專利名稱：基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種城市地鐵隧道盾構(gòu)姿態(tài)定位多傳感器自動導(dǎo)向測量相關(guān)技術(shù)，尤 其是涉及一種基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法。
背景技術(shù)：
目前在地鐵隧道建設(shè)中，主要采用盾構(gòu)挖掘法進行施工。在盾構(gòu)施工過程中，測量 工作非常重要，是保證隧道順利竣工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盾構(gòu)姿態(tài)測量在施工中起到眼睛一般的 作用，決定了盾構(gòu)掘進的方向，及時地獲取盾構(gòu)機的姿態(tài)對于指導(dǎo)施工非常重要，通常是根 據(jù)全站儀獲取盾構(gòu)上的特征點的坐標來計算盾構(gòu)的姿態(tài)的。
人工測量常用的方法有解方程組法與前后標尺法。前者是通過解方程組而解出盾 首、盾尾的三維坐標，該解法數(shù)學(xué)模型簡單，但只能從多個固定參考點中選取三個，沒有多 余觀測，不能作有效的檢核。后者分析的是應(yīng)用廣泛的前后標尺法，前后標尺法根據(jù)相似三 角形原理，通過前尺、后尺坐標推求盾首、盾尾的平面坐標。但是在曲線段，由于設(shè)計軸線不 與相似三角形輔助線重合從而產(chǎn)生了一定的計算誤差。傳統(tǒng)的人工測量方法效率低，受環(huán) 境影響大，與國際先進技術(shù)有巨大的差距。
自動測量方法基本上采用的是三維直角坐標轉(zhuǎn)換理論，該方法需要在盾構(gòu)機上固 定三個控制點，并且每次測量過程中必須全部測出三個控制點，因為盾構(gòu)上方狹小的空間 不易同時測出三個控制點，影響到了測量系統(tǒng)穩(wěn)定性與適用性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種測量精度高、測 量方便的基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法，其特征在于，包括 以下步驟
I)測量系統(tǒng)新建一個數(shù)據(jù)庫文件，然后執(zhí)行步驟2)；
2)將配置數(shù)據(jù)輸入已有的數(shù)據(jù)庫文件，然后執(zhí)行步驟3)；
3)手工設(shè)置自動全站儀和電子雙軸傾斜儀的連接參數(shù)與測量參數(shù)，然后執(zhí)行步驟 4)；
4)判斷測量系統(tǒng)連接全站儀是否成功，如果成功，執(zhí)行步驟5);如果不成功，則返 回步驟3)，對自動全站儀的設(shè)置進行檢核；
5)判斷測量系統(tǒng)連接電子雙軸傾斜儀是否成功，如果成功，執(zhí)行步驟6);如果不 成功，則返回步驟3)，對電子雙軸傾斜儀設(shè)置進行檢核；
6)測量系統(tǒng)對全站儀進行設(shè)站定向，然后執(zhí)行步驟7)；
7)測量系統(tǒng)利用自動全站儀依次測量兩個目標棱鏡，然后執(zhí)行步驟8)；
8)測量系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的測量間隔自動對兩個目標棱鏡進行測量；然后執(zhí)行步驟9)；
9)測量系統(tǒng)判斷兩個目標棱鏡是否全都測到，若為否，返回步驟8);若為是，執(zhí)行步驟10)；
10)測量系統(tǒng)從電子雙軸傾斜儀讀取最新的角度數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行步驟11)；
11)測量系統(tǒng)利用兩個目標棱鏡的坐標數(shù)據(jù)與電子雙軸傾斜儀讀取的角度數(shù)據(jù)計算出盾構(gòu)機首尾的三維坐標和姿態(tài)偏差，顯示在測量系統(tǒng)界面上，并執(zhí)行步驟12)；
12)測量系統(tǒng)將兩個目標棱鏡的坐標與方位角數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、盾構(gòu)首尾坐標與姿態(tài)偏差保存至數(shù)據(jù)庫中；返回步驟8)。
所述的步驟I)中的數(shù)據(jù)庫文件包括各種數(shù)據(jù)表及字段。
所述的步驟2)中的配置數(shù)據(jù)包括工程屬性、控制點信息、標定數(shù)據(jù)信息、設(shè)計線路 目息。
所述的步驟11)中的測量系統(tǒng)利用兩個目標棱鏡的坐標數(shù)據(jù)與電子雙軸傾斜儀讀取的角度數(shù)據(jù)計算出盾構(gòu)機首尾的三維坐標和姿態(tài)偏差具體步驟如下
(I)三維直角坐標轉(zhuǎn)換的七個參數(shù)進行初始化，然后執(zhí)行步驟(2);
