賀泊寧

（中國鐵建重工集團）

摘 要：高精度、高可靠度的導(dǎo)向定位技術(shù)對于全斷面隧道掘進(jìn)機的順利施工至關(guān)重要。通過回顧導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展歷程，包括多棱鏡法、激光靶法、慣性導(dǎo)航法、油缸并聯(lián)法、計算機視覺法等，從系統(tǒng)原理、施工環(huán)境等方面分析各導(dǎo)向技術(shù)在工程應(yīng)用中的適用條件和存在的問題。研究表明，環(huán)境干擾、硬件故障、操作錯誤、設(shè)備變形等是導(dǎo)向技術(shù)使用中引起故障的主要原因；在實際工程中，應(yīng)針對不同掘進(jìn)機應(yīng)用場景選擇合適的導(dǎo)向技術(shù)，并從多源信息融合算法開發(fā)、變形補償、軌跡規(guī)劃等方面開展研究，以提升導(dǎo)向技術(shù)的精度和可靠性。

關(guān)鍵詞：全斷面隧道掘進(jìn)機；導(dǎo)向系統(tǒng)；多棱鏡法；激光靶法；慣性導(dǎo)航；多源信息融合

1 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機是通過周邊殼體保護，同步完成開挖、推進(jìn)、出渣和支護等作業(yè)工序，實現(xiàn)隧道一次成型的專用機械設(shè)備[1]，高精度、高可靠度的位姿測量是掘進(jìn)機順利施工的重要保障[2]。導(dǎo)向系統(tǒng)用于提供掘進(jìn)機施工的位姿指引，實時、準(zhǔn)確、高精度地獲取掘進(jìn)機的當(dāng)前位置和姿態(tài)是高精度指引掘進(jìn)機掘進(jìn)位姿的重要環(huán)節(jié)[3]，只有準(zhǔn)確測量掘進(jìn)機的位姿，并結(jié)合隧道設(shè)計軸線及時控制調(diào)向，才能保證最終的隧道施工質(zhì)量。一旦測量出現(xiàn)錯誤，將導(dǎo)致掘進(jìn)機司機無法正確判斷掘進(jìn)機的位姿，必須停機進(jìn)行人工復(fù)核，這會嚴(yán)重影響隧道施工的進(jìn)程；若不進(jìn)行復(fù)核，在沒有準(zhǔn)確位姿的情況下進(jìn)行掘進(jìn)，會導(dǎo)致隧道掘偏、無法順利出洞，甚至對其他建筑物造成破壞等事故。

掘進(jìn)機位姿測量技術(shù)隨著工業(yè)水平的進(jìn)步不斷發(fā)展，最早為人工前后標(biāo)尺法測量。隨著測量機器人的發(fā)展，德國PPS公司開發(fā)了多棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)，可以通過若干個棱鏡和傾角傳感器實現(xiàn)對掘進(jìn)機位姿的測量；德國TACS公司設(shè)計了基于測量激光入射角的掘進(jìn)機導(dǎo)向系統(tǒng)；德國VMT公司、英國ZED公司等分別設(shè)計了不同原理的激光靶實現(xiàn)掘進(jìn)機位姿測量；日本ENZAN公司采用陀螺儀測量姿態(tài)角，設(shè)計了基于慣性的掘進(jìn)機位姿測量方法。隨著中國隧道修建技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)掘進(jìn)機位姿測量系統(tǒng)也不斷涌現(xiàn)，先后設(shè)計了多棱鏡法、激光靶法、慣性導(dǎo)航法等位姿測量產(chǎn)品。

雖然現(xiàn)有的掘進(jìn)機導(dǎo)向系統(tǒng)已得到較多的工程實踐應(yīng)用，但是掘進(jìn)機振動、掘進(jìn)機動態(tài)作業(yè)、通視條件、粉塵干擾等因素仍然會對現(xiàn)有導(dǎo)向系統(tǒng)的測量精度和可靠性產(chǎn)生影響。隨著長距離、小轉(zhuǎn)彎、大埋深隧道工程建設(shè)需求的增長，以及少人化、無人化智能掘進(jìn)需求的發(fā)展，對掘進(jìn)機位姿的測量提出了更高的要求。本文通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)和產(chǎn)品的調(diào)研，分類歸納目前掘進(jìn)機導(dǎo)向定位的測量方法和存在的問題，并對掘進(jìn)機導(dǎo)向技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期對全斷面隧道掘進(jìn)機導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)和借鑒。

