专利名称：隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于定位测量装置，可用于矿井、水工隧道、地铁隧道、市政管道、共同沟等领域。
背景技术：
盾构隧道掘进技术是地下暗挖隧道的一种工程建设技术，是随着现 代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯 设施的发展而发展起来的。早期的盾构机，主要是利用盾构机械所特有 的盾壳作为支护，防止地层的坍塌，以保证在其内部安全地进行开挖和 衬砌等各种作业，开挖基本上是采用人工开挖方式。随着隧道工程的不 断增多，为适应不同条件下的施工要求和提高施工效率，除不断完善软 土隧道掘进机(即盾构)及应用技术，又开发出能够适应岩石地层施工 的岩石隧道掘进机及应用技术。随着技术的发展，遥控控制技术、激光 制导技术以及陀螺仪定位系统已普遍应用于盾构机中，使得盾构机的操 作、地表沉降的控制更趋简易，隧道的施工质量也越来越好。
现在盾构中常用的导向系统有三种产品陀螺仪、ZED导向系统、
VMT导向系统。它们都能测量盾构机施工过程中的姿态，得到盾构任意 时刻的姿态数据，即实时获得盾构的俯仰角、滚向角和水平摆角；但各 自的实现原理不同
1.陀螺仪经典陀螺仪的基本结构是一个高速旋转的转子和各自分 别固定在两个轴承上的两个框架。旋转转子的轴一般处于竖直的位置， 所以紧靠转子的内框架是在竖直面上，而另一个框架则位于水平面上。 这样的装置的两个框架的轴线全部在水平面上。姿态陀螺仪的基本原理
就是角动量守恒，在没有外力矩的情况下，高速旋转的转子的角动量的 大小和方向在惯性空间中保持不变。 一般外框架的外轴承固定在飞行器 结构上，飞行器的轴线和外框架的轴线相平行，这样在飞行器姿态变化 时，它的翻滚角和俯仰角可以在外框架的内外轴承上测量出来。在这一 类陀螺仪中，结构的不平衡，结构重心的偏离和轴承的摩擦力是这种陀 螺仪的最主要的误差来源。这些因素引起了一定的力矩，使得陀螺仪的 方位产生漂移。
陀螺仪用于盾构掘进机的方位检测时，能自动显示方位角、倾斜角、 回转角。与掘进机的姿势管理软件连接可准确地实现顶管掘进机、盾构 掘进机的施工管理。特点陀螺仪是动态跟踪设备，通过与电脑联系， 直接反映盾构推进的过程数据，为盾构定位提供了有利的保障，这为盾 构时刻处于良好的推进状态打下了基础。缺点是时滞较大，盾构机受地 势影响会产生震动，陀螺仪有可能不能保持静定精度。由于以上特点， 所以在施工中陀螺仪仅作为辅助参考，主要还是人工测量。
2. ZED导向系统由英国ZED Tunnel Guidance公司生产，是个具 有透明屏幕的长方形盒子，在一端有用于连接电缆的插座。它用来接收 激光信号，能测量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。 一般目标 单元安装在盾构前部的托架上，可以每50mm间距水平移动，也可以3。 的角度转动，因此能覆盖更大的目标区域。其工作原理为激光束通过 前部透明屏幕进入目标单元(部分散射)，部分光击中安装在单元底部和 侧面的传感器，传感器可以探测光束进入屏幕时的位置；其余的光束通 过透镜到达安装在轴心上的传感器，此传感器装在单元的后部，用来测 量光束的倾角。后部的传感器与前部透明屏幕距离较大。因此，如果激 光束很弱，就会造成读数不精确。从传感器出来的信号被转换成电子信 号，并通过单元后部的电缆输入到控制单元。它的主要缺点ZED导向系 统在移站时要作大量的计算。
