本发明提出了一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其步骤为：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶；以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立关于俯仰角和水平方位角的数学模型；掘进开始后，利用全站仪实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定折线的俯仰角和水平方位角；利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算末端节点的角度偏移量，修正折线的角度，计算当前节点的坐标；重复上述步骤，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点即掘进机的实际坐标。本发明解决了现有测量方法难以建立精准有效的数学模型的难题，提高了施工的效率和精度，降低了维护测量系统的人力及时间成本。
1.一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶，管节的激光靶上安装平行光管(10)，平行光管(10)发射的激光可到达前一管节或掘进机的激光靶上；
步骤二：以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立相邻节点之间的折线，从而获得每段折线的长度、俯仰角和水平方位角，与激光靶测量的节点的光斑坐标相结合，建立关于末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角的数学模型；
步骤三：掘进开始后，利用全站仪(7)实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角；
步骤四：利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算相对于初始位置末端节点的角度偏移量，利用角度偏移量修正折线的角度，根据修正的角度计算当前节点的坐标；
步骤五：根据已获得的当前节点的坐标和折线角度，重复步骤四，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点的坐标；
步骤六：掘进过程中，不断推进并安装新的管节，用全站仪来测量当前最后一段管节的尾部的激光靶的坐标变化，接着重复步骤三-五，更新此时掘进机的实际坐标；
所述步骤二中掘进机(4)上设有激光靶I(1)，始发管节为管节I(5)，管节I(5)上设有激光靶II(2)，激光靶I(1)形成节点I(15)，激光靶II(2)形成节点II(16)，末端节点为管节I(5)后端管节II(6)上的激光靶III(3)形成的节点III(17)，节点I(15)与节点II(16)之间的折线为折线段L1，节点III(17)与其下一节点的节点II(16)之间的折线为折线段L2；
所述步骤二中末端节点与其下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角是折线段L2的俯仰角和水平方位角，俯仰角和水平方位角的数学模型通过节点III(17)上激光靶的中心线与折线段L2的夹角固定不变确定，实现方法为：S21，全站仪测量节点III(17)和节点II(16)的坐标从而确定折线段L2的俯仰角VL2和水平方位角HL2；
S22，节点III(17)的激光靶实时感应的全站仪发射激光产生光斑的光斑坐标(u3，v3)，确定光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv，u3和v3分别表示光斑与激光靶III(3)的中心线水平方向和竖直方向的距离；
S23，节点III(17)上激光靶的中心线与折线段L2的夹角为：
其中，H和V分别表示全站仪发射到节点III(17)上的激光的水平角和垂直角；θu和θv分别表示节点III(17)上的光斑与全站仪发射激光的水平角和垂直角；Δh和Δv分别表示激光靶III(3)的中心线与折线段L2的水平角和垂直角；
S24：在掘进中，折线段L2实时的俯仰角和水平方位角分别为：
2.根据权利要求1所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv分别为： 其中，f表示激光靶III(3)中凸透镜(13)的焦距。
3.根据权利要求1所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述步骤四中末端节点所在的管节II(6)未发生形变，则节点III(17)的激光靶III(3)与节点II(16)的激光靶II(2)相对静止，节点II(16)的激光靶II(2)读取到的光斑坐标不会发生变化，仍为初始值(u2，v2)；若管节II(6)发生形变，节点II(16)的激光靶II(2)读取到的光斑坐标为(u2'，v2')，则管节II(6)所在的折线段L2在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为：Δθu2＝atan(u2′/f)-atan(u2/f)；