2 掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)

2.1 人工標(biāo)尺測量法

在掘進(jìn)機早期施工中，受技術(shù)水平限制，導(dǎo)向定位主要采用人工前后標(biāo)尺測量法，如圖1所示。人工前后標(biāo)尺測量法主要是在掘進(jìn)機安裝前后標(biāo)尺、坡度板、U形管等裝置，通過對比始發(fā)前和施工時測量標(biāo)尺、坡度板、U形管和掘進(jìn)機首尾中心的位姿關(guān)系，采用相似三角形原理，推算得到掘進(jìn)機在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。其中，標(biāo)尺早期采用經(jīng)緯儀，后期改進(jìn)為全站儀；姿態(tài)角通過重錘在坡度板上的偏移量來計算；U形管是通過測量液位差來計算角度，后面改進(jìn)為水平尺測量角度。該方法的精度理論上可以達(dá)到平面精度±10mm，高程精度±15mm。

圖1 人工標(biāo)尺法

在工程應(yīng)用中，20世紀(jì)80年代德國PPS公司、TACS公司先后開發(fā)了隧道測量計算軟件輔助計算掘進(jìn)機位姿。歐陽平等[4]介紹了標(biāo)尺法在廣州地鐵3號線的應(yīng)用情況。高俊強等[5]詳細(xì)討論了前后標(biāo)尺法的測量原理和計算方法，并分析了其測量精度。人工前后標(biāo)尺法存在人力投入大、測量時間較長、數(shù)據(jù)后處理較慢等問題，而且測量只能在每環(huán)結(jié)束時進(jìn)行，無法實時獲知掘進(jìn)機的姿態(tài)和偏差情況，測量效率低下，但是當(dāng)需要復(fù)核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)或自動導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)生故障時，施工單位仍需采用該方法[6]。

2.2 多棱鏡法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)

多棱鏡法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)是通過測量多個安裝在掘進(jìn)機上的棱鏡坐標(biāo)，進(jìn)而求解掘進(jìn)機位姿的方法，主要由反射棱鏡組、全站儀、后視棱鏡和位姿測量系統(tǒng)軟件組成，如圖2所示。

圖2 多棱鏡法

多棱鏡法主要使用的測量儀器是全站儀，全站儀是一種集水平角、垂直角、距離測量于一體的測繪儀器，可以通過測量角度和距離計算出被測目標(biāo)的坐標(biāo)。多棱鏡法實施步驟為：始發(fā)前在掘進(jìn)機上安裝若干個棱鏡，并標(biāo)定出棱鏡與掘進(jìn)機切口和盾尾中心在掘進(jìn)機坐標(biāo)系下的位置關(guān)系；在掘進(jìn)過程中，采用全站儀依次測量安裝在掘進(jìn)機上的若干個棱鏡坐標(biāo)，由于掘進(jìn)機在掘進(jìn)的過程中棱鏡和掘進(jìn)機的相對位姿關(guān)系不會發(fā)生改變，因此可以計算出切口和盾尾中心的坐標(biāo)以及3個姿態(tài)角；結(jié)合隧道設(shè)計軸線數(shù)據(jù)，可以計算出掘進(jìn)偏差，從而指導(dǎo)司機糾偏。對多棱鏡法的研究主要集中在基于多棱鏡坐標(biāo)求解掘進(jìn)機首尾中心坐標(biāo)的算法上。

