專利名稱：盾構機的激光導向控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及精密工程機械領域，尤其涉及一種盾構機的激光導向控制系統和方法。
背景技術：
盾構機(全稱為“盾構隧道掘進機”)是一種用于隧道掘進的工程機械。盾構機集光、機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，涉及地質、土木、機械、力學、液壓、電氣、控制、測量等多種技術。
隨著激光、計算機以及自動控制等技術的發展成熟，盾構掘進施工技術有了新的飛躍。激光導向系統是一種集測量、儀器儀表和計算機軟、硬件技術于一體，具有對盾構機姿態進行動態測量功能的系統，并在盾構機中逐漸得到成功運用、發展和完善。激光導向系統極大地提高了盾構法施工的準確性、可靠性和自動化程度，從而被廣泛應用于鐵路、公路、市政、油氣等專業領域。
然而，當前的施工設備不具備自動測控功能，施工過程中的測量與控制操作需要根據經驗進行手工操作，對施工進度和施工質量產生直接影響。另一方面，現有的盾構機控制測量系統沒有自動糾偏的功能，對施工的效率有較大的影響。
因此，需要能夠在保證測量精度和穩定性的前提下提高現有自動化程度和施工效率并可以極大地節約工程開銷的盾構機的激光導向控制方法。發明內容
本發明的目的在于在保證測量精度和穩定性的前提下提高現有施工設備自動化程度，為了克服現有技術的缺陷或不足，提供一種盾構機的激光導向控制系統和方法。
為達到上述目的，本發明是通過以下技術方案來實現的
本發明公開了一種盾構機的激光導向控制方法，包括以下步驟
A、激光全站儀測量盾構機中的棱鏡在地面坐標系下的坐標；
B、通過激光接收靶和傳感器確定盾構機的姿態參數；
C、控制器計算刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點在地面坐標系下的坐標， 并確定刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點相對于掘進計劃線的軸向偏移量；
D、控制器對盾構機的掘進曲線進行修正和擬合，并控制盾構機進行掘進。
所述步驟B中，盾構機的姿態參數包括
偏角，表示盾構機的中心軸線和隧道設計軸線在水平投影面的夾角；
旋角，表示盾構機繞中心軸線相對于水平位置旋轉的角度；
傾角，表示盾構機的中心軸線和隧道設計軸線在垂直投影面的夾角；
通過油缸伸縮量傳感器測量的盾構機各油缸的伸縮量計算偏角；通過轉角傳感器測量旋角；通過傾角傳感器測量傾角。
所述步驟D中，控制器基于修正和擬合的掘進曲線調整各油缸的伸縮量，從而控制盾構機沿隧道設計軸線進行掘進。
本發明還公開了一種盾構機的激光導向控制系統，所述控制測量系統包括
激光全站儀，用于發射激光并測量盾構機中的棱鏡在地面坐標系下的坐標；
激光接收靶，用于接收激光全站儀發射的激光來確定盾構機的姿態參數；
傳感器，用于測量盾構機的姿態參數；
油缸伸縮控制單元，用于調整各油缸的伸縮量；
控制器，用于計算刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點在地面坐標系下的坐標和相對于掘進計劃線的軸向偏移量，并對盾構機的掘進曲線進行修正和擬合，控制油缸伸縮控制單元；
其中，控制器分別與激光全站儀、傳感器和油缸伸縮控制單元連接。
所述傳感器包括油缸伸縮量傳感器，用于測量盾構機的各油缸的伸縮量，控制器基于測量的各油缸的伸縮量計算偏角；轉角傳感器，用于測量旋角；傾角傳感器，用于測量傾角。
所述控制器為可編程邏輯控制器。
掘進曲線為直線時，激光全站儀與盾構機中的棱鏡的距離小于200米；掘進曲線為曲線時，激光全站儀與盾構機中的棱鏡的距離小于100米。
