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2020-07-16
Series No. 528  
June 2020  
METAL MINE  
总第 528 期  
2020 年第 6 期  
利用测量机器人进行联系测量的方法与精度分析  
刘少春1  
河北能源职业技术学院矿产资源与建工系,河北 唐山 063000)  
联系测量是进行矿山控制测量的一项重要工作,传统的联系测量是通过矿井定向和高程传递两种方  
式实现,对测量条件要求较高且测量误差较大。因此,随着测量仪器的自动化、智能化程度越来越高,需要开展自  
动化程度和效率高的联系测量方法研究。提出了采用测量机器人与陀螺全站仪联合进行联系测量的方法。分析  
了利用测量机器人测三角高程代替水准测量进行高程传递,以及利用测量机器人测导线和陀螺全站仪进行定向的  
精度。针对井上下连接测量时井下测量机器人寻找上部棱镜困难的问题,研制了连接专用工具,并结合工程实例  
进行了方法可行性验证。研究表明:该方法能够满足矿井联系测量精度要求,与传统方法相比具有技术可行、精度  
可靠、简单方便的优点,有较好的应用价值。  
关键词 测量机器人 陀螺全站仪 联系测量 高程传递 定向  
中图分类号 TD175  
文献标志码 A  
文章编号 1001-1250(2020)-06-216-05  
DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202006034  
Method of Connecting Survey and Its Precision Analysis by Using Measuring Robot  
3
Liu Shaochun  
Department of Mineral Resource and Construction EngeeringHebei Energy College of Vocational and Technology,  
Tangshan 063000China)  
Abstract Connecting survey is an important work in control survey of coal mining.Traditional connecting survey is  
achieved by the two ways of transferring mining direction and elevation.However it has the drawback of higher surveying con?  
dition and wider measuring error.As the automation and intelligence of the surveying instrument become much strongerit′s  
necessary to carry out the research of more automated and higher efficiency method of connecting survey.The connecting sur?  
vey method of combing the surveying robot and gyroscopic station is proposed.The elevation transmission by applying survey  
robot to measure the trigonometric levelling in substitution of water level as well as traverse survey by robot and directional  
accuracy by using gyroscopic total station is discussed.A special tool was developed to overcome the problem of robot being  
difficult to find the surface prism during the connecting survey between the surface and underground.Based on the above dis?  
cussion resultsthe feasibility of the proposed method is validated in combination with practical engineering.The study results  
show that the propsoed method can meet the requirement of accuracy in the connecting survey of coal mininghas the feature  
of technical feasibilityreliable accuracysimple and conveniencebesides thatits application value is ideal.  
Keywords Measuring robotGyroscopic total stationConnecting surveyElevation transmissionOrienteering  
联系测量技术应用范围广,城市轨道交通工程、  
隧道工程、地下采矿工程都需要利用该技术建立井  
上下统一的测量系统,保证地下工程按设计施工,确  
保贯通。传统方法是通过矿井定向和高程传递两种  
方式实现,为了解决传统方法投点、连接测量、高程  
传递分开进行,对测量条件要求较高且测量误差较  
大的问题,需要利用先进的测量技术和手段,开展自  
动化、高效率的联系测量方法研究。本研究在利用  
全站仪、光学铅垂仪、陀螺经纬仪进行一体化联系测  
[1-4]  
量成果 的基础上,提出采用测量机器人与陀螺全  
站仪联合进行联系测量的方法。分析了利用测量机  
器人测三角高程代替水准测量进行高程传递,以及  
利用测量机器测导线和陀螺全站仪进行定向的精  
度。针对井上下连接测量时井下测量机器人寻找上  
收稿日期  
·
216 ·  
刘少春:利用测量机器人进行联系测量的方法与精度分析  
2020年第6期  
部棱镜困难的问题,研制了连接专用工具,解决了黑  
暗环境下测量机器人自动搜索棱镜困难的问题,并  
结合工程实例进行了方法可行性验证,可为井下测  
量系统建立提供可靠的技术支撑。  
ì
XC= XO + DOOcos  
(
αOO + 180°  
)
+ DOCcos  
(
αCO+ 180°  
)
?
