DE102006026561B3

DE102006026561B3 - Nordsucher für eine Tunnelvortriebsmaschine

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.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tunnelvortriebsmaschine mit einer auf einer fahrgestellfesten Plattform montierten inertialen Sensoreinheit zur Bestimmung der momentanen Lage und Position der Maschine.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Nordsuchers für eine Tunnelvortriebsmaschine in Strap-Down-Technik;
2 eine dem Stand der Technik entsprechende zweiachsige Kreiselanordnung auf einer mit einem verfahrbaren Gestell der Tunnelvortriebsmaschine verbundenen nivellierten Plattform.
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.
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).
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.
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.

Claims

Nordsucher für eine Tunnelvortriebsmaschine mit einer auf einer fahrgestellfesten Plattform (11) montierten inertialen Sensoreinheit zur Bestimmung der momentanen Lage der Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die inertiale Sensoreinheit als ein mehrachsiges Strap-Down-System mit mindestens zwei starr mit der Plattform (11) verbundenen Drehratensensoren (12X, 12Y, ...) und mindestens zwei Beschleunigungsmessern (13X, 13Y, ...) realisiert ist und dass ein der Sensoreinheit zugeordneter Prozessor (14) vorgesehen ist zur Bestimmung des Nordwinkels sowie des Roll- und des Nickwinkels.
Nordsucher für eine Tunnelvortriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit als dreiachsiges Strap-Down-System mit drei auf je eine Raumachse ausgerichteten Drehratensensoren (12X, 12Y, 12Z) und drei jeweils auf eine der Raumachsen (X, V, Z) bezogenen Beschleunigungsmessern (13X, 13Y, 13Z) ausgeführt ist, und dass in dem Prozessor (14) ein Kalman-Filter-Algorithmus implementiert ist.