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盾构机姿态数据恢复方法、系统及介质与流程

  • 国知局
  • 2024-11-21 11:59:30

本技术涉及隧道施工,具体涉及一种盾构机姿态数据恢复方法、系统及介质。

背景技术:

1、盾构法是隧道施工中一种常见的方法,其通过盾构机在地下推进,同时进行土体开挖和隧道结构的构建。在盾构机掘进过程中,姿态数据的准确性对于隧道施工的安全和质量至关重要。然而,由于各种原因(如设备故障、操作失误、外界土体积压等),盾构机盾体出现形变,导致原先设定的导向系统数据关系发生变化,导致姿态显示错误。由于盾构机盾体已完全处于土体中,无法通过直接测量盾体外部得到盾体前后中心位置坐标,给恢复导向系统带来困难,给隧道施工精度带来极大的风险。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种盾构机姿态数据恢复方法、系统及介质,能够在盾构机盾体形变,导向系统和特征点关系被破坏,姿态数据丢失或错误时,快速、准确地恢复数据,确保隧道施工的测量精度。

2、为实现上述目的,本技术提供如下技术方案:

3、第一方面,本技术实施例提供一种盾构机姿态数据恢复方法,包括以下具体步骤:

4、选择主轴承的两个位置作为测量位置1、测量位置2;

5、使用反射片,在主轴承外轮廓摆放一圈,测量每个摆放位置的三维坐标,得到两组三维坐标集;

6、拟合计算得到测量位置1、测量位置2的中心三维坐标;

7、根据设计图纸中测量位置1、测量位置2到盾首、盾尾的距离,进行直线延长计算,得到盾首、盾尾位置的中心三维坐标;

8、如果铰接已打开,将铰接角度带入计算,得到盾尾位置的中心三维坐标;

9、主轴承测量完成后,在盾体保持不动的情况下,重新测量原有特征点、激光靶的坐标;

10、利用得到的盾首、盾尾中心坐标和激光靶坐标,以及当前显示的激光靶的滚动角、俯仰角、方位角参数输入到导向系统内的参数设置界面,使用全站仪重新进行导向测量;

11、进行归零计算,将盾首、盾尾中心坐标和特征点、激光靶坐标一起,计算盾首、盾尾、特征点、激光靶的位置关系,得到新的刚体零位关系;

12、归零计算得到的新刚体零位关系,用做后续人工复测时的基础数据,通过零位关系检核导向系统显示数据是否正确。

13、所述拟合计算得到测量位置1、测量位置2的中心三维坐标具体为,第1步拟合平面:将测得的测量位置1的坐标集带入以下公式

14、

15、拟合平面的法向量的方向系数为:x′=(ata)-1atl

16、计算得到平面方向向量a、b、c,

17、第2步将坐标集向平面投影:

18、将坐标集中的每个坐标向拟合的平面进行投影,得到投影后的坐标集。

19、利用以下公式计算:

20、x’=((b2+c2)*x-a*(b*y+c*z+1))/(a2+b2+c2)

21、y’=((a2+c2)*y-b*(a*x+c*z+1))/(a2+b2+c2)

22、z’=((a2+b2)*z-c*(a*x+b*y+1))/(a2+b2+c2)

23、第3步采用投影后的坐标集进行拟合圆:

24、将投影后的坐标集带入以下公式,经过迭代计算得到圆心坐标(x0、y0、z0)

25、

26、式中,δx12=x2-x1,δy12=y2-y1,δz12=z2-z1,l1=(x22+y22+z22-x12-y12-z12)/2测量位置2的坐标采用相同的方法计算,经过计算得到主轴承测量位置1的圆心坐标记为(x11、y11、z11)和测量位置2的圆心坐标记为(x22、y22、z22)。

27、所述根据设计图纸中测量位置1、测量位置2到盾首、盾尾的距离,进行直线延长计算,得到盾首、盾尾位置的中心三维坐标具体为,

28、按照以下公式计算

29、a=acos(x22-x11)*abs(y22-y11)/(y22-y11)

30、盾首x33=cos(a)*l2+x11

31、盾首y33=si n(a)*l2+y11

32、盾首z33=(z22-z11)/l1*l2+z11

33、盾尾x44=cos(a)*(l2+l3)+x11

34、盾尾y44=si n(a)*(l2+l3)+y11

35、盾尾z33=(z22-z11)/l1*(l2+l3)+z11

36、式中,l1为测量位置1到测量位置2的距离,l2为测量位置1到盾首的距离,l3为测量位置2到盾尾的距离。

37、将铰接角度带入计算,得到盾尾位置的中心三维坐标具体为,

38、按照以下公式计算

39、a=acos(x22-x11)*abs(y22-y11)/(y22-y11)

40、盾首x33=cos(a)*l2+x11

41、盾首y33=si n(a)*l2+y11

42、盾首z33=(z22-z11)/l1*l2+z11

43、盾尾x44=cos(a)*(l2+l3)+x11+l4*cos(a+j1)

44、盾尾y44=si n(a)*(l2+l3)+y11+l4*si n(a+j1)

45、盾尾z33=(z22-z11)/l1*(l2+l3)+z11+((z22-z11)/l1+j2)*l4

46、式中,l1为测量位置1到测量位置2的距离,l2为测量位置1到盾首的距离,l3为测量位置2到铰接的距离,l4为铰接到盾尾的距离,j1为铰接平面角度,j2为铰接竖向角度。

47、进行归零计算,将盾首、盾尾中心坐标和特征点、激光靶坐标一起,计算盾首、盾尾、特征点、激光靶的位置关系,得到新的刚体零位关系具体为,

48、按照以下公式计算,利用三维旋转矩阵

49、绕z轴旋转:

50、

51、绕y轴旋转:

52、

53、绕x轴旋转:

54、

55、最终目标得到以盾首中心为原点,盾体中心轴线为x轴的相对坐标系内的坐标。

56、第二方面,本技术实施例提供一种盾构机姿态数据恢复系统,该系统包括:存储器及处理器,所述存储器中包括盾构机姿态数据恢复方法的程序,所述盾构机姿态数据恢复方法的程序被所述处理器执行时实现以下步骤:拟合计算得到测量位置1、测量位置2的中心三维坐标;

57、根据设计图纸中测量位置1、测量位置2到盾首、盾尾的距离,进行直线延长计算,得到盾首、盾尾位置的中心三维坐标;

58、如果铰接已打开,将铰接角度带入计算,得到盾尾位置的中心三维坐标;

59、主轴承测量完成后,在盾体保持不动的情况下,重新测量原有特征点、激光靶的坐标;

60、利用得到的盾首、盾尾中心坐标和激光靶坐标,以及当前显示的激光靶的滚动角、俯仰角、方位角参数输入到导向系统内的参数设置界面,使用全站仪重新进行导向测量;

61、进行归零计算,将盾首、盾尾中心坐标和特征点、激光靶坐标一起,计算盾首、盾尾、特征点、激光靶的位置关系,得到新的刚体零位关系;

62、归零计算得到的新刚体零位关系,用做后续人工复测时的基础数据,通过零位关系检核导向系统显示数据是否正确。

63、第三方面,本技术实施例提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有程序代码,所述程序代码被处理器执行时,实现上所述的盾构机姿态数据恢复方法的步骤。

64、与现有技术相比,本发明的有益效果是:本技术通过测得的主轴承中心坐标,现场测量时易操作,拟合圆得到的中心坐标精度高,且测量位置距离盾构机刀盘较近,向前推算时可以有效保证盾首中心坐标精度。

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