激光角度測量隧道盾構(gòu)姿態(tài)的研究進展

激光角度測量隧道盾構(gòu)姿態(tài)的研究進展

新型激光標靶在隧道坍塌施工中，坍塌自動駕駛系統(tǒng)可以充分利用整個隧道的聲音進行測量和控制，實時顯示隧道的聲音。這具有人力投資少、測量速度快等優(yōu)點。已成為隧道地殼測量技術(shù)的發(fā)展方向。盾構(gòu)自動導(dǎo)向系統(tǒng)主要有英國的ZED、德國的VMT和日本的GYRO等系統(tǒng),前兩者為激光導(dǎo)向,后者為陀螺儀導(dǎo)向。目前,VMT系統(tǒng)和ZED系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛,它們均有不同類型的激光標靶在863計劃項目“地鐵盾構(gòu)姿態(tài)測量導(dǎo)向系統(tǒng)”的支持下,華中科技大學與上海隧道工程股份有限公司合作,研究和設(shè)計了一種新型的激光標靶。與現(xiàn)有的激光標靶相比,這種新型激光標靶在測量方位角時采用了一種基于面陣CCD的非接觸式光電檢測方法,克服了現(xiàn)有激光標靶的弊端,具有快速、穩(wěn)定性好和測量精度高等優(yōu)點。本文將介紹這種測量系統(tǒng)的構(gòu)成以及測量原理,并對系統(tǒng)測量精度及其影響因素進行了分析。1激光器的組成激光角度測量系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)由全站儀、準直激光器、薄透鏡、光學屏幕、物鏡、CCD攝像機和圖像采集系統(tǒng)等組成。準直激光器安裝于全站儀上,與全站儀內(nèi)置測距儀軸線平行2測量原理2.1角度測量系統(tǒng)隧道盾構(gòu)施工中,目前廣泛采用的激光自動導(dǎo)向系統(tǒng)組成如圖2所示。全站儀、標靶和工控機用來測量和顯示盾構(gòu)機在城市坐標系(絕對坐標系)中的位置和姿態(tài)(方位角、坡度角和滾動角),計算盾構(gòu)機掘進線路與隧道設(shè)計軸線之間的誤差。誤差結(jié)果反饋到盾構(gòu)控制計算機后,通過改變盾構(gòu)千斤頂?shù)男谐碳皶r控制盾構(gòu)機的姿態(tài),將盾構(gòu)控制在隧道設(shè)計軸線較小誤差范圍內(nèi)。圖2中的標靶由激光角度測量系統(tǒng)、傾角儀(標靶內(nèi)部橫向和縱向分別安裝一個)和反射棱鏡組成,反射棱鏡距激光角度測量系統(tǒng)光學軸線的距離與準直激光器距全站儀內(nèi)置測距儀軸線的距離相等。在測量過程中,全站儀(固定在隧道成型管片上)內(nèi)置測距激光自動照準后視參考棱鏡,旋轉(zhuǎn)后照射標靶上的反射棱鏡。全站儀和參考棱鏡的位置測量前已經(jīng)確定,由全站儀可以直接得到激光束在絕對坐標系中的水平方位角δ和激光束與水平面的夾角α。為方便測量盾構(gòu)機方位角,實際測量中激光角度測量系統(tǒng)光學軸線與盾構(gòu)機軸線平行安裝,則激光束與測量系統(tǒng)光學軸線之間的角度θ可視為激光束與盾構(gòu)機軸線的夾角。如圖3所示,建立坐標系O式中β為盾構(gòu)機軸線與水平面之間的夾角,由盾構(gòu)機上縱向安裝的傾角儀測量。則盾構(gòu)機軸線的水平方位角為由式(1)和式(2)可知,為測量盾構(gòu)機方位角,需要測量激光束與測量系統(tǒng)光學軸線之間的角度θ。采用圖4所示的方法,準直激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過薄透鏡后在其后焦面上形成匯聚光斑。因為激光束方向性非常好,可以近似看作平行光束。