Δθv2＝atan(v2′/f)-atan(v2/f)；
其中，f表示激光靶II(2)中凸透镜(13)的焦距；Δθu2表示折线段L2在水平方向的形变量，Δθv2表示折线段L2在竖直方向的形变量；
则，此时折线段L2的俯仰角V′L2和水平方位角H′L2分别为：
4.根据权利要求3所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述步骤四中根据修正折线的角度计算当前节点的坐标的方法为：节点II(16)的坐标根据节点III(17)的坐标和折线段L2的长度、俯仰角V′L2和水平方位角H′L2求出：x2＝x3+L2*cos(V′L2)*cos(H′L2)
y2＝y3+L2*cos(V′L2)*sin(H′L2)
其中，L2为折线段L2的长度，x3，y3，z3分别表示节点III(17)的实时坐标，x2，y2，z2分别表示节点II(16)的坐标；
掘进过程中，折线段L1与折线段L2的水平方位角的夹角Δh21、俯仰角的夹角Δv21不变，则折线段L1的俯仰角VL1和水平方位角HL1分别为：VL1＝V′L2+Δv21，
5.根据权利要求4所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，若管节I(5)发生形变，节点I(15)上的激光靶I(1)读取到光斑的光斑坐标在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为Δθu1和Δθv1，折线段L1在变形之后的俯仰角V′L1和水平方位角H′L1分别为：V′L1＝VL1+Δθv1；
x1＝x2+L1*cos(V′L1)*cos(H′L1)，
y1＝y2+L1*cos(V′L1)*sin(H′L1)，
其中，x2，y2，z2分别表示节点II(16)的坐标，x1，y1，z1分别表示节点I(15)的坐标。
6.根据权利要求5所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，当有j个节点时，有j-1个管片和j-1根折线段Li，折线段Li的长度Li不变，全站仪测量第j个节点的坐标(xj,yj,zj)；S1：i＝j-1，根据坐标变换确定折线段Li的长度，步骤二的数学模型确定折线段Li的水平方位角和俯仰角；S2，利用节点i的激光靶感应的光斑坐标在水平方向和竖直方向的角度变化量确定折线段Li的实际俯仰角VLi′和实际水平方位角HLi′，从而确定节点i的坐标；S3，i＝i-1，确定折线段Li的长度，根据相邻折线段之间的水平方位角和俯仰角的夹角不变，计算折线段Li的水平方位角和俯仰角，重复步骤S2，i＝1,2,……，j-2；当i＝1时，则节点I的实时坐标为掘进机(4)的方向控制，节点I的实时坐标为：
7.根据权利要求1所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述平行光管(10)固定在激光靶的前部，平行光管(10)发射的平行光分布为圆形，全站仪(7)设置在地面上；所述激光靶包括壳体，壳体固定在管节内，壳体内设有激光成像单元(8) 和工业相机(9)，激光成像单元(8)包括反射棱镜(11)、小孔光阑(12)、平凸透镜(13)和感光屏(14)，工业相机(9)、反射棱镜(11)、小孔光阑(12)、平凸透镜(13)和感光屏(14)的中心在同一水平线上且位于激光靶的中心线上，小孔光阑(12)设置在反射棱镜(11)的后方，平凸透镜(13)设置在小孔光阑(12)和感光屏(14)之间，工业相机(9)设置在感光屏(14)的前方。
8.根据权利要求7所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述反射棱镜(11)的顶部设有切口，平光光管(10)或全站仪(7)发射的平行光束从切口穿过反射棱镜(11)。
一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法
技术领域
[0001] 本发明涉及曲线掘进机的技术领域，尤其涉及一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法。
背景技术
[0002] NEW TULIP工法(Network Evolution Wide Tunnelling and Underground space Liberty Install curved Piping，曲线管幕非开挖地下空间构筑技术)，即曲线管幕暗挖工法，管幕由掘进机实施完成，一般采用小型顶管掘进机顶进钢管到土体中形成超前支护，然后再开挖施工主体结构或者采用箱涵顶进方案进行施工，是一种新型暗挖法施工技术。隧道由一个个的管节拼装而成，在设计时管节的中心轴线是标准的圆弧，但掘进机在地下前进的过程中，管节受到土体的挤压而产生形变，导致掘进机的姿态发生变化，而确定掘进机在土体中的姿态是进行掘进施工导向的前提。