(2)根據(jù)全站儀測到的兩個目標棱鏡，對三維直角坐標轉(zhuǎn)換公式進行線性化，列出誤差方程，然后執(zhí)行步驟(3)；
(3)將從電子雙軸傾斜儀讀取的俯仰角與扭轉(zhuǎn)角，結(jié)合三維直角坐標轉(zhuǎn)換，列出誤差方程式，然后執(zhí)行步驟(4)；
(4)對兩類誤差方程式進行定權(quán)，根據(jù)最小二乘準則聯(lián)合平差解算出參數(shù)改正數(shù)， 然后執(zhí)行步驟(5)；
(5)根據(jù)參數(shù)改正數(shù)大小，判斷迭代計算是否收斂，若為是，執(zhí)行步驟(6)中；若為否，則返回步驟(2)中，繼續(xù)進行解算；
(6)根據(jù)解算出的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，解算出盾構(gòu)機首尾的三維坐標與姿態(tài)偏差。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
面對盾構(gòu)上方狹小的空間不易同時測出三個目標點的狀況，提出全站儀只需測出兩個目標點、利用電子雙軸傾斜儀數(shù)據(jù)彌補同樣可以嚴密解算出盾構(gòu)姿態(tài)的方法。研制操作系統(tǒng)以自動全站儀、電子雙軸傾斜儀為數(shù)據(jù)采集傳感器，配合自主開發(fā)的自動解算軟件， 在計算機的控制下實現(xiàn)聯(lián)合嚴密解算確定盾構(gòu)的姿態(tài)，通過全站儀、傾斜儀集成將數(shù)據(jù)采集、通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、可視化技術(shù)于一體，實現(xiàn)施工測量自動化。該技術(shù)已經(jīng)在上海、杭州、蘇州等多條地鐵區(qū)間施工中得到成功使用。


圖1為本發(fā)明的流程圖2為本發(fā)明的盾構(gòu)機首尾的三維坐標和姿態(tài)偏差計算流程圖3為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例
基于全站儀和傾斜儀數(shù)據(jù)的聯(lián)合嚴密解算定姿方法，該技術(shù)采用自動全站儀作為數(shù)據(jù)采集傳感器，只需測定盾構(gòu)機上方兩個目標點的空間坐標信息；再結(jié)合從電子雙軸傾斜儀讀取的俯仰角與扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，通過聯(lián)合建模、嚴密平差、解算出盾構(gòu)首尾的三維坐標及姿態(tài)信息，再與隧道設(shè)計軸線對比，計算出盾構(gòu)首尾姿態(tài)偏差；最后將盾構(gòu)姿態(tài)偏差刷新顯示在軟件界面上，指導(dǎo)施工，完成測量自動化。
如圖3所示，各個組成部分與連接關(guān)系介紹
a.自動全站儀3，通過RS232串口通訊線連接無線電臺2 ；
b. 一對無線電臺2，通過RS232串口通訊線分別連接自動全站儀3和測量計算機 I，每個還需要接通電源持續(xù)供電；
c.測量計算機1，通過RS232串口通訊線連接無線電臺2，利用測量系統(tǒng)實時控制自動全站儀3。
d.兩個目標棱鏡4，需固定在盾構(gòu)機上，不允許在盾構(gòu)頂推過程中位置出現(xiàn)相對移動；
e.三根RS232串口通訊線，用于連接一對無線電臺和電子雙軸傾斜儀5 ；
f.電子雙軸傾斜儀5，用一根RS232串口線連接至測量計算機I ;
本發(fā)明技術(shù)通過集成數(shù)據(jù)采集、通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、可視化技術(shù)于一體，實現(xiàn)施工測量自動化。采用自動全站儀進行數(shù)據(jù)采集，無線電臺進行數(shù)據(jù)通訊，實時測定兩個目標棱鏡的三維坐標；結(jié)合實時電子雙軸傾斜儀的角度數(shù)據(jù)，解算出盾構(gòu)首尾的三維坐標和姿態(tài)偏差；最后將盾構(gòu)姿態(tài)偏差可視化，完成施工測量自動化。
圖2所示為本測量系統(tǒng)過程的流程。系統(tǒng)定時進行自動測量，完成對全站儀的實時控制。以下對圖中的各步驟進行詳細描述
在步驟401中，測量系統(tǒng)新建一個數(shù)據(jù)庫文件，里面包括各種數(shù)據(jù)表及字段。然后執(zhí)行步驟402。
在步驟402中，將配置數(shù)據(jù)輸入已有的數(shù)據(jù)庫文件，包括工程屬性、控制點信息、 標定數(shù)據(jù)信息、設(shè)計線路信息等。然后執(zhí)行步驟403。
