专利名称：基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法
技术领域：
本发明涉及一种城市地铁隧道盾构姿态定位多传感器自动导向测量相关技术，尤 其是涉及一种基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法。
背景技术：
目前在地铁隧道建设中，主要采用盾构挖掘法进行施工。在盾构施工过程中，测量 工作非常重要，是保证隧道顺利竣工的关键环节。盾构姿态测量在施工中起到眼睛一般的 作用，决定了盾构掘进的方向，及时地获取盾构机的姿态对于指导施工非常重要，通常是根 据全站仪获取盾构上的特征点的坐标来计算盾构的姿态的。
人工测量常用的方法有解方程组法与前后标尺法。前者是通过解方程组而解出盾 首、盾尾的三维坐标，该解法数学模型简单，但只能从多个固定参考点中选取三个，没有多 余观测，不能作有效的检核。后者分析的是应用广泛的前后标尺法，前后标尺法根据相似三 角形原理，通过前尺、后尺坐标推求盾首、盾尾的平面坐标。但是在曲线段，由于设计轴线不 与相似三角形辅助线重合从而产生了一定的计算误差。传统的人工测量方法效率低，受环 境影响大，与国际先进技术有巨大的差距。
自动测量方法基本上采用的是三维直角坐标转换理论，该方法需要在盾构机上固 定三个控制点，并且每次测量过程中必须全部测出三个控制点，因为盾构上方狭小的空间 不易同时测出三个控制点，影响到了测量系统稳定性与适用性。发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量精度高、测 量方便的基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现
一种基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法，其特征在于，包括 以下步骤
I)测量系统新建一个数据库文件，然后执行步骤2)；
2)将配置数据输入已有的数据库文件，然后执行步骤3)；
3)手工设置自动全站仪和电子双轴倾斜仪的连接参数与测量参数，然后执行步骤 4)；
4)判断测量系统连接全站仪是否成功，如果成功，执行步骤5);如果不成功，则返 回步骤3)，对自动全站仪的设置进行检核；
5)判断测量系统连接电子双轴倾斜仪是否成功，如果成功，执行步骤6);如果不 成功，则返回步骤3)，对电子双轴倾斜仪设置进行检核；
6)测量系统对全站仪进行设站定向，然后执行步骤7)；
7)测量系统利用自动全站仪依次测量两个目标棱镜，然后执行步骤8)；
8)测量系统根据设定的测量间隔自动对两个目标棱镜进行测量；然后执行步骤9)；
9)测量系统判断两个目标棱镜是否全都测到，若为否，返回步骤8);若为是，执行步骤10)；
10)测量系统从电子双轴倾斜仪读取最新的角度数据，然后执行步骤11)；
11)测量系统利用两个目标棱镜的坐标数据与电子双轴倾斜仪读取的角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差，显示在测量系统界面上，并执行步骤12)；
12)测量系统将两个目标棱镜的坐标与方位角数据、角度数据、盾构首尾坐标与姿态偏差保存至数据库中；返回步骤8)。
所述的步骤I)中的数据库文件包括各种数据表及字段。
所述的步骤2)中的配置数据包括工程属性、控制点信息、标定数据信息、设计线路 目息。
所述的步骤11)中的测量系统利用两个目标棱镜的坐标数据与电子双轴倾斜仪读取的角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差具体步骤如下
(I)三维直角坐标转换的七个参数进行初始化，然后执行步骤(2);
(2)根据全站仪测到的两个目标棱镜，对三维直角坐标转换公式进行线性化，列出误差方程，然后执行步骤(3)；
(3)将从电子双轴倾斜仪读取的俯仰角与扭转角，结合三维直角坐标转换，列出误差方程式，然后执行步骤(4)；
(4)对两类误差方程式进行定权，根据最小二乘准则联合平差解算出参数改正数， 然后执行步骤(5)；
(5)根据参数改正数大小，判断迭代计算是否收敛，若为是，执行步骤(6)中；若为否，则返回步骤(2)中，继续进行解算；
(6)根据解算出的坐标转换参数，解算出盾构机首尾的三维坐标与姿态偏差。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
