文档介绍：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
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of Engineering

Shield Attitude Measurement Based on Data Fusion
of Several Measurement Methods

Candidate : Huang Junjie
Major : Mechatronic Engineering
Supervisor : Prof. Zhu Guoli

Huazhong University of Science & Technology
Wuhan 430074, . China
Jan, 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。
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,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
Abstract
For the safety and efficiency of the shield tunnel construction, automatic guidance
system can be used to measure the real-time position and attitude of the shield machine.
Two prisms method、three prisms method and laser target method are the sev