3. VMT导向系统由德国Vermessungstechnik公司生产。电子激光 系统ELS固定在盾体上，它接收到入射激光束时，在水平及垂直方向上 确定入射点的位置，从而确定水平摆角。另外，其内部倾角计测量滚动 角与俯仰角。其工作原理电子激光系统ELS内部与ELS前面板平行的 是所谓的"阴屏"。当给ELS通电以后，阴屏就会转动。阴屏之间有空 隙所以能够透光。阴屏转动所处的角度的不同，当激光束入射在阴屏上 时，透过的光多少不一。在阴屏的背后是光敏感电子元件，激光射到这 些电子元件上从而测出入射激光的强度。当激光的强度达到最大值时， 此时"阴屏"所处的角度被记录下来。这个位置的角度与激光束在ELS耙 上的入射角(水平摆角)精确吻合。在ELS靶内置两个倾斜计。 一个为 纵向放置， 一个为横向放置。这两个倾斜计最终测出隧道掘进机TBM的 绝对滚动角和绝对俯仰角。VMT每2秒输出一次数据。ELS耙和全站仪 之间距离通过全站仪测距激光测定，为此需要在ELS靶下方安装一个特 制的棱镜。VMT导向系统的主要缺点为提供照射阴屏的激光束，需要 改装全站仪，在全站仪上加装一个激光器，并确保激光器光轴与全站仪 测距激光轴线平行。
公开号CN1560434的发明专利申请"隧道掘进施工导向系统的电子激 光靶"，提供了一种三维姿态测量装置，机箱内沿轴向在光路上依序装 有棱镜、平凸透镜、光敏位置传感器及其信号处理电路、倾角计；克服 了上述三维姿态测量装置不能保持静定精度、或计算复杂、或需要改装 全站仪的问题，但其对于光强的要求较高，不能适应隧道掘进施工中的 远距离测量，并且对于全站仪发出的脉冲光信号的处理不够精确。'
发明内容本发明提供一种隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置，解决 现有三维姿态测量装置对于光强的要求较高、对脉冲光信号处理不够精 确的问题，以简化设备的安装和使用，用于隧道掘进施工导向系统。
本发明的一种隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置，机箱内 沿轴向在光路上依序装有棱镜、光敏位置传感器及其信号处理电路、倾 角计，其特征在于-
所述光敏位置传感器及其信号处理电路为CCD相机；所述棱镜和CCD 相机之间设有镜头；CCD相机的传感器光敏面位于镜头的焦平面上且与镜 头轴线垂直，CCD相机的传感器光敏面的中心在镜头轴线上，CCD相机的 输出信号通过千兆网线送往计算机；倾角计的输出信号通过异步串行通 信接口送往计算机。
所述的隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置，其特征在于 所述镜头为凸透镜或者凸透镜组。
所述的隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置，其特征在于 所述棱镜和镜头之间设有滤光镜；所述倾角计为双轴倾角传感模块， 由电解质型检测器件和相关电路组成；所述机箱密封、充氮。
本发明倾角计选用双轴倾角传感模块，它是采用电解质型检测器件 和相关电路组成，电解质型检测器件由一定化学成分的电解质溶液和电 极构成，通过向电极提供交流激励电源后，激发溶液中力子之间的运动， 便会形成相应的电场。电场的强度与电极浸入电解质溶液的深度由密切 的关系。当检测器件发生倾斜时，激励电源引入的两个电极浸入电解质 溶液的深度会不同，他们相对于中间电极地电场也有差异。通过测量这 个差异，便可得知倾斜方向和倾斜角度的大小值。对倾角计所要求的指
标主要有测量范围、分辨率、零点温漂、灵敏度温漂、非线性、外形 尺寸等；现有的倾角计产品中有单轴和双轴模式、数字和模拟输出、 还有带线性和温度补偿的，需按实际需要选择。
本发明将包括滤光镜、镜头、CCD相机和倾角计的电子激光系统ELS 与棱镜合二为一，极大地减小ELS的体积，简化操作。不用红激光，直 接利用全站仪的红外线，红外线部分穿过棱镜，其方向不变，打在镜头 上，经镜头聚焦，打在处于焦平面上的CCD传感器上，产生感光数据， 经处理产生角度信号输出到外部计算机。输出信号可由标准异步串行通 信接口和千兆网卡连接计算机进行数据处理。
本发明的三维姿态测量装置主要用于盾构机施工过程中的姿态测 量。该装置固定安装在盾构的某个己知位置，并确保镜头光路轴线与盾 构轴线平行，则该装置所测得的三维姿态数据就是盾构的俯仰角、滚向 角和水平摆角数据。该装置与全站仪之间应确保光路畅通，就可以利用 全站仪的一束激光同时测量棱镜到全站仪的距离以及盾构的水平摆角。
