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申请/专利权人：河北工业大学;中国电建市政建设集团有限公司

摘要：本发明为一种长距离坡度顶进顶管姿态导向方法及系统，包括顶管机、顶管管节、若干个平台式惯导子系统、脉冲式激光测距仪以及激光测距标靶、两个静力水准仪；平台式惯导子系统均安置在顶管机中部内置，所有平台式惯导子系统的输出轴均对准顶管机切削刀盘正中心；激光测距标靶固设在顶管机后第一节顶管管节中心轴线处，脉冲式激光测距仪照射此激光测距标靶，通过激光飞行时间进行测距；脉冲式激光测距仪固定在始发井中，并与顶管顶进轴线中心处重合。通过两个静态水准仪确定的俯仰角对平台式惯导子系统的测量结果进行比对和修正，能够在施工过程中根据实时数据进行调整，减少误差累积，在长距离或地质复杂的施工环境中效果显著。

主权项：1.一种长距离坡度顶进顶管姿态导向方法，包括顶管机、顶管管节和测量系统；其特征在于，所述顶管机设置在开挖的隧道中，所述测量系统包括若干个平台式惯导子系统、脉冲式激光测距仪以及激光测距标靶、第一静力水准仪和第二静力水准仪；若干个平台式惯导子系统均安置在顶管机中部内置，所有平台式惯导子系统的输出轴均对准顶管机切削刀盘正中心，通过其内置的陀螺仪和加速度计换算得到平台式惯导子系统的速度以及姿态角信息；将若干个平台式惯导子系统的输出数据进行比较，若某个平台式惯导子系统的输出结果出现显著偏差，则认为此平台式惯导子系统可能存在故障，实现对故障情况的检测并能校正单个系统的误差；所有平台式惯导子系统，彼此独立工作，在任意一个平台式惯导子系统发生故障时，其余平台式惯导子系统仍能继续提供导航信息；将未故障的多个平台式惯导子系统的信息进行均值处理，进而获得惯导子系统监测下的顶管机的俯仰角Φ惯导和方位角θ以及速度v；所述激光测距标靶固设在所述顶管机后第一节顶管管节中心轴线处，所述脉冲式激光测距仪照射此激光测距标靶，通过激光飞行时间进行测距；所述脉冲式激光测距仪固定在始发井中，并与顶管顶进轴线中心处重合，在顶管顶进的过程中，所述脉冲式激光测距仪不允许移动；所述第一静力水准仪布置在顶管机首段；第二水准仪布置在顶管机尾段；通过第一静力水准仪与第二静力水准仪联合观测，获得水准仪监测的实时顶管机的俯仰角Φs；设定俯仰角误差阈值，并计算Φs与Φ惯导的差值ΔΦ，若ΔΦ超过俯仰角误差阈值，则修正惯导系统监测下的顶管机的俯仰角，修正后的俯仰角Φ惯导修正的表达式为：Φ惯导修正＝Φ惯导+ΔΦ；以修正后的俯仰角代入下式公式中，计算顶管机顶进过程中不同时刻的三维坐标： 其中，设顶管机位于始发井的初始点轴线位置为A0，A0的高程信息已知，建立以A0为原点的三维坐标系，同时将A0作为顶管机顶进BIM模型的初始点，开始顶进后，则顶管机通过第i点时的坐标Aixi,yi,zi由第i-1点时的坐标Ai-1xi-1,yi-1,zi-1以及根据第i-1点时获得的顶管机修正后的俯仰角Φ惯导修正和方位角θ、顶管管节长度l获得；预设顶管机BIM模型顶进路线，设定顶管管节的管底以及管顶的高程偏差范围、顶进速度偏差范围、顶进轴线偏差角度范围；已知顶管管节外径D，根据脉冲式激光测距仪获取的顶管机实时顶进距离，以及顶管机所通过的点的坐标，对顶管管节所在位置进行实时空间拟合，获得实时顶管管节的管顶高程、管底高程，生成实时顶管机顶进BIM模型；以顶管机所通过点的连线作为轴线，计算轴线与预设顶管机BIM模型顶进路线之间的偏差角度；根据平台式惯导子系统获取的顶管机的速度v与预设的顶进速度偏差范围进行比较，根据获得的顶管管节的管顶高程、管底高程分别与预设的顶管管节的管底以及管顶的高程偏差范围进行比较，将轴线与预设顶管机BIM模型顶进路线之间的偏差角度与预设的顶进轴线偏差角度范围进行比较；若上述四处比较中，任意一个超出范围，则进行报警。

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