本發(fā)明是一種基于vba編寫的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算裝置，屬于計算裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

vba作為一種通用的宏語言可被所有的microsoft可編程應(yīng)用軟件所共享，是微軟開發(fā)出來在其office軟件中執(zhí)行通用的自動化任務(wù)的編程語言,主要用來擴(kuò)展microsoftoffice軟件。該語言于1993年由微軟公司開發(fā)，是在office應(yīng)用軟件中共享的一種通用的自動化語言，可使任務(wù)自動化，利用vba可以在excel內(nèi)輕松開發(fā)出功能強(qiáng)大的自動化程序。

目前中國各大城市在緊張的進(jìn)行城市地鐵施工，盾構(gòu)法施工成為城市地鐵建設(shè)的主要手段。盾構(gòu)隧道測量技術(shù)分激光自動導(dǎo)向測量和人工測量兩種測量方法。激光自動導(dǎo)向系統(tǒng)主要通過固定在隧道成形管片上的全自動激光經(jīng)緯儀對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行測量。但由于施工過程中各種意外因素可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)上的激光接收靶位置變化，或者由于盾構(gòu)千斤頂向后推力、后期灌漿處理等原因使已經(jīng)安裝就位的管片發(fā)生變形或位移，使安裝在管片上的激光全站儀的位置同時發(fā)生變形，使自動測量的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)產(chǎn)生較大誤差或者錯誤，甚至導(dǎo)致隧道開挖超限，為此必須采用不同的測量方法對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核，但目前對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核測量目前還無簡單、快捷、準(zhǔn)確的處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于vba編寫的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算裝置，以解決目前對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核測量目前還無簡單、快捷、準(zhǔn)確的處理的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種基于vba編寫的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算裝置，其結(jié)構(gòu)包括顯示屏背板、顯示屏、連接軸、觸控面板、主機(jī)體、無線信號連接器、指紋識別面板、工作狀態(tài)顯示燈、散熱口、usb連接口、電源連接口、電源按鈕，所述顯示屏背板和顯示屏連接，所述顯示屏背板和連接軸連接，所述連接軸和主機(jī)體連接，所述主機(jī)體的上部設(shè)有觸控面板，所述觸控面板的前部設(shè)有無線信號連接器，所述觸控面板的前部設(shè)有指紋識別面板，所述指紋識別面板的右邊設(shè)有工作狀態(tài)顯示燈，所述指紋識別面板包括支撐板、識別器、背板、背板電源連接口、數(shù)據(jù)輸出口，所述支撐板的下方設(shè)有識別器，所述識別器的下方設(shè)有背板，所述背板上設(shè)有背板電源連接口，所述數(shù)據(jù)輸出口和識別器連接。

進(jìn)一步的，所述散熱口的右邊設(shè)有usb連接口。

進(jìn)一步的，所述主機(jī)體的右側(cè)設(shè)有散熱口。

進(jìn)一步的，所述usb連接口的右邊設(shè)有電源連接口。

進(jìn)一步的，所述觸控面板的后部設(shè)有電源按鈕。

進(jìn)一步的，所述主機(jī)體內(nèi)設(shè)有i7-6950x處理器。

進(jìn)一步的，所述主機(jī)體為鋁合金材質(zhì)。

本發(fā)明的有益效果：設(shè)有指紋識別面板，可以防止別人誤操作并記錄操作員，設(shè)有i7-6950x處理器，有效的提高了設(shè)備的運算效率，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，可以對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核測量，處理簡單、快捷、準(zhǔn)確。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一種基于vba編寫的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的指紋識別面板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為盾構(gòu)機(jī)位置和姿態(tài)的參數(shù)示意圖；

圖4為盾構(gòu)機(jī)參考點分布圖；

圖5盾構(gòu)姿態(tài)基本點與參考點布置圖

圖中：顯示屏背板-1、顯示屏-2、連接軸-3、觸控面板-4、主機(jī)體-5、無線信號連接器-6、指紋識別面板-7、工作狀態(tài)顯示燈-8、散熱口-9、usb連接口-10、電源連接口-11、電源按鈕-12、支撐板-701、識別器-702、背板-703、背板電源連接口-704、數(shù)據(jù)輸出口-705。

