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基于无衍射光的盾构位姿测量系统的理论与技术研究

陈慧  
【摘要】:盾构是用于地下隧道施工的大型设备,为保证盾构施工质量,使盾构按隧道设计轴线掘进,盾构位姿的精确测量是十分重要的。目前国外先进的导向系统普遍采用激光测量盾构的位姿,为实现盾构导向系统的国产化,需研制有自主知识产权的盾构位姿测量系统。本文在深入研究盾构位姿测量技术的基础上,结合无衍射光中心光斑小、定中精度高的特点,提出了基于无衍射光技术的盾构位姿测量方法。 论文的主要研究内容和创新如下: 研制了基于无衍射光的盾构位姿测量系统,设计了盾构位姿测量系统中的关键设备——无衍射光电子标靶,该标靶在测角量程范围内均能产生高质量的无衍射光斑。 针对无衍射光斑的环栅状特点,提出了理想环匹配算法,用于检测无衍射光斑的整体中心,解决了无衍射光斑定中心的难题。分别利用实际采集的无衍射光斑及在模拟光斑中添加各种噪声,验证了理想环匹配算法的精度。实验表明理想环匹配算法精度达到亚像素级,抗干扰能力强。 针对无衍射光电子标靶的光学系统难以精确确定光学中心的问题,提出了直接映射标定方法对无衍射光电子标靶进行二维标定,直接将标靶中CCD上的光斑中心位置与全站仪激光的入射角度值联系起来,建立了一一对应的标定数据库;研究了由光斑中心位置反算入射光空间方位角的方法,采用基于Delaunay三角剖分的插值方法,分别在直角坐标系、极坐标系下的标定数据库中计算了入射光对应的空间方位角,并将两种坐标系下的插值精度进行了对比分析,实验表明极坐标系下插值得到的空间方位角精度更高。 分析了测量过程中全站仪、标靶等各部件引起的误差,推导了盾构位姿测量系统测量姿态角及盾首中心坐标的误差。误差分析表明,盾构姿态角的精度高于1毫弧度,盾首中心坐标的偏差精度达到毫米级。 开发了盾构位姿测量软件,实现了盾构姿态与位置的实时测量及计算。设计了两种模拟实验,实验数据分析表明,基于无衍射光的盾构位姿测量系统的测量精度较高,能满足现场导向的精度要求。


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