基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法与流程
本发明涉及隧道工程技术领域，特指一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法。
背景技术：
顶管导向随着顶管施工的发展，由人工导向过度到了自动导向，目前世界范围来讲通用性最好、最成熟的顶管导向系统，就是德国vmt公司开发的型号为sls-rv的顶管导向系统。sls-rv导向系统利用安装在移动的管节壁上的带隧道激光发射器自动全站仪发出的激光对顶管机的掘进提供稳定的基准，而自动全站仪的定位通过倾斜仪、参考棱镜和距离传感器实现，但由于顶管的施工工艺，因此对于长距离顶进的顶管施工必须必须定期校核，一般100m一次。
目前在国内使用较多的顶管导向系统主要有以下两种，这两种都应用了激光测量装置，激光测量装置是当前顶管施工中应用最普遍的姿态测量装置。
第一种为中国在先专利(申请号为03229232.5，发明创造名称为微型顶管机的机头姿态激光测量装置)公开的一种激光测量装置，如图1所示，主要由激光光源1a、光靶2a、测量环3a、摄像机4a、计算机5a、倾斜仪6a组成，光靶2a设置在测量环3a上，摄像机4a朝光靶2a方向设置，辅以适当的照明，倾斜仪6a固定于微型顶管机机头中，其信号经过微型顶管机机头内plc可编程控制器送到控制台的计算机5a，摄像机4a的信号直接送到计算机5a。控制台上能够监视光点的位置，并通过计算机5a取得顶管机同推进轴线的偏差以及相关施工参数。
第二种为伊势机公司中小口径泥水平衡顶管机tcz，tcs所配备的rsg反射型方向诱导装置，如图2所示，也是一种应用激光技术的姿态测量装置，它包括激光光源1b、摄像机2b、光靶二3b、光靶一4b、反射镜5b、计算机6b。它由两块光靶组成，光靶一显示的是实际偏差值，光靶二是反射光靶，激光透过光靶一射向前方的反射镜，然后反射到光靶二上，根据两点成直线的原理，rsg反射型方向诱导装置在得到实际偏差的同时也可以实时得到顶管机机头的水平方位角和俯仰角。
但是，针对顶管法施工左右双线隧道间连接的联络通道的工况，由于顶管机的后靠设置在隧道的管片上，在顶管机掘进施工时，该后靠位置处的管片的稳定性差，无法保证安装在该后靠位置处的观察台的稳定性，从而影响测量的准确性；另外，在顶进施工中，顶管空间狭小，由于运输等施工工序会造成目标遮挡的情况，使得现有上述两种测量装置均难以适用。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法，解决现有的联络通道的狭小空间施工中观测台的稳定性差造成的测量准确性低及施工中目标遮挡而导致常用的测量装置难以适用的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向方法，包括如下步骤：
提供一导向靶，所述导向靶包括光纤陀螺和双轴传感器，且所述光纤陀螺的敏感轴与所述双轴传感器的坡度轴平行设置，将所述导向靶安装于顶管机的机头内；
在导向靶上选定一原点并以所述敏感轴所在的直线为轴建立导向靶坐标系；
在顶管机掘进施工前对所述导向靶进行初始标定，并获取初始标定状态下的顶管机机头中心和尾部中心在所述导向靶坐标系中对应的坐标值，分别为机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，同时获取初始标定状态下所述光纤陀螺的方位角修正值；
在顶管机掘进施工的过程中，通过所述光纤陀螺获取对应当前位置的导向靶的方位角，通过所述双轴传感器获取对应当前位置的导向靶的坡度角和导向靶的滚角；以及
利用所述的机头中心局部坐标值、尾部中心局部坐标值、导向靶的方位角、方位角修正值、导向靶的坡度角以及导向靶的滚角，计算得出对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，从而获得了顶管机的姿态，利用所获得的顶管机的姿态对顶管机的施工进行导向。
本发明采用光纤陀螺和双轴传感器组成导向靶，从而将该导向靶安装于顶管机的机头内，来实现狭小的联络通道施工空间内的导向，利用光纤陀螺获得导向靶在施工坐标系统中的方位角，利用双轴传感器获得导向靶的坡度角和滚角，结合施工掘进前精确的初始标定得到的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，进而无需全站仪的观测即可解算出机头和尾部中心的施工三维坐标，获得了顶管机的姿态信息，实现对顶管机的导向。在无需全站仪观测的情形下即可得到顶管机的姿态信息，从而解决了观测台(用于安装全站仪的平台)的稳定性差造成的测量准确性低的问题，也解决了施工中目标遮挡的问题。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，对所述导向靶进行初始标定，包括：
提供一目标棱镜，将所述目标棱镜的中心对应于所述导向靶的原点而安装于所述导向靶上；
于所述顶管机的后靠架上安装一与所述目标棱镜相对应的全站仪，通过所述全站仪观测所述目标棱镜进而获得初始标定状态下所述目标棱镜的坐标值和所述导向靶的实际方位角；
利用初始标定状态下所述导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得初始标定状态下的所述光线陀螺的方位角修正值；
利用经修正的导向靶方位角和目标棱镜的坐标值，并结合实测的初始标定状态下的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标、导向靶的坡度角及导向靶的滚角，计算得到初始标定状态下机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，计算对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，包括：