多棱鏡法中最早取得應(yīng)用的是三棱鏡法，馮冬健等[7]將三棱鏡坐標(biāo)求解問題抽象為空間中的點和點之間的距離關(guān)系，并以此數(shù)學(xué)模型列出2組三元二次方程組，通過對方程組求解，計算掘進(jìn)機的位姿，但并未對如何求解方程組作出說明。Shen等[8]將三棱鏡計算問題轉(zhuǎn)換為矢量觀測定姿的Wahba問題，并采用TRIAD（Tri-Axial Attitude Determina?tion，即雙矢量定姿算法）方法對掘進(jìn)機位姿進(jìn)行求解。TRIAD法將3個棱鏡轉(zhuǎn)換為2個互不平行的矢量，分別記為掘進(jìn)機坐標(biāo)系下的矢量和導(dǎo)航坐標(biāo)系下的矢量，然后用坐標(biāo)系來表示矢量，最后通過求解2個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到正交姿態(tài)矩陣。這些方法在構(gòu)造正交基后，求解姿態(tài)時僅使用了其中姿態(tài)矩陣中的部分方程，未能充分利用多余觀測。針對該問題，Shen等[9]采用QUEST（QUaternion ESTimator）法中的四元數(shù)來描述姿態(tài)，并采用最小二乘法求解最優(yōu)估計，觀測精度有所提高。該方法通過最小二乘有效地利用了觀測信息，但是僅適用于3個棱鏡的情況，不能擴展到更多個棱鏡的場合。潘國榮等[10]將三棱鏡坐標(biāo)求解問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，采用大角度空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)計算，并進(jìn)行了案例應(yīng)用。

棱鏡法測量精度較高，結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。但是，由于全站儀需要測量多個棱鏡，存在以下缺陷：（1）由于測量不同步而容易產(chǎn)生誤差；（2）全站儀容易丟失測量目標(biāo)，影響測量效率；（3）需要提供較大的通視空間；（4）需要避免全站儀測量棱鏡時識別錯誤。

為了減小多個棱鏡測量坐標(biāo)時因測量不同步帶來的誤差，研究者們從兩個方向進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

一個是雙棱鏡法，如圖3所示。潘國榮等[11]提出了雙棱鏡和傾角傳感器結(jié)合的掘進(jìn)機位姿解算方法，在三棱鏡大角度空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的基礎(chǔ)上，引入傾角傳感器的觀測值，建立聯(lián)合誤差方程，實現(xiàn)了只用測量雙棱鏡坐標(biāo)即可對掘進(jìn)機位姿進(jìn)行求解。針對雙棱鏡方法中引入的傾角傳感器測量誤差問題，潘國榮等[12]提出了一種棱鏡和傾角傳感器融合的平差模型，將單次觀測周期中傾角傳感器采集的多對雙軸角度數(shù)據(jù)視為平面點云，利用選權(quán)迭代法對其

進(jìn)行穩(wěn)健估計，以獲取單次觀測周期中傾角傳感器數(shù)據(jù)的最佳估值及其協(xié)方差陣，并利用最小二乘配置方法推導(dǎo)了棱鏡與傾角傳感器數(shù)據(jù)融合的嚴(yán)密解算模型。以上方法通過增加傾角傳感器提供的觀測信息，將棱鏡個數(shù)減少到了2個，降低了三棱鏡測量不同步的誤差，但該方法仍然需要使用2個棱鏡，而且并未解決這2個棱鏡在掘進(jìn)機掘進(jìn)時所帶來的不同步誤差。

圖3 雙棱鏡和傾角傳感器融合系統(tǒng)

另一個是預(yù)測算法。針對棱鏡測量不同步以及系統(tǒng)隨機噪聲和觀測噪聲造成的誤差，黃俊杰等[13]提出了基于卡爾曼濾波的棱鏡坐標(biāo)預(yù)測算法，以掘進(jìn)機平滑運動為前提建立狀態(tài)方程，先對棱鏡坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)測以提高精度，再用預(yù)測后的結(jié)果進(jìn)行掘進(jìn)機位姿求解。該方法將多個不同時刻測量的棱鏡坐標(biāo)通過預(yù)測統(tǒng)一到同一個時刻，從而減小棱鏡坐標(biāo)測量不同步對測量精度的影響，但該方法僅通過棱鏡坐標(biāo)觀測值進(jìn)行預(yù)測，未有效利用掘進(jìn)機的油缸行程等有效信息。

多棱鏡法的工程應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代測量機器人全站儀的工程應(yīng)用，德國PPS 公司研制了PPS-TBM4多棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)，日本ENZAN公司研制了ROBTEC多棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)，可以通過若干個棱鏡和傾角傳感器實現(xiàn)對掘進(jìn)機位姿的測量，如圖4所示。國內(nèi)廣州地鐵設(shè)計研究院在2006年開發(fā)的“金地掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)”[14]在廣州地鐵盾構(gòu)工程進(jìn)行了應(yīng)用，上海城建集團市政二公司在2007年開發(fā)了“雄鷹盾構(gòu)姿態(tài)導(dǎo)向系統(tǒng)”[15]并在上海地鐵隧道進(jìn)行了應(yīng)用，鐵建重工、力信、米度等企業(yè)也開發(fā)了棱鏡式導(dǎo)向系統(tǒng)并進(jìn)行了應(yīng)用。其中，鐵建重工采用目標(biāo)識別算法對棱鏡進(jìn)行區(qū)分識別，減小了棱鏡的設(shè)計復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險。