在步驟403中，手工設(shè)置自動全站儀的連接參數(shù)與測量參數(shù)設(shè)置。然后執(zhí)行步驟 404。
在步驟404中，判斷是否測量系統(tǒng)連接全站儀是否成功，如果成功，進入步驟405 中；如果不成功，則進入步驟403中，對自動全站儀的設(shè)置進行檢核；
在步驟405中，判斷是否測量系統(tǒng)連接電子雙軸傾斜儀是否成功，如果成功，進入步驟406中；如果不成功，則進入步驟403中，對電子雙軸傾斜儀設(shè)置進行檢核；
在步驟406中，測量系統(tǒng)對全站儀進行設(shè)站定向。然后進入步驟407 ；
在步驟407中，測量系統(tǒng)利用自動全站儀依次測量兩個目標棱鏡，其目的是記憶該兩個棱鏡的空間方位角度信息。然后執(zhí)行步驟408 ；
在步驟408中，測量系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的測量間隔自動對兩個目標棱鏡進行測量；然后執(zhí)彳了步驟409 ；
在步驟409中，測量系統(tǒng)判斷兩個目標棱鏡是否全都測到，如果不成功，然后執(zhí)行步驟408 ;如果成功，執(zhí)行步驟410。
在步驟410中，測量系統(tǒng)從電子雙軸傾斜儀讀取最新的角度數(shù)據(jù)。然后執(zhí)行步驟411。
在步驟411中，測量系統(tǒng)利用兩個目標棱鏡的坐標與電子傾斜儀讀取的角度數(shù)據(jù) 計算出盾構(gòu)機首尾的三維坐標和姿態(tài)偏差，顯示在測量系統(tǒng)界面上，計算方法參考流程圖 3。如果成功，執(zhí)行步驟412。
在步驟412中，測量系統(tǒng)將兩個目標棱鏡的坐標與方位角數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、盾構(gòu)首 尾坐標與姿態(tài)偏差保存至數(shù)據(jù)庫中；返回自動測量，執(zhí)行步驟408。
基于全站儀和傾斜儀數(shù)據(jù)的聯(lián)合嚴密解算定姿方法，該技術(shù)的算法核心是基于三 維直角坐標轉(zhuǎn)換，將全站儀測到的兩個目標棱鏡的坐標數(shù)據(jù)與初始標定坐標系的數(shù)據(jù)進行 坐標轉(zhuǎn)換，線性化后列出誤差函數(shù)式；同時獨創(chuàng)性的將電子雙軸傾斜儀的角度數(shù)據(jù)與坐標 轉(zhuǎn)換進行變換，盾首盾尾兩點的高差為該兩點的斜距與俯仰角正弦的乘積，而該兩點的斜 距為固定值，不隨坐標轉(zhuǎn)換發(fā)生變化；目標棱鏡在盾構(gòu)機首尾軸線存在唯一投影點，該投影 點與目標棱鏡的斜距同為固定值，該兩點的高差為兩點的斜距與扭轉(zhuǎn)角的余弦的乘積，因 此看成兩個限制條件列出誤差方程式。根據(jù)電子傾斜儀的標定精度，將限制條件方程按照 一定的權(quán)重與三維直角坐標轉(zhuǎn)換聯(lián)合嚴密平差，求解出盾構(gòu)首尾坐標與姿態(tài)數(shù)據(jù)。
圖2所示為本測量系統(tǒng)解算算法的流程。以下對圖中的各步驟進行詳細描述
在步驟501中，三維直角坐標轉(zhuǎn)換的七個參數(shù)進行初始化。然后執(zhí)行步驟502。
在步驟502中，根據(jù)全站儀測到的兩個目標棱鏡，對三維直角坐標轉(zhuǎn)換公式進行 線性化，列出誤差方程。然后執(zhí)行步驟503。
在步驟503中，將從電子傾斜儀讀取的俯仰角與扭轉(zhuǎn)角，結(jié)合三維直角坐標轉(zhuǎn)換， 列出誤差方程式。然后執(zhí)行步驟504。
在步驟504中，對兩類誤差方程式進行定權(quán)，根據(jù)最小二乘準則聯(lián)合平差解算出 參數(shù)改正數(shù)。然后執(zhí)行步驟505。
在步驟505中，根據(jù)參數(shù)改正數(shù)大小，判斷迭代計算是否收斂，如果收斂，進入步 驟506中；如果不成功，則進入步驟502中，繼續(xù)進行解算；
在步驟506中，根據(jù)解算出的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，解算出盾構(gòu)機首尾坐標與姿態(tài)偏差。
權(quán)利要求
