[發明專利]用于盾構機坡度和旋轉角度測量方法、系統、終端、介質

在審

• 申請號: 202111440127.1
• 申請日: 2021-11-30
• 公開（公告）號: CN114184171A
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 盧昊;鄧文濤;溫立房;賴長俊;游志杰;房毅;王天玉
• 申請（專利權）人: 中鐵一局集團有限公司;中鐵一局集團天津建設工程有限公司
• 主分類號: G01C9/14
• 分類號: G01C9/14;G01C1/00;G01C15/10
• 代理公司: 天津市宗欣專利商標代理有限公司 12103
• 代理人: 趙岷

1.一種用于盾構機坡度和旋轉角度測量方法，其特征在于，所述用于盾構機坡度和旋轉角度測量方法包括：

根據擬建隧道設計坡度確定坡度板與線墜位置關系，坡度板固定后標記線墜底端初始位；同時人工測量盾構機位于始發架坡度及旋轉角度，將測量結果與自動測量采集數據進行對比；

盾構掘進過程中，隨著盾構機坡度及旋轉角度變化，線墜依靠重力線墜底部與坡度板相對關系發生變化，量取變化量確定盾構機實時坡度和旋轉角度。

2.根據權利要求1所述的用于盾構機坡度和旋轉角度測量方法，其特征在于，盾構機旋轉角度誤差不大于0.1秒，坡度誤差不大于0.01‰。

3.根據權利要求1所述的用于盾構機坡度和旋轉角度測量方法，其特征在于，自動測量采集坡度板的坡度及旋轉角度數據方法包括：

當操作人員對線墜發出指示信號后，盾構機中部平臺的處理器接受到坡度和旋轉角度影像測量器對線墜發出識別信號，處理器發出驅動指令，使盾構機中部平臺裝有的相機連續體通過運動底座移動到指定位置，在電機和減速器的協同作用下驅動坡度和旋轉角度影像測量器處于不同的空間角度，實現對線墜的多角度拍攝，實現對線墜的時時追蹤拍攝；并將自動測量采集數據與人工測量結果對比，獲取變化量，確定盾構機實時坡度和旋轉角度。

4.根據權利要求3所述的用于盾構機坡度和旋轉角度測量方法，其特征在于，坡度和旋轉角度影像測量器對線墜多角度拍攝和識別的方法包括：

第一步，根據讀入的線墜變化后的坐標以及盾構機中部平臺與線墜的信號到達時間TOA，測量數據對X、Y、Z軸的坐標進行加權處理，然后計算這個盾構機中部平臺到每個線墜變化后的坐標距離；

第二步，計算盾構機中部平臺坐標距離與測量的變化后的距離的平均誤差；

第三步，根據平均誤差判斷是否繼續修正測量距離，否則返回繼續加權，是則固定距離修正系數，返回第一步；

第四步，根據平均誤差判斷是否繼續修正坐標信息，否則返回第三步，是則輸出最終的線墜坐標定位信息。

5.根據權利要求4所述的用于盾構機坡度和旋轉角度測量方法，其特征在于，使用回歸分析對觀測距離以及實際距離進行回歸分析，是否存在線性關系，然后建立觀測距離誤差修正模型；利用最小二乘法對于Z軸坐標信息進行方法處理，根據設定的閾值計算出的盾構機中部平臺與線墜節點的真實距離和修正后的觀測距離的均方誤差，在最小均方誤差下得到最優修正系數，得到盾構機中部平臺的精確三維定位；

所述基于無線通信線墜修正目標三維定位方法利用譜聚類的方法對線墜節點的坐標數據進行聚類，分類的類別個數為m，在得到m個聚類后在每類中找到一個最優的線墜節點；利用節點的信號到達時間TOA計算目標的三維坐標；得到線墜的坐標后，由每類中的所有線墜節點坐標求真實距離，與觀測距離進行比較，求出每個誤差：

誤差計算方法如下式所示：

(x_i,y_i,z_i)和(x_i',y_i',z_i')分別是第i個終端的計算坐標和參考坐標，error_i是計算坐標和參考坐標的誤差，error是所有終端誤差的均值，n是誤差的個數；

如果所選中的線墜節點誤差不是最小的，則重新將誤差最小的線墜節點設為理想線墜節點，其他理想線墜節點固定不變，再重新計算終端坐標和誤差，直到所選中的線墜節點誤差最小，則得到了當前類中的最優線墜節點；

重復依次對其它類中的選取的線墜節點進行迭代優化直到在每類中選出最終的最優線墜節點；

增加聚類的個數m，重復以上的步驟，找到不同聚類個數下的最優線墜節點算出終端的坐標并計算均方誤差，均方誤差變化的斜率趨于穩定時所對應的m值是精確定位終端坐標所需要的最少線墜節點個數；

對于目標三維定位中的非視距距離誤差進行修正的方法包括：

步驟1：設盾構機中部平臺i到線墜節點j的TOA為t_ij，c＝3×10⁸m/s為光速，終端的真實坐標為(x_i,y_i,z_i)，線墜節點的坐標為(x_j,y_j,z_j)；則觀測距離S_ij和由坐標計算的真實距離S_ij'計算如下：

S_ij＝c*t_ij

步驟2：使用回歸分析對觀測距離以及實際距離進行回歸分析，發現其存在線性關系，所以由終端到線墜節點的TOA計算的觀測距離與真實距離的關系，建立如下觀測距離誤差修正模型：

對于Z軸坐標信息進行修正處理的方法包括：

步驟I：原始的最小二乘算法，已知三維空間存在的線墜B_i＝(x_i,y_i,z_i)和它們到節點M＝(x,y,z)的觀測距離d_i，其中d_i＝ct_i，c＝3×10⁸m/s為光速，t_i為終端到線墜B_i的TOA，0≤i≤N代表線墜的編號，則三維坐標的最小二乘估計為：

步驟II：觀測距離修正，使用觀測距離修正模型，得到終端到線墜的修正距離

其中，k為模型的修正系數；

步驟III：Z坐標信息放大，將公式里的距離項展開，如下：

(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²＝x_i²+y_i²+z²+x²+y²-2x_ix-2y_iy+z_i²-2z_iz；

設置權重W₁和W₂(W₁＞W₂＞1)，將(z_i-z)²項加權為：

W₁z_i²-2W₂z_iz+W₁z²；

步驟IV：結合實際問題對原始最小二乘算法修正，得到三維坐標的修正最小二乘估計為：

求解，得：

其中，

步驟V：誤差函數系數k和Z軸放大權重W₁、W₂的確定。