劉紹堂 潘潔晨

（1.河南工程學(xué)院，451191，鄭州；2.同濟(jì)大學(xué)測量與國土信息工程系，200092，上?！蔚谝蛔髡?，教授）

現(xiàn)代工程施工正在向自動(dòng)化方向發(fā)展。施工自動(dòng)化常常需要自動(dòng)化的工程測量和自動(dòng)化的施工導(dǎo)航系統(tǒng)作保障。自動(dòng)化工程導(dǎo)航需要儀器的自動(dòng)整平?，F(xiàn)有的自動(dòng)整平機(jī)構(gòu)，根據(jù)其用途，一類是用于大型設(shè)備的自動(dòng)整平，一類是用于動(dòng)態(tài)載體的整平和調(diào)平。常見的測量和施工導(dǎo)航儀器的整平機(jī)構(gòu)則是小傾斜范圍環(huán)境下的自動(dòng)安平裝置和電子補(bǔ)償裝置。

文獻(xiàn)［1］針對測量用的三角架占用面積大，對中整平慢的缺點(diǎn)，根據(jù)液體表面水平原理，采用傳感器偵測支架水平方向的傾斜、機(jī)電一體化自動(dòng)調(diào)平的方法設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)安平儀器支架。文獻(xiàn)［2］實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)平，但僅適用于大噸位車載光學(xué)儀器代替原來的人工調(diào)平。文獻(xiàn)［3］以德國西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7－300可編程邏輯控制器為主控器件，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可應(yīng)用于各種大型車輛的調(diào)平。文獻(xiàn)［4］及文獻(xiàn)［5］介紹了幾個(gè)自動(dòng)整平機(jī)構(gòu)，但對測量儀器很難適用。綜上所述，雖然已經(jīng)存在多種自動(dòng)整（調(diào)）平系統(tǒng)，但關(guān)于針對測量儀器實(shí)現(xiàn)大傾斜環(huán)境下自動(dòng)整平方面的文獻(xiàn)少有報(bào)道。本文在介紹現(xiàn)有全站儀自動(dòng)補(bǔ)償功能的基礎(chǔ)上，討論自動(dòng)整平基座在地下工程測量中的應(yīng)用。

1 全站儀的自動(dòng)補(bǔ)償功能

現(xiàn)有的具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與照準(zhǔn)功能的全站儀，有的具有雙軸自動(dòng)補(bǔ)償功能，也有的具有三軸自動(dòng)補(bǔ)償功能。

所謂的單軸補(bǔ)償是指補(bǔ)償前后方向的誤差；雙軸補(bǔ)償是指補(bǔ)償前后方向及左右方向的誤差；三軸補(bǔ)償是指除補(bǔ)償以上兩種誤差外，自動(dòng)補(bǔ)償水平軸與視準(zhǔn)軸的誤差。使用三軸補(bǔ)償可以補(bǔ)償由于儀器豎軸前后方向的傾斜及左右方向傾斜所引起的誤差，同時(shí)也可補(bǔ)償視準(zhǔn)軸傾斜所引起的誤差。自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是對豎角和水平角讀數(shù)的補(bǔ)償和修正。

以徠卡系列全站儀為例，其補(bǔ)償器的補(bǔ)償精度和設(shè)置精度如表1所示。

表1 徠卡系列全站儀補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍和設(shè)置精度

我國GGJ 100—94國家計(jì)量檢定規(guī)程對電子經(jīng)緯儀檢定中要求：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級全站儀及電子經(jīng)緯儀，傾斜補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍為3′，補(bǔ)償準(zhǔn)確度≤3″。由表1可知，徠卡雙軸補(bǔ)償是在保證儀器水平誤差在±4′之內(nèi)的補(bǔ)償，所以在使用雙軸或三軸補(bǔ)償之前，一定要先將儀器管水準(zhǔn)氣泡調(diào)在中間，在傾斜沒有超出±4′范圍內(nèi)，補(bǔ)償才有效。也就是說，即使采用徠卡儀器，單靠儀器本身自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆秶鞘钟邢薜模?′）。因此，要真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量下更大傾斜范圍內(nèi)的自動(dòng)整平則必須引入專用自動(dòng)整平設(shè)備。