获取当前位置的导向靶的原点的坐标值；
结合所述的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值并利用公式一求解出机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，所述公式一为：
公式一中：(x′，y′，z′)在计算机头中心施工坐标时为初始标定状态下的机头中心局部坐标值，在计算尾部中心施工坐标时为初始标定状态下的尾部中心局部坐标值；(x″，y″，z″)在计算机头中心施工坐标时为机头中心施工坐标，在计算尾部中心施工坐标时为尾部中心施工坐标；(xd，yd，zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值；α靶为经修正的导向靶的方位角，β靶为导向靶的坡度角，φ后为当前位置所对应的导向靶的滚角。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，还包括利用所述目标棱镜和所述全站仪对所述导向靶进行定期标定，包括：
依据设定时间通过所述全站仪观测所述目标棱镜及所述导向靶撒花姑娘的特征点，获得当前标定状态下导向靶的实际方位角和目标棱镜的坐标值；
利用当前标定状态下导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得当前标定状态下的所述光纤陀螺的方位角修正值；
利用当前标定状态下的导向靶的实际方位角、光纤陀螺的方位角修正值和目标棱镜的坐标值，计算当前标定状态至下一次标定之间的机构中心施工坐标和尾部中心施工坐标。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，还包括获取当前位置的导向靶的原点的坐标值，包括：
通过所述全站仪观测所述目标棱镜进而获得所述目标棱镜的坐标值；或者
利用公式三求解所述导向靶的原点的坐标值，所述公式三为：
xd＝x0+l*cos(α光+δ修)+b*(sinφ后-sinφ前)*cos(α光+δ修+π/2)
yd＝y0+l*sin(α光+δ修)+b*(sinφ后-sinφ前)*sin(α光+δ修+π/2)
zd＝z0+l*tan(β靶)+b*(cosφ后-cosφ前)
公式三中，(xd，yd，zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值，(x0，y0，z0)为初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值；β靶为导向靶在当前位置距初始标定状态之间的时间内采集的坡度角的均值，α光光纤陀螺输出的导向靶的方位角均值，δ修＝α靶-α光为方位角修正值，其中α靶为导向靶的实际方位角，φ前为初始标定状态的时间对应的滚角值；φ后为当前位置的时间对应的滚角值，l为当前位置距初始标定状态之间的时间内的行程，b为导向靶的原点距顶管机的横向中心轴的距离。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，还包括：
于所述全站仪的附近远离顶管机的作用力影响范围的隧道管片上安装两个基准棱镜；
于所述隧道管片上靠近所述顶管机的位置处并位于所述顶管机的作用力影响范围内安装多个监测棱镜；
利用所述全站仪观测所述基准棱镜以进行自身的定位；
利用所述全站仪观测所述监测棱镜以监测隧道管片的变形情况。
本发明还提供了一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统，包括：
安装于顶管机的机头内的导向靶，所述导向靶包括光纤陀螺和双轴传感器，所述光纤陀螺的敏感轴与所述双轴传感器的坡度轴平行设置；
存储单元，用于存储顶管机掘进施工前初始标定状态下的顶管机机头中心和尾部中心在所建立的导向靶坐标系中对应的坐标值，分别为机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，还存储有初始标定状态下所述光纤陀螺的方位角修正值；所建立的导向靶坐标系以导向靶上选定一原点并以所述敏感轴所在的直线为轴建立的导向靶坐标系；
与所述导向靶连接的采集单元，用于获取所述光纤陀螺测量得到的对应当前位置的导向靶的方位角，还用于获取所述双轴传感器测量得到的对应当前位置的导向靶的坡度角和导向靶的滚角；以及
与所述存储单元和所述采集单元均连接的处理单元，用于利用所述的机头中心局部坐标值、尾部中心局部坐标值、导向靶的方位角、方位角修正值、导向靶的坡度角以及导向靶的滚角，计算得出对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，从而获得了顶管机的姿态，并利用所获得的顶管机的姿态对顶管机的施工进行导向。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向系统的进一步改进在于，还包括安装于所述导向靶上的目标棱镜和安装于所述顶管机的后靠架上并与所述目标棱镜相对应的全站仪；
所述目标棱镜的中心对应于所述导向靶的原点设置；
所述全站仪与所述处理单元连接，用于对所述导向靶进行初始标定；所述全站仪观测所述目标棱镜进而获得初始标定状态下所述目标棱镜的坐标值和所述导向靶的实际方位角并发送给所述处理单元；
所述处理单元利用初始标定状态下所述导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得初始标定状态下的所述光纤陀螺的方位角修正值，并发送给所述存储单元进行存储；