具體實施方式

為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

請參閱圖1-圖2，本發(fā)明提供一種基于vba編寫的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算裝置的方案：其結(jié)構(gòu)包括顯示屏背板1、顯示屏2、連接軸3、觸控面板4、主機(jī)體5、無線信號連接器6、指紋識別面板7、工作狀態(tài)顯示燈8、散熱口9、usb連接口10、電源連接口11、電源按鈕12，所述顯示屏背板1和顯示屏2連接，所述顯示屏背板1和連接軸3連接，所述連接軸3和主機(jī)體5連接，所述主機(jī)體5的上部設(shè)有觸控面板4，所述觸控面板4的前部設(shè)有無線信號連接器6，所述觸控面板4的前部設(shè)有指紋識別面板7，所述指紋識別面板7的右邊設(shè)有工作狀態(tài)顯示燈8，所述指紋識別面板7包括支撐板701、識別器702、背板703、背板電源連接口704、數(shù)據(jù)輸出口705，所述支撐板701的下方設(shè)有識別器702，所述識別器702的下方設(shè)有背板703，所述背板703上設(shè)有背板電源連接口704，所述數(shù)據(jù)輸出口705和識別器702連接，所述散熱口9的右邊設(shè)有usb連接口10，所述主機(jī)體5的右側(cè)設(shè)有散熱口9，所述usb連接口10的右邊設(shè)有電源連接口11，所述觸控面板4的后部設(shè)有電源按鈕12，所述主機(jī)體5內(nèi)設(shè)有i7-6950x處理器，所述主機(jī)體5為鋁合金材質(zhì)。

本專利所說的指紋識別即指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點來進(jìn)行鑒別。指紋識別技術(shù)涉及圖像處理、模式識別、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、小波分析等眾多學(xué)科。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。由于每次捺印的方位不完全一樣，著力點不同會帶來不同程度的變形，又存在大量模糊指紋，如何正確提取特征和實現(xiàn)正確匹配，是指紋識別技術(shù)的關(guān)鍵。

1、盾構(gòu)姿態(tài)人工檢測的測站位置選在盾構(gòu)機(jī)第一節(jié)臺車的連接橋上,此處通視條件非常理想,而且很好架設(shè)全站儀。只要在連接橋上的中部焊上一個全站儀的連接螺栓就可以了。測量時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件盡量使所選參考點之間連線距離大一些，以保證計算時的精度，最好保證左、中、右各測量一兩個點，這樣就可以提高測量計算的精度。盾構(gòu)機(jī)作為一個近似的圓柱體，在開挖掘進(jìn)過程中我們不能直接測量其盾首和盾尾的中心坐標(biāo)，只能用間接法來推算出盾首和盾尾的中心坐標(biāo)。為使自定義函數(shù)的使用更加人性化，程序同時為每一個函數(shù)編寫了函數(shù)說明，在wps或excel中使用自定義函數(shù)時，如wps和excel自有函數(shù)一樣在使用過程中可自動顯示函數(shù)和每一個函數(shù)變量的提示信息。

2、盾構(gòu)機(jī)位置和姿態(tài)的參數(shù)，包括盾構(gòu)機(jī)刀盤中心和盾尾中心三維坐標(biāo)以及俯仰角、滾動角、水平趨向、垂直趨向、水平姿態(tài)、垂直姿態(tài)等，見圖3。

俯仰角(α)：盾構(gòu)機(jī)軸線與水平面之間的夾角，它表征盾構(gòu)機(jī)在鉛直面上所處的坡度，主要影響隧道的掘進(jìn)坡度。它能反映盾構(gòu)機(jī)軸線與線路方向在垂直面的相對偏差。

滾動角(θ)：即扭轉(zhuǎn)角，盾構(gòu)機(jī)繞自軸線旋轉(zhuǎn)的角度。扭轉(zhuǎn)角主要是由于刀盤長時間朝同一方向旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)千斤頂?shù)牟黄胶馔屏?dǎo)致盾構(gòu)機(jī)繞軸旋轉(zhuǎn)。

