类矩形盾构施工的姿态测量设备及测量方法的制作方法

本技术涉及一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法，该测量装置包括：至少两个目标棱镜，设于类矩形盾构机上；两个双轴传感器，对称设于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处；全站仪，设于隧道进入口处的管节上；工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收并利用所述双轴传感器测量的所述类矩形盾构机的方位角、坡度角、以及滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

本技术提供了一种适用于类矩形盾构的姿态测量方法，确保测量的准确性，还具有操作简单实现方便的特点。

权利要求书
1.一种类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，包括：
至少两个目标棱镜，设于类矩形盾构机上；
两个双轴传感器，对称设于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处，用于测量所述类矩形盾构机的坡度角、滚角；
全站仪，设于隧道进入口处的管节上，用于获取所述目标棱镜的坐标信息；
工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收所述双轴传感器测量的所述类矩形盾构机的坡度角、以及滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，利用所述目标棱
镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

2.如权利要求1所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，
所述工控机利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；
以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X 轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；
根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息(X0，Y0，Z0)；
利用公式
计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，
式中：(X1，Y1，Z1)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，
(X0，Y0，Z0)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X2，Y2，Z2)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

3.如权利要求2所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，所述工控机利用公式
D＝AH×sinθ(1)
C＝Ca+CH(2)
CH＝AH×cosθ(3)
Vh＝Z1-Z'(4)
计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，
式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏
差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程，CH为点H到直线AB上的投射点与A点的距离。

4.如权利要求1所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，还包括设于所述类矩形盾构机盾尾的八个摄像头和与所述摄像头连接的通信单元，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置，所述摄像头拍摄拼装好的管片形成图像信息，通过所述通信单元传送给所述工控机，所述工控机对接收到的所述图像信息处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

5.如权利要求4所述的类矩形盾构施工的姿态测量装置，其特征在于，所述工控机利用图像分割公式
将管片区域分割出来，
式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；
分割出来后，利用二维高斯函数
对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线，G(x,y)为二维高斯函数，σ为高斯滤波器参数。

6.一种类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，包括)
于类矩形盾构机上设置至少两个目标棱镜；
于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处对称设置双轴传感器；
于隧道进入口处的管节上设置全站仪；
通过所述双轴传感器获取当前的所述类矩形盾构机坡度角与滚角和所述全站仪获取当前的所述目标棱镜的坐标信息；
利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

7.如权利要求6所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线包括：
利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；
以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X 轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；
根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的
坐标信息(X0，Y0，Z0)；
利用公式
计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，
式中：(X1，Y1，Z1)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，
(X0，Y0，Z0)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X2，Y2，Z2)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

8.如权利要求7所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息包括：
利用公式
D＝AH×sinθ(1)
C＝Ca+CH(2)
CH＝AH×cosθ(3)
Vh＝Z1-Z'(4)
计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，
式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏
差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利
用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程，CH为点H到直线AB上的投射点与A点的距离。

9.如权利要求6所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，还包括：
于所述类矩形盾构机盾尾设置八个摄像头，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置；
利用八个所述摄像头拍摄拼装好的管片，形成图像信息；
对所述图像信息进行处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

10.如权利要求9所述的类矩形盾构施工的姿态测量方法，其特征在于，所述的对所述图像信息进行处理包括：
利用图像分割公式
将管片区域分割出来，
式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；
分割出来后，利用二维高斯函数
对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线，G(x,y)为二维高斯函数，σ为高斯滤波器参数。

技术说明书
类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法
技术领域
本技术涉及隧道工程领域，尤指一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法。

背景技术
为了达到精准地控制盾构姿态，使盾构沿着既定的设计轴线掘进，必须要实时准确地获取盾构及管片的当前位置信息(盾构及管片的姿态)，所以目前盾构掘进施工中均采用盾构、管片姿态自动测量系统来获取。

