DE102006026561B3

DE102006026561B3 - North finder for a tunnel boring machine

Info

Publication number: DE102006026561B3
Application number: DE102006026561A
Authority: DE
Inventors: Bertold Dr. Huber; Bruce Griffin
Original assignee: Herrenknecht AG
Current assignee: Herrenknecht AG
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: WO2007140979A1

Abstract

Um eine quasi-kontinuierliche Anzeige des Nordwinkels sowie des Roll- und des Nickwinkels im Arbeitsprozess einer Tunnelvortriebsmaschine zu ermöglichen, sieht die Erfindung die Verwendung eines mehrachsigen, vorzugsweise dreiachsigen Strap-Down-Systems von mehreren auf einer Plattform (11) fixierten Drehratensensoren (12X, 12Y, 12Z) und von entsprechend zugeordneten mehreren Beschleunigungsmessern (13X, 13Y, 13Z) vor, deren Messsignale in eine Recheneinheit (14) eingespeist werden, in dem ein Kalman-Filter-Algorithmus implementiert ist.In order to enable a quasi-continuous display of the north angle as well as the roll and pitch angle in the working process of a tunnel boring machine, the invention provides for the use of a multi-axis, preferably three-axis strap-down system of a plurality of yaw rate sensors (12X) fixed on a platform (11). 12Y, 12Z) and correspondingly associated multiple accelerometers (13X, 13Y, 13Z) whose measurement signals are fed to a computing unit (14) in which a Kalman filtering algorithm is implemented.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tunnelvortriebsmaschine mit einer auf einer fahrgestellfesten Plattform montierten inertialen Sensoreinheit zur Bestimmung der momentanen Lage und Position der Maschine.The The invention relates to a tunnel boring machine with one on one chassis-mounted platform mounted inertial sensor unit to determine the current position and position of the machine.

Um eine Tunnelvortriebsmaschine insbesondere bei Kurvenvortrieb im Betrieb auf einer gewünschten Soll-Bahn zu halten, ist es notwendig, die Ist-Lage und Ist-Position der Maschine zu bestimmen. Dies geschieht entweder mit optischen Methoden, z. B. durch Polygonmessung mittels Lasertheodolith oder mittels Inertialmesstechnik. Bei Anwendung der Inertialmesstechnik werden Beschleunigungsmesser oder Inklinometer verwendet, um die Lage der Maschine zum Erdbeschleunigungsvektor zu bestimmen bzw. zu korrigieren. Mittels eines Kreiselkompasses wird die Lage der Maschine zu geographisch Nord bestimmt. Die Messdaten werden über eine Datenverbindung zu einer Rechnereinheit in einem Steuerstand übertragen und angezeigt. Die Rechnereinheit ermittelt die Ist-Position mittels Koppelnavigation. Dieser Rechenvorgang kann grundsätzlich auch in einer dem Kreiselkompass zugeordneten Recheneinheit durchgeführt werden.Around a tunneling machine especially when cornering in Operation on a desired To keep target course, it is necessary to know the actual position and actual position of the machine to determine. This is done either with optical methods, eg. B. by polygon measurement by means of laser theodolite or by inertial measurement. When using the inertial metrology become accelerometers or inclinometer used to position the machine to the gravitational acceleration vector determine or correct. Using a gyro compass is the location of the machine is determined to be geographically north. The measured data be over transmit a data connection to a computer unit in a control station and displayed. The computer unit determines the actual position by means of Dead reckoning. This arithmetic process can basically also be performed in an arithmetic unit associated with the gyrocompass.

Im Tunnelvortrieb verwendete Kreiselkompasse sind in der Regel trocken abgestimmte Kreisel (DTGs = Dry Tuned Gyros) oder bandaufgehängte, im Allgemeinen mechanische Nordsucher mit einer Kreiselplattform, die zur Nordsuche nivelliert werden muss oder zur Selbstnivellierung eingerichtet sind. Als Nordsucher wird hier ein Gerät bezeichnet, das zumindest den Winkel zu geographisch Nord für Vermessungszwecke und darüber hinaus auch den Roll- und den Nickwinkel des Gerätes liefert. Die Messzeit beträgt einige Minuten; sie kann nur im Stillstand, d. h. also nicht während des Tunnelvortriebs durchgeführt werden.in the Tunneling gyros used are usually dry tuned gyros (DTGs = dry tuned gyros) or band-hung, im General northern mechanical finder with a gyro platform that must be leveled to the north search or for self-leveling are set up. A north finder is a device called that at least the angle to geographic north for surveying and beyond also provides the roll and pitch angle of the device. The measuring time is a few minutes; it can only stand still, d. H. so not during the Tunneling carried out become.