水平趨向角(ψ)：盾構(gòu)機(jī)軸線與線路方向在水平面內(nèi)的夾角，它表征盾構(gòu)機(jī)在水平方向的方位，主要影響隧道在水平方向的轉(zhuǎn)變趨勢。

垂直趨向角(β)：盾構(gòu)機(jī)軸線與線路方向在垂直面內(nèi)的夾角，它表征盾構(gòu)機(jī)在垂直方向的方位，主要影響隧道在垂直方向的轉(zhuǎn)變趨勢。

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制質(zhì)量直接影響到隧道掘進(jìn)方向的控制精度和隧道管片的拼裝質(zhì)量。姿態(tài)控制不好易導(dǎo)致隧道蛇行、與設(shè)計軸線偏差過大甚至侵限，偏差較大時還將出現(xiàn)盾尾間隙過小，盾尾碰、刮現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管片錯臺或開裂。

3、盾構(gòu)姿態(tài)的計算原理

德國海瑞克公司生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)，在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)組裝時，海瑞克公司就已經(jīng)在在盾尾處安裝了25個固定的測量標(biāo)志點，其幾何坐標(biāo)在出廠時就設(shè)定好且在使用過程中保持不變，在施工掘進(jìn)過程中，通過測量這些標(biāo)志點的三維坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)學(xué)的向量、法向量求平面方程等知識點可以解算盾構(gòu)機(jī)三維坐標(biāo)，對盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)復(fù)核。盾構(gòu)機(jī)模型與測量標(biāo)志點分布如圖4。其中盾首點、盾尾點和盾尾鉛垂點是虛擬的，在盾構(gòu)機(jī)上并沒有實際的標(biāo)示點。

盾構(gòu)姿態(tài)人工檢測的測站位置選在盾構(gòu)機(jī)第一節(jié)臺車的連接橋上,此處通視條件非常理想,而且很好架設(shè)全站儀。只要在連接橋上的中部焊上一個全站儀的連接螺栓就可以了。測量時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件盡量使所選參考點之間連線距離大一些，以保證計算時的精度，最好保證左、中、右各測量一兩個點，這樣就可以提高測量計算的精度。例如在我們在選擇s267盾構(gòu)機(jī)的參考點時，即是選擇的3、8、25三點或者3、11、22三點作為盾構(gòu)姿態(tài)人工檢測的參考點。

盾構(gòu)機(jī)作為一個近似的圓柱體，在開挖掘進(jìn)過程中我們不能直接測量其盾首和盾尾的中心坐標(biāo)，只能用間接法來推算出盾首和盾尾的中心坐標(biāo)。

圖5其中：1、點a、b、c三點是參考控制點；

2、點a是基本點(盾首)；

3、點m是盾首點在平面(abc)上的垂足點。

4、盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)的計算方法

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)計算主要分為三部分：

盾首中心、盾尾中心和盾尾鉛垂點施工坐標(biāo)計算；

施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為里程樁號和偏距；

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)計算。

4.1盾首中心、盾尾中心和盾尾鉛垂點施工坐標(biāo)計算

4.1.1.垂足m點獨立坐標(biāo)求解

(a)平面sabc法向量的解算

已知a、b、c三個點的相對坐標(biāo),根據(jù)向量的向量積原理可以求得平面sabc的法向量

式中：

a＝(yb-ya)*(zc-za)-(zb-za)*(yc-ya)；

b＝(zb-za)*(xc-xa)-(zc-za)*(xb-xa)；

c＝(xb-xa)*(yc-ya)-(yb-ya)*(xc-xa)

(b)平面sabc的平面方程求解

在平面sabc的法向量已知的情況下，可以根據(jù)a、b、c中的任意一點求得由a、b、c三點構(gòu)成的平面的方程式：

a*x+b*y+c*z+d＝0公式(2)

