]顶管机坐标表示为：
[0044][0045]则顶管机实时坐标表示方法为：
[0046][0047]其中，L1为始发井内激光测距仪测得的距离，往后推算，L
n+1
为第n号测站内激光测距仪测得的距离；
[0048]同理，α1为一号测站中的光点识别和角度信息采集模块内的倾角传感器测得的俯仰角，β1为始发本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.曲线顶管导向测量激光靶链，其特征在于：包括：顶管机(1)；始发井(7)；设置于顶管机(1)的光点识别和角度信息采集模块(2)和全自动安平基座(3)；安装在始发井(7)内的激光测距仪(4)、步进电机(5)和全自动安平基座(3)；安装在管节中的测站(6)，测站(6)包括光点识别和角度信息采集模块(2)、激光测距仪(4)、步进电机(5)、全自动安平基座(3)。2.根据权利要求1所述的曲线顶管导向测量激光靶链，其特征在于：所述光点识别和角度信息采集模块(2)内部都具有激光靶(21)、倾角传感器(22)和OpenMV机器视觉模块(23)。3.根据权利要求1所述的曲线顶管导向测量激光靶链，其特征在于：所述光点识别和角度信息采集模块(2)放置在全自动安平基座(3)上方的标准基座上，将光点识别和角度信息采集模块(2)的坐标当作顶管机(1)和测站(6)的坐标。4.根据权利要求1所述的曲线顶管导向测量激光靶链，其特征在于：所述测站(6)中的光点识别和角度信息采集模块(2)放置在全自动安平基座(3)上方的标准基座上，激光测距仪(4)固定在步进电机(5)上方并放置在全自动安平基座(3)上方的标准基座上，所述激光测距仪(4)紧靠在光点识别和角度信息采集模块(2)后方。5.根据权利要求1所述的曲线顶管导向测量激光靶链，其特征在于：所述的光点识别和角度信息采集模块(2)和激光测距仪(4)都置于管节中心轴线处。6.一种如权利要求1
‑
5任意一项所述的曲线顶管导向测量激光靶链的空间姿态算法，其特征在于：包括以下步骤：S1、将始发井内的激光测距仪(4)的位置设为初始坐标；S2、适当管节处添加测站(6)，构建激光靶链；S3、设与始发井相邻的测站为一号测站，根据一号测站与始发井内激光测距仪之间的角度偏移量和距离计算出第一个测站的坐标；S4、根据一号测站与二号测站之间的角度偏移量和距离推算出二号测站的坐标，并继续计算后续测站的坐标；S5、自初始坐标开始，重复步骤S3
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S4直至计算出最后一个测站的坐标，并根据最后一个测站与设置于顶管机(1)的光点识别和角度信息采集模块(2)之间的角度偏移量和距离计算出顶管机(1)的坐标；S6、不断推进并增加新的管节，重复步骤S2
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S5，以更新顶管机坐标。7.根据权利要求6所述的曲线顶管导向测量激光靶链的空间姿态算法，其特征在于：所述步骤S3中推算一号测站坐标的方法为：x1＝x0+L1*cosα1*sinβ1y1＝y0+L1*sinα1z1＝z0+L1*cosα1*cosβ1其中，L1为始发井(7)内激光测距仪(4)测得的距离，α1为一号测站中...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟华，牛俊，杨灿，丁煦，吕庆洲，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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