?
í
Y = Y + D sin  
(
αOO + 180°  
)
+ D sin  
(
αCO+ 180°  
)
C′  
O
OO′  
O′C′  
?
?
?H = H - h + h - v  
C′  
O
O′O  
O′C′  
C′  
,(3)  
1
测量机器人与陀螺全站仪联合进行联系测  
式中,XO,YO,HO O 点坐标,m;DOO O 点与 O′ 点的  
水平距离,m;DOC O′ 点与 C′ 点的水平距离,m;  
αOOαCO为坐标方位角;hOO O′ 点与 O 点高差,m;  
hCOC′点与O′点高差,m;vC为仪器高,m;  
量技术  
1
. 1 连接测量  
如图 1 所示,在井盖传递孔 O 上安置专用上下连  
接装置,在井上定向连接点 D 上安置测量机器人,后  
C 点,前视 O 点,城市轨道交通工程按测角中误  
差±2.5″,即四等导线的导线要求,隧道及矿山工程  
1
1
. 2 误差分析  
. 2. 1 利用测量机器人测三角高程代替水准测量  
的误差分析  
5-8]  
按±5″导线要求测出棱镜中心坐标  
利用测量机器人进行三角高程测量时,垂直角  
[2-3]  
水平距离对观测高差的影响可进行如下分析 。井  
上部分有下式成立:  
hDO = SDOsinδ + iD - vO ,  
(4)  
式中,hDO D 点和 O 点的高差,m;S D 点仪器中  
DO  
心和O点棱镜中心的斜距,m;δ为垂直角;iD D点的  
仪器高,m;vO O 点棱镜至连接装置底部棱镜中心  
高度,m。  
根据误差传播率有:  
2
m
ρ
δ
2
= m sin2 δ + S cos2 δ  
2
2
2
2
v
m
+ m + m O (5)  
h
DO  
S
DO  
DO  
2
i
D
式中,mhDOmsDOmδmiDmvO 为对应量的中误差。  
井下利用参照物在图 1 中 O′ 点处安置测量机器  
人,后视 O 点下棱镜,前视在井底车场稳固的岩石中  
或碹体中埋设的永久导线点 C′ 上所安置的棱镜,同  
样城市轨道交通工程按测角中误差±2.5″,即四等导  
线的导线要求,隧道及矿山工程按±5″导线要求测  
角、测距、测高差、量取视高,测完后在 O′点处安置棱  
镜作为后视,在C′点上安置陀螺全站仪,前视D′点测  
水平角、距离,对边 C′D′ 进行陀螺定向,定向程序为  
井下部分有下式成立:  
Δh = SOCsinδ2 - vC - SOOsinδ1 (6)  
式中,Δh O 点处底部棱镜中心和 C′ 点的高差,m;  
S
O′ 点仪器中心和 C′ 点棱镜中心的斜距,m;δ  
O′C′  
2
O 点仪器中心和 C′ 点棱镜中心的垂直角;SOO 为  
O′ 点仪器中心和 O 点处连接装置底部棱镜中心的斜  
距,m;δ1 O′ 点仪器中心和 O 点处连接装置底部棱  
镜中心的垂直角;vCC′点至棱镜中心高度,m。  
2
2
-2-2。  
井下定向边C′D′的坐标方位角为  
m
δ
2
= m sin2 δ2 + S cos2 δ2  
2
2
2
2
m
OC′  
+ m  
+
Δh  
S
OC  
ρ2  
v
C′  
7)  
2
δ
αCD= αT + Δ - γC′  
(1)  
m
C′D′  
1
2
S
sin2 δ1 + S cos2 δ1  
2
m
OO  
,
OO  
ρ2  
式中,α 为坐标方位角;αT 为陀螺方位角;Δ 为仪器常  
数;γ为子午线收敛角。  
式中,mΔh Δh 中误差,mm;m  
S  
的中误差,  
O C  
S
O C  
根据井下连接测量测出的水平角 βCβO以及距  
DCODO′O αC′D′,按式(2)计算边  
mm;mSOO S 的中误差,mm;mδ1mδ2 分别为 δ1δ2 的  
O′O  
中误差,s;mvCvC 的中误差,mm。  
C O′与边O′O的方位角αCOαOO:  
以目前常用的测量机器人 TS60、索佳 SX-101T 、  
SX-102T 为例,TS60 测量机器人具有 0.5″测角精度、  
ìαC′O′ = αC′D′ + 360° - βC′  
í
?