所述处理单元利用经修正的导向靶方位角和目标棱镜的坐标值，并结合实测的初始标定状态下的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标、导向靶的坡度角及导向靶的滚角，计算得到初始标定状态下机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，并发送给所述存储单元进行存储。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向系统的进一步改进在于，所述存储单元包括公式模块，所述公式模块内存储有公式一，所述公式一为：
公式一中：(x′，y′，z′)在计算机头中心施工坐标时为初始标定状态下的机头中心局部坐标值，在计算尾部中心施工坐标时为初始标定状态下的尾部中心局部坐标值；(x″，y″，z″)在计算机头中心施工坐标时为机头中心施工坐标，在计算尾部中心施工坐标时为尾部中心施工坐标；(xd，yd，zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值；α靶为经修正的导向靶的方位角，β靶为导向靶的坡度角，φ后为当前位置所对应的导向靶的滚角；
所述处理单元读取所述公式一，并结合获取的当前位置的导向靶的原点坐标值，求解出机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标。
本发明基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向系统的进一步改进在于，所述全站仪还用于对所述导向靶进行定期标定，包括：
所述全站仪依据设定时间观测所述目标棱镜及所述导向靶上的特征点以获得当前标定状态下导向靶的实际方位角和目标棱镜的坐标值，并发送给所述处理单元；
所述处理单元利用当前标定状态下导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得当前标定状态下的所述光纤陀螺的方位角修正值，并发送给所述存储单元进行存储；
所述处理单元利用当前标定状态下的导向靶的实际方位角、光纤陀螺的方位角修正值和目标棱镜的坐标值，计算当前标定状态至下一次标定之间的机头施工坐标和尾部中心施工坐标。
附图说明
图1为现有技术中的一种激光测量装置的结构示意图。
图2为现有技术中的另一种激光姿态测量装置的结构示意图。
图3为本发明基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统用于联络通道的顶管机的结构示意图。
图4为本发明基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统中导向靶的结构示意图。
图5为本发明基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统顶管机和导向靶的俯视图。
图6为本发明基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统顶管机和导向靶的后视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法，将导向靶安装于顶管机机头内，并在施工掘进前精确标定出机头中心和尾部中心在导向靶坐标系中的局部坐标、导向靶的在施工坐标系中的方位角(并求解光纤陀螺方位换算成施工方位的换算常数)、导向靶坐标系的原点在施工坐标系中的方位角，从而在掘进施工时，无需全站仪的测站观测，即可通过导向靶采集的方位角、坡度角以及滚角实时计算出实际施工三维坐标，并解算出机头和尾部中心的施工三维坐标，从而获取了顶管机的姿态信息，对顶管机的施工进行导向。本发明的导向系统及方法解决了现有的激光检测装置无法解决观测台的不规则变化造成的测量准确性问题和施工中目标遮挡的问题。下面结合附图对本发明基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法进行说明。
参阅图3，显示了本发明基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统用于联络通道的顶管机的结构示意图。下面结合图3，对本发明基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统进行说明。
如图3所示，本发明的基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统用于顶管法联络通道施工，联络通道设于两个成形隧道11之间，用于连通两成形隧道11，利用顶管机21掘进施工该联络通道，顶管机21的尾部设置有抵靠在成形隧道11的管片111上的后靠架213，利用管片111及外侧的土体承受后靠架213和顶管机21掘进的反力。本发明的导向系统用于对顶管机21的姿态进行定期检测，实现对顶管机21掘进施工的导向作用。
该导向系统包括导向靶31、存储单元、采集单元以及处理单元；导向靶31安装在顶管机21的机头211内，结合图4所示，导向靶31包括光纤陀螺311和双轴传感器312，其中的光纤陀螺311的敏感轴与双轴传感器312的坡度轴平行设置。