根據(jù)幾何光學成像的基本原理,如果入射激光束與光學系統(tǒng)軸線之間的角度發(fā)生改變,則薄透鏡后焦面上光斑的位置發(fā)生相應(yīng)的變化。入射激光角度與光斑位置之間的關(guān)系為式中S為薄透鏡后焦面二維坐標系上光斑重心離原點的距離,2.2光斑位置測量和測量點設(shè)計測量中受激光功率和測量環(huán)境等因素影響,激光發(fā)射距離一般為50～200m。利用高斯光束變換的ABCD定律式中λ為激光波長;l設(shè)計中準直激光器輸出光功率W=0.3mW,激光波長為0.6328μm,發(fā)散角為0.1mrad,TEM文獻[6],[7]表明,當照射在面陣CCD上的激光波長為0.6328μm時,面陣CCD的飽和激光功率密度閥值遠遠小于1.32×10按照測量要求,以激光光斑重心位置表示激光光斑的位置。以系統(tǒng)光路軸線和光學屏幕的交點為原點建立光學屏幕平面坐標系oxy,該坐標系在CCD像面上的投影為o′x′y′,o′x′y′作為像面坐標系。x小為水平方向,y為垂直方向。設(shè)CCD像元的灰度值為P按下式計算光學屏幕上激光光斑位置:式中M為物鏡的放大率。聯(lián)立式(3)和式(7)起來,則入射激光角度可以表示為通過檢測CCD像面上的光斑位置移動方向和大小,用上式測定入射激光角度。3誤差分析3.1激光束與光路軸線之間的角度誤差分析準直激光器發(fā)出的激光束是場振幅沿徑向作高斯函數(shù)衰減變化的高斯光束,而角度測量中把激光束看作平行光束會聚于焦平面,采用式(3)計算激光束與光路軸線之間的角度θ,這樣必然會造成誤差,因此有必要對此進行討論。根據(jù)高斯光束成像變換條件式中l(wèi)由式(8)計算的角度值與式(3)比較得到角度誤差為由式(9)可知,測量系統(tǒng)測量角度越大,光學原理誤差越大。根據(jù)設(shè)計要求,在測量角度為±5°的時候進行誤差分析。準直激光器發(fā)射激光波長為0.6328μm,TEM3.2光學屏和光學主體如圖4所示,激光束透過薄透鏡后匯聚在光學屏幕上形成光斑圖像,這個光斑通過成像系統(tǒng)成像在CCD像面上。光學屏幕是經(jīng)過特殊工藝制造的光學元件,主要功能是將光斑清晰地顯示出來。從激光器發(fā)射的可見激光波長這個尺度看,光學屏幕表面很粗糙。這樣的表面可以看作是無規(guī)則的大量面元構(gòu)成,每個面元就相當于一個衍射單元,從而形成具有無規(guī)則分布顆粒狀結(jié)構(gòu)的散斑3.3量化誤差每個像元接收能量的重心確切位置無法判斷,計算光斑重心位置時,用像元中心坐標代表能量重心坐標,存在數(shù)學模型誤差σ3.4系統(tǒng)誤差因素系統(tǒng)誤差包括CCD傳感器的固定圖像噪聲影響、CCD響應(yīng)的非均勻性影響、光學系統(tǒng)像差影響和光學屏幕與CCD像面不平行影響,這些誤差屬于系統(tǒng)誤差。因為采用重心法計算光斑位置,前幾種影響因素對系統(tǒng)誤差影響不大;而光學屏幕與CCD像面的不平行度可以通過校正控制在0.05rad內(nèi),此時激光角度測量誤差小于0.1mrad。4高精度測量仿真根據(jù)上述設(shè)計的系統(tǒng)參數(shù),考慮影響系統(tǒng)精度的各種因素,在測量距離為10～200m和測量角度為±5°的情況下,采用三種不同發(fā)散角的激光束,對系統(tǒng)角度測量精度進行MATLAB仿真,誤差曲線如圖5所示。實際測量中測試精度與激光束、光學系統(tǒng)的設(shè)計和CCD等都有關(guān)系,實際值和理論值可能存在一定差異。圖4表明,根據(jù)上述設(shè)計的系統(tǒng)參數(shù),選用發(fā)散角為0.5mrad的準直氦氖激光器