2 自動(dòng)整平基座整平原理及其與測量儀器的協(xié)同工作

2.1 自動(dòng)整平基座整平原理

電子自動(dòng)整平基座一般由傳感器、電子線路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。它采用傾斜傳感器，測量儀器基座的傾斜大小和傾斜方向，利用伺服電機(jī)對激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)的輸出方向進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。電子自動(dòng)安平的安平范圍可大至10.8°～16.2°，并且具有較高的穩(wěn)定性和補(bǔ)償精度。

電子自動(dòng)整平的全部功能由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。其外部設(shè)備有：鍵盤（包括開關(guān)按鍵和指示燈），2個(gè)傾角傳感器，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)。傾角傳感器和步進(jìn)電機(jī)協(xié)同實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)整平。當(dāng)開關(guān)命令輸入單片機(jī)，單片機(jī)則根據(jù)輸入的命令，開始執(zhí)行相應(yīng)的工作，并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。電子自動(dòng)整平的整平過程是：傾角傳感器測量某軸線方向的傾角并發(fā)出傾角信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)接到傾角信號(hào)后判斷儀器是否水平，若計(jì)算出儀器未整平時(shí)，則驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)信號(hào)從x、y兩個(gè)方向?qū)M(jìn)行調(diào)整；這個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，直到單片機(jī)通過采集的信號(hào)判斷儀器已經(jīng)調(diào)平為止。圖1為AD－12自動(dòng)整平基座的外觀和尺寸。

圖1 自動(dòng)整平基座的外觀和尺寸

2.2 參數(shù)設(shè)置與精度控制

設(shè)步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)比為n，力臂為L（mm）；傳動(dòng)桿的螺距為d（mm）；步進(jìn)電機(jī)步距角為δ（°），最小步進(jìn)量為ΔL（mm）；整平基座的整平精度為σ（°）。由于σ特別小，可以建立等式：

根據(jù)式（1）可以任意配置參數(shù)，在整平精度和其余參數(shù)之間任意設(shè)置參數(shù)組合。

例如：設(shè)n＝20，L＝100mm，d＝0.5mm，δ＝3°，由式（1）可得

σ＝tan－1｛［（d／（360n／δ）］／L｝＝0.43″

即實(shí)現(xiàn)σ＝0.43″的整平精度。

在式（1）中，設(shè)σ＝32.4″，選用n＝22、d＝0.5 mm、δ＝3°，則可以求出L的合理值為64.84mm。

同理，也可以根據(jù)工作和生產(chǎn)需要，結(jié)合制造工藝通過改變其他參數(shù)設(shè)置，找到自動(dòng)安平基座的精度和尺寸及其余參數(shù)的匹配。

2.3 自動(dòng)整平基座與測量儀器的協(xié)同工作

由于電子自動(dòng)整平基座的整平范圍較大，但精度有限，而測量儀器本身的電子補(bǔ)償精度很高，范圍有限，所以，在動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測或者在儀器受環(huán)境影響較大的環(huán)境中儀器還需要借助自動(dòng)整平基座協(xié)同完成精密整平工作。自動(dòng)整平基座與測量儀器的配合與協(xié)同工作如圖2所示，從設(shè)計(jì)角度［6］應(yīng)該考慮以下幾個(gè)重要因素：

1）自動(dòng)整平基座能夠承載大多數(shù)的測量儀器；一般測量儀器質(zhì)量都在幾kg到10kg內(nèi)，因此，自動(dòng)整平基座最大的承載能力要達(dá)到10kg。

2）由于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)補(bǔ)償范圍有限，過大的傾斜不能穩(wěn)定輸出合格成果，要求自動(dòng)整平基座的整平的范圍要足夠大。自動(dòng)整平基座整平范圍達(dá)到10.8°～16.2°，即可滿足大范圍自動(dòng)整平的需要。

