基于多种测量方式数据融合的盾构姿态测量

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1、分类号学号M200970275学校代码10487密级硕士学位论文基于多种测量方式数据融合的盾构姿态测量学位申请人：黄俊杰学科专业：机械电子工程指导教师：朱国力教授答辩日期：2012年1月12日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringShieldAttitudeMeasurementBasedonDataFusionofSeveralMeasurementMethods

2、Candidate:HuangJunjieMajor:MechatronicEngineeringSupervisor:Prof.ZhuGuoliHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJan,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

3、本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期:年月日日期:年月日华中科技大学硕

4、士学位论文摘要为了确保盾构法隧道施工的安全高效，盾构机需配备自动导向系统来实时测量其位姿。两棱镜法、三棱镜法和激光标靶法是几种主要的盾构自动导向方法，几种测量方式具有不同的优缺点。本文研究了基于上述几种测量方式融合的盾构导向系统，将三种方式的测量结果进行融合，提高测量系统的精度和可靠性，主要的工作和研究内容如下：首先建立盾构机位姿的描述方法，采用欧拉角来描述盾构机的姿态，详细的介绍两棱镜法、三棱镜法、多棱镜法以及激光标靶法导向的测量原理及位姿计算方法，并对几种测量方法进行了分析比较。然后针对三棱镜

5、法导向系统中存在的问题进行了进一步的研究。三棱镜的位置对姿态测量精度的影响很大，通过仿真分析及搜索寻求优化的布置方案；针对盾构掘进过程中棱镜测量不同步引起的姿态测量偏差大的问题，引入卡尔曼滤波对棱镜坐标进行预测补偿，由于卡尔曼滤波过程中系统噪声矩阵受环境及人为因素影响，采用自适应算法求取系统噪声矩阵，提高了三棱镜法姿态测量的精度。最后对三种测量方式的测量结果进行融合。分析加权平均融合的最优融合权值与测量误差方差的关系。在不能明确得到各种测量方式测量精度的情况下，提出采用动态加权的方式进行融合处理，

6、根据测量值的规律随时调整融合的权值系数。在融合时为避免过大偏差的测量结果首先根据施工及测量的精度选取合理的阈值进行数据关联。MATLAB平台的融合仿真及施工现场测量数据的融合处理可以看出，融合后的系统可靠性和系统测量精度都有所改善，测量精度高于单一的测量方式。关键词：盾构机；自动导向系统；位姿测量；卡尔曼滤波；数据融合I华中科技大学硕士学位论文AbstractForthesafetyandefficiencyoftheshieldtunnelconstruction,automaticguidan

7、cesystemcanbeusedtomeasurethereal-timepositionandattitudeoftheshieldmachine.Twoprismsmethod、threeprismsmethodandlasertargetmethodaretheseveralmainautomaticguidancesystemswithdifferentadvantagesanddisadvantages.FundedbyagrantfromtheMajorStateBasicResea

8、rchDevelopmentProgramofChina(973Program),researchandexploremeasuringprincipleoftheseveralmethods,improvetheprismmethodandmakefusionofthethreemeasurementmethod.Themainworkandresearchareasfollows:Firstthepositionandattitudedescriptionofshieldund