盾构机位姿测量系统的关键技术研究

论文摘要

盾构机是一种集机械、电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科于一体的用于隧道工程的全断面大型掘进装备。盾构隧道法以其施工速度快,自动化程度高,节省人力,不受地面干扰等优势将越来越多的应用于我国城市地铁建设工程。测量导向系统作为盾构机的“眼睛”,在盾构施工中起着至关重要的作用。目前,国产盾构机要实现掘进过程的自动导向,需要配备国外的测量导向系统,相关设备的购买或租赁费用昂贵,因此,研制开发我国具有自主知识产权的盾构机测量导向系统,具有十分重要的现实意义。本课题在国家重点基础研究发展计划(973计划)的资助下,针对盾构机位姿测量系统中的关键技术开展了如下的研究工作:1.介绍了基于全站仪和电子激光标靶的盾构机位姿测量方法,以全站仪直接测量电子标靶坐标,并结合盾构机的三个姿态角,来计算得到盾构机的切口中心和盾尾中心坐标。2.研究了基于无衍射光的盾构机水平方位角的测量新方法。针对测量过程中的光斑中心定位问题,开发了一种基于圆环滤波的无衍射光定中算法。算法对光斑进行圆环滤波,求取单个圆环上的光强平均值及其光强差绝对值和,并以光斑上的若干个圆环的光强差绝对值和的总和为目标函数,利用单纯形搜索算法,通过搜索目标函数的最小值来确定光斑中心点,经实验验证,中心点定位精度可达0.1个像素。3.根据盾构测量精度要求,开展了测量系统中的关键仪器全站仪和电子激光标靶测量参数的误差分析和误差分配方法的研究。采用区间计算方法,分别对单个测量参数进行盾构机位置误差的灵敏度分析,在此基础上,将测量系统误差分配转换成为基于成本函数最小的带约束的最优化模型,并用序列二次规划方法进行求解,误差分配结果采用蒙特卡罗方法进行了验证,可给测量系统的仪器设计,制造和选型提供精度指导。4.开展了隧道设计轴线上全站仪测站点位置规划方法的研究。通过分析隧道设计轴线的平面线形和纵面线形,并研究全站仪和电子标靶间的可视性判断方法,建立了基于可视性约束,入射角约束和距离约束的全站仪移站模型。采用该模型,在给定盾构机模型和隧道设计轴线时,能于施工前确定全站仪测站点位置,给盾构施工予以指导。论文的研究工作为研制开发盾构机位姿测量系统提供了技术铺垫。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的背景
• 1.2.1 盾构技术介绍
• 1.2.2 盾构国内外发展历史和研究现状
• 1.2.3 盾构机位姿测量发展概况
• 1.3 课题研究的意义和内容
• 1.3.1 课题研究的意义
• 1.3.2 课题研究的内容
• 第二章 盾构机位姿测量系统
• 2.1 盾构机位姿要素
• 2.1.1 测量系统相关坐标系
• 2.1.2 盾构机姿态角
• 2.2 测量系统主要组成
• 2.3 盾构机位姿测量系统建模
• 2.3.1 电子标靶棱镜坐标测量
• 2.3.2 盾构切口中心坐标测量
• 第三章 基于无衍射光的盾构机水平角测量方法
• 3.1 无衍射光简介
• 3.2 盾构机水平角测量方法
• 3.3 无衍射光斑定中算法
• 3.3.1 算法基本理论
• 3.3.2 仿真结果及分析
• 3.3.3 定中实验结果
• 第四章 盾构机位姿测量系统误差分配方法
• 4.1 区间分析
• 4.2 测量参数误差灵敏度分析
• 4.3 测量参数误差分配
• 4.3.1 误差分配最优化模型
• 4.3.2 误差分配算法流程
• 4.3.3 测量参数误差分配结果
• 4.4 测量参数误差分配结果的Monte Carlo 检验
• 第五章 全站仪站点规划方法
• 5.1 隧道设计轴线
• 5.1.1 隧道设计轴线的平面线形
• 5.1.2 隧道设计轴线的纵面线形
• 5.2 全站仪和电子标靶的可视性
• 5.2.1 可视性判断基本方法
• 5.2.2 可视性判断加速算法
• 5.3 全站仪移站建模
• 5.4 全站仪移站算例
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表的论文