所述激光導向控制系統還包括顯示單元，用于顯示刀頭中心點的里程和軸向偏移量、盾構機中折點的里程和軸向偏移量、盾尾中心的里程和軸向偏移量、偏角、旋角和傾角。
本發明的有益效果，采用本發明的技術方案，在保證測量精度和穩定性的前提下， 極大地提高了現有的盾構機控制測量系統的自動化程度和施工效率，并可以極大地節約工程開銷。


下面根據附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1為本發明具體實施方式
提供的盾構機激光導向控制方法的流程示意圖2為本發明具體實施方式
中盾構機姿態參數的說明示意圖3為本發明具體實施方式
提供的盾構機激光導向控制系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1為本發明具體實施方式
提供的盾構機激光導向控制方法的流程示意圖，如圖 1所示，該流程主要包括以下步驟
步驟SlOl中，激光全站儀測量盾構機中的棱鏡在地面坐標系下的坐標。雖然盾構機中設置有多個棱鏡，但是只需要計算一個棱鏡的坐標即可。盾構機中設置多個棱鏡的目的在于，在盾構機掘進過程中，激光全站儀可能無法獲得有些棱鏡的位置。
激光全站儀安裝在已建立的施工隧道內，盾構機中的棱鏡在盾構機中的安裝位置是固定不變的。在開始控制測量之前，所述棱鏡應該調整到便于激光全站儀測量并且不被盾構機后部設備遮擋住視線的位置，并且所屬棱鏡的反射鏡面必需面向激光全站儀。
所述激光全站儀可測量盾構機中的棱鏡相對于激光全站儀自身的距離和方位角。在隧道中已安裝了參考點，并且該參考點在地面坐標系下的坐標是已知的。需要預先以人工方法測量所述參考點在地面坐標系下的坐標以及激光全站儀設置的位置。此外，通過人工測量的方法對盾構機的初始姿態參數進行精確測定以便于對激光導向控制系統中的有關參數進行配置，例如，棱鏡的坐標
激光全站儀也可測量參考點，來得到參考點相對激光全站儀的相對距離和方位角，控制器可基于參考點在地面坐標系下的坐標、棱鏡和參考點相對于激光全站儀的相對位置來計算出棱鏡在地面坐標系下的坐標。
激光全站儀與盾構機中棱鏡的距離，優選為在盾構機的掘進曲線為直線時不超過 200m，在掘進曲線為曲線時不超過100m。當激光全站儀與棱鏡的距離不滿足上述距離時可改變激光全站儀的安裝位置。
步驟S102中，通過盾構機上的激光接收靶、傾角傳感器、轉角傳感器和油缸伸縮量傳感器來確定盾構機的姿態參數。
如圖2所示，盾構機的姿態參數包括表示盾構機機頭的中心軸線和隧道設計軸線在水平投影面的夾角的偏角；表示盾構機繞中心軸線相對于水平位置旋轉的角度的旋角；表示盾構機中心軸線和隧道設計軸線在縱向豎直投影面的夾角的傾角。其中，偏角順時針旋轉為正，旋角和傾角逆時針旋轉為正。
根據油缸伸縮量傳感器得到各個油缸的伸縮量，然后通過計算得到偏角。由安裝在機頭部分的轉角傳感器和傾角傳感器來分別測量旋角和傾角。
步驟S103中，控制器計算刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點在地面坐標系下的坐標，并確定刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點相對于掘進計劃線的軸向偏移量。
假設，通過控制器計算得到的刀頭中心店F和盾構機中折點C在盾構機坐標系下的坐標分別為(XF，yF，ZF)、(xc, yc, zc)。并且，由于盾尾中心點B為盾構機坐標系B-XYZ的原點，因此其在盾構機坐標系B-XYZ下的坐標為(0，0，0)。
另外，由于棱鏡固定設置于盾構機的機尾部分上，所以棱鏡與盾尾中心點B的相對位置是固定的，因此，可假設棱鏡在盾構機坐標系下的坐標為(Xp，yP, zP)。
由于盾構機坐標系與棱鏡中心坐標系的各坐標軸平行，因此，刀頭中心點F、盾構機中折點C和盾尾中心點B在棱鏡中心坐標系下的坐標分別為(xFiP，yF_yP，
權利要求