圖4 PPS和ENZAN的多棱鏡系統(tǒng)

實踐應(yīng)用表明，多棱鏡法具有結(jié)構(gòu)簡單、抗振性好等優(yōu)勢，但也存在占用測量通道加大、棱鏡坐標(biāo)測量不同步等問題。此外，多棱鏡法應(yīng)用時要求全站儀和棱鏡之間不能有任何遮擋物，且全站儀作為測量基準(zhǔn)需要保持穩(wěn)定，然而隧道中人員、粉塵、水霧等環(huán)境因素均會占用測量通道，遮擋全站儀視線，管片浮動、圍巖收斂等環(huán)境因素會移動全站儀的位置，這些都會導(dǎo)致測量失效。因此，目前多棱鏡法一般用于敞開式TBM等測量通道較大、振動較強的掘進(jìn)機上，或在盾構(gòu)機上作為復(fù)核方案使用。

2.3 激光靶法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)

激光靶法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)是通過測量安裝在掘進(jìn)機上的激光靶的坐標(biāo)和姿態(tài)角進(jìn)行掘進(jìn)機位姿求解[16]，主要由全站儀、激光靶、后視棱鏡、通信控制箱和導(dǎo)向系統(tǒng)軟件組成，如圖5所示。

圖5 激光靶法

激光靶法的步驟為：始發(fā)前在掘進(jìn)機上安裝激光靶，并標(biāo)定出激光靶、掘進(jìn)機切口中心和盾尾中心在掘進(jìn)機坐標(biāo)系下的位姿；在掘進(jìn)過程中，全站儀測量激光靶的三維坐標(biāo)，激光靶測量3個姿態(tài)角；由于掘進(jìn)過程中激光靶與掘進(jìn)機的相對位姿關(guān)系不會發(fā)生改變，因此通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法可以計算切口和盾尾中心的坐標(biāo)；最后結(jié)合隧道設(shè)計軸線數(shù)據(jù)，可以計算出掘進(jìn)偏差，從而指導(dǎo)司機糾偏。激光靶法與多棱鏡法的步驟類似，主要區(qū)別是將用于測量坐標(biāo)的棱鏡改變?yōu)榱思瓤梢詼y量坐標(biāo)又可以測量姿態(tài)角的激光靶，這樣在施工時，僅需測量1個目標(biāo)就可以完成掘進(jìn)機位姿的計算。

激光靶作為激光靶法的核心部件一直是該方法的研究重點。通過全站儀測量激光靶上的棱鏡獲取坐標(biāo)，通過傾角傳感器測量獲取俯仰角和滾動角。德國TACS公司、英國ZED公司、德國VMT公司的激光靶采用了基于圖像識別的雙屏幕檢測方式，在激光靶內(nèi)部前后分別設(shè)計了2個屏幕，并用2個相機分別拍攝這2個屏幕上的光斑，通過識別光斑在屏幕上的位置換算激光的入射角，進(jìn)而計算方位角，為保證角度的計算精度，屏幕之間的距離需要足夠遠(yuǎn)，因此激光靶的尺寸一般較大，如圖6所示。

圖6 雙屏幕檢測激光靶

華中科技大學(xué)朱國力教授帶領(lǐng)的課題組在973項目“全斷面大型掘進(jìn)裝備設(shè)計制造中的基礎(chǔ)科學(xué)問題”的支持下，研究了基于面陣列CCD的激光角度測量電子標(biāo)靶[17]。這種激光靶由角錐棱鏡、薄透鏡、CCD相機組成，通過在角錐棱鏡后方開1個小孔讓激光既可以反射一部分回全站儀用于坐標(biāo)測量，也可以穿透一部分到棱鏡的后方，如圖7所示。棱鏡后方安裝1個薄透鏡，薄透鏡后方安裝1個CCD機，穿透棱鏡的激光經(jīng)過薄透鏡后聚焦在CCD相機的焦平面上。由于全站儀發(fā)射的激光可以看作是平行光線，因此當(dāng)激光垂直入射棱鏡時CCD相機上的光斑應(yīng)該位于CCD中心，當(dāng)激光存在入射角時CCD相機上的光斑會發(fā)生相應(yīng)的偏離，這樣通過圖像識別光斑的偏移量，就可以計算出激光入射角的變化，從而計算出方位角。這種激光靶尺寸小、精度高，占用測量通視空間小，有利于在掘進(jìn)機上安裝，得到了廣泛的應(yīng)用，如圖8所示。