[0003] 目前，掘进机在土体中的姿态测量一般采用倾斜仪和滚转仪，其中，倾斜仪和滚转仪安装在曲线掘进机先导管的铰接位置的后面，可以测量先导管的俯仰角和滚动角，但无法测量导航角。掘进机在土体中的位置测量一般采用陀螺仪、水平仪或者激光照射器中的一种或者多种，其中，(1)陀螺仪安装在管节中特别设置的测量管内，通过始发顶推系统处的测试系统测量顶管机的水平位置，其测量误差会随着时间积累；(2)水平仪安装在管节中，只能测量仪器安装处的水平位置；(3)激光照射器安装在顶管机盾体内，通过管节内安装的反射镜，将激光反射到始发处顶推装置后方的激光接收装置，以测量顶管的位置。激光照射器发出的激光经过了多次反射才打到接收装置上，整个系统难以建立精度较高的数学模型，所以激光照射器一般用于定性测量顶管的位置变化，不能定量测量顶管的实际位置。综上所述，现有的测量方法难以有效地检测先导管在土体中的实际姿态和位置的全部信息，给施工时的导向带来了不便。相应地，本领域存在着发展一种能够准确地检测先导管在土体中的实际姿态和位置的全部信息的定曲率小口径曲线顶管的导向方法的技术需求。
发明内容
[0004] 针对现有掘进机的姿态测量方法不能有效检测先导管节在土体中的实际姿态和位置的全部信息，给施工时的导向带来了不便的技术问题，本发明提出一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，从地面结构的精确坐标开始，推导土体中曲线顶管先导管节的实际姿态和位置的全部信息，准确性较好，且信息可以更好地满足导向的需求。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其步骤如下：
[0006] 步骤一：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶，管节的激光靶上安装平行光管，平行光管发射的激光可到达前一管节或掘进机的激光靶上；
[0007] 步骤二：以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立相邻节点之间的折线，从而获得每段折线的长度、俯仰角和水平方位角，与激光靶测量的节点的光斑坐标相结合，建立关于末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角的数学模型；
[0008] 步骤三：掘进开始后，利用全站仪实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角；
[0009] 步骤四：利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算相对于初始位置末端节点的角度偏移量，利用角度偏移量修正折线的角度，根据修正折线的角度计算当前节点的坐标；
[0010] 步骤五：根据已获得的当前节点的坐标和折线角度，重复步骤四，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点的坐标；
[0011] 步骤六：掘进过程中，不断推进并安装新的管节，用全站仪来测量当前最后一段管节的尾部的激光靶的坐标变化，接着重复步骤三-五，更新此时掘进机的实际坐标。
[0012] 所述步骤二中掘进机上设有激光靶I，始发管节为管节I，管节I上设有激光靶II，激光靶I形成节点I，激光靶II形成节点II，末端节点为管节I后端管节II上的激光靶III形成的节点III，节点I与节点II之间的折线为折线段L1，节点III与其下一节点的节点II之间的折线为折线段L2。
[0013] 所述步骤二中末端节点与其下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角是折线段L2的俯仰角和水平方位角，俯仰角和水平方位角的数学模型通过节点III上激光靶的中心线与折线段L2的夹角固定不变确定，实现方法为：S21，全站仪测量节点III和节点II的坐标从而确定折线段L2的俯仰角VL2和水平方位角HL2；S22，节点III的激光靶实时感应的全站仪发射激光产生光斑的光斑坐标(u3，v3)，确定光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv， u3和v3分别表示光斑与激光靶III的中心线水平方向和竖直方向的距离；S23，节点III上激光靶的中心线与折线段L2的夹角为：
[0014] Δv＝VL2-Vθv；
[0015]
[0016] 其中，H和V分别表示全站仪发射到节点III上的激光的水平角和垂直角；θu和θv分别表示节点III上的光斑与全站仪发射激光的水平角和垂直角；Δh和Δv分别表示激光靶III的中心线与折线段L2的水平角和垂直角；