存储单元用于存储顶管机21掘进施工前初始标定状态下的顶管机21的机头211中心的尾部212中心在所建立的导向靶坐标系中对应的坐标值，分别为机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)和尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)。本发明中的机头中心和尾部中心均是指顶管机机头端面的中心点和尾部端面的中心点。存储单元还存储有初始标定状态下光纤陀螺的方位角修正值。所建立的导向靶坐标系是以导向靶31上选定一原点并以敏感轴所在的直线为轴建立的导向靶坐标系，较佳地，结合图5和图6所示，将原点选定在导向靶31后端面的中心处，光纤陀螺的敏感轴与该后端面的中心在同一直线上，以敏感轴作为x轴，x轴平行于顶管机21的横向中心轴214，以平行于顶管机21的纵向中心轴216的轴作为y轴，以平行于顶管机21的竖向中心轴215的轴为z轴，从而建立了导向靶坐标系。中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值为初始标定状态下的已知值，可根据标定状态计算得到。
采集单元与导向靶31连接，采集单元与导向靶31上的光纤陀螺311和双轴传感器312均连接，用于获取光纤陀螺311测量得到的对应当前位置的导向靶的方位角，还用于获取双轴传感器测量得到的对应当前位置的导向靶的坡度角和导向靶的滚角，其中的当前位置为计算顶管机姿态时刻所对应的顶管机21的位置，顶管机姿态的计算通常以特定的时间间隔进行，当该特定的时间间隔较小时，可视为实时计算顶管机姿态，即对顶管机进行实时导向。
处理单元与存储单元和采集单元均连接，处理单元用于利用机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)、尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)、导向靶的方位角、方位角修正值、导向靶的坡度角以及导向靶的滚角，计算得出对应当前位置的机头中心施工坐标(x切，y切，z切)和尾部中心施工坐标(x尾，y尾，z尾)，从而获得了顶管机的姿态，并利用所获得的顶管机的姿态对顶管机的施工进行导向。
将得到的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标代入轴线参数，就可以计算出顶管机的实时姿态，该具体算法可参照申请人的一在先专利申请(申请号为201410837423.9，发明创造名称为矩形盾构施工的姿态装置及测量方法)中公开的计算切口和盾尾的偏差信息以形成矩形盾构机的姿态信息。
本发明的导向系统在顶管机掘进施工的过程中，利用掘进前初始标定状态获得机头中心和尾部中心在导向靶坐标系中的局部坐标，在顶管机掘进施工的过程中，可计算得出任何位置处的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，从而获得顶管机的姿态，以对顶管机掘进施工起到导向作用。
作为本发明的一较佳实施方式，如图3和图4所示，本发明的导向系统还包括安装在导向靶31上的目标棱镜313和安装于顶管机21的后靠架213上并与目标棱镜313相对应的全站仪32；目标棱镜313的中心对应于导向靶31的导向靶坐标系的原点设置，也即将目标棱镜313的中心设于导向靶31的后端面的中心处，使得目标棱镜313的中心与光纤陀螺的敏感轴同轴设置。
全站仪32与处理单元连接，用于对导向靶进行初始标定；全站仪32观测目标棱镜313而获得初始标定状态下的目标棱镜的坐标值和导向靶的实际方位角并发送给处理单元。全站仪32可直接输出目标棱镜的坐标值。全站仪32通过观测目标棱镜及导向靶31上的特征点能够获得导向靶的实际方位角。
处理单元利用初始标定状态下导向靶的实际方位角对光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得初始标定状态下的光纤陀螺的方位角修正值，并发送给存储单元进行存储。通过全站仪获得的导向靶的实际方位角为α靶，光纤陀螺测得的导向靶的方位角为α光，则方位角修正值为δ修＝α靶-α光。
处理单元利用经修正的导向靶方位角和目标棱镜的坐标值，并结合实测的初始标定状态下的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标、导向靶的坡度角及导向靶的滚角，计算得到初始标定状态下机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，并发送给存储单元进行存储。
具体地，计算初始标定状态下机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)和尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)的过程为：
存储单元中包括有公式模块，该公式模块内存储有公式二，公式二为：
公式二中：(x′，y′，z′)在计算机头中心局部坐标时为机头中心局部坐标值(x′切，y′切，′切)，在计算尾部中心局部坐标时为尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)；(x，y，z)在计算机头中心局部坐标时为初始标定状态下机头中心的施工坐标(x切，y切，z切)，在计算尾部中心局部坐标时为初始标定状态下尾部中心的施工坐标(x尾，y尾，z尾)；(x0，y0，z0)为初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值；α光为导向靶的方位角；β靶为导向靶的坡度角；φ靶为导向靶的滚角。
处理单元读取公式二，并将已知的值代入公式二中，求解出机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值。其中初始标定状态下的机头中心的施工坐标和尾部中心的施工坐标以及导向靶的原点的坐标值均可通过全站仪32测得；导向靶的方位角、坡度角以及滚角可通过导向靶31上的光纤陀螺311和双轴传感器312测得。
处理单元在计算机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)时，公式二可表示为：