Setzbewegungen der Tunnelvortriebsmaschine während der Messung können dazu führen, dass der Messvorgang abgebrochen und wiederholt werden muss. Während des eigentlichen Tunnelvortriebs sind die Vibrationen auf die Maschine grundsätzlich so stark, dass der Kreiselkompass keine gültigen Messergebnisse liefern kann.Put movements the tunneling machine during of the measurement lead to, that the measuring process must be aborted and repeated. During the The actual tunneling is the vibrations on the machine in principle so strong that the gyroscope does not provide valid measurement results can.

Der Anwender einer Tunnelvortriebsmaschine möchte jedoch wie im Geradeausvortrieb eine quasi-kontinuierliche Anzeige erhalten mit Aktualisierung der Anzeige beispielsweise im Sekundentakt, also praktisch in Echtzeit. Auch bei der Nordmessung soll das Gerät robust sein gegenüber Setzbewegungen bzw. gegen über Vibrationen in der Stillstandsphase der Tunnelvortriebsmaschine, wobei solche Vibrationen häufig hervorgerufen sind durch auch während der Stillstandsphase weiter betriebener nahegelegener Hilfssysteme, z. B. Pumpen. Die bisher erforderliche relativ lange Messzeit zur Ermittlung des Nordwinkels soll möglichst kurz werden, damit die Wartezeiten minimiert werden. Die Wartezeiten bis zur Bereitstellung der Messwerte bedeuten in ihrer Summe während einer gesamten Baumaßnahme einen nicht unerheblichen wirtschaftlichen Nachteil, da in diesen Stillstandzeiten kein Vortrieb erfolgen kann. Während des Vortriebs und den damit verbundenen Vibrationen bzw. Bewegungen der Maschine sollen gleichwohl weiterhin der Nordwinkel als auch der Roll- und Nickwinkel zur Verfügung stehen. Dies bedeutet für den Maschinenführer einen großen Gewinn an Sicherheit für das Kurshalten der Maschine, da die Information, ob die Maschine den Toleranzbereich um die Sollachse verlässt, zeitnah zur Verfügung steht. Außerdem erkennt der Maschinenfahrer bereits vor einem Wegwandern der Maschine zunächst eine signifikante Lageänderung der Maschine und kann frühzeitig eine Gegensteuermaßnahme einleiten. Im Gegensatz dazu kann der Maschinenfahrer bei Benutzung eines dem Stand der Technik entsprechenden Nordsuchers (Messung im Stillstand, Wartezeiten) nur in Wegintervallen von einigen Metern die vollständige Information über die Lage und den Ort der Maschine gewinnen. Zwischen diesen Orten, an denen die Messung vollständig vorliegt, muss der Maschinenfahrer die Maschine ohne Information über den Gierwinkel (Nordwinkel) und die Position – also nahezu blind steuern.Of the However, users of a tunnel boring machine would like to drive straight ahead a quasi-continuous display received updating the Display, for example, every second, so practically in real time. Even with the Nordmessung the device should be robust against setting movements or against Vibrations in the stoppage phase of the tunnel boring machine, such vibrations are common are caused by even during the stoppage phase of further operated nearby auxiliary systems, z. B. pumps. The previously required relatively long measurement time for Determination of the north angle should be as short as possible, so that the Waiting times are minimized. The waiting times to provision of the measured values mean in their total during an entire construction measure one not inconsiderable economic disadvantage, since in these downtime no propulsion can take place. While the propulsion and the associated vibrations or movements The machine should still continue the north angle and the Roll and pitch angle available stand. This means for the machine operator a big Gain in security for the course keeping the machine, because the information, whether the machine the tolerance range around the target axis leaves, is available promptly. Furthermore The machine operator already recognizes before moving away from the machine first a significant change in position the machine and can be early initiate a countermeasure measure. In contrast, the machine operator using a the State of the art corresponding north seeker (measurement at a standstill, Waiting times) only in Wegintervallen of a few meters the complete information about the situation and win the place of the machine. Between these places where the measurement is complete is present, the machine operator, the machine without information on the Yaw angle (north angle) and position - so control almost blind.