[0017] S24：在掘进中，折线段L2实时的俯仰角和水平方位角分别为：
[0018] VL2＝V+θv+Δv；
[0019]
[0020] 所述光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv分别为：其中，f表示激光靶III中凸透镜的焦距。
[0021] 所述步骤四中末端节点所在的管节II未发生形变，则节点III的激光靶III与节点II的激光靶II相对静止，节点II的激光靶II读取到的光斑坐标不会发生变化，仍为初始值(u2，v2)；若管节II发生形变，节点II的激光靶II读取到的光斑坐标为(u2'，v2')，则管节II所在的折线段L2在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为：
[0022] Δθu2＝atan(u2′/f)-atan(u2/f)；
[0023] Δθv2＝atan(v2′/f)-atan(v2/f)；
[0024] 其中，f表示激光靶II中凸透镜的焦距；Δθu2表示折线段L2在水平方向的形变量，Δθv2表示折线段L2在竖直方向的形变量；
[0025] 则，此时折线段L2的俯仰角V′L2和水平方位角H′L2分别为：
[0026]
[0027] V′L2＝VL2+Δθv2。
[0028] 所述步骤四中根据修正折线的角度计算当前节点的坐标的方法为：节点II的坐标根据节点III的坐标和折线段L2的长度、俯仰角V′L2和水平方位角H′L2求出：
[0029] x2＝x3+L2*cos(V′L2)*cos(H′L2)
[0030] y2＝y3+L2*cos(V′L2)*sin(H′L2)
[0031] z2＝z3+L2*sin(V′L2)
[0032] 其中，L2为折线段L2的长度，x3，y3，z3分别表示节点III的实时坐标，x2，y2，z2分别表示节点II的坐标；
[0033] 掘进过程中，折线段L1与折线段L2的水平方位角的夹角Δh21、俯仰角的夹角Δv21不变，则折线段L1的俯仰角VL1和水平方位角HL1分别为：
[0034] VL1＝V′L2+Δv21，
[0035] HL1＝H′L2+Δh21。
[0036] 若管节I发生形变，节点I上的激光靶I读取到光斑的光斑坐标在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为Δθu1和Δθv1，折线段L1在变形之后的俯仰角V′L1和水平方位角H′L1分别为：
[0037]
[0038] V′L1＝VL1+Δθv1；
[0039] 则节点I的坐标分别为：
[0040] x1＝x2+L1*cos(V′L1)*cos(H′L1)，
[0041] y1＝y2+L1*cos(V′L1)*sin(H′L1)，
[0042] z1＝z2+L1*sin(V′L1)。
[0043] 其中，x2，y2，z2分别表示节点II的坐标，x1，y1，z1分别表示节点I的坐标。
[0044] 当有j个节点时，有j-1个管片和j-1根折线段Li，折线段Li的长度Li不变，全站仪测量第j个节点的坐标(xj,yj,zj)；S1：i＝j-1，根据坐标变换确定折线段Li的长度，步骤二的数学模型确定折线段Li的水平方位角和俯仰角；S2，利用节点i的激光靶感应的光斑坐标在水平方向和竖直方向的角度变化量确定折线段Li的实际俯仰角VLi′和实际水平方位角HLi′，从而确定节点i的坐标；S3，i＝i-1，确定折线段Li的长度，根据相邻折线段之间的水平方位角和俯仰角的夹角不变，计算折线段Li的水平方位角和俯仰角，重复步骤S2，i＝1,2,……，j-2；当i＝1时，则节点I的实时坐标为掘进机的方向控制，节点I的实时坐标为：
[0045]
[0046] 所述平行光管固定在激光靶的前部，平行光管发射的平行光分布为圆形，全站仪设置在地面上；所述激光靶包括壳体，壳体固定在管节内，壳体内设有激光成像单元和工业相机，激光成像单元包括反射棱镜、小孔光阑、平凸透镜和感光屏，工业相机、反射棱镜、小孔光阑、平凸透镜和感光屏的中心在同一水平线上且位于激光靶的中心线上，小孔光阑设置在反射棱镜的后方，平凸透镜设置在小孔光阑和感光屏之间，工业相机设置在感光屏的前方。
[0047] 所述反射棱镜的顶部设有切口，平光光管或全站仪发射的平行光束从切口穿过反射棱镜。
[0048] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0049] 1.建立了掘进机和后续所有管节的节点连线的方程，通过激光靶链技术标定相邻两个节点之间的姿态变化，通过节点姿态变化测量每个管节节点的坐标，直至顶管机的姿态和坐标；本发明解决了现有测量方法难以建立精准有效的数学模型的难题，根据激光靶测角原理与基础的坐标变换，可以定量计算顶管机的姿态和位置，且简单、有效、易用，工程实用性较强。