1.一種基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法，其特征在于，包括以下步驟1)測量系統(tǒng)新建一個數(shù)據(jù)庫文件，然后執(zhí)行步驟2)；2)將配置數(shù)據(jù)輸入已有的數(shù)據(jù)庫文件，然后執(zhí)行步驟3)；3)手工設(shè)置自動全站儀和電子雙軸傾斜儀的連接參數(shù)與測量參數(shù)，然后執(zhí)行步驟4)；4)判斷測量系統(tǒng)連接全站儀是否成功，如果成功，執(zhí)行步驟5);如果不成功，則返回步驟3)，對自動全站儀的設(shè)置進行檢核；5)判斷測量系統(tǒng)連接電子雙軸傾斜儀是否成功，如果成功，執(zhí)行步驟6);如果不成功，則返回步驟3)，對電子雙軸傾斜儀設(shè)置進行檢核；6)測量系統(tǒng)對全站儀進行設(shè)站定向，然后執(zhí)行步驟7)；7)測量系統(tǒng)利用自動全站儀依次測量兩個目標棱鏡，然后執(zhí)行步驟8)；8)測量系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的測量間隔自動對兩個目標棱鏡進行測量；然后執(zhí)行步驟9)；9)測量系統(tǒng)判斷兩個目標棱鏡是否全都測到，若為否，返回步驟8);若為是，執(zhí)行步驟10)；10)測量系統(tǒng)從電子雙軸傾斜儀讀取最新的角度數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行步驟11)；11)測量系統(tǒng)利用兩個目標棱鏡的坐標數(shù)據(jù)與電子雙軸傾斜儀讀取的角度數(shù)據(jù)計算出盾構(gòu)機首尾的三維坐標和姿態(tài)偏差，顯示在測量系統(tǒng)界面上，并執(zhí)行步驟12)；12)測量系統(tǒng)將兩個目標棱鏡的坐標與方位角數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、盾構(gòu)首尾坐標與姿態(tài)偏差保存至數(shù)據(jù)庫中；返回步驟8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法，其特征在于，所述的步驟I)中的數(shù)據(jù)庫文件包括各種數(shù)據(jù)表及字段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法，其特征在于，所述的步驟2)中的配置數(shù)據(jù)包括工程屬性、控制點信息、標定數(shù)據(jù)信息、設(shè)計線路信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法，其特征在于，所述的步驟11)中的測量系統(tǒng)利用兩個目標棱鏡的坐標數(shù)據(jù)與電子雙軸傾斜儀讀取的角度數(shù)據(jù)計算出盾構(gòu)機首尾的三維坐標和姿態(tài)偏差具體步驟如下(1)三維直角坐標轉(zhuǎn)換的七個參數(shù)進行初始化，然后執(zhí)行步驟(2);(2)根據(jù)全站儀測到的兩個目標棱鏡，對三維直角坐標轉(zhuǎn)換公式進行線性化，列出誤差方程，然后執(zhí)行步驟(3)；(3)將從電子雙軸傾斜儀讀取的俯仰角與扭轉(zhuǎn)角，結(jié)合三維直角坐標轉(zhuǎn)換，列出誤差方程式，然后執(zhí)行步驟(4)；(4)對兩類誤差方程式進行定權(quán)，根據(jù)最小二乘準則聯(lián)合平差解算出參數(shù)改正數(shù)，然后執(zhí)行步驟(5)；(5)根據(jù)參數(shù)改正數(shù)大小，判斷迭代計算是否收斂，若為是，執(zhí)行步驟(6)中；若為否，則返回步驟(2)中，繼續(xù)進行解算；(6)根據(jù)解算出的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，解算出盾構(gòu)機首尾的三維坐標與姿態(tài)偏差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于全站儀和傾斜儀的聯(lián)合嚴密解算定姿信息處理方法，包括1)測量系統(tǒng)新建一個數(shù)據(jù)庫文件；2)將配置數(shù)據(jù)輸入已有的數(shù)據(jù)庫文件；3)手工設(shè)置自動全站儀和電子雙軸傾斜儀的連接參數(shù)與測量參數(shù)；4)判斷測量系統(tǒng)連接全站儀是否成功，如果成功，執(zhí)行步驟5)；如果不成功，則返回步驟3)，對自動全站儀的設(shè)置進行檢核；5)判斷測量系統(tǒng)連接電子雙軸傾斜儀是否成功，如果成功，執(zhí)行步驟6)；如果不成功，則返回步驟3)，對電子雙軸傾斜儀設(shè)置進行檢核；6)測量系統(tǒng)對全站儀進行設(shè)站定向；7)測量系統(tǒng)利用自動全站儀依次測量兩個目標棱鏡等步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有測量精度高等優(yōu)點。
文檔編號G01C15/00GK103017742SQ20111029816
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者潘國榮, 李懷鋒, 王穗輝 申請人:同濟大學(xué)