式中：a、b、c與①中的取值相等；d＝-(a*xa+b*ya+c*za)；

(c)盾首與平面sabc間距離和的求解

由②中所求得的平面方程結(jié)合盾首的獨立坐標(biāo)，根據(jù)點到面的距離解算公式可以求得盾首到平面sabc的距離d：

式中：a、b、c與①中的取值相等；xo、yo、zo為盾首的獨立坐標(biāo)。

因為求得的法向量的模與盾首到平面sabc的距離d不等，故將法向量乘以一個系數(shù)

4.1.2.垂足m點的獨立坐標(biāo)和到三點距離的求解

使的一端與位于平面sabc外的一點(盾首)重合，的另一端與平面sabc的交點就是m點，由此可求得m點的獨立坐標(biāo)：

在m已知的情況下，可以根據(jù)四點的獨立坐標(biāo)求得m點到a、b、c三點的距離：

4.1.3.m點施工坐標(biāo)求解

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)復(fù)測時所得的a(xa,ya,za)，b(xb,yb,zb)，c(xc,yc,zc)

三個點的施工坐標(biāo)參與后續(xù)的計算過程。

(a)平面方程sabc在施工坐標(biāo)系中的法向量求解

根據(jù)上述2.1.2中的①、②步驟的方法可以求得平面sabc在施工坐標(biāo)系中的法向量

式中：

a′＝(yb-ya)*(zc-za)-(zb-za)*(yc-ya)；

b′＝(zb-za)*(xc-xa)-(zc-za)*(xb-xa)；

c′＝(xb-xa)*(yc-ya)-(yb-ya)*(xc-xa)

(b)法向量乘系數(shù)k′與的求解

因為求得的施工平面法向量的模與盾首到平面sabc的距離d不等，故將法向量乘以一個系數(shù)

(c)m點的施工坐標(biāo)解算

根據(jù)m點到a、b、c三點的距離不變可列出三個方程，化簡后得到方程⑴、⑵

(xb-xa)*xm+(yb-ya)*ym+(zb-za)*zm＝[(sma²-smb²)-(xa²-xb²)-(ya²-yb²)-(za²-zb²)]/2…⑴

(xc-xa)*xm+(yc-ya)*ym+(zc-za)*zm＝[(sma²-smc²)-(xa²-xc²)-(ya²-yc²)-(za²-zc²)]/2…⑵

根據(jù)法向量與平面內(nèi)任何一向量的乘積為零可列出下列方程：展開得：

a′*xm+b′*ym+c′*zm＝a′*xa+b′*ya+c′*za………………………………⑶

式中：a′、b′、c′取值和①中的相同；(xm,ym,zm)為m點的大地坐標(biāo)；sma、smb、smc表示對應(yīng)點間的距離；

將由⑴、⑵、⑶聯(lián)立方程組，用消元法解算出m點在施工坐標(biāo)系中的施工坐標(biāo)(xm,ym,zm)；

4.1.4盾首的施工坐標(biāo)解算

在m點的施工坐標(biāo)已知的條件下，并與結(jié)合求得盾首o(hù)點的施工坐標(biāo)：

盾尾施工坐標(biāo)的求解方法與盾首的求解方法一樣，可根據(jù)類似的步驟求解得出盾尾的施工坐標(biāo)。若盾首、盾尾到sabc的距離之和大于盾構(gòu)機(jī)長度，則說明此時盾首、盾尾均處于平面sabc的同一側(cè)，故此時在計算盾首、盾尾的三維坐標(biāo)時要注意與盾首、盾尾處于平面sabc的兩側(cè)的區(qū)別，本文所提供的數(shù)據(jù)均為盾首、盾尾處于平面sabc兩側(cè)的條件下所得。

本方法根據(jù)以上公式在wps中編寫:點到面垂足m獨立坐標(biāo)、點o到面垂足m盾首施工坐標(biāo)和點o到面垂足m盾尾施工坐標(biāo)等三個計算函數(shù)。

4.2線路計算

計算出盾首中心點、盾尾中心點和鉛垂點的施工坐標(biāo)后，需要解算出以上三點的里程樁號、偏距和線路中心設(shè)計高程，然后計算出盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)。

