基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统及方法

技术领域

本发明涉及掘进机导向的技术领域，特指一种基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统及方法。

背景技术

从市场上来看，我国正在成为世界上掘进机需求量最大的国家，从技术上来看，盾构掘进机代表了隧道掘进装备的发展方向，巨大的市场需求与我国相对滞后的盾构掘进机技术之间的矛盾已经凸显。同时，由于盾构机施工是一个高风险的行业，必须保证产品质量稳定性、高可靠性，才能保证工程顺利高效完成。如何提高盾构机的施工效率与设备可靠性对地下施工有很重要的的指导意义，现有盾构机的导向系统都是基于光学全站仪的导向系统，使用全站仪及棱镜进行测量。这样的测量方式在掘进机设计时必须预留测量通道，对掘进机的设计有一定影响，同时在测量时必须对空间上的多个棱镜逐个扫描，测量结果输出的周期在1分钟以上，频率较低。在一些急曲线，小直径的项目中，测量棱镜的安装，后视棱镜的移站存在一定困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统及方法，解决现有的全站仪及棱镜导向系统存在的需预留测量通道而对掘进机设计产生影响的问题、测量结果频率较低的问题以及在急曲线和小直径项目中测量棱镜的安装及后视棱镜移站存在困难的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种基于光纤陀螺仪的掘进机导向方法，包括如下步骤：

提供光纤陀螺仪，将所述光纤陀螺仪安装在所述掘进机上；

提供加速度计，将所述加速度计靠近所述光纤陀螺仪安装在所述掘进机上；

提供静力水准仪，将所述静力水准仪靠近所述光纤陀螺仪安装在所述掘进机上；

在所述掘进机掘进的过程中，通过所述光纤陀螺仪获取所述掘进机的实时姿态数据，通过所述静力水准仪获取所述掘进机的水平落差数据，通过所述加速度计获取所述掘进机的速度数据；以及

依据所获取的实时姿态数据、所述速度数据和水平落差数据计算得到所述掘进机的实际掘进路径，并通过所述实际掘进路径与所述掘进机的设计路径计算得出掘进机的推进路线，利用所述推进路线控制所述掘进机向前掘进以实现掘进机的导向。

本发明利用设置的光纤陀螺仪直接获取掘进机的空间姿态，避免了设置棱镜，从而无需预留测量通道，能够避免测量通道对掘进机设计产生的影响。光纤陀螺仪的输出频率可达到1秒，能够对掘进机实现及时导向。且光纤陀螺仪安装固定后不需要改变位置，从而避免了棱镜导向系统中后视棱镜移站困难的问题。光纤陀螺仪可实时采集掘进机的旋转角速度，配合设置的静力水准仪实时采集掘进机的竖直方向的位移，就能够得到掘进机的实时姿态和实际掘进路径，再结合掘进机的设计路径，就能够得到掘进机的推进路线，从而实现对掘进机的导向，使得掘进机能够尽可能的符合设计路径。

本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向方法的进一步改进在于，所提供的光纤陀螺仪、加速度计和静力水准仪的数量为三个，将三个光纤陀螺仪、三个加速度计和三个静力水准仪间隔的安装在所述掘进机上。

本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向方法的进一步改进在于，所提供的光纤陀螺仪的输出频率为1至3秒。

本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向方法的进一步改进在于，通过所述实际掘进路径与所述掘进机的设计路径计算得出掘进机的推进路线的步骤，包括：