[0050] 2.测量系统使用的主要测量仪器为全站仪、平行光管和激光靶，其精度较高，且测量误差不会随着时间积累，对于掘进机的长时间作业，测量系统可以正常工作，不需要停工检修，大大提高了施工的效率和精度，降低了维护测量系统的人力及时间成本。
[0051] 3.随着对最后一段管节末端点的采样开始，提高了结果的准确性及可靠性。
附图说明
[0052] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053] 图1为本发明的导向方法的流程图。
[0054] 图2为本发明初始测量阶段的管节示意图。
[0055] 图3为图2中的节点连线示意图。
[0056] 图4为图2中测量系统的结构示意图。
[0057] 图5为激光靶测偏角的示意图。
[0058] 图中，1为激光靶I，2为激光靶II，3为激光靶III，4为掘进机，5为管节I，6为管节 II，7为全站仪，8为激光成像单元，9为工业相机，10为平行光管，11为反射棱镜，12为小孔光阑，13为平凸透镜，14为感光屏，15为节点I，16为节点II，17为节点III。
具体实施方式
[0059] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060] 如图1所示，一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其步骤如下：
[0061] 步骤一：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶，管节的激光靶上安装平行光管 10，平行光管10发射的激光可到达前一管节或掘进机的激光靶上。
[0062] 本发明每个管节的曲率和长度各不相同，即每段折线段的长度和相邻折线段的夹角不需要一致，即可采用变曲率的管节来顶进。本发明使用的测量系统包括激光靶、平行光管10和全站仪，激光靶和平行光管10组成激光靶链，即后一段管节端点处的平行光管10发射的激光束可以投射在前一段管节端点处的激光靶的入射面上。如图4所示，平行光管10固定在激光靶的前部，平行光管10为向前发射平行光的激光管，发射的平行光分布为圆形，投射到前方激光靶的表面。全站仪7设置在地面上，用于实时测量末端节点的坐标，且可以实时输出其发射激光的方向。所述激光靶包括壳体，壳体固定在管节内，壳体内设有激光成像单元8 和工业相机9，激光成像单元8利用小孔成像技术显示入射激光的聚焦光斑。激光成像单元8 包括反射棱镜11、小孔光阑12、平凸透镜13和感光屏14，如图5所示，工业相机9、反射棱镜11、小孔光阑12、平凸透镜13和感光屏14的中心在同一水平线上且位于激光靶的中心线上，小孔光阑12设置在反射棱镜11的后方，平凸透镜13设置在小孔光阑12和感光屏14 之间，工业相机9设置在感光屏14的前方，工业相机9为感光屏14上的光斑进行拍照，记录光斑的位置坐标。所述反射棱镜11的顶部设有切口，平光光管10或全站仪7发射的平行光束都可以从切口穿过反射棱镜11，穿过小孔光阑12和平凸透镜13，聚焦到感光屏14上形成光斑。全站仪7测量激光靶坐标时，反射棱镜11反射测距光，以便全站仪测距。
[0063] 当管节变形时，平行光管10发射的圆形的光束在激光靶表面位置会变化，若变形过大，平行光束脱离了激光靶受光的表面，则无法记录入射光，导向测量就无法继续。所以掘进机 4的前进方向要及时修正，避免管节变形过大。
[0064] 步骤二：以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立相邻节点之间的折线，从而获得每段折线的长度、俯仰角和水平方位角，与激光靶测量的节点的光斑坐标相结合，建立关于末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角的数学模型。
[0065] 如图2所示，掘进机4上设有激光靶I1，始发管节为管节I5，管节I5上设有激光靶II2，如图3所示，激光靶I1形成节点I15，激光靶II2形成节点II16，末端节点为管节I5后端的管节II6上的激光靶III3形成的节点III17，节点I15与节点II16之间的折线为折线段L1，节点III17与其下一节点的节点II16之间的折线为折线段L2。掘进机的尾部即节点I15不需要向前发射平行光，无须安装平行光管；而节点II16上的激光靶II2和节点III17上的激光靶III3均按装了向前的平行光管以发射激光到前方的激光靶上。管节I5为曲率半径6米、口径300毫米的管节，管节II6为曲率半径5米、口径300毫的管节。
[0066] 依次安装掘进机与管节时，附属的激光靶处于暴露状态，则节点I、节点II、节点III的坐标均可用全站仪7直接测量出来。通过全站仪测量的节点I15的初始坐标(x10,y10,z10)、节点II16的初始坐标(x20,y20,z20)和节点III17的初始坐标(x30,y30,z30)，根据三个节点的初始坐标确定折线段L1和折线段L2的长度、俯仰角和水平方位角，即：计算方法如下:
