[发明专利]一种基于陀螺全站仪－激光标靶的盾构机自动导向系统的在线标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于陀螺全站仪-激光标靶的盾构机自动导向系统的在线标定方法，可用于在线修正基于陀螺全站仪-激光标靶的盾构机自动导向系统的陀螺漂移。

背景技术

盾构机自动导向系统是一种集测量、仪器仪表和计算机软硬件技术于一体，具有对盾构机位置姿态进行动态测量功能的系统，基于陀螺全站仪-激光标靶自动导向系统主要由陀螺全站仪、激光标靶、后视参考棱镜和自动导向系统计算机组成，其中陀螺全站仪主要由捷联式陀螺寻北仪和激光全站仪组成。该系统具有精度高、自主寻北、操作简便、仅需要一个后视已知坐标点的优点。捷联式陀螺寻北仪是自动导向系统的核心部件之一，其精度直接决定了系统自寻北精度，因此必须通过标定试验确定出陀螺寻北仪的各项误差系数，并在系统中进行补偿。

相关研究表明，陀螺寻北仪的各项误差系数并不是固定不变的，尤其是陀螺漂移，每次启动都不相同，随着系统的使用或存放时间的推移而变化。因此，通常需要对盾构机自动导向系统进行半年或三个月一次的定期标定，标定的工作繁琐而复杂，需要专业人员使用专用的试验设备才能完成，这为使用单位带来了工程应用中的难题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于陀螺全站仪-激光标靶的盾构机自动导向系统的在线标定方法，该方法实现了在自动导向系统作业过程中的在线标定，免去了盾构机自动导向系统进行半年或三个月一次的定期标定，同时也提高了系统的自动导向精度。

本发明的技术解决方案为：一种基于陀螺全站仪-激光标靶的盾构机自动导向系统的在线标定方法，其特点在于包括下列步骤：

(1)捷联式陀螺寻北仪进行初始对准，确定捷联式陀螺寻北仪的初始水平方位角、初始俯仰角θ₀和初始横滚角γ₀；

(2)具有自动锁定目标功能的激光全站仪发射激光到激光标靶下部的反射棱镜，然后自动锁定激光标靶下部的反射棱镜，并连续地测量捷联式陀螺寻北仪的水平方位角测量结果用符号表示；

(3)捷联式陀螺寻北仪进入捷联姿态解算状态，利用步骤(1)计算得到的初始水平方位角初始俯仰角θ₀和初始横滚角γ₀初始化捷联姿态解算状态，然后根据陀螺寻北仪中陀螺的输出实时连续解算捷联式陀螺寻北仪的水平方位角俯仰角θ和横滚角γ；

(4)采用捷联式陀螺寻北仪中的两个加速度的输出计算出俯仰角θ和横滚角γ，计算结果用θ_a和γ_a表示；

(5)将步骤(3)计算得到的θ和γ分别与步骤(2)计算得到的步骤(4)计算得到的θ_a和γ_a相减，然后将θ-θ_a和γ-γ_a作为观测量，采用卡尔曼滤波器在线估计陀螺漂移，并在捷联式陀螺寻北仪中进行补偿。

本发明的原理是：捷联式陀螺寻北仪的各项误差系数并不是固定不变的，尤其是陀螺漂移，每次启动都不相同，随着系统的使用或存放时间的推移而变化。因此，通常需要对盾构机自动导向系统进行半年或三个月一次的定期标定。由于盾构机自动导向系统作业时，陀螺全站仪固定在隧道管壁上，并且跟踪固定在盾构机上的激光标靶，其水平姿态不随时间变化，其水平方位角随着盾构机的掘进非常缓慢的变化(该变化可通过激光全站仪精确测量)，因此捷联式陀螺寻北仪工作过程中的水平方位角、俯仰角和横滚角都可精确测量得到，将这三个测量值作为观测量，采用卡尔曼滤波器可以精确估计捷联式陀螺寻北仪的陀螺漂移。同时，采用卡尔曼滤波器估计捷联式陀螺寻北仪的陀螺漂移，必须要求捷联式陀螺寻北仪进行捷联姿态解算，但由于捷联式陀螺寻北仪只能测量X向和Y向的角速度，无法进行捷联姿态解算。同样利用捷联式陀螺寻北仪处于静止状态这一特点，利用精确测量到的捷联式陀螺寻北仪的水平方位角、俯仰角和横滚角可以计算出Z轴角速度增量，这样利用X、Y和Z三个方向的角速度就可实现了捷联姿态解算，最终实现了利用卡尔曼滤波器在线估计陀螺漂移。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明实现了陀螺全站仪-激光标靶自动导向系统的在线标定，免去了复杂的定期标定，同时也提高了自动导向系统的精度。

附图说明

图1为基于陀螺全站仪-激光标靶的盾构机自动导向系统的结构框图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明的卡尔曼滤波基本算法的解算流程图。

具体实施方式