【摘要】：由于TBM的隧道施工環(huán)境多為山體巖石結構,其在掘進過程中易受到劇烈的振動沖擊,這會導致其姿態(tài)角測量系統(tǒng)中的傾角傳感器發(fā)生測量失準甚至失效。陀螺傳感器有抗振性強的特點,可作為強振動環(huán)境下TBM姿態(tài)角的測量傳感器。為了提高TBM姿態(tài)角測量系統(tǒng)在振動環(huán)境下的測量精度和穩(wěn)定性,本文提出一種基于雙軸傾角儀和三軸陀螺儀組合的TBM姿態(tài)角測量方法。分析傾角儀和陀螺儀在不同振動頻率下的測量性能,找到了傾角儀發(fā)生測量失效的共振頻率段。當傾角儀發(fā)生共振而測量失效時,陀螺儀的測量性能未受較大影響,掃頻振動測試結果表明當傾角儀發(fā)生測量失效時可用陀螺儀進行TBM姿態(tài)角測量的工作,但需要對陀螺儀的隨機漂移誤差進行估計補償,才能保證陀螺儀在振動環(huán)境下長時間的穩(wěn)定測量。利用Allan方差法分析MEMS三軸陀螺儀的主要隨機漂移誤差項,并根據(jù)分析結果建立陀螺儀的隨機漂移誤差模型。通過仿真實驗驗證了誤差模型的準確性,從而依據(jù)陀螺儀的誤差模型建立擴展Kalman濾波算法的多傳感器融合估計模型。利用傾角儀未失效時輸出的高精度角度信息通過擴展Kalman濾波對陀螺儀輸出角速度的零偏進行實時跟蹤估計,當傾角儀在強振動環(huán)境下發(fā)生測量失效時,將經過零偏補償后的陀螺儀角速度進行積分運算,可獲得較為精確的TBM姿態(tài)角。最后通過仿真實驗和實驗平臺的測試驗證了本文提出的融合系統(tǒng)測姿算法能有效測量強振動環(huán)境下的TBM姿態(tài)角并具有較高的可靠性,可以滿足TBM隧道施工過程中的姿態(tài)角測量精度要求,具有可實施性和實際工程應用價值。
[Abstract]:Because the tunnel construction environment of TBM is mostly mountain rock structure, it is easy to be subjected to severe vibration shock in the process of tunneling, which will lead to the measurement misalignment or even failure of the inclination sensor in the attitude angle measurement system. The gyroscope sensor has the characteristics of strong anti-vibration and can be used as the sensor for measuring the attitude angle of TBM in strong vibration environment. In order to improve the accuracy and stability of TBM attitude angle measurement system in vibration environment, a TBM attitude angle measurement method based on biaxial tiltmeter and triaxial gyroscope is presented in this paper. The measurement performance of tiltmeter and gyroscope at different vibration frequencies is analyzed, and the resonant frequency section where the measuring failure of tiltmeter is found. When the tiltmeter is resonant and the measurement fails, the measurement performance of the gyroscope is not greatly affected. The results of frequency sweep vibration test show that the gyroscope can be used to measure the attitude angle of TBM when the tiltmeter fails. However, it is necessary to estimate and compensate the random drift error of the gyroscope in order to ensure the long-term stability measurement of the gyroscope in the vibration environment. The main random drift error term of MEMS triaxial gyroscope is analyzed by Allan variance method, and the random drift error model of the gyroscope is established according to the analysis results. The accuracy of the error model is verified by the simulation experiment. Based on the error model of gyroscope, the multi-sensor fusion estimation model of extended Kalman filtering algorithm is established. Using the high precision angle information output when the tiltmeter does not fail, the zero deviation of the gyroscope output angular velocity is estimated by extended Kalman filter in real time. When the tiltmeter fails in the strong vibration environment, it can be used to estimate the zero deviation of the gyroscope output angular velocity in real time. The TBM attitude angle can be obtained by integrating the angular velocity of gyro after zero offset compensation. Finally, through the simulation experiment and the test of the experimental platform, the proposed fusion system attitude measurement algorithm can effectively measure the attitude angle of TBM in strong vibration environment, and has high reliability. It can meet the precision requirement of attitude angle measurement in the construction of TBM tunnel, and has the practical application value.
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U455

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本文編號：2432543