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073] 其中，L1为折线段L1的长度，L2是折线段L2的长度，VL10为折线段L1掘进前的俯仰角，VL20为折线段L2掘进前的俯仰角，HL10为折线段L1掘进前的水平方位角，HL20为折线段L2掘进前的水平方位角。理论上HL10与HL20都是掘进机4的前进方向角，应该相等，实际由于安装管节的误差，水平方位角HL10与HL20不等。
[0074] 掘进机4、管节I5、管节II6、激光靶I1、激光靶II1、激光靶III3和平行光管10全部安装完成后，打开节点II16和节点III17上的平行光管10发射激光，利用工业相机9分别记录节点I15上的激光靶I1内感光屏14上的光斑初始坐标(u10，v10)和节点II16上的激光靶II2 内感光屏14上的光斑初始坐标(u20，v20)；全站仪7测量节点III17的坐标(x3,y3,z3)后，发射红激光进入到节点III17的激光靶III3内，记录节点III17的激光靶III3内感光屏14上光斑初始坐标(u30,v30)。
[0075] 所述步骤二中末端节点与其下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角是折线段L2的俯仰角和水平方位角，俯仰角和水平方位角的数学模型通过节点III17上激光靶的中心线与折线段L2的夹角固定不变确定，实现方法为：S21，全站仪测量节点III17和节点II16的坐标从而确定折线段L2的俯仰角VL2和水平方位角HL2。
[0076] 如图5所示，光斑坐标(u，v)与激光入射角度之间的关系如下所示：
[0077]
[0078] 全站仪7发射红激光到节点III17，节点III17上的激光靶III3测量的光斑初始坐标为 (u30,v30)，则全站仪发射到激光靶III3上激光的初始角度为θu30和θv30，本发明测量的数据均是相对于大地坐标系的。可匹配节点III与折线段L2折线段的角度，根据全站仪激光的角度(水平角H，垂直角V)建立如下关系：
[0079] Δv＝VL2-V-θv30，
[0080]
[0081] 从而，求出节点III的角度和折线段L2的角度之间的固定安装夹角Δu和Δv，该夹角是固定不变的。可根据上述原理建立数学模型。
[0082] S22，节点III17的激光靶实时感应的全站仪发射激光产生光斑的光斑坐标u3，v3，确定光斑坐标u3，v3与全站仪发射激光的角度θu和θv，u3和v3分别表示光斑与激光靶III3的中心线水平方向和竖直方向的距离；S23，节点III17上激光靶的中心线与折线段L2的夹角为：
[0083] Δv＝VL2-V-θv；
[0084]
[0085] 其中，H和V分别表示全站仪发射到节点III17上的激光的水平角和垂直角；θu和θv分别表示节点III17上的光斑与全站仪发射激光的水平角和垂直角；Δh和Δv分别表示激光靶III3 的中心线与折线段L2的水平角和垂直角；
[0086] S24：在掘进中，折线段L2实时的俯仰角和水平方位角分别为：
[0087] VL2＝V+θv+Δv；
[0088]
[0089] 激光靶III上的光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv分别为：其中，f表示激光靶III3中凸透镜13的焦距。
[0090] 步骤三：掘进开始后，利用全站仪7实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角。
[0091] 掘进开始后，由于掘进机不断顶进，所有节点均随着掘进机一起前进。而此时全站仪7 只能实时的测量节点III17，进行不断的坐标测量。每次测量节点III的坐标(x3,y3,z3)后，全站仪7都会立即发射红激光进入节点III的激光靶III3上，激光靶III3即时记录感光屏14 上光斑坐标的值(u3',v3')。
[0092] 根据全站仪7发射的激光的角度(水平角H，垂直角V)，以及节点III上激光靶III3测量的光斑坐标(u3',v3')，可以计算出此时折线段L2的理论角度：
[0093] VL2＝V+θ′v+Δv
[0094]
[0095] 其中，θ′u和θ′v分别表示光斑坐标(u3',v3')与激光靶III3的中心线的水平角和垂直角。
[0096] 步骤四：利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算相对于初始位置末端节点的角度偏移量，利用角度偏移量修正折线的角度，根据修正的角度计算当前节点的坐标。
[0097] 本发明的计算是从最后一段管节端点的实际坐标开始计算的，最后一段管节端点的实际坐标是由安装于地面的全站仪7直接测得的。