但目前成熟的盾构、管片姿态自动测量系统均是针对圆形盾构机设计的，而类矩形盾构与圆形盾构对于盾构姿态和管片姿态的信息要求是有很大区别的，首先类矩形盾构同一隧道内有两条设计线路(左线路和右线路)，受其形状的特殊性的影响，在转角较大时，左右线路的姿态会有很大差值(尤其是在高程上)，而圆盾构转角对姿态的影响几乎可以忽略，因而在类矩形盾构掘进施工中，不仅要关注盾构机中轴线的姿态，其左右两条线路的姿态和高精度的转角信息也必须及时准确地获取。

其次，类矩形盾构受到转角影响，管片与盾尾间隙最小的位置会出现在类矩形的角点位置，因此在测量管片姿态信息时，利用圆形盾构设置上下左右四个位置进行测量，其无法测量到类矩形的角部，使得测量管片姿态信息不准确。

所以现有的圆形盾构的测量方法无法应用到类矩形盾构施工中，故提供一种适用于类矩形盾构的盾构姿态及管片姿态测量方法尤为必要。

技术内容
本技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方
法，解决现有圆形盾构测量方法因其测量中忽略转角、测量过程中仅测量中轴线的姿态、及管片测量时无法测量到类矩形角部而无法应用到类矩形盾构中的问题。

实现上述目的的技术方案是：
本技术一种类矩形盾构施工的姿态测量装置，包括：
至少两个目标棱镜，设于类矩形盾构机上；
两个双轴传感器，对称设于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处，用于测量所述类矩形盾构机的坡度角、以及滚角；
全站仪，设于隧道内已稳固的拼装衬砌环上，用于获取所述目标棱镜的坐标信息；
工控机，与所述双轴传感器和所述全站仪通信连接，接收所述双轴传感器测量的所述类矩形盾构机的坡度角、滚角和所述全站仪获取的所述目标棱镜的坐标信息，利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

本技术提供了一种适用于类矩形盾构的姿态测量方法，测量类矩形盾构的左线路轴线和右线路轴线，结合两个双轴传感器获得高精度的转角信息，可以及时准确的获取类矩形盾构在施工过程中的姿态信息，用于指导类矩形盾构的施工，为类矩形盾构的施工提供重要保证。

工控机内的算法可以保证系统精度，确保测量的准确性，还具有操作简单实现方便的特点。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，
所述工控机利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；
以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X
轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；
根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息(X0，Y0，Z0)；
利用公式
计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，
式中：(X1，Y1，Z1)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，
(X0，Y0，Z0)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X2，Y2，Z2)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，所述工控机利用公式
D＝AH×sinθ(1)
C＝Ca+CH(2)
CH＝AH×cosθ(3)
Vh＝Z1-Z'(4)
计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，
式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏
差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，还包括设于所述类矩形盾构机盾尾的八个摄像头和与所述摄像头连接的通信单元，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置，所述摄像头拍摄拼装好的管片形成图像信息，通过所述通信单元传送给所述工控机，所述工控机对接收到的所述图像信息处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置的进一步改进在于，所述工控机利用图像分割公式将管片区域分割出来，
式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；
分割出来后，利用二维高斯函数
对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线。