.
(2)  
αO′O = α  
+ 360° - β  
C′  
)
X ,Y ,H 可进行如下计  
-6  
O′C′  
O′  
±
(
0.6 mm + 1.0 × 10 ? S  
)
S 为观测距离,km)测距精  
7,9-10]  
井下起始点 C 点坐标  
(
C′  
C′  
,并且设置双照相系统,操作简便。索佳 SX-  
算:  
101T具有 1″测角精度、SX-102T具有 2″测角精度,两  
·
217 ·  
总第528期  
2020年第6期  
种仪器 3种测距模式主要技术指标为:棱镜测距精  
mm;m为井下测角、测距、定向引起的 C′ 点的点位  
误差,mm。  
-
6
度为 ±  
(
1.5 mm + 2.0 × 10 ? S  
)
无棱镜测距精度为  
-
6
设井上下一测回方向观测中误差m = ±2,采用棱  
±
(
2.0 mm + 2.0 × 10 ? S  
)
反 射 片 测 距 精 度 为 ±  
-
6
-
6
镜测距精度为±  
(
2.0 mm + 2.0 × 10 ? S  
)
的测量机器人  
(
2.0 mm + 2.0 × 10 ? S  
)
进行导线测量,一测回角值测量中误差 mβ = ±2.83,  
两测回测量中误差为 m = ±2,本研究按 m = ±2.5″  
本研究高程和平面点位精度分析中,均以 2″测  
-
6
β平  
β
角精度,±  
(
2.0 mm + 2.0 × 10 ? S  
)
棱镜测距精度的测  
四等导线的精度要求进行计算。井上部分点位测量  
量机器人为例进行。在不考虑起始点误差的情况  
中误差计算公式为  
下 ,仪 器 高 、棱 镜 高 测 量 误 差 均 设 定 为 1 mm,  
2
m
β
2.0 mm + 2.0 × 10-6 ? S  
SDO  
=
SOC′  
=
(
0 mδ = 2°,δ = 2°  
)
m2= m = m + DD2 O  
2
2
D
+ m + 2m (10)  
2
2
mδ = ±2mS = ±  
0
DO  
e1  
e2  
ρ2  
5
2
式中,mO O 点的点位误差,mm;DDO D 点仪器中  
C′ 点高程中误差 mHCO′ 点仪器中心和 O 点处  
心和 O点棱镜中心 R的平距,取 50 m;mD D 中误  
DO  
DO  
连接装置底部棱镜中心的垂直角 δ1 的关系可表示为  
差,mm;me1me2 分别为仪器和前后视棱镜对中误差,  
2
cos2 δ1 m + 3.48 (8)  
δ
1
2
2
HC  
= m sin2 δ1 + S  
2
2
m
取1 mm。经计算,m  
德国 GYROMAT20=007.7G8YmRmOMAT 3000 型全自动  
S
O
O
O O  
ρ2  
式中,mHC C′ 点高程中误差,mm;δ1 O′ 点仪器  
中心和 O 点连接装置底部棱镜中心的垂直角;mδ1 为  
δ1 的测角中误差;SOO O′ 点仪器中心和 O 点连接  
装置底部棱镜中心的斜距,m;mSOO SOO 的中误差,  
[5]  
陀螺仪一次定向精度 mα 可达±3.6″ ,国产 AGT-1  
和 AFS-1型自动陀螺经纬仪一次定向精度 mα 在±5″  
以内,Y/JTG-1tupluo 陀螺全站仪一次定向精度 mα  
在±7″以内,NTS-342G 型陀螺全站仪一次定向精度  
mα 有±10″和±15″两种。综合分析国内外陀螺全站  
仪一次定向精度,本研究 mα = ±10。那么,井下部分  
点位测量中误差计算公式为  
mm。  
O′点安置测量机器人的仪器中心至 O 点连接  
装置底部棱镜中心的水平距离 200 mm 为例,进行  
mHC与矿井深度关系的分析,具体计算结果见表 1。  
2
α
2
m2= m  
m
β
2
2
R2  
2
2
D
2
R
+ (  
R
+
)
+
m
+
m
+ m ,(11)  
ρ2  
OC  
OC  
O C  
ρ2  
D
OO  
O
C
e2  
式中,ROCROC C′ 点与 O O′ 的连线长度,m;me2  
C′处棱镜对中误差,取 1 mm;mDmD 为与 OO′和  
OC  
