基于陀螺仪与倾角仪组合的tbm姿态角测量研究

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1、分类号学号M201270407学校代码10487密级硕士学位论文基于陀螺仪与倾角仪组合的TBM姿态角测量研究学位申请人：张剑波学科专业：机械电子工程指导教师：朱国力教授答辩日期：2015年5月18日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchontheAttitudeMeasurementofTBMbasedontheInformationFusionofGyroscopeandI

2、nclinometerCandidate:ZhangJianboMajor:MechatronicEngineeringSupervisor:Prof.ZhuGuoliHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2015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。本声

3、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士学位论文摘要由于TBM的隧道

4、施工环境多为山体岩石结构，其在掘进过程中易受到剧烈的振动冲击，这会导致其姿态角测量系统中的倾角传感器发生测量失准甚至失效。陀螺传感器有抗振性强的特点，可作为强振动环境下TBM姿态角的测量传感器。为了提高TBM姿态角测量系统在振动环境下的测量精度和稳定性，本文提出一种基于双轴倾角仪和三轴陀螺仪组合的TBM姿态角测量方法。分析倾角仪和陀螺仪在不同振动频率下的测量性能，找到了倾角仪发生测量失效的共振频率段。当倾角仪发生共振而测量失效时，陀螺仪的测量性能未受较大影响，扫频振动测试结果表明当倾角仪发生测量失效时可用陀螺仪进行TBM姿

5、态角测量的工作，但需要对陀螺仪的随机漂移误差进行估计补偿，才能保证陀螺仪在振动环境下长时间的稳定测量。利用Allan方差法分析MEMS三轴陀螺仪的主要随机漂移误差项，并根据分析结果建立陀螺仪的随机漂移误差模型。通过仿真实验验证了误差模型的准确性，从而依据陀螺仪的误差模型建立扩展Kalman滤波算法的多传感器融合估计模型。利用倾角仪未失效时输出的高精度角度信息通过扩展Kalman滤波对陀螺仪输出角速度的零偏进行实时跟踪估计，当倾角仪在强振动环境下发生测量失效时，将经过零偏补偿后的陀螺仪角速度进行积分运算，可获得较为精确的TB

6、M姿态角。最后通过仿真实验和实验平台的测试验证了本文提出的融合系统测姿算法能有效测量强振动环境下的TBM姿态角并具有较高的可靠性，可以满足TBM隧道施工过程中的姿态角测量精度要求，具有可实施性和实际工程应用价值。关键词：倾角仪陀螺仪姿态测量多传感器融合扩展卡尔曼滤波I华中科技大学硕士学位论文AbstractTunnelingprocessiseasybesubjecttoseverevibrationbecausetheworkingenvironmentsofTBMaremostlymountainrockstructu

7、re,whichleadstotheattitudemeasurementsystemfailtowork,especiallytheoutputofinclinometerwillbeunbelievable.AstheMEMSgyrosensorhastheabilityofanti-vibration,itcanbeusedasTBMattitudemeasuringsensorsinsteadoftheinclinometerwhenitcan’twork.Inordertoimprovetheaccuracyan

8、dstabilityoftheTBMattitudemeasurementsystem,accordingtothemulti-sensorfusiontheory,thispaperproposesamethodbasedonthefusionoftwo-axisinclinometerandathr