圖7 單相機激光靶

圖8 VMT的SLS-T激光靶系統(tǒng)

孟祥瑞等[18]分析指出激光靶法誤差主要是環(huán)境光干擾引起的光斑誤差和振動引起的傾角傳感器測量誤差。針對相機受環(huán)境光干擾產(chǎn)生的誤差，楊文輝等[19]提出了光斑中心提取的優(yōu)化算法。陳慧等[20]提出了無衍射光的解決方案，通過將入射光調(diào)制成環(huán)柵狀的無衍射光，提高光斑中心提取的精度。針對傾角傳感器受振動影響而產(chǎn)生的誤差，潘明華等[21]利用準(zhǔn)直激光、單軸傾角傳感器和CCD攝像機構(gòu)建了俯仰角組合測量系統(tǒng)來提高俯仰角測量的精度，實現(xiàn)了俯仰角的高精度組合測量，但仍未解決滾轉(zhuǎn)角測量受振動影響而產(chǎn)生的誤差。張春草等[22]提出了將陀螺儀和傾角儀組合并通過擴展卡爾曼融合濾波估計的方式來進(jìn)行TBM的姿態(tài)角測量，通過傾角儀和陀螺儀的實時互相校正，提高其測量可靠性和穩(wěn)定性，這一方法需要額外增加陀螺儀，導(dǎo)致成本增加，并且需要解決引入陀螺儀帶來的漂移誤差。

激光靶法的工程應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，德國TACS公司、英國ZED公司、德國VMT公司率先展開了激光靶法工程應(yīng)用[23]。國內(nèi)華中科技大學(xué)和上海隧道工程公司采用進(jìn)口激光靶開發(fā)了自主導(dǎo)向系統(tǒng)，并應(yīng)用在上海地鐵2號線。2012年華中科技大學(xué)和鐵建重工聯(lián)合開發(fā)了國產(chǎn)激光靶導(dǎo)向系統(tǒng)，并在長沙地鐵2號線取得工程應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)成為掘進(jìn)機施工時的主流方案。

2.4 慣性導(dǎo)航法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)最早起源于在航空、航天、航海等軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，從平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)逐漸發(fā)展為捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣導(dǎo)的尺寸、重量、成本均大幅減少，獲得了廣泛的應(yīng)用[24]。

慣性導(dǎo)航法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)是通過安裝在掘進(jìn)機上的慣性測量單元進(jìn)行掘進(jìn)機位姿求解的方法，主要由慣性測量單元和導(dǎo)向系統(tǒng)軟件組成，如圖9所示。慣性測量單元是慣性導(dǎo)航法中最重要的測量儀器，由三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器組成，當(dāng)掘進(jìn)機運動時，陀螺儀和加速度傳感器可以測量出角加速度和運動加速度值，通過積分可以得到角速度、運動速度、角度、位置等信息。慣性導(dǎo)航法的優(yōu)點是不依賴外部信息、不需要測量通道、可以實現(xiàn)自主導(dǎo)航；缺點是存在誤差發(fā)散問題，在應(yīng)用中采用需要其他測量手段對誤差進(jìn)行修正[25]。

圖9 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

針對積分導(dǎo)致的累積誤差問題，潘國榮等[26,27]提出將慣性測量單元測量的姿態(tài)角與掘進(jìn)機推進(jìn)油缸的行程組合，計算掘進(jìn)機的實時位置和姿態(tài)，避免加速度積分帶來的距離誤差。

日本KEIKI公司、德國VMT公司、德國PPS公司等先后開發(fā)了慣性導(dǎo)航定位產(chǎn)品。2020年，國內(nèi)由鐵建重工研制的掘進(jìn)機慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)在天津中石油天然氣管廊工程中成功應(yīng)用，突破了國外的技術(shù)壟斷。