O C  
′ ′  
O′C′距离中误差,mm。经计算,m2 = 16.07 mm。  
2
2
于是,C′ 点位误差为 mC = ± m + m  
=
±
4.89 mm。可见,利用测量机器人与陀螺仪进行平  
面联系测量的精度远高于传统方法。  
2
井上下连接专用工具的研制及使用方法  
2
. 1 井上下连接专用工具研制  
注:DOO O′ 处安置测量机器人的仪器中心至 O 点处连接装置  
底部棱镜中心的水平距离,m;VOO 为矿井深度,m;SOO O′处安置测  
量机器人的仪器中心至 O 点处连接装置底部棱镜中心的倾斜距离,  
mm;δ1 O′ 点仪器中心和 O 点处连接装置底部棱镜中心的垂直角;  
mHCC′点高程中误差,mm。  
平面联系测量包括投点和连接两部分,高程联  
系测量有长钢丝、长钢尺、全站仪天顶 3 种方法。传  
统的平面和高程联系测量是分开进行的,利用测量  
机器人与陀螺全站仪联合进行联系测量,导线和三  
角高程测量同时进行,则无需投点,只需进行井上下  
的连接测量,因而研制一个连接井上下的专用工具  
由表 1 可知:采用测量机器人进行三角高程测  
量,可满足矿井联系测量高程传递的精度要求。  
1
. 2. 2 利用测量机器人测导线井下起始点的点位  
误差分析  
井下起始点C′的点位误差为  
[11-14]  
很有必要  
。该连接装置需要重点解决两个问题:  
首先上下测量机器人瞄准的棱镜同心问题,其次井  
下测量机器人后视棱镜的照明问题。  
[4]  
2
2
m = ± m + m ,  
(9)  
C′  
本研究研制小型专用工具如图 2 和图 3 所示。  
本研究研制的连接工具上部保留了微型全站仪棱镜  
三脚架的功能,由棱镜、水准器、可调节三脚架组成,  
mC  
C′ 点点位误差,mm;m 为井上测量误差  
引起的 O 点处连接装置底部棱镜中心的点位误差,  
·
218 ·  
刘少春:利用测量机器人进行联系测量的方法与精度分析  
2020年第6期  
下部在对中杆的下端加工连接一个与上边棱镜同心  
的棱镜,为解决下部棱镜扣在井盖孔上后发光照明  
将微型连接装置的下部棱镜放置于传递孔上,打开  
电源开关,张开三脚架整平,上部棱镜对准井上定向  
连接点上安置的测量机器人,井上下进行导线测量  
[15-17]  
问题  
,在棱镜下部内壁粘贴 LED 5 V 防水电池盒  
灯条,并对电池盒和开关位置进行了设计,可有效解  
决井上下连接测量和井下测量机器人寻找上部棱镜  
困难的问题。  
[7]  
和三角高程测量 ,井下配合陀螺仪定向,便可将测  
量系统传递到井下。  
3
工程实例  
为了建立图古日格金矿井上下统一的测量系  
[16]  
,采用全站仪、陀螺全站仪、钢丝投点、全站仪天  
顶导入高程和测量机器人与陀螺全站仪联合进行联  
[6]  
系测量两种方法进行了对比测试 ,测试区域为该矿  
[15]  
十六号竖井的一水平和二水平 。首先,地面在近  
井网的基础上,导线按 5要求,高程采用三角高程对  
向观测的方法,测出下放钢丝平面坐标和棱镜中心  
的三维坐标,实测路线为 A4—A10—XK1—XK2—XK3  
ZX— 钢 丝 ,A4—A10—XK1—XK2—XK3—ZX—O  
棱镜中心);井下一水平实测路线为SM2—SM1  
钢丝,SM2—SM1—O′—O;井下二水平实测路  
线为SM2—SM1—ZD—钢丝,SM2—SM1—  
ZD—O′—O。一水平陀螺定向SM1—SM2 坐标  
方位角为 24°06′27″,二水平陀螺定向SM1—Ⅱ  
SM2坐标方位角为 24°20′45″。按井上下连接测量的  
[17]  
方法进行观测 ,对观测数据进行整理和计算,求得  
两种方法的对比计算结果见表 2。  
2
. 2 微型连接装置使用方法  
在井盖上设置一个 ?30 mm 左右的一个传递孔,  
由表 2可知:高程传递利用全站仪天顶法和测量  
Δx = -8 mmΔy = -9 mm。可见,两种方法投点误差  
在规程允许的 20 mm以内,说明本研究采用测量机器  
人与陀螺全站仪联合进行联系测量的方法可行,精  
度可靠,简单方便。  
机器人三角高程测量的一水平差值为-5 mm,二水平  