将所述设计路径转换到所述掘进机的坐标系下，并于所述掘进机的坐标系中获得所述实际掘进路径与所述设计路径的偏差方向，从而得到纠偏方向；

计算所述实际掘进路径与所述设计路径的偏差值作为纠偏位移；

将所述纠偏方向和所述纠偏位移换算成所述掘进机的推进行程控制数据作为掘进机的推进路线。

本发明还提供了一种基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统，包括：

装设于所述掘进上的光纤陀螺仪，用于获取所述掘进机在掘进过程中的实时姿态数据；

装设于所述掘进机上并靠近所述光纤陀螺仪的加速度计，用于获取所述掘进机在掘进过程中的速度数据；

装设于所述掘进机上并靠近所述光纤陀螺仪设置的静力水准仪，用于获取所述掘进机的水平落差数据；以及

与所述光纤陀螺仪、所述加速度计和所述静力水准仪连接的处理单元，用于接收所述光纤陀螺仪获取的实时姿态数据、所述加速度计获取的速度数据和所述静力水准仪获取的水平落差数据，所述处理单元还与所述掘进机控制连接，所述处理单元还用于依据所述实时姿态数据、所述速度数据和水平落差数据计算得到所述掘进机的实际掘进路径，并通过所述实际掘进路径与所述掘进机的设计路径计算得出掘进机的推进路线，利用所述推进路线控制所述掘进机向前掘进以实现掘进机的导向。

本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统的进一步改进在于，所述光纤陀螺仪、所述加速度计和所述静力水准仪的数量为三个，间隔的安装在所述掘进机上。

本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统的进一步改进在于，所述光纤陀螺仪的输出频率为1至3秒。

本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统的进一步改进在于，所述处理单元用于将所述设计路径转换到所述掘进机的坐标系下，并通过比较所述实际掘进路径和所述设计路径以得到所述实际掘进路径与所述设计路径的偏差方向和所述实际掘进路径与所述设计路径的偏差值，进而将所述偏差方向和所述偏差值换算成所述掘进机的推进行程控制数据作为掘进机的推进路线。

附图说明

图1为本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向方法的流程图。

图2为本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统的系统图。

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光纤陀螺仪的掘进机导向系统及方法，用于解决现有导向系统存在的以下问题：使用全站仪及棱镜进行测量，这样的测量方式在掘进机设计时必须要预留测量通道，对掘进机的设计有一定的影响；测量时必须对空间上的多个棱镜逐个扫描，测量结果输出的周期在1分钟以上，频率较低；在一些急曲线，小直径的项目中，测量棱镜的安装，后视棱镜的移站存在一定困难。本发明的基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统及方法，使用光纤陀螺仪采集掘进机的实时姿态，无需预留测量通道，测量结果的输出频率可达到1秒，没有后视棱镜需要频繁的移站，能够有效的解决现有的全站仪及棱镜测量存在的问题。下面结合附图对本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统及方法进行说明。

参阅图2，显示了本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统的系统图。下面结合图2，对本发明基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统进行说明。

如图2所示，本发明的基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统包括光纤陀螺仪21、静力水准仪22、加速度计24以及处理单元23，其中的光纤陀螺仪21装设于掘进机上，该光纤陀螺仪21用于获取掘进机在掘进过程中的实时姿态数据；加速度计24装设在掘进机上并靠近光纤陀螺仪21设置，用于获取掘进机在掘进过程中的速度数据；静力水准仪22装设于掘进机上并靠近光纤陀螺仪21设置，该静力水准仪22用于获取掘进机的水平落差数据；处理单元23与光纤陀螺仪21和静力水准仪22连接，处理单元23用于接收光纤陀螺仪21获取的实时姿态数据和静力水准仪22获取的水平落差数据，处理单元23还与掘进机控制连接，较佳地，该处理单元23与掘进机PLC30控制连接，该处理单元23用于依据实时姿态数据、速度数据和水平落差数据计算得到掘进机的实际掘进路径，并通过实际掘进路径与掘进机的设计路径计算得出掘进机的推进路线，利用推进路线控制掘进机向前掘进以实现掘进机的导向。

较佳地，处理单元23还用于获取掘进机PLC30的推进行程变化数据，结合推进行程变化数据、实时姿态数据和水平落差数据计算得到掘进机的实际掘进路径。该推进行程变化数据较佳为运算扫描周期内掘进机的移动距离信息。

光纤陀螺仪能够精确地确定运动物体方位，其主要基于赛格尼克理论来实现测量，当光束在一个环形的通道中行进时，若环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动方向进行所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向行进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的行进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都不会产生变化，利用光程的这种变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，并可以反馈出光纤陀螺仪在空间的姿态。