2.5 推進(jìn)油缸并聯(lián)機構(gòu)正解導(dǎo)向定位技術(shù)

推進(jìn)油缸并聯(lián)機構(gòu)正解導(dǎo)向定位技術(shù)是通過推進(jìn)油缸行程計算掘進(jìn)機位姿的測量方法。掘進(jìn)機通常有多根推進(jìn)油缸，如圖10所示，一般通過4組分區(qū)進(jìn)行控制，因此可以將推進(jìn)系統(tǒng)看作油缸伸長方向與掘進(jìn)機軸線平行的并聯(lián)機構(gòu)。根據(jù)運動學(xué)原理，可以采用并聯(lián)機構(gòu)模擬推進(jìn)系統(tǒng)，將管片視為靜平臺，盾體視為動平臺，推進(jìn)油缸視為支鏈。通過對掘進(jìn)機進(jìn)行并聯(lián)機構(gòu)建模，建立并聯(lián)機構(gòu)正解算法，實現(xiàn)掘進(jìn)機位姿的求解[28]。

油缸行程傳感器通常采用預(yù)埋在推進(jìn)油缸中的磁致伸縮行程傳感器，具有不易受振動、粉塵等環(huán)境干擾的優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，因并聯(lián)機構(gòu)正解法是以管片為基準(zhǔn)進(jìn)行掘進(jìn)機位姿解算，其假設(shè)前提是管片在掘進(jìn)過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是在掘進(jìn)時，管片會受到推力的反作用力、盾尾注漿的壓力、管片自重等的影響，導(dǎo)致管片浮動。管片浮動會導(dǎo)致并聯(lián)機構(gòu)正解法的假設(shè)前提失效，從而導(dǎo)致測量失效[29]，因此本方法需與其他導(dǎo)向定位方法組合使用。

圖10 推進(jìn)油缸并聯(lián)機構(gòu)正解法

2.6 計算機視覺法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)

計算機視覺法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)是通過安裝在掘進(jìn)上的視覺測量單元進(jìn)行掘進(jìn)機位姿測量的方法[30]，由光學(xué)特征點、相機、通信控制箱和導(dǎo)向系統(tǒng)軟件組成，如圖11所示。計算機視覺法的測量原理：始發(fā)前在掘進(jìn)機上安裝光學(xué)特征點及相機，并標(biāo)定出光學(xué)特征點、相機與前后盾中心之間的相對位姿關(guān)系；掘進(jìn)過程中，相機實時采集光學(xué)特征點的圖像，通過圖像中識別光學(xué)特征點的位置，并且與始發(fā)前標(biāo)定的位置進(jìn)行比較，得出前盾和后盾的相對位置關(guān)系，從而實現(xiàn)掘進(jìn)機盾體間位姿的非接觸式測量[31,32]。

Yang等[33]設(shè)計了單目視覺和激光靶標(biāo)相結(jié)合的雙護盾硬巖隧道掘進(jìn)機導(dǎo)向系統(tǒng)，利用單目視覺測量前后盾體的相對位姿，再結(jié)合激光靶和全站儀，實現(xiàn)了掘進(jìn)機位姿的兩級傳導(dǎo)測量。但是光學(xué)特征點所需空間很大，在一些小直徑的盾體內(nèi)，空間受限，難以安裝光學(xué)特征點。賀泊寧[34]設(shè)計了一種雙護盾位置檢測裝置，把相機和雙軸傾角傳感器集成到感光靶內(nèi)，感光靶接收激光器發(fā)射的光斑，解決了空間不足的問題，如圖12所示。

圖11 計算機視覺法

圖12 計算機視覺導(dǎo)向系統(tǒng)

計算機視覺法掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)主要適用于頂管機或多節(jié)盾體間的位姿測量。德國VMT最先開發(fā)了視覺位姿測量系統(tǒng)，國內(nèi)由鐵建重工研制的雙護盾TBM導(dǎo)向系統(tǒng)于2019年在青島地鐵4號線首次應(yīng)用，突破了國外的技術(shù)壟斷。實踐應(yīng)用表明，盾體內(nèi)粉塵很大，本方法容易受到粉塵干擾[35]。