本发明与计算机相连可实现以下功能
(1) 非掘进状态盾构姿态数据采集在盾构推进时通过传感器实时
测量出盾构前端中心的位置和姿态(偏转角度)以及盾构尾端中心的位
置和姿态，在主控计算机内与设计轨道(DTA)中的数据比较，可计算偏
(2) 实时通信检测通过控制电脑实时显示各项测量值和计算值以 及最后的偏差量；
(3) 掘进、管理计算机数据共享只要提供与地面办公室电脑的接 口，就可使得地面办公室得到盾构机实时的推进状况，以便实现远程控 制；
(4) 每环历史曲线图表盾构的掘进过程中的偏差量数据都要用日 志的形式储存下来，随时可以调出查看；
(5)纠偏曲线施工中实际线路与设计轨道(DTA)总有偏差，能 够按照设计轨道(DTA)纠正过来。
图l为本发明的实施例示意图； 图2为本发明的光学原理图。
具体实施例方式
图l为本发明的实施例，其中棱镜l: (j)60mm ;滤光镜2的透光率 为0.1%;镜头3为两片凸透镜组成的凸透镜组(j)27mm， f =35mm ; CCD 相机4的传感器尺寸1600像素xl200像素；倾角计5选用型号数字 输出双轴倾角传感模块NS-15/PL2 ; CCD相机4的传感器所产生的水平 摆角信号以及倾角仪产生的角度信号通过千兆网卡和异步串行通信接口 传送到主控计算机。考虑到实际应用，标准异步串行通信接口可采用 RS誦485。
各部件安装时加工精度要求达到设计精度6级精度；机箱密封、充 氮、防震。
图2为本发明的光学原理通过任一角度Ot入射棱镜1的平行光束，
通过镜头3聚焦，在位于镜头3焦平面上的CCD相机4的传感器上汇集
为一点，设该点与轴线距离h，镜头3的焦距为f，则有以下公式成立
"=arctanf ，则a即为所求水平摆角。
权利要求
1. 一种隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置，机箱内沿轴向在光路上依序装有棱镜、光敏位置传感器及其信号处理电路、倾角计，其特征在于所述光敏位置传感器及其信号处理电路为CCD相机；所述棱镜和CCD相机之间装有镜头；CCD相机的传感器光敏面位于镜头的焦平面上且与镜头轴线垂直，CCD相机的传感器光敏面的中心在镜头轴线上，CCD相机的输出信号通过千兆网线送往计算机；倾角计的输出信号通过异步串行通信接口送往计算机。
2. 如权利要求1所述的隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置， 其特征在于所述镜头为凸透镜或者凸透镜组。
3. 如权利要求1或2所述的隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量 装置，其特征在于所述棱镜和镜头之间设有滤光镜；所述倾角计为双轴倾角传感模块， 由电解质型检测器件和相关电路组成；所述机箱密封、充氮。
全文摘要
隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置，属于定位测量装置，解决现有三维姿态测量装置对于光强的要求较高、对脉冲光信号处理不够精确的问题，以简化设备的安装和使用。本发明机箱内沿轴向在光路上依序装有棱镜、镜头、CCD相机和倾角计，CCD相机的输出信号通过千兆网线送往计算机；倾角计的输出信号通过异步串行通信接口送往计算机。本发明体积小，简化操作，直接利用全站仪的红外线，经镜头聚焦，打在CCD相机光敏面上，产生感光信号，经处理得到入射光偏角数据，与倾角计测得的倾角数据一起输出到外部计算机。本发明主要用于盾构机施工过程中的姿态测量，实时获得盾构的俯仰角、滚向角和水平偏角。
文档编号G01C1/00GK101392653SQ20081019728
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月17日 优先权日2008年10月17日
发明者朱国力, 潘明华, 蔡海洋 申请人:华中科技大学