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基于陀螺仪和倾角仪融合的盾构掘进姿态测量技术研究
| 论文题名： | 基于陀螺仪和倾角仪融合的盾构掘进姿态测量技术研究 |
| 关键词： | 盾构机;光纤陀螺仪;倾角仪;姿态角测量;信息融合;卡尔曼滤波 |
| 摘要： | 在隧道建造成型的过程中，高精度的实时姿态测量系统是保证盾构机可以沿规划轴线掘进的关键。位于激光标靶内部的倾角仪在振动冲击较小时测量精度较高，但在剧烈振动情况下会出现失效的现象，从而导致测量系统无法正常工作。光纤陀螺仪对振动不敏感，但由于其通过对角速率进行积分运算得到角度，因此随机偏移造成的误差会随时间积累越来越大。为了提高测量系统在振动环境下的稳定性，本文研究了结合光纤陀螺仪和倾角仪输出特性的信息融合方法，主要内容如下： 根据倾角仪和光纤陀螺仪的测量原理，采用多项式拟合补偿了倾角仪的非线性误差，并通过Allan方差法分析了光纤陀螺仪的随机误差项。针对振动工况下传感器测量规律，设计了扫频实验探究倾角仪和光纤陀螺仪的振动特性。当振动较大时，倾角仪幅值变化超过了允许的误差范围，导致数据失效，而陀螺仪角度在振动情况下波动较小，能够实现稳定地测量。 针对光纤陀螺仪时变性漂移误差无法精确标定的问题，本文根据主要的随机误差项建立了误差模型，并依据此模型提出了基于卡尔曼滤波的信息融合方法。利用稳态环境下倾角仪的高精度数据对光纤陀螺仪进行校正并补偿随机零偏，从而使得当倾角仪在剧烈振动工况下失准时，仍能利用校准后的陀螺仪数据准确测量盾构机姿态角，最后本文通过仿真实验验证了该融合模型的可靠性。 基于陀螺仪和倾角仪的输出特性，设计了振动实验平台和数据采集软件，实现了测量过程的可视化。并进一步将本文提出的算法与小波滤波、低通滤波等常见的数字滤波技术进行了对比实验。实验表明，本文提出的信息融合算法能够实现盾构机姿态角的高精度测量。 |
| 作者： | 韩磊 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张代林 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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