本技术一种类矩形盾构施工的姿态测量方法，包括：
于类矩形盾构机上设置至少两个目标棱镜；
于所述类矩形盾构机盾尾的两侧中心处对称设置双轴传感器；
于隧道内已稳固的拼装衬砌环上设置全站仪；
通过所述双轴传感器获取当前的所述类矩形盾构机的坡度角、以及滚角和所述全站仪获取当前的所述目标棱镜的坐标信息；
利用所述目标棱镜的坐标信息、所述坡度角、以及所述滚角，计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，所述的计算得出所述类矩形盾构机的当前的左线路轴线和右线路轴线包括：
利用所述坡度角和所述滚角结合所述目标棱镜的坐标信息，计算得出所述类矩形盾构机的中轴线的位置信息；
以所述类矩形盾构机的中轴线在切口处的位置为原点，以所述类矩形盾构机的中轴线为X 轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系；
根据所述类矩形盾构机的尺寸信息，结合所述左线路轴线和所述右线路轴线距所述类矩形盾构机的中轴线的距离，得出所述左线路轴线和所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息(X0，Y0，Z0)；
利用公式
计算得出所述左线路轴线和所述右线路轴线的施工坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线，
式中：(X1，Y1，Z1)为待计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线的施工坐标，
(X0，Y0，Z0)为对应计算的所述左线路轴线或所述右线路轴线在所述中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X2，Y2，Z2)为所述类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为所述类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，所述的分别与预设的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出所述类矩形盾构机的姿态信息包括：
利用公式
D＝AH×sinθ(1)
C＝Ca+CH(2)
CH＝AH×cosθ(3)
Vh＝Z1-Z'(4)
计算得出所述左线路轴线上切口和盾尾的偏差信息与所述右线路轴线上切口和盾尾的偏差信息，以形成所述类矩形盾构机的姿态信息，
式(1)、式(2)、式(3)、以及式(4)中，H为待计算位置点，D为待计算位置点H的平面偏
差，AH为A点到待计算位置点H的距离，A点为设定轴线上对应待计算位置点H的位置，利用H点与轴线数据库中最短的平面距离进行查询获取，B点设于设定轴线上靠近A点的位置，θ为直线AH与直线AB之间的夹角，C为待计算位置点的里程，Ca为轴线上A点的里程，Vh为待计算位置点H的垂直偏差，Z1为待计算位置点的高程，Z'为H到直线AB的投影高程。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，还包括：
于所述类矩形盾构机盾尾设置八个摄像头，八个所述摄像头分别设于所述盾尾的四个角部和四条边的中心位置；
利用八个所述摄像头拍摄拼装好的管片，形成图像信息；
对所述图像信息进行处理以得到拼装好的管片的边界曲线，进而形成管片的姿态信息。

本技术类矩形盾构施工的姿态测量方法的进一步改进在于，所述的对所述图像信息进行处理包括：
利用图像分割公式
将管片区域分割出来，
式(5)中，f(x,y)为原始图像的像素值，T为灰度阈值，g(x,y)为处理后的图像；
分割出来后，利用二维高斯函数
对图像进行边缘检测，得到所述管片的边界曲线。

附图说明
图1为本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置的结构示意图；
图2为本技术类矩形盾构机盾尾的剖视图；
图3为本技术类矩形盾构偏差计算示意图；以及
图4为图3中Q处放大示意图。

具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步说明。

本技术提供了一种类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法，解决现有的盾构、管片姿态自动测量系统无法用于指导类矩形盾构掘进施工。

因现有成熟的盾构、管片姿态自动测量系统均是针对圆形盾构设计的，而类矩形盾构与圆形盾构对于盾构姿态和管片姿态的信息要求是有很大区别的。

下面结合附图对本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置及测量方法进行说明。

参阅图1，显示了本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置的结构示意图。

参阅图2，显示了本技术类矩形盾构机盾尾的剖视图。

下面结合图1和图2，对本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置进行说明。

如图1和图2所示，本技术类矩形盾构施工的姿态测量装置包括至少两个目标棱镜11、两个双轴传感器12、全站仪13、工控机14、八个摄像头15、以及通信单元16。

至少两个目标棱镜11设于类矩形盾构机21上，可以在类矩形盾构机21上设置三个目标棱镜，安装目标棱镜11在类矩形盾构机21上时，确定类矩形盾构机坐标系中的局部坐标参数初值。

两个双轴传感器12对称设于类矩形盾构机21的盾尾212的两侧中心处，用于测量类矩形盾构机21的坡度角、以及滚角。

全站仪13设于隧道进入口处的管节上，用于获取目标棱镜11的坐标信息。

工控机14与双轴传感器12、全站仪13、以及通信单元16通信连接，用于接收双轴传感器12、全站仪13、以及通信单元16发来的信息并进行处理。

八个摄像头15设于类矩形盾构机21的盾尾212上，分别设于盾尾212的四个角部和四条边的中心位置，用于拍摄拼装好的管节形成图像信息，并将图像信息传输给通信单元16。