处理单元在计算尾部中心施工坐标(x′尾，y′尾，z′尾)时，公式二可表示为：
作为本发明的一较佳实施方式，存储单元的公式模块内还存储有公式一，该公式一为：
公式一中：(x′，y′，z′)在计算机头中心施工坐标时为初始标定状态下的机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)，在计算尾部中心施工坐标时为初始标定状态下的尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)；(x″，y″，z″)在计算机头中心施工坐标时为当前位置的机头中心施工坐标，在计算尾部中心施工坐标时为当前位置的尾部中心施工坐标；(xd，yd，zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值；α靶为经修正的导向靶的方位角，β靶为导向靶的坡度角，φ后为当前位置所对应的导向靶的滚角；
处理单元读取该公式一，并结合获取的当前位置的导向靶的原点坐标值，求解出机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标。
处理单元获取当前位置的导向靶的原点坐标值，在全站仪32方便观测时，可通过全站仪32测目标棱镜而获得，在全站仪32不方便么观测时，可通过计算获得。具体地，公式模块内还存储有公式三，该公式三为：
xd＝x0+l*cos(α光+δ修)+b*(sinφ后-sinφ前)*cos(α光+δ修+π/2)
yd＝y0+l*sin(α光+δ修)+b*(sinφ后-sinφ前)*sin(α光+δ修+π/2)
zd＝z0+l*tan(β靶)+b*(cosφ后-cosφ前)
公式三中，(xd，yd，zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值，(x0，y0，z0)为初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值；β靶为导向靶在当前位置距初始标定状态之间的时间内采集的坡度角的均值，α光光纤陀螺输出的导向靶的方位角均值，δ修＝α靶-α光为方位角修正值，其中α靶为导向靶的实际方位角，φ前为初始标定状态的时间对应的滚角值；φ后为当前位置的时间对应的(即时间经过后的)滚角值，l为当前位置距初始标定状态之间的时间内的行程，该行程可通过在顶管机21的后靠架213上安装有行程传感器来测得。b为导向靶的原点距顶管机的横向中心轴的距离。求解导向靶的原点的坐标值，认为在初始标定状态下至当前位置的实际内导向靶中心原点是线性运动，从而根据初始的原点坐标值可计算出所需的当前位置的原点的坐标值。
作为本发明的另一较佳实施方式，全站仪32还用于对导向靶31进行定期标定，即依据设定时间对导向靶31进行标定，具体包括：
全站仪32依据设定时间观测目标棱镜313及导向靶31上的特征点以获得当前标定状态下导向靶的实际方位角和目标棱镜的坐标值，并发送给处理单元；
处理单元利用当前标定状态下导向靶的实际方位角对光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得当前标定状态下的光纤陀螺的方位角修正值，并发送给存储单元进行存储；
处理单元利用当前标定状态下的导向靶的实际方位角、光纤陀螺的方位角修正值和目标棱镜的坐标值，计算当前标定状态至下一次标定之间的机头施工坐标和尾部中心施工坐标。
利用全站仪对导向靶进行定期标定，可消除光纤陀螺的漂移误差，提高导向系统的检测精度。全站仪32对目标棱镜313及导向靶21的观测可在顶管机停止掘进安装管节时进行，避免了顶管机掘进施工对全站仪的遮挡。
下面对定期标定的过程进行说明：
假设设定时间为t(t一般小于5分钟)，导向系统每经过一个t时间就启动全站仪对导向靶进行标定。第一次标定之前(即第一个时间t到来之前)，导向系统在计算顶管机开始掘进至第一个时间t之间的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用公式三计算当前的导向靶的原点的坐标值，而后利用公式一计算当前的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，公式一里的α靶＝α光+δ修，其中的α光为当前光纤陀螺实测的导向靶的方位角，δ修为初始标定状态下的方位角修正值。在第一个时间t到来时，全站仪32对导向靶进行第一次标定，此时导向系统在计算顶管机的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用全站仪32测得的导向靶的原点的坐标值和公式一计算对应的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，此时公式一里的α靶为全站仪32测得的导向靶的实际方位角。在第二个时间t到来之前，导向系统在计算第一个时间t至第二个时间t之间的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用公式三计算当前的导向靶的原点的坐标值，此时将公式三中的初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值(x0，y0，z0)替换为第一次标定时全站仪测得的导向靶的原点的坐标值(xb，yb，zb)，l替换为第一个时间t之后至当前位置的行程，原理为可认为导向靶的原点在第一次标定至第二次标定之间是线性运动，依次类推，第n次标定至第n+1次标定之间，利用公式三并基于第n次的导向靶的原点的坐标值计算当前的导向靶的原点的坐标值。利用公式一计算对应的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，此时公式一里的α靶＝α光+δ修，其中的α光为当前光纤陀螺实测的导向靶的方位角，δ修为第一次标定状态下的方位角修正值。在第二个时间t到来时，全站仪32对导向靶进行第二次标定，此时导向系统在计算顶管机的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用全站仪32测得的导向靶的原点的坐标值和公式一计算对应的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，此时公式一里的α靶为全站仪32测得的导向靶的实际方位角。