[0098] 所述步骤四中末端节点所在的管节II6未发生形变，则节点III17的激光靶III3与节点II16 的激光靶II2相对静止，节点II16的激光靶II2读取到的光斑坐标不会发生变化，仍为初始值 (u2，v2)。若管节II6受力发生形变，从节点3发射到节点2的激光入射角随之变化，记录光斑坐标的变化。节点II16的激光靶II2读取到的形变后的光斑坐标为(u2'，v2')，则管节 II6所在的折线段L2在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为：
[0099] Δθu2＝atan(u2′/f)-atan(u2/f)；
[0100] Δθv2＝atan(v2′/f)-atan(v2/f)。
[0101] 其中，f表示激光靶II2中凸透镜13的焦距；Δθu2表示折线段L2在水平方向的形变量，Δθv2表示折线段L2在竖直方向的形变量；
[0102] 则，此时折线段L2的俯仰角V′L2和水平方位角H′L2分别为：
[0103]
[0104] V′L2＝VL2+Δθv2。
[0105] 所述步骤四中根据修正折线的角度计算当前节点的坐标的方法为：节点II16的坐标根据节点III17的坐标和折线段L2的长度、俯仰角V′L2和水平方位角H′L2求出：
[0106] x2＝x3+L2*cos(V′L2)*cos(H′L2)
[0107] y2＝y3+L2*cos(V′L2)*sin(H′L2)
[0108] z2＝z3+L2*sin(V′L2)；
[0109] 其中，L2为折线段L2的长度，x3，y3，z3分别表示节点III17的实时坐标，x2，y2，z2分别表示节点II16的坐标；
[0110] 步骤五：根据已获得的当前节点的坐标和折线角度，重复步骤四，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点的坐标。
[0111] 根据步骤四中的测量和计算，掘进过程中，折线段L1与折线段L2的水平方位角的夹角Δh21、俯仰角的夹角Δv21不变，即俯仰角的夹角Δv21等于折线段L1掘进前的俯仰角VL10与折线段L2掘进前的俯仰角VL20之差，水平方位角的夹角Δh21为折线段L1掘进前的水平方位角 HL10与折线段L2掘进前的水平方位角HL20之差。则折线段L1的俯仰角VL1和水平方位角HL1的理论角度分别为：
[0112] VL1＝V′L2+Δv21，
[0113] HL1＝H′L2+Δh21。
[0114] 若管节I5发生形变，节点I15上的激光靶I1读取到光斑的光斑坐标在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为Δθu1和Δθv1，折线段L1在变形之后的俯仰角V′L1和水平方位角H′L1分别为：
[0115]
[0116] V′L1＝VL1+Δθv1；
[0117] 则节点I15的坐标分别为：
[0118] x1＝x2+L1*cos(V′L1)*cos(H′L1)，
[0119] y1＝y2+L1*cos(V′L1)*sin(H′L1)，
[0120] z1＝z2+L1*sin(V′L1)。
[0121] 其中，x2，y2，z2分别表示节点II16的坐标，x1，y1，z1分别表示节点I15的坐标。如果管节不止2根，同样可以用步骤四和步骤五的流程一直测量到节点I的坐标。
[0122] 步骤六：掘进过程中，不断推进并安装新的管节，用全站仪来测量当前最后一段管节的尾部的激光靶的坐标变化，接着重复步骤三-五，更新此时掘进机的实际坐标。
[0123] 当新增管节时，增加了末尾节点和折线段，而旧的节点的坐标和折线段的角度都已知，利用全站仪测量末尾节点的坐标，利用数学模型计算末尾节点所在折线段的角度，即可循环步骤三和步骤四的流程测量节点I的坐标。节点I的坐标即可指导掘进的方向控制。
[0124] 当有j个节点时，有j-1个管片和j-1根折线段Li，折线段Li的长度Li不变，全站仪测量第j个节点的坐标(xj,yj,zj)；S1：i＝j-1，根据坐标变换确定折线段Li的长度，步骤二的数学模型确定折线段Li的水平方位角和俯仰角；S2，利用节点i的激光靶感应的光斑坐标在水平方向和竖直方向的角度变化量确定折线段Li的实际俯仰角VLi′和实际水平方位角HLi′，从而确定节点i的坐标；S3，i＝i-1，确定折线段Li的长度，根据相邻折线段之间的水平方位角和俯仰角的夹角不变，计算折线段Li的理论上的水平方位角和俯仰角，重复步骤S2， i＝1,2,……，j-2；S4，当i＝1时，则节点I的实时坐标为掘进机4的方向控制，节点I的实时坐标为：
[0125]
[0126] 本发明提供的变曲率小口径曲线掘进机的激光导向方法，在不宜进行直接测量的工况条件下，通过全站仪测量末尾节点的坐标，推导得到最前方掘进机的实际坐标，其结果精度较高，过程简单易行。
[0127] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