加速度计安装在掘进机上，可获取掘进机的加速度变化，对加速度变化进行积分可得到掘进机的运动速度作为速度数据。

静力水准仪是用于测量基础和建筑物各个测点的相对沉降的精密仪器，在静力水准仪的系统中，所有各测点的垂直位移均是相对于其中的一点(又叫基准点)变化，该点的垂直位移是相对恒定的或者是可用其他方式准确确定，以便能精确计算出经理水准仪系统各测点的沉降变化量。

本发明的基于光纤陀螺仪的掘进机导向系统的工作原理为：光纤陀螺仪采集掘进机的实时姿态，结合加速度计测量的速度数据，推进油缸内置式行程传感器的行程数据及静力水准仪采集的掘进机产生的垂直方向的位移，可在每个运算的扫描周期内计算出盾构机的实际掘进路径，进而与掘进机的设计路径相比较就能够得到盾构机的推进路线，直接利用该推进路线控制掘进机向前掘进，即可实现掘进机的导向。

较佳地，本发明的掘进机为盾构机。

在本发明的一种具体实施方式中，光纤陀螺仪21、加速度计24和静力水准仪22的数量为三个，间隔的安装在掘进机上。较佳地，可将三个光纤陀螺仪21、加速度计24和静力水准仪22对应的安装于掘进机的前部、中部和后部。在掘进机为盾构机时，三个光纤陀螺仪21、加速度计24和三个静力水准仪22配套的安装于盾构机的前部、中部和后部，盾构机包括前盾和后盾，且前盾和后盾铰接连接，一组光纤陀螺仪21、加速度计24和静力水准仪22安装于前盾的前端中心处，用于采集盾构机的切口中心的姿态数据。另一组光纤陀螺仪21、加速度计24和静力水准仪22安装在前盾和后盾铰接处的中心位置，用于采集盾构机中部的中心的姿态数据。最后一组光纤陀螺仪21、加速度计24和静力水准仪22安装在后盾的后端中心处，用于采集盾构机的盾尾中心的姿态数据。通过三组光纤陀螺仪21、加速度计24和静力水准仪22获得的姿态数据能够得到盾构机的实时姿态信息。其中的静力水准仪22带有水箱，在安装静力水准仪22时，将该水箱部分安装在后侧已拼装完成的管片上。

在本发明的一种具体实施方式中，光纤陀螺仪的输出频率为1至3秒。较佳地，光纤陀螺仪的输出频率为1秒。设定运算扫描周期为光纤陀螺仪的输出频率的10倍至20倍，可以每10秒至20秒计算一次盾构机的实际掘进路径。

光纤陀螺仪采集盾构机的实时姿态，将运算扫描周期内的所有实时姿态按照推进形成关联起来就形成了行进路径，对该行进路径进行积分即可得到盾构机的行进轨迹，再将水平落差数据结合到行进轨迹上也就得到了盾构机的实际掘进路径，且该实际掘进路径是在盾构机的坐标系下的。

在本发明的一种具体实施方式中，处理单元23用于将设计路径转换到掘进机的坐标系下，并通过比较实际掘进路径和设计路径以得到实际掘进路径与设计路径的偏差方向和实际掘进路径与设计路径的偏差值，进而将偏差方向和偏差值换算成掘进机的推进行程控制数据作为掘进机的推进路线。具体地，设计路径是基于大地坐标系建立的，将该设计路径转换到掘进机的坐标系下，能够让设计路径与实际掘进路径进行直观比较，若掘进机掘进过程没有偏差，该设计掘进路径与设计路径为重合状态，在比较时，若实际掘进路径与设计路径未重合，则表明掘进机掘进发生了偏差，通过实际掘进路径偏离设计路径的方向可得到偏差方向，根据实际路径与设计路径间的偏差距离可得到偏差值，根据偏差方向和偏差值即可调整掘进机向着设计路径进行纠偏，为了便于掘进机执行，将偏差方向和偏差值换算成掘进机的推进行程控制数据，该推进行程控制数据由处理单元23直接发送给掘进机PLC30，该掘进机PLC30能够执行推进行程控制数据实现了掘进机掘进过程中的导向。