处理单元在计算标定后推进施工中机头中心施工坐标(x″切，y″切，z″切)时，公式一可表示为：
处理单元在计算标定后推进施工中尾部中心施工坐标时，公式一可表示为：
作为本发明的又一较佳实施方式，如图3所示，导向系统还包括安装在隧道管片111上的两个基准棱镜34和多个监测棱镜33，其中的两个基准棱镜34设于全站仪32的附近远离顶管机21的作用力影响范围设置，即将基准棱镜34设于成形隧道内管片111的稳定位置处；将多个监测棱镜33靠近顶管机21的位置设置并位于顶管机21的作用力影响范围内，即将监测棱镜33安装在支撑连接后靠架213的管片上，和与后靠架213连接的管片相邻的一环管片上。全站仪32通过观测基准棱镜34以进行自身的定位，通过观测监测棱镜33以监测成形隧道内管片111的变形情况。本发明的全站仪32还为顶管机21施工提供了管片变形监测的功能，全站仪32根据自带的后方定位的方法，可以实时获取准确的测站坐标，在观测监测棱镜就可以获取隧道的管片的变形情况，实现了对隧道变形的实时监测。
作为本发明的再一较佳实施方式，处理单元内设有用于计算光纤陀螺的真方位角的模块，并将计算的真方位角作为导向靶的方位角α光。光纤陀螺的输出值被采集单元接收，进而被处理单元获取到，处理单元依据存储单元的公式模块中存储的公式四计算光纤陀螺的敏感轴的旋转角速度。
公式四为：
公式四中，ω为敏感轴的旋转角速度，δφ＝γ为光纤陀螺的输出值，k为标度因数；
公式五中，θ为光纤陀螺环路的周长，r为光纤陀螺环路的半径，vc为光速，λ为光源的波长。
处理单元计算标度因数k的过程为：
利用光纤陀螺经过各个角度的标定建立输入输出的线性回归方程
接着处理单元利用敏感轴的旋转角速度计算得出导向靶的方位角。该导向靶的方位角的计算可参见(《即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向技术》东南大学出版社于先文著出版时间2014年12月1日)。
在图5和图6中，描述的是导向靶方位、坡度与顶管机的方位、坡度均平行的特殊情况下导向靶与机头的关系示意图(采用特殊情况方便理解)，导向靶坐标系的原点距顶管机的机头的端面距离为a，距顶管机尾部的端面距离为d，距顶管机横向中心轴的距离为b，距纵向中心轴的距离为c，其中都a、b、c、d均为机头中心或尾部中心在导向靶坐标系中的局部坐标参数变量，图中导向靶方位、坡度与顶管机的方位、坡度均平行，因此(a、c、b)为机头中心在局部坐标系中的坐标，(-d、c、b)为尾部中心在局部坐标系中的坐标。
下面对本发明提供的基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向方法进行说明。
如图3和图4所示，本发明的导向方法包括如下步骤：
提供一导向靶31，导向靶31包括光纤陀螺311和双轴传感器312，且光纤陀螺311的敏感轴与双轴传感器312的坡度轴平行设置，将导向靶311安装于顶管机21的机头211内；
结合图5和图6所示，在导向靶31上选定一原点并以敏感轴所在的直线为轴建立导向靶坐标系；图5和图6中所示的x轴、y轴以及z轴即为导向靶坐标系的x、y及z轴，x轴与敏感轴位于同一直线上，且该x轴平行于顶管机21的横向中心轴214，y轴平行于顶管机21的纵向中心轴216，z轴平行于顶管机21的竖向中心轴215。
在顶管机掘进施工前对导向靶31进行初始标定，并获取初始标定状态下的顶管机机头中心和尾部中心在导向靶坐标系中对应的坐标值，分别为机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)和尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)，同时获取初始标定状态下光纤陀螺的方位角修正值；在掘进施工前精确标定出机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)和尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)。
在顶管机掘进施工的过程中，通过光纤陀螺获取对应当前位置的导向靶的方位角，通过双轴传感器获取对应当前位置的导向靶的坡度角和导向靶的滚角；其中的当前位置为计算顶管机姿态时刻所对应的顶管机21的位置，顶管机姿态的计算通常以特定的时间间隔进行，当该特定的时间间隔较小时，可视为实时计算顶管机姿态，即对顶管机进行实时导向。。
利用的机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)、尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)、导向靶的方位角、方位角修正值、导向靶的坡度角以及导向靶的滚角，计算得出对应当前位置的机头中心施工坐标(x切，y切，z切)和尾部中心施工坐标(x尾，y尾，z尾)，从而获得了顶管机的姿态，利用所获得的顶管机的姿态对顶管机的施工进行导向。