面对盾构上方狭小的空间不易同时测出三个目标点的状况，提出全站仪只需测出两个目标点、利用电子双轴倾斜仪数据弥补同样可以严密解算出盾构姿态的方法。研制操作系统以自动全站仪、电子双轴倾斜仪为数据采集传感器，配合自主开发的自动解算软件， 在计算机的控制下实现联合严密解算确定盾构的姿态，通过全站仪、倾斜仪集成将数据采集、通讯技术、数据处理、可视化技术于一体，实现施工测量自动化。该技术已经在上海、杭州、苏州等多条地铁区间施工中得到成功使用。
图1为本发明的流程图2为本发明的盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差计算流程图3为本发明的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
基于全站仪和倾斜仪数据的联合严密解算定姿方法，该技术采用自动全站仪作为数据采集传感器，只需测定盾构机上方两个目标点的空间坐标信息；再结合从电子双轴倾斜仪读取的俯仰角与扭转角数据，通过联合建模、严密平差、解算出盾构首尾的三维坐标及姿态信息，再与隧道设计轴线对比，计算出盾构首尾姿态偏差；最后将盾构姿态偏差刷新显示在软件界面上，指导施工，完成测量自动化。
如图3所示，各个组成部分与连接关系介绍
a.自动全站仪3，通过RS232串口通讯线连接无线电台2 ；
b. 一对无线电台2，通过RS232串口通讯线分别连接自动全站仪3和测量计算机 I，每个还需要接通电源持续供电；
c.测量计算机1，通过RS232串口通讯线连接无线电台2，利用测量系统实时控制自动全站仪3。
d.两个目标棱镜4，需固定在盾构机上，不允许在盾构顶推过程中位置出现相对移动；
e.三根RS232串口通讯线，用于连接一对无线电台和电子双轴倾斜仪5 ；
f.电子双轴倾斜仪5，用一根RS232串口线连接至测量计算机I ;
本发明技术通过集成数据采集、通讯技术、数据处理、可视化技术于一体，实现施工测量自动化。采用自动全站仪进行数据采集，无线电台进行数据通讯，实时测定两个目标棱镜的三维坐标；结合实时电子双轴倾斜仪的角度数据，解算出盾构首尾的三维坐标和姿态偏差；最后将盾构姿态偏差可视化，完成施工测量自动化。
图2所示为本测量系统过程的流程。系统定时进行自动测量，完成对全站仪的实时控制。以下对图中的各步骤进行详细描述
在步骤401中，测量系统新建一个数据库文件，里面包括各种数据表及字段。然后执行步骤402。
在步骤402中，将配置数据输入已有的数据库文件，包括工程属性、控制点信息、 标定数据信息、设计线路信息等。然后执行步骤403。
在步骤403中，手工设置自动全站仪的连接参数与测量参数设置。然后执行步骤 404。
在步骤404中，判断是否测量系统连接全站仪是否成功，如果成功，进入步骤405 中；如果不成功，则进入步骤403中，对自动全站仪的设置进行检核；
在步骤405中，判断是否测量系统连接电子双轴倾斜仪是否成功，如果成功，进入步骤406中；如果不成功，则进入步骤403中，对电子双轴倾斜仪设置进行检核；
在步骤406中，测量系统对全站仪进行设站定向。然后进入步骤407 ；
在步骤407中，测量系统利用自动全站仪依次测量两个目标棱镜，其目的是记忆该两个棱镜的空间方位角度信息。然后执行步骤408 ；
在步骤408中，测量系统根据设定的测量间隔自动对两个目标棱镜进行测量；然后执彳了步骤409 ；
在步骤409中，测量系统判断两个目标棱镜是否全都测到，如果不成功，然后执行步骤408 ;如果成功，执行步骤410。
在步骤410中，测量系统从电子双轴倾斜仪读取最新的角度数据。然后执行步骤411。
在步骤411中，测量系统利用两个目标棱镜的坐标与电子倾斜仪读取的角度数据 计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差，显示在测量系统界面上，计算方法参考流程图 3。如果成功，执行步骤412。
在步骤412中，测量系统将两个目标棱镜的坐标与方位角数据、角度数据、盾构首 尾坐标与姿态偏差保存至数据库中；返回自动测量，执行步骤408。
基于全站仪和倾斜仪数据的联合严密解算定姿方法，该技术的算法核心是基于三 维直角坐标转换，将全站仪测到的两个目标棱镜的坐标数据与初始标定坐标系的数据进行 坐标转换，线性化后列出误差函数式；同时独创性的将电子双轴倾斜仪的角度数据与坐标 转换进行变换，盾首盾尾两点的高差为该两点的斜距与俯仰角正弦的乘积，而该两点的斜 距为固定值，不随坐标转换发生变化；目标棱镜在盾构机首尾轴线存在唯一投影点，该投影 点与目标棱镜的斜距同为固定值，该两点的高差为两点的斜距与扭转角的余弦的乘积，因 此看成两个限制条件列出误差方程式。根据电子倾斜仪的标定精度，将限制条件方程按照 一定的权重与三维直角坐标转换联合严密平差，求解出盾构首尾坐标与姿态数据。