工控机14接收双轴传感器12测量的类矩形盾构机21坡度角、以及滚角和全站仪13获取的目标棱镜11的坐标信息，利用目标棱镜11的坐标信息、坡度角、以及滚角，计算得出类矩形盾构机21的当前的左线路轴线和右线路轴线，并分别与存储的左侧设定轴线和右侧设定轴线进行对比以得出类矩形盾构机21的姿态信息。

工控机14通过如下方式计算类矩形盾构机21的当前的左线路轴线和右线路轴线。

首先获取类矩形盾构21的中轴线向量的空间位置，可以通过在三维空间测量三个点的三维坐标(需要设置三个目标棱镜实现)，全站仪13可实时获取目标棱镜11的坐标信息，根据三个点的坐标信息计算得出类矩形盾构机21的切口211上任一点的坐标，并得到类矩形盾构机的坡度和滚角，再根据铰接油缸的行程，计算得出类矩形盾构机21的盾尾212上任一点的坐标；还可以
通过利用双轴传感器12感测的坡度和滚角结合两个目标棱镜11的坐标信息，计算得出类矩形盾构机21的切口211上任一点的坐标，并得到类矩形盾构机的坡度和滚角，再根据铰接油缸的行程，计算得出类矩形盾构机21的盾尾212上任一点的坐标；目标棱镜点的三维坐标通过全站仪对棱镜实时地进行跟踪测量获取，类矩形盾构机的倾斜和侧滚角通过安装在盾构机内的双轴传感器来实现。

这样就计算得出了类矩形盾构机21的中轴线的位置信息。

再计算得出当前的左线路轴线和右线路轴线。

以类矩形盾构机21的中轴线在切口211处的位置为原点，以类矩形盾构机21的中轴线为X轴，以垂直于X轴并与左线路轴线和右线路轴线相交的线为Y轴，形成中轴线切口坐标系.根据类矩形盾构机21的尺寸信息，结合左线路轴线和右线路轴线距类矩形盾构机21的中轴线的距离，得出左线路轴线和右线路轴线在中轴线切口坐标系中的坐标信息(X0，Y0，Z0)。

设定左线路轴线和右线路轴线距中轴线的距离为s，盾构机的长度为l，在中轴线切口坐标系中，左线路轴线的切口坐标为(0,-s,0)，左线路轴线的盾尾坐标为(-l,-s,-)，右线路轴线的切口坐标为(0,s,0)，右线路轴线的盾尾坐标为(-l,s,0)。

利用公式
计算得出左线路轴线和右线路轴线的施工坐标，即当前的左线路轴线的切口坐标和盾尾坐标与右线路轴线的切口坐标和盾尾坐标，获得当前的左线路轴线和右线路轴线。

上述公式中：(X1，Y1，Z1)为待计算的左线路轴线或右线路轴线的施工坐标，(X0，Y0，Z0)为对应计算的左线路轴线或右线路轴线在中轴线切口坐标系中的坐标信息，(X2，Y2，Z2)为类矩形盾构机的中轴线上与待计算坐标相对应的位置信息，α为类矩形盾构机的中轴线的方位角，β为坡度角，为滚角。

以计算左线路轴线的切口坐标为例进行说明，上述公式中的(X2，Y2，Z2)对应为(X切，Y 切，Z切)，(X0，Y0，Z0)对应为(0，-s，0)，所以左线路轴线的切口坐标的计算公式为：
类矩形盾构机21的切口211的三维坐标、中轴线的方位、实时的坡度转角都能都获取，计算得出当前的左线路轴线的切口坐标和盾尾坐标，即获得了当前的左线路轴线，同样也可以计算得出右线路轴线。