Um diesen Anforderungen zu genügen ist für eine erfindungsgemäße Tunnelvortriebsmaschine erfindungsgemäß vorgesehen, die inertiale Sensoreinheit als mehrachsiges Strap-Down-System mit mindestens zwei starr mit der Plattform verbundenen Drehratensensoren und mindestens zwei Beschleunigungsmessern zu realisieren. Zur Bestimmung des Nordwinkels sowie des Roll- und des Nickwinkels ist ein zugeordneter Prozessor vorhanden, der vorteilhafterweise direkt auf der fahrgestelltfesten Plattform und weiterhin vorteilhafterweise im gleichen Gehäuse wie das mehrachsige Strap-Down-System mit Drehratensensoren und Beschleunigungsmessern untergebracht ist.Around to meet these requirements is for one Tunneling machine according to the invention provided according to the invention, the inertial sensor unit as a multi-axis strap-down system with at least two yaw rate sensors rigidly connected to the platform and realize at least two accelerometers. For determination the north angle and the roll and pitch angle is an associated Processor available, which advantageously directly on the vehicle fixed Platform and furthermore advantageously in the same housing as housed the multi-axis strap-down system with gyroscopes and accelerometers is.

Weiterhin vorteilhaft und in aller Regel ist die Sensoreinheit als dreiachsiges Strap-Down-System mit drei auf je eine Raumachse ausgerichteten Drehratensensoren sowie drei jeweils auf eine der Raumachsen bezogenen Beschleunigungsmessern ausgeführt. Als Drehratensensoren können insbesondere faseroptische Drehratensensoren oder mikromechanische Drehratensensoren oder aber auch andere Typen von Drehratensensoren eingesetzt werden. Im Prozessor ist ein an sich bekannter Kalman-Filter-Prozess implementiert.Farther advantageous and usually the sensor unit is a triaxial Strap-down system with three aligned on each spatial axis Yaw rate sensors and three each related to one of the spatial axes Accelerometers performed. As rotation rate sensors can in particular fiber optic rotation rate sensors or micromechanical Yaw rate sensors or other types of yaw rate sensors be used. In the processor is a known Kalman filter process implemented.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:The invention and advantageous details will be described below with reference to the drawing gene in exemplary embodiment explained in more detail. Show it:

1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Nordsuchers für eine Tunnelvortriebsmaschine in Strap-Down-Technik; 1 an embodiment according to the invention of a north finder for a tunnel boring machine in strap-down technique;

2 eine dem Stand der Technik entsprechende zweiachsige Kreiselanordnung auf einer mit einem verfahrbaren Gestell der Tunnelvortriebsmaschine verbundenen nivellierten Plattform. 2 a prior art two-axis gyro arrangement on a leveled platform connected to a traveling frame of the tunnel boring machine.

Die inertiale Messeinrichtung gemäß Stand der Technik nach 2 umfasst einen zweiachsigen mechanischen Kreisel 1, der auf einer kardanisch aufgehängten Plattform 4 montiert ist. Ein erstes Inklinometer 2 bestimmt die Rollachse und ein zweites Inklinometer 3 die Nickachse. Zur Nachführung gegenüber dem Gerätegehäuse ist ein Stellmotor 5 für die Nickachse und ein Stellmotor 6 für die Rollachse vorgesehen. Bezugshinweis 7 bezeichnet den Lagerbock zur Fixierung der kardanisch aufgehängten Kreiselanordnung gegenüber einem maschinenfesten Gehäuse.The inertial measuring device according to the prior art according to 2 includes a biaxial mechanical gyro 1 standing on a gimbal-hung platform 4 is mounted. A first inclinometer 2 determines the roll axis and a second inclinometer 3 the pitch axis. For tracking over the device housing is a servomotor 5 for the pitch axis and a servomotor 6 intended for the roll axis. Where to buy 7 denotes the bearing block for fixing the gimbaled gyro arrangement with respect to a machine-fixed housing.

Die 1 veranschaulicht einen erfindungsgemäßen Nordsucher für eine Tunnelvortriebsmaschine. Auf einer fahrgestellfesten Plattform 11 ist ein Gehäuse 10 fixiert, das drei Drehratensensoren 12X, 12Y, 12Z, diesen Drehratensensoren zugeordnete Beschleunigungsmesser (B-Messer) 13X, 13Y, 13Z sowie eine Recheneinheit (Prozessor) 14 enthält, in der ein Kalman-Filter-Algorithmus implementiert ist. Die drei Drehratensensoren (Gyroskope) sowie die zugeordneten Beschleunigungsmesser (Akzelerometer) sind auf die in 1 angedeuteten drei Raumachsen X, V. Z ausgerichtet und innerhalb des Gehäuses 10 und mit diesem auf der Plattform 11 fixiert (Strap-Down-System).The 1 illustrates a north finder according to the invention for a tunnel boring machine. On a platform fixed to the chassis 11 is a housing 10 fixed, the three rotation rate sensors 12X . 12Y . 12Z accelerometers associated with these gyroscopes (B-meter) 13X . 13Y . 13Z as well as a computing unit (processor) 14 contains, in which a Kalman filter algorithm is implemented. The three yaw rate sensors (gyroscopes) and the associated accelerometers (accelerometers) are based on the in 1 indicated three spatial axes X, V. Z aligned and within the housing 10 and with this on the platform 11 fixed (strap-down system).