差值为+3 mm,平面坐标采用下放钢丝和陀螺仪全站  
仪测量机器人与陀螺全站仪两种方法传递,一水平  
SM1 点差值 Δx = -5 mmΔy = +3 mmSM2 点差  
4
结 论  
(1) 采 用 测 角 精 度 2″、测 距 精 度 ±  
Δx = -5 mmΔy = +4 mm。二水平SM1 点差值  
Δx = -8 mm Δy = -9 mm SM2 值  
-
6
(
2.0 mm + 2.0 × 10 ? S  
)
的测量机器人进行三角高程  
·
219 ·  
总第528期  
2020年第6期  
算方法[J.测绘通报,20124):58-60.  
测量,能够满足城市轨道交通、隧道、地下采矿等工  
程高程传递的精度要求。  
Yuan GangFang Xiangming.A simple conversion method for coor?  
dinates between different projections in mountainous route survey  
(2)利用 2″及以上测量机器人,按四等要求施测  
J.Bulletin of Surveying and Mapping20124:58-60.  
导线,陀螺全站仪一次定向精度 10″进行平面联系测  
量,井下起始点平面点位误差可控制在 10 mm 以内,  
精度优于传统方法。  
9] 吴庆忠,独知行,梁 . 测距仪导入高程新方法的探讨[J. 工  
程勘察,20025):55-57.  
Wu QingzhongDu ZhixingLiang Yong. Discussion on the new  
method of introducing height into range finderJ.Engineering In?  
vestigation20025:55-57.  
(3)小型连接专用工具的研制,可有效解决上下  
连接测量棱镜同心和井下测量机器人寻找上部棱镜  
困难的问题,具有推广价值。采用测量机器人与陀  
螺全站仪联合进行联系测量,精度可靠,简单方便,  
具有可行性。  
10] 何 波,刘成龙,黄志伟,等 . 全站仪竖井联系测量的平差计算  
原理及其精度分析[J.铁道勘察,2010363):17-20.  
He BoLiu ChenglongHuang Zhiweiet al.Adjustment calculation  
principle and accuracy analysis of total station shaft connection  
measurementJ. Railway Investigation and Surveying201036  
3: 17-20.  
参 考 文 献  
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Zhang LeiPu ShuanyunZhang Xiaozhen. Method and accuracy  
analysis of total station instrument for elevation connection mea?  
surement of shaft J.Value Engineering201432:107-108.  
12] 李灿飞,侯文广 .全站仪在竖井高程联系测量中的应用[J.湖南  
水利水电,20106):35-36.  
2
018501):48-51.  
Liu Shaochun. Integrated contact measurement method and key  
point analysisJ.Coal Engineering2018501:48-51.  
2] 邹进贵,朱勇超,徐亚明 .基于智能全站仪的机载精密三角高程  
测量系统设计与实现[J.测绘通报,20143):1-5.  
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钢,方向明 . 山区路线勘测中不同投影面间的坐标简易换  
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