1.一種盾構機的激光導向控制方法，其特征在于，包括以下步驟A、激光全站儀測量盾構機中的棱鏡在地面坐標系下的坐標；B、通過激光接收靶和傳感器確定盾構機的姿態參數；C、控制器計算刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點在地面坐標系下的坐標，并確定刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點相對于掘進計劃線的軸向偏移量；D、控制器對盾構機的掘進曲線進行修正和擬合，并控制盾構機進行掘進。
2.根據權利要求1所述的盾構機的激光導向控制方法，其特征在于，步驟B中，所述盾構機的姿態參數包括偏角，表示盾構機的中心軸線和隧道設計軸線在水平投影面的夾角；旋角，表示盾構機繞中心軸線相對于水平位置旋轉的角度；傾角，表示盾構機的中心軸線和隧道設計軸線在垂直投影面的夾角。
3.根據權利要求2所述的盾構機的激光導向控制方法，其特征在于，通過油缸伸縮量傳感器測量的盾構機各油缸的伸縮量計算偏角；通過轉角傳感器測量旋角 >通過傾角傳感器測量傾角。
4.根據權利要求1所述的盾構機的激光導向控制方法，其特征在于，步驟D中，控制器基于修正和擬合的掘進曲線調整各油缸的伸縮量，從而控制盾構機沿隧道設計軸線進行掘進。
5.一種盾構機的激光導向控制系統，其特征在于，包括激光全站儀，用于發射激光并測量盾構機中的棱鏡在地面坐標系下的坐標；激光接收靶，用于接收激光全站儀發射的激光來確定盾構機的姿態參數；傳感器，用于測量盾構機的姿態參數；油缸伸縮控制單元，用于調整各油缸的伸縮量；控制器，用于計算刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點在地面坐標系下的坐標和相對于掘進計劃線的軸向偏移量，并對盾構機的掘進曲線進行修正和擬合，控制油缸伸縮控制單元；其中，控制器分別與激光全站儀、傳感器和油缸伸縮控制單元連接。
6.根據權利要求5所述的盾構機的激光導向控制系統，其特征在于，所述傳感器包括 油缸伸縮量傳感器，用于測量盾構機的各油缸的伸縮量，控制器基于測量的各油缸的伸縮量計算偏角；轉角傳感器，用于測量旋角；傾角傳感器，用于測量傾角。
7.根據權利要求5所述的盾構機的激光導向控制系統，其特征在于，所述控制器為可編程邏輯控制器。
8.根據權利要求5所述的盾構機的激光導向控制系統，其特征在于，掘進曲線為直線時，激光全站儀與盾構機中的棱鏡的距離小于200米；掘進曲線為曲線時，激光全站儀與盾構機中的棱鏡的距離小于100米。
9.根據權利要求5-7任一所述的盾構機的激光導向控制系統，其特征在于，還包括顯示單元，用于顯示刀頭中心點的里程和軸向偏移量、盾構機中折點的里程和軸向偏移量、盾尾中心的里程和軸向偏移量、偏角、旋角和傾角。
全文摘要
本發明公開一種盾構機的激光導向控制系統和方法，所述方法包括以下步驟激光全站儀測量盾構機中的棱鏡在地面坐標系下的坐標；通過激光接收靶和傳感器確定盾構機的姿態參數；控制器計算刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點在地面坐標系下的坐標，并確定刀頭中心點、盾構機中折點和盾尾中心點相對于掘進計劃線的軸向偏移量；控制器對盾構機的掘進曲線進行修正和擬合，并控制盾構機進行掘進。采用本發明的技術方案，在保證測量精度和穩定性的前提下，極大地提高了現有控制測量系統的自動化程度和施工效率，并可以極大地節約工程開銷。
文檔編號E21D9/093GK102518445SQ201210004770
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者劉亞克, 方依文, 李月強, 王海濤, 趙海, 鄭仔弟, 陳青山 申請人:北京眾策創晟掘進裝備有限公司, 北京信息科技大學