Gegenüber dem oben dargestellten und anhand der 2 beispielhaft veranschaulichten Stand der Technik zeichnet sich der erfindungsgemäße Nordsucher für eine Tunnelvortriebsmaschine durch die Verwendung einer fest eingebauten, unbeweglichen inertialen Sensoreinheit aus, die mindestens zwei Drehratensensoren und zwei Beschleunigungsmesser umfasst. Die Rechnereinheit 14 kann inner halb des Gehäuses 10 vorhanden oder auch eine externe Recheneinheit zur Signalprozessierung der erfassten Sensordaten sein. Der in der Recheneinheit 14 implementierte Kalman-Filter-Algorithmus zur Bestimmung des Nordwinkels sowie des Roll- und Nickwinkels ist grundsätzlich bekannt und wird hier nicht näher erläutert.Compared to the above and based on the 2 By way of example, the inventive north finder for a tunnel boring machine is characterized by the use of a fixed immovable inertial sensor unit comprising at least two yaw rate sensors and two accelerometers. The computer unit 14 can be inside the housing 10 be present or an external processing unit for signal processing of the detected sensor data. The one in the arithmetic unit 14 implemented Kalman filter algorithm for determining the north angle and the roll and pitch angle is basically known and will not be explained here.

Mittels der B-Messer 13X, 13Y, 13Z wird die Lage des Messgeräts und damit der fahrgestellfesten Plattform bestimmt. Die Drehratensensoren 12X, 12Y, 12Z bestimmen die Erddrehrate sowie die Lage der Erdrotationsachse zum Gerät bzw. zum Erdbeschleunigungsvektor. Die drei vorgenannten Winkeldaten werden nach einer speziellen, an sich bekannten Rechenvorschrift bestimmt, die maßgeblich aus einem Kalman-Filter-Prozess besteht. Mit Hilfe dieser Rechenvorschrift ist es möglich, alle Winkeldaten permanent, d. h. beispielsweise mit dem Takt der gemeinsamen Abtastrate der Drehratensensoren und der B-Messer zu aktualisieren. Auf diese Weise liefert das Gerät die erwünschten Winkeldaten kontinuierlich auch während einer eventuellen Setzbewegung, während eines Kurvenvortriebs oder während des Vortriebs der Tunnelvortriebsmaschine unter Vibration.By means of the B-knife 13X . 13Y . 13Z The position of the measuring device and thus of the chassis-fixed platform is determined. The rotation rate sensors 12X . 12Y . 12Z determine the earth rotation rate as well as the position of the earth rotation axis to the device or the acceleration due to gravity. The three aforementioned angle data are determined according to a special calculation rule which is known per se and consists essentially of a Kalman filter process. Using this calculation rule, it is possible to update all angle data permanently, ie, for example, with the clock of the common sampling rate of the rotation rate sensors and the B-meter. In this way, the device continuously provides the desired angular data even during a possible setting movement, during cornering or during tunneling of the tunnel boring machine under vibration.

Claims

North finder for a tunnel boring machine with one on a chassis-fixed platform ( 11 ) mounted inertial sensor unit for determining the current position of the machine, characterized in that the inertial sensor unit as a multi-axis strap-down system with at least two rigidly with the platform ( 11 ) associated rotation rate sensors ( 12X . 12Y , ...) and at least two accelerometers ( 13X . 13Y , ...) and that a processor assigned to the sensor unit ( 14 ) is provided for determining the north angle and the roll and the pitch angle.

Northern finder for a tunnel boring machine according to claim 1, characterized in that the sensor unit as a three-axis strap-down system with three aligned on one spatial axis each rotation rate sensors ( 12X . 12Y . 12Z ) and three in each case on one of the spatial axes (X, V, Z) related accelerometers ( 13X . 13Y . 13Z ) and that in the processor ( 14 ) a Kalman filter algorithm is implemented.