计算顶管机姿态时，将得到的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标代入轴线参数，就可以计算出顶管机的实时姿态，该具体算法可参照申请人的一在先专利申请(申请号为201410837423.9，发明创造名称为矩形盾构施工的姿态装置及测量方法)中公开的计算切口和盾尾的偏差信息以形成矩形盾构机的姿态信息。
本发明采用光纤陀螺和双轴传感器组成导向靶，从而将该导向靶安装于顶管机的机头内，来实现狭小的联络通道施工空间内的导向，利用光纤陀螺获得导向靶在施工坐标系统中的方位角，利用双轴传感器获得导向靶的坡度角和滚角，结合施工掘进前精确标定出的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，无需全站仪的观测即可解算出机头和尾部中心的施工三维坐标，从而获取顶管机的姿态信息，实现对顶管机的导向。在无需全站仪观测的情形下即可得到顶管机的姿态信息，从而解决了观测台(用于安装全站仪的平台)的稳定性差造成的测量准确性低的问题，也解决了施工中目标遮挡的问题。
作为本发明的一较佳实施方式，对导向靶进行初始标定，包括：
提供目标棱镜313，将该目标棱镜313的中心对应于导向靶31的原点而安装于导向靶31上；
于顶管机21的后靠架213上安装一与目标棱镜313相对应的全站仪32，通过全站仪32观测目标棱镜313进而获得初始标定状态下目标棱镜的坐标值和导向靶的实际方位角，其中的目标棱镜的坐标值即为导向靶的原点的坐标值；
利用初始标定状态下的导向靶的实际方位角对光纤陀螺311测得的导向靶的方位角进行修正并获得初始标定状态下的光纤陀螺的方位角修正值；通过全站仪获得的导向靶的实际方位角为α靶，光纤陀螺测得的导向靶的方位角为α光，则方位角修正值为δ修＝α靶-α光。
利用经修正的导向靶方位角和目标棱镜的坐标值，并结合实测的初始标定状态下的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标、导向靶的坡度角及导向靶的滚角，计算得到初始标定状态下机构中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值。
具体地，计算初始标定状态下机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)和尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)的过程为：
利用公式二求解出机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，该公式二为：
公式二中：(x′，y′，z′)在计算机头中心局部坐标时为机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)，在计算尾部中心局部坐标时为尾部中心局部坐标值(x′尾，y′尾，z′尾)；(x，y，z)在计算机头中心局部坐标时为初始标定状态下机头中心的施工坐标(x切，y切，z切)，在计算尾部中心局部坐标时为初始标定状态下尾部中心的施工坐标(x尾，y尾，z尾)；(x0，y0，z0)为初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值；α光为导向靶的方位角；β靶为导向靶的坡度角；φ靶为导向靶的滚角。
其中初始标定状态下的机头中心的施工坐标和尾部中心的施工坐标以及导向靶的原点的坐标值均可通过全站仪32测得；导向靶的方位角、坡度角以及滚角可通过导向靶31上的光纤陀螺311和双轴传感器312测得。
在计算机头中心局部坐标值(x′切，y′切，z′切)时，公式二可表示为：
在计算尾部中心施工坐标(x′尾，y′尾，z′尾)时，公式二可表示为：
作为本发明的另一较佳实施方式，计算对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，包括：
获取当前位置的导向靶的原点的坐标值；
结合的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值并利用公式一求解出机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，公式一为：
公式一中：(x′，y′，z′)在计算机头中心施工坐标时为初始标定状态下的机头中心局部坐标值，在计算尾部中心施工坐标时为初始标定状态下的尾部中心局部坐标值；(x″，y″，z″)在计算机头中心施工坐标时为机头中心施工坐标，在计算尾部中心施工坐标时为尾部中心施工坐标；(xd，yd，zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值；α靶为经修正的导向靶的方位角，β靶为导向靶的坡度角，φ后为当前位置所对应的导向靶的滚角。
其中当前位置的导向靶的原点的坐标值，在全站仪32方便观测时，可通过全站仪32测目标棱镜而获得，在全站仪32不方便么观测时，可通过计算获得。具体地，利用公式三计算，该公式三为：
xd＝x0+l*cos(α光+δ修)+b*(sinφ后-sinφ前)*cos(α光+δ修+π/2)
yd＝y0+l*sin(α光+δ修)+b*(sinφ后-sinφ前)*sin(α光+δ修+π/2)
zd＝z0+l*tan(β靶)+b*(cosφ后-cosφ前)