3）由于自動(dòng)全站儀的補(bǔ)償精度很高，自動(dòng)整平基座精度則沒有必要很高。由表1可知，自動(dòng)全站儀的電子傾斜補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍為3′～4′，在這個(gè)范圍內(nèi)可以達(dá)到0.3″～1.5″的補(bǔ)償精度。因此，自動(dòng)整平基座的整平精度控制在自動(dòng)全站儀的補(bǔ)償范圍內(nèi)，兩者協(xié)同工作即可達(dá)到0.3″～1.5″的補(bǔ)償精度。也就是說，自動(dòng)全站儀完全可以對自動(dòng)安平基座整平精度的不足進(jìn)行補(bǔ)償，自動(dòng)全站儀與安平基座協(xié)同工作滿足了高精度自動(dòng)整平的需要，故自動(dòng)安平基座只需要±0.5′或者更低的精度，這為制造帶來了方便。

4）為滿足在塵土、震動(dòng)、潮濕、電磁場等現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境條件下長時(shí)間不間斷地連續(xù)工作的需要，自動(dòng)整平基座的主要構(gòu)件要求被封裝密閉，具備良好的防水、防塵與穩(wěn)定性。

5）根據(jù)自動(dòng)整平基座整平范圍大的特點(diǎn)，在安置儀器時(shí)無需進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)整。當(dāng)基座或初始未置平或受外界擾動(dòng)的影響或經(jīng)過緩慢的移動(dòng)之后，均能按照其自身精度快速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整平，大大簡化了操作，提高了效率；配合全站儀補(bǔ)償器的精密補(bǔ)償，能達(dá)到良好的整平效果，特別適用于需要?jiǎng)討B(tài)自動(dòng)測量的場合。

圖2 自動(dòng)整平基座的應(yīng)用實(shí)景圖

3 應(yīng)用實(shí)例

某引水隧道直徑為3 800mm，長1 700m，線路為連續(xù)變坡，東線坡度從－16‰每隔35m增加1‰，直到坡度為－1‰，首尾高差為19.70m；西線坡度從－13‰每隔20m增加1‰，到直接入水平段，首尾高差為15.30m。

由于是曲線隧道，而且要鋪設(shè)無縫管線，技術(shù)要求比較高。與以往普通線路相比，在施工工藝、方法和質(zhì)量控制等方面有較大的不同［7］。綜合考慮環(huán)境的影響，依靠傳統(tǒng)技術(shù)采用導(dǎo)線法完成隧道測量的工作量大、效率低下，為保證工程施工質(zhì)量和工程的順利貫通，必須采用自動(dòng)導(dǎo)向的技術(shù)來進(jìn)行曲線隧道施工的定向和導(dǎo)航，采用了隧道自動(dòng)導(dǎo)向測量方法來指導(dǎo)施工。鑒于本隧道采用頂管法施工，每次測量前管道都處于移動(dòng)狀態(tài)，要進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向測量則需要各站點(diǎn)儀器能自動(dòng)整平而不受施工管道移動(dòng)的影響。

隧道自動(dòng)導(dǎo)向測量方法［8－9］如圖3所示，其中T1、PL、PR為已知點(diǎn)，T2、T3為過渡的導(dǎo)線點(diǎn)，P1、P2為導(dǎo)線支點(diǎn)，P0為頂管機(jī)的機(jī)頭中心位置。

圖3 隧道施工自動(dòng)測量方法

1）采用自動(dòng)導(dǎo)向測量方法時(shí)在T1、T2、T3各點(diǎn)架設(shè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)型全站儀和棱鏡，每臺(tái)全站儀都通過電纜連接計(jì)算機(jī)。

2）各站點(diǎn)上的全站儀在計(jì)算機(jī)的指揮下相互配合，按預(yù)先設(shè)置的導(dǎo)線測量程序，自動(dòng)有序地測量導(dǎo)線各點(diǎn)處的水平角、垂直角及導(dǎo)線各邊的邊長，并及時(shí)把角度和邊長等實(shí)測數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。在特殊場合下在頂管機(jī)的機(jī)頭中心位置P0無法安置全站儀反射棱鏡，P0坐標(biāo)則由P1、P2點(diǎn)歸算而得出。