本发明的处理单元23可直接集成在掘进机PLC30中，还可以安装在上位机上。

本发明还提供了一种基于光纤陀螺仪的掘进机导向方法，下面对该导向方法进行说明。

如图1所示，本发明的一种基于光纤陀螺仪的掘进机导向方法，包括如下步骤：

执行步骤S11，提供光纤陀螺仪，将光纤陀螺仪安装在掘进机上；接着执行步骤S12；

执行步骤S12，提供加速度计，将所述加速度计靠近所述光纤陀螺仪安装在所述掘进机上；接着执行步骤S13；

执行步骤S13，提供静力水准仪，将静力水准仪靠近光纤陀螺仪安装在掘进机上；接着执行步骤S1,4；

执行步骤S14，在掘进机掘进的过程中，通过光纤陀螺仪获取掘进机的实时姿态数据，通过静力水准仪获取掘进机的水平落差数据，通过所述加速度计获取所述掘进机的速度数据；接着执行步骤S15；

执行步骤S15，依据所获取的实时姿态数据和水平落差数据计算得到掘进机的实际掘进路径，并通过实际掘进路径与掘进机的设计路径计算得出掘进机的推进路线，利用推进路线控制掘进机向前掘进以实现掘进机的导向。

在本发明的一种具体实施方式中，所提供的光纤陀螺仪、加速度计和静力水准仪的数量为三个，将三个光纤陀螺仪、三个加速度计和三个静力水准仪间隔的安装在掘进机上。较佳地，将三个光纤陀螺仪、三个加速度计和三个静力水准仪对应安装于掘进机的前部、中部以及后部。较佳地，在掘进机为盾构机时，三个光纤陀螺仪21和三个静力水准仪22配套的安装于盾构机的前部、中部和后部，盾构机包括前盾和后盾，且前盾和后盾铰接连接，一组光纤陀螺仪21和静力水准仪22安装于前盾的前端中心处，用于采集盾构机的切口中心的姿态数据。另一组光纤陀螺仪21和静力水准仪22安装在前盾和后盾铰接处的中心位置，用于采集盾构机中部的中心的姿态数据。最后一组光纤陀螺仪21和静力水准仪22安装在后盾的后端中心处，用于采集盾构机的盾尾中心的姿态数据。通过三组光纤陀螺仪21和静力水准仪22获得的姿态数据能够得到盾构机的实时姿态信息。

在本发明的一种具体实施方式中，所提供的光纤陀螺仪的输出频率为1至3秒。较佳地，光纤陀螺仪的输出频率为1秒。设定运算扫描周期为光纤陀螺仪的输出频率的10倍至20倍，可以每10秒至20秒计算一次盾构机的实际掘进路径。

在本发明的一种具体实施方式中，通过实际掘进路径与掘进机的设计路径计算得出掘进机的推进路线的步骤，包括：

将设计路径转换到掘进机的坐标系下，并于掘进机的坐标系中获得实际掘进路径与设计路径的偏差方向，从而得到纠偏方向；

计算实际掘进路径与设计路径的偏差值作为纠偏位移；

将纠偏方向和纠偏位移换算成掘进机的推进行程控制数据作为掘进机的推进路线。

本发明的导向方法中光纤陀螺仪给出掘进机的实时姿态，结合推进形成，可以在每个运算的扫描周期都计算出一个行进路径，这些路径通过积分可以连成掘进机的行进轨迹，在计算时，静力水准仪用来补偿外力作用在掘进机上产生的垂直方向的位移，运算时采集光纤陀螺仪的姿态数据，静力水准仪的水平落差数据，掘进机PLC中推进行程的变化数据，通过计算得出掘进机的推进路线。

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。