公式三中，(xd，yd，zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值，(x0，y0，z0)为初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值；β靶为导向靶在当前位置距初始标定状态之间的时间内采集的坡度角的均值，α光光纤陀螺输出的导向靶的方位角均值，δ修＝α靶-α光为方位角修正值，其中α靶为导向靶的实际方位角，φ前为初始标定状态的时间对应的滚角值；φ后为当前位置的时间对应的(即时间经过后的)滚角值，l为当前位置距初始标定状态之间的时间内的行程，该行程可通过在顶管机21的后靠架213上安装有行程传感器来测得。b为导向靶的原点距顶管机的横向中心轴的距离。求解导向靶的原点的坐标值，认为在初始标定状态下至当前位置的实际内导向靶中心原点是线性运动，从而根据初始的原点坐标值可计算出所需的当前位置的原点的坐标值。
作为本发明的又一较佳实施方式，还包括利用目标棱镜313和全站仪32对导向靶进行定期标定，包括：
依据设定时间通过全站仪32观测目标棱镜313及导向靶上的特征点，获得当前标定状态下导向靶的实际方位角和目标棱镜的坐标值；
利用当前标定状态下导向靶的实际方位角对光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得当前标定状态下的光纤陀螺的方位角修正值；
利用当前标定状态下的导向靶的实际方位角、光纤陀螺的方位角修正值和目标棱镜的坐标值，计算当前标定状态至下一次标定之间的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标。
利用全站仪对导向靶进行定期标定，可消除光纤陀螺的漂移误差，提高导向系统的检测精度。全站仪32对目标棱镜313及导向靶21的观测可在顶管机停止掘进安装管节时进行，避免了顶管机掘进施工对全站仪的遮挡。
下面对定期标定的过程进行说明：
假设设定时间为t(t一般小于5分钟)，每经过一个t时间就启动全站仪对导向靶进行标定。第一次标定之前(即第一个时间t到来之前)，在计算顶管机开始掘进至第一个时间t之间的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用公式三计算当前的导向靶的原点的坐标值，而后利用公式一计算当前的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，公式一里的α靶＝α光+δ修，其中的α光为当前光纤陀螺实测的导向靶的方位角，δ修为初始标定状态下的方位角修正值。在第一个时间t到来时，全站仪32对导向靶进行第一次标定，此时在计算顶管机的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用全站仪32测得的导向靶的原点的坐标值和公式一计算对应的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，此时公式一里的为α靶全站仪32测得的导向靶的实际方位角。在第二个时间t到来之前，在计算第一个时间t至第二个时间t之间的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用公式三计算当前的导向靶的原点的坐标值，此时将公式三中的初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值(x0，y0，z0)替换为第一次标定时全站仪测得的导向靶的原点的坐标值(xb，yb，zb)，l替换为第一个时间t之后至当前位置的行程，原理为可认为导向靶的原点在第一次标定至第二次标定之间是线性运动，依次类推，第n次标定至第n+1次标定之间，利用公式三并基于第n次的导向靶的原点的坐标值计算当前的导向靶的原点的坐标值。利用公式一计算对应的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，此时公式一里的α靶＝α光+δ修，其中的α光为当前光纤陀螺实测的导向靶的方位角，δ修为第一次标定状态下的方位角修正值。在第二个时间t到来时，全站仪32对导向靶进行第二次标定，此时导向系统在计算顶管机的机头施工坐标和尾部中心施工坐标时，利用全站仪32测得的导向靶的原点的坐标值和公式一计算对应的机头施工坐标和尾部中心施工坐标，此时公式一里的α靶为全站仪32测得的导向靶的实际方位角。
处理单元在计算标定后推进施工中机头中心施工坐标(x″切，y″切，z″切)时，公式一可表示为：
处理单元在计算标定后推进施工中尾部中心施工坐标时，公式一可表示为：
作为本发明的再一较佳实施方式，还包括：
于全站仪32的附近远离顶管机21的作用力影响范围的隧道的管片111上安装两个基准棱镜34；
于隧道的管片111上靠近顶管机21的位置处并位于顶管机的作用力影响范围内安装多个监测棱镜33；
利用全站仪32观测基准棱镜34以进行自身的定位；
利用全站仪32观测监测棱镜33以监测隧道管片的变形情况。
本发明的全站仪32还为顶管机21施工提供了管片变形监测的功能，全站仪32根据自带的后方定位的方法，可以实时获取准确的测站坐标，在观测监测棱镜就可以获取隧道的管片的变形情况，实现了对隧道变形的实时监测。
作为本发明的再又一较佳实施方式，通过光纤陀螺获取对应当前位置的导向靶的方位角，包括：
获取光纤陀螺的输出值；
依据输出值并利用公式四计算出敏感轴的旋转角速度，
公式四中，ω为敏感轴的旋转角速度，δφ＝γ为光纤陀螺的输出值，k为标度因数；
公式五中，θ为光纤陀螺环路的周长，r为光纤陀螺环路的半径，vc为光速，λ为光源的波长。
处理单元计算标度因数k的过程为：
利用光纤陀螺经过各个角度的标定建立输入输出的线性回归方程
接着处理单元利用敏感轴的旋转角速度计算得出导向靶的方位角。该导向靶的方位角的计算可参见(《即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向技术》东南大学出版社于先文著出版时间2014年12月1日)。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！