图2所示为本测量系统解算算法的流程。以下对图中的各步骤进行详细描述
在步骤501中，三维直角坐标转换的七个参数进行初始化。然后执行步骤502。
在步骤502中，根据全站仪测到的两个目标棱镜，对三维直角坐标转换公式进行 线性化，列出误差方程。然后执行步骤503。
在步骤503中，将从电子倾斜仪读取的俯仰角与扭转角，结合三维直角坐标转换， 列出误差方程式。然后执行步骤504。
在步骤504中，对两类误差方程式进行定权，根据最小二乘准则联合平差解算出 参数改正数。然后执行步骤505。
在步骤505中，根据参数改正数大小，判断迭代计算是否收敛，如果收敛，进入步 骤506中；如果不成功，则进入步骤502中，继续进行解算；
在步骤506中，根据解算出的坐标转换参数，解算出盾构机首尾坐标与姿态偏差。
权利要求
1.一种基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)测量系统新建一个数据库文件，然后执行步骤2)；2)将配置数据输入已有的数据库文件，然后执行步骤3)；3)手工设置自动全站仪和电子双轴倾斜仪的连接参数与测量参数，然后执行步骤4)；4)判断测量系统连接全站仪是否成功，如果成功，执行步骤5);如果不成功，则返回步骤3)，对自动全站仪的设置进行检核；5)判断测量系统连接电子双轴倾斜仪是否成功，如果成功，执行步骤6);如果不成功，则返回步骤3)，对电子双轴倾斜仪设置进行检核；6)测量系统对全站仪进行设站定向，然后执行步骤7)；7)测量系统利用自动全站仪依次测量两个目标棱镜，然后执行步骤8)；8)测量系统根据设定的测量间隔自动对两个目标棱镜进行测量；然后执行步骤9)；9)测量系统判断两个目标棱镜是否全都测到，若为否，返回步骤8);若为是，执行步骤10)；10)测量系统从电子双轴倾斜仪读取最新的角度数据，然后执行步骤11)；11)测量系统利用两个目标棱镜的坐标数据与电子双轴倾斜仪读取的角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差，显示在测量系统界面上，并执行步骤12)；12)测量系统将两个目标棱镜的坐标与方位角数据、角度数据、盾构首尾坐标与姿态偏差保存至数据库中；返回步骤8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法，其特征在于，所述的步骤I)中的数据库文件包括各种数据表及字段。
3.根据权利要求1所述的一种基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法，其特征在于，所述的步骤2)中的配置数据包括工程属性、控制点信息、标定数据信息、设计线路信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法，其特征在于，所述的步骤11)中的测量系统利用两个目标棱镜的坐标数据与电子双轴倾斜仪读取的角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差具体步骤如下(1)三维直角坐标转换的七个参数进行初始化，然后执行步骤(2);(2)根据全站仪测到的两个目标棱镜，对三维直角坐标转换公式进行线性化，列出误差方程，然后执行步骤(3)；(3)将从电子双轴倾斜仪读取的俯仰角与扭转角，结合三维直角坐标转换，列出误差方程式，然后执行步骤(4)；(4)对两类误差方程式进行定权，根据最小二乘准则联合平差解算出参数改正数，然后执行步骤(5)；(5)根据参数改正数大小，判断迭代计算是否收敛，若为是，执行步骤(6)中；若为否，则返回步骤(2)中，继续进行解算；(6)根据解算出的坐标转换参数，解算出盾构机首尾的三维坐标与姿态偏差。
全文摘要
本发明涉及一种基于全站仪和倾斜仪的联合严密解算定姿信息处理方法，包括1)测量系统新建一个数据库文件；2)将配置数据输入已有的数据库文件；3)手工设置自动全站仪和电子双轴倾斜仪的连接参数与测量参数；4)判断测量系统连接全站仪是否成功，如果成功，执行步骤5)；如果不成功，则返回步骤3)，对自动全站仪的设置进行检核；5)判断测量系统连接电子双轴倾斜仪是否成功，如果成功，执行步骤6)；如果不成功，则返回步骤3)，对电子双轴倾斜仪设置进行检核；6)测量系统对全站仪进行设站定向；7)测量系统利用自动全站仪依次测量两个目标棱镜等步骤。与现有技术相比，本发明具有测量精度高等优点。
文档编号G01C15/00GK103017742SQ20111029816
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者潘国荣, 李怀锋, 王穗辉 申请人:同济大学