地鐵線路計算包括水平線路計算和縱斷面計算。

本方法水平線路計算采用線元法，直線段、圓曲線段和緩和曲線段等均采用復(fù)化辛普森公式編寫vba函數(shù)進(jìn)行計算。共編寫vba函數(shù)六個，分別為：任意曲線正算函數(shù)、任意曲線反算函數(shù)、ab998線路正算函數(shù)、ab998線路反算函數(shù)，線元區(qū)間判斷函數(shù)，線路偏移量計算函數(shù)。

縱斷面計算采用近似豎曲線計算公式編寫vba函數(shù)：豎曲線近似計算函數(shù)，ab998區(qū)間高程計算函數(shù)：a998_h)。

自定義輔助函數(shù)：度分秒_弧度()、方位角_弧度()、度_弧()、夾角()。

4.3盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)計算

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)計算公式如下：

盾首水平姿態(tài)＝盾首施工偏距

盾首垂直姿態(tài)＝盾首實測高程－盾首設(shè)計高程

盾構(gòu)機(jī)俯仰角＝(盾首高程-盾尾高程)/盾首至盾尾距離

盾構(gòu)機(jī)橫擺角＝(盾尾偏距－鉛垂點偏距)/2

盾構(gòu)機(jī)水平趨向＝(盾首偏距－盾尾偏距)/盾首至盾尾距離

盾構(gòu)機(jī)垂直趨向＝(盾首垂直偏差－盾尾垂直偏差)/盾首至盾尾距離。

5、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)計算表

wps中一個三角形盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)計算如表1

表1.盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)計算表

多個三角形取平均后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)檢查結(jié)果如表2。

表2為盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)計算表。

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)檢查計算結(jié)果表

計算時間：2016.06.27nys盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)檢查計算表

線路：s998始發(fā)共解算三角形(個)7

為使自定義函數(shù)的使用更加人性化，本程序同時為每一個函數(shù)編寫了函數(shù)說明，在wps或excel中使用自定義函數(shù)時，如wps和excel自有函數(shù)一樣在使用過程中可自動顯示函數(shù)和每一個函數(shù)變量的提示信息。

本方法在vba中編寫始發(fā)線路函數(shù)后，在wps中只需簡單的數(shù)據(jù)編輯、復(fù)制、粘貼即可進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算，方法簡單、可操作性強(qiáng)。在武漢地鐵11#線東段二標(biāo)段、武漢地鐵21#線施工中得到使用，經(jīng)與盾構(gòu)機(jī)sls-t導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行對比驗證，說明此方法解算結(jié)果正確，在后續(xù)的施工過程中可以參與與其他軟件結(jié)果的比對、復(fù)核；

本發(fā)明的顯示屏背板-1、顯示屏-2、連接軸-3、觸控面板-4、主機(jī)體-5、無線信號連接器-6、指紋識別面板-7、工作狀態(tài)顯示燈-8、散熱口-9、usb連接口-10、電源連接口-11、電源按鈕-12、支撐板-701、識別器-702、背板-703、背板電源連接口-704、數(shù)據(jù)輸出口-705，部件均為通用標(biāo)準(zhǔn)件或本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉的部件，其結(jié)構(gòu)和原理都為本技術(shù)人員均可通過技術(shù)手冊得知或通過常規(guī)實驗方法獲知，本發(fā)明解決的問題是目前對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核測量目前還無簡單、快捷、準(zhǔn)確的處理的問題，本發(fā)明通過上述部件的互相組合，設(shè)有指紋識別面板，可以防止別人誤操作并記錄操作員，設(shè)有i7-6950x處理器，有效的提高了設(shè)備的運算效率，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，可以對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核測量，處理簡單、快捷、準(zhǔn)確。具體效果如下：

所述指紋識別面板7包括支撐板701、識別器702、背板703、背板電源連接口704、數(shù)據(jù)輸出口705，所述支撐板701的下方設(shè)有識別器702，所述識別器702的下方設(shè)有背板703，所述背板703上設(shè)有背板電源連接口704，所述數(shù)據(jù)輸出口705和識別器702連接。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點,對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。