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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

作　者: 陈慧
导　师: 赵斌
学　校: 华中科技大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 盾构位姿测量无衍射光图像处理
分类号: U455.39
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 32次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 课题来源介绍  9
  1.2 盾构法介绍  9-11
  1.3 盾构导向技术  11-20
  1.4 课题的研究意义  20-21
  1.5 本文的主要研究工作及各章主要内容  21-23
2 无衍射光盾构位姿测量系统原理  23-35
  2.1 无衍射光  23-28
  2.2 盾构姿态角参数  28-29
  2.3 目前标靶法测量盾构水平方位角的方法  29-32
  2.4 基于无衍射光的盾构位姿测量系统  32-33
  2.5 本章小结  33-35
3 无衍射光盾构位姿测量系统研制  35-43
  3.1 无衍射光电子标靶的组成  35-36
  3.2 无衍射光电子标靶的测量原理  36-37
  3.3 无衍射光电子标靶的结构设计  37-40
  3.4 盾构位姿测量系统相关部件介绍  40-43
4 无衍射光光斑定中算法  43-62
  4.1 常见光斑定中算法  43-44
  4.2 无衍射光斑定中的现有方法  44-45
  4.3 无衍射光斑理想环匹配法原理  45-48
  4.4 仿真分析  48-55
  4.5 实验结果  55-57
  4.6 无衍射光斑理想环匹配法重复性实验  57-61
  4.7 本章小结  61-62
5 无衍射光电子标靶的标定方法  62-89
  5.1 传统标定方法存在的问题  62-64
  5.2 无衍射光电子标靶的直接映射标定  64-70
  5.3 直接映射标定法产生误差的因素分析  70-72
  5.4 标定数据的插值  72-81
  5.5 直角坐标系与极坐标系下插值的对比  81-88
  5.6 本章小结  88-89
6 无衍射光电子标靶的姿态角计算方法  89-100
  6.1 结合电子水平仪计算标靶的完整姿态角  89-93
  6.2 计算盾首、盾尾中心的坐标  93-95
  6.3 计算盾构掘进偏差量  95-96
  6.4 盾构位姿测量软件开发  96-99
  6.5 本章小结  99-100
7 实验与误差分析  100-115
  7.1 无衍射光电子标靶测量的误差分析  100-106
  7.2 相对实验验证标靶精度  106-111
  7.3 模拟实验验证标靶精度  111-114
  7.4 本章小结  114-115
8 全文总结与展望  115-117
  8.1 全文总结  115-116
  8.2 展望及进一步研究方向  116-117
致谢  117-118
参考文献  118-123
附录1 论文中用到的变量介绍  123-125
附录2 攻读博士学位期间科研成果目录  125

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