3 存在的問題

掘進(jìn)機導(dǎo)向定位的精度直接影響到掘進(jìn)機的工作效率和安全性，隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，掘進(jìn)機導(dǎo)向定位的精度要求也越來越高，高精度的掘進(jìn)機導(dǎo)向定位測量精度必須能夠達(dá)到毫米級別。前文所述的多棱鏡法、激光靶法、慣性導(dǎo)航法等各種單一測量方法有各自的優(yōu)缺點和適應(yīng)條件，見表1。

現(xiàn)有掘進(jìn)機導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用中面臨著以下問題：

（1）環(huán)境干擾

掘進(jìn)機施工過程中常常存在如粉塵、滲水、管片拼裝、焊接作業(yè)等環(huán)境干擾，當(dāng)出現(xiàn)這些情況時，多棱鏡法和激光靶法等基于光學(xué)原理的測量方法會出現(xiàn)無數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)跳動的故障；管片浮動會導(dǎo)致推進(jìn)油缸并聯(lián)機構(gòu)正解法測量失效。

（2）硬件故障

多棱鏡法中的全站儀，激光靶法中的相機、傾角傳感器，慣性測量單元中的陀螺、加速度傳感器，推進(jìn)油缸行程傳感器等硬件故障會導(dǎo)致掘進(jìn)機位姿測量無數(shù)據(jù)的故障；基于慣性導(dǎo)航原理的位姿測量系統(tǒng)存在長期運行時的誤差發(fā)散問題。

（3）操作錯誤

全站儀搬站坐標(biāo)設(shè)置錯誤、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置錯誤、油缸安裝尺寸設(shè)置錯誤等人為操作錯誤會導(dǎo)致測量故障。

表1 導(dǎo)向定位技術(shù)對比

（4）設(shè)備變形

現(xiàn)有的導(dǎo)向定位技術(shù)是建立在掘進(jìn)機的結(jié)構(gòu)是剛體不發(fā)生變形的基礎(chǔ)上的，對于土壓平衡盾構(gòu)機、泥水平衡盾構(gòu)機、單護盾巖石隧道掘進(jìn)機、雙護盾巖石隧道掘進(jìn)機而言，盾體長度較短，盾體內(nèi)部無變形，結(jié)構(gòu)滿足這一條件。但是敞開式巖石隧道掘進(jìn)機的主梁較長，撐靴和主梁也是連接的，受力時主梁存在一定變形，通過在主梁上安裝激光靶測得的姿態(tài)角不能反映完整的主梁姿態(tài)，存在一定的模型誤差。

4 結(jié)論與展望

本文對掘進(jìn)機的高精度導(dǎo)向定位技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，經(jīng)過導(dǎo)航理論、計算機、機器人等技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外掘進(jìn)機導(dǎo)向定位技術(shù)已經(jīng)取得巨大成果，并在實際工程中取得了推廣應(yīng)用，支持了國家重大工程建設(shè)。在應(yīng)用過程中，應(yīng)針對不同掘進(jìn)機應(yīng)用場景選擇合適的導(dǎo)向技術(shù)。針對現(xiàn)有掘進(jìn)機導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用中面臨的問題，未來的研究可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)和完善：

（1）多源信息融合導(dǎo)航定位

針對單一測量方法存在的問題，通過對多個同類或異類傳感器的分析、協(xié)同及有機融合，可以在最大程度上克服單一傳感器可能存在的缺陷[36]，主要從多源信息融合處理方法和架構(gòu)設(shè)計，傳感器單元之間信息分配方法，融合濾波算法等方面開展研究。

（2）設(shè)備變形誤差補償

針對敞開式巖石隧道掘進(jìn)機，可就主梁變形下的測量補償方法開展研究，提高姿態(tài)測量精度。

（3）智能掘進(jìn)糾偏曲線

在實際工程中掘進(jìn)機與隧道設(shè)計軸線偏差較小時，掘進(jìn)機司機仍然按照隧道設(shè)計線路掘進(jìn)。但是當(dāng)掘進(jìn)機與隧道設(shè)計軸線偏差較大時，掘進(jìn)機司機需要重新規(guī)劃糾偏曲線進(jìn)行糾偏。隨著智能化的發(fā)展，需要智能掘進(jìn)系統(tǒng)代替人工進(jìn)行掘進(jìn)糾偏，可以從糾偏曲線的設(shè)計方法方面開展研究，為智能掘進(jìn)提供指導(dǎo)。