3）計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果會(huì)自動(dòng)與設(shè)計(jì)軸線對比，并實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示機(jī)頭中心P0相對于設(shè)計(jì)軸線上的上下偏差、左右偏差的軌跡圖形和具體數(shù)值，同時(shí)還顯示出測量瞬間的里程和時(shí)間。該系統(tǒng)只需人工操作全站儀進(jìn)行測量學(xué)習(xí)一次，剩余測量過程均在計(jì)算機(jī)CPU的控制下自動(dòng)運(yùn)行，全程不需人工干預(yù)，單次測量不超過5min的時(shí)間。

根據(jù)以上測量方法可以得出，按照3站導(dǎo)線測量的方式構(gòu)成的自動(dòng)導(dǎo)向測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置：首先需要配置1臺(tái)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，它控制全站儀的測量過程并進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和處理；每1個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)上需安置1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)全站儀，共需要配置3臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型全站儀；全站儀要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整平，所以還至少需要2臺(tái)自動(dòng)整平基座；還需要在后視點(diǎn)、機(jī)頭點(diǎn)及各導(dǎo)線點(diǎn)上的安置棱鏡，導(dǎo)線點(diǎn)上棱鏡必須固定于全站儀的手柄上；為保持使棱鏡中心和全站儀的旋轉(zhuǎn)中心位于同一垂線上，還需要棱鏡接合器3套；為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信，計(jì)算機(jī)及全站儀可以通過屏蔽線有線方式或者無線方式實(shí)現(xiàn)指令及數(shù)據(jù)傳輸；而自動(dòng)隧道系統(tǒng)的軟件則利用全站儀的坐標(biāo)測量功能實(shí)時(shí)測定和控制隧道方向，利用全站儀三角高程測量功能實(shí)時(shí)測定和控制管道標(biāo)高，配合系統(tǒng)硬件獲取實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，繪制機(jī)頭偏差軌跡，實(shí)時(shí)在顯示屏上顯示當(dāng)前里程與機(jī)頭中心位置。其中，自動(dòng)整平基座安置如圖2所示。

4 結(jié)語

實(shí)際應(yīng)用表明，隧道測量自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)以自動(dòng)整平基座為基礎(chǔ)，以智能全站儀為平臺(tái)，配合自動(dòng)測量與導(dǎo)向軟件，在計(jì)算機(jī)控制下解決了超長曲線隧道的自動(dòng)測量問題；自動(dòng)整平基座的使用保障了全站儀能在動(dòng)態(tài)測量可能出現(xiàn)大傾斜環(huán)境下的自動(dòng)整平，提高了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性和穩(wěn)定性，為隧道工程順利頂進(jìn)和貫通提供了令人滿意的結(jié)果。隨著施工自動(dòng)化和信息化技術(shù)的發(fā)展，其在工程自動(dòng)測量和動(dòng)態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用有望日益廣泛。

［1］張文勝，吳立新.自動(dòng)安平儀器支架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測繪通報(bào)，2005（3）：59.

［2］姜偉偉，高云國，馮棟彥，等.大型光電設(shè)備基準(zhǔn)平面自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程，2009（5）：1039.

［3］姚舜才，張艷兵.基于PLC的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（1）：404.

［4］歐同庚，王琪，傅輝清，等.水平面基準(zhǔn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平方法研究［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2008（5）：129.

［5］張艷兵.PLC控制的4點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng)［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（3）：198.

［6］呂紹裘.徠卡TCA自動(dòng)全站儀配自動(dòng)安平基座AD－12是隧道掘進(jìn)的最佳測量設(shè)備之一［C］∥中國測繪學(xué)會(huì).2002年全國測繪儀器綜合學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國測繪出版社，2002：1.

［7］胡為珍.鐵道無縫線路改造施工技術(shù)要點(diǎn)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)［J］.吉首大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（4）：79.

［8］潘國榮，劉毛毛，趙鵬飛，等.超長頂管智能引導(dǎo)測量系統(tǒng)研究［J］.工程勘察，2010（1）：66.

［9］潘國榮，陳曉龍，丁東強(qiáng).汕頭市過海頂管自動(dòng)測量系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2010（3）：299.