本發(fā)明涉及掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡控制，具體為一種隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡控制方法。

背景技術(shù)：

1、隧道掘進(jìn)機(jī)簡稱tbm，是一種用于開鑿地下隧道的機(jī)械設(shè)備，tbm利用強(qiáng)大的機(jī)械動(dòng)力和精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)，將土壤或巖石快速挖掘并運(yùn)送出去，同時(shí)鋪設(shè)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)，確保隧道的穩(wěn)定性和安全性，隧道掘進(jìn)機(jī)廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、道路、管道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，是現(xiàn)代隧道建設(shè)的重要工具，tbm配備了刀盤，刀盤上裝有高強(qiáng)度的切削工具，可以有效切割不同硬度的土壤和巖石，掘掘進(jìn)過程中，tbm在其后部同時(shí)安裝預(yù)制的襯砌環(huán)，確保隧道的完整性和穩(wěn)定性，防止塌方，因此對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行軌跡控制是確保隧道建設(shè)質(zhì)量、安全和效率的關(guān)鍵，精準(zhǔn)的軌跡控制可以有效降低施工時(shí)間，減少因偏差而產(chǎn)生的重新挖掘、修正等額外施工成本，從而提升整體施工效率。

2、目前在進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡控制時(shí)，軌跡調(diào)整大多情況依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷，操作人員根據(jù)實(shí)時(shí)觀察和傳統(tǒng)方法手動(dòng)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的軌跡，這種方法增加了操作復(fù)雜性和人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡控制方法，具備通過進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定與規(guī)劃，確定隧道的設(shè)計(jì)軌跡、深度及掘進(jìn)速度，收集地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，明確地下土壤類型和構(gòu)造，通過傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)收集掘進(jìn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括地層壓力、土壤濕度、溫度、振動(dòng)以及掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，中央計(jì)算系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算當(dāng)前掘進(jìn)位置和設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差gjpc與軌跡曲率gjql，識(shí)別潛在的偏離軌跡與遇到的障礙，進(jìn)行軌跡調(diào)整與控制，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)扭矩wjnj、掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的功率jjgl、掘進(jìn)機(jī)推力wjtl，根據(jù)上述數(shù)值優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度，并計(jì)算預(yù)計(jì)掘進(jìn)效率sjxl，優(yōu)化掘進(jìn)過程中的能量消耗，基于偏差和曲率的計(jì)算結(jié)果，生成隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡調(diào)整指令sdtl傳輸至掘進(jìn)機(jī)控制單元，掘進(jìn)機(jī)控制單元在收到隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡調(diào)整指令sdtl時(shí)，自動(dòng)對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡進(jìn)行控制調(diào)整，通過上述軌跡控制方法，自動(dòng)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)軌跡調(diào)整，降低了掘進(jìn)機(jī)操作復(fù)雜性和人為控制錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，解決了上述問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡控制方法，包括以下步驟：

3、s1、進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定與規(guī)劃，確定隧道的設(shè)計(jì)軌跡、深度及掘進(jìn)速度，收集地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，明確地下土壤類型和構(gòu)造；

4、s2、通過傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)收集掘進(jìn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括地層壓力、土壤濕度、溫度、振動(dòng)以及掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)；

5、s3、中央計(jì)算系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算當(dāng)前掘進(jìn)位置和設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差gjpc與軌跡曲率gjql，識(shí)別潛在的偏離軌跡與遇到的障礙；

6、s4、進(jìn)行軌跡調(diào)整與控制，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)扭矩wjnj、掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的功率jjgl、掘進(jìn)機(jī)推力wjtl，根據(jù)上述數(shù)值優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度，并計(jì)算預(yù)計(jì)掘進(jìn)效率sjxl，優(yōu)化掘進(jìn)過程中的能量消耗，基于偏差和曲率的計(jì)算結(jié)果，生成隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡調(diào)整指令sdtl傳輸至掘進(jìn)機(jī)控制單元；

7、s5、掘進(jìn)機(jī)控制單元在收到隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡調(diào)整指令sdtl時(shí)，自動(dòng)對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡進(jìn)行控制調(diào)整。

8、優(yōu)選的，所述s2通過高精度的壓力傳感器、土壤濕度傳感器、溫度傳感器以及振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過nb-iot無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至中心數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

9、優(yōu)選的，所述s3計(jì)算當(dāng)前掘進(jìn)位置和設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差gjpc的公式如下所示：

10、

11、公式中，gjpc表示當(dāng)前掘進(jìn)位置和設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差，xcu、ycu以及zcu表示當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)在三維坐標(biāo)系中的實(shí)際位置，xde、yde以及zde表示設(shè)計(jì)軌跡在三維坐標(biāo)系中的期望位置。

12、優(yōu)選的，所述s3計(jì)算軌跡曲率gjql的公式如下所示：

13、

14、公式中，gjql表示軌跡曲率，x′y″表示切線在x方向的變化與y方向加速度之間的關(guān)系，y′x‘’表示切線在y方向的變化與x方向加速度之間的關(guān)系，x′2+y′2表示曲線在某一點(diǎn)的切線速度的平方，反映了單位參數(shù)變化下，曲線在該點(diǎn)的整體速度，取平方根后再求三次方，得到的是切線速度的模的三次方，在調(diào)整曲率的量級(jí)上提供了支撐。

15、優(yōu)選的，所述s4計(jì)算掘進(jìn)機(jī)扭矩wjnj的公式如下所示：

16、wjnj＝y(tǒng)xqx*czjl

17、公式中，wjnj表示掘進(jìn)機(jī)扭矩，yxqx表示施加在刀頭上的有效切削力，czjl表示刀頭與轉(zhuǎn)軸之間的垂直距離。

18、優(yōu)選的，所述s4計(jì)算掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的功率jjgl的公式如下所示：

19、jjgl＝wjnj*jsdz

20、公式中，jjgl表示掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的功率，wjnj表示掘進(jìn)機(jī)扭矩，jsdz表示角速度，即物體繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速率。

21、優(yōu)選的，所述s4計(jì)算掘進(jìn)機(jī)推力wjtl的公式如下所示：

22、wjtl＝ct*qxmj*psoil

23、公式中，wjtl表示掘進(jìn)機(jī)推力，ct表示切削系數(shù)，qxmj表示切削面積，psoil表示土壤壓力。

24、優(yōu)選的，所述s4優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度的公式如下所示：

25、

26、公式中，voptimal表示掘進(jìn)機(jī)最佳推進(jìn)速度，djnl表示電機(jī)輸出的總能量，wjtl表示掘進(jìn)機(jī)推力。

27、優(yōu)選的，所述s4計(jì)算預(yù)計(jì)掘進(jìn)效率sjxl的公式如下所示：

28、

29、公式中，sjxl表示預(yù)計(jì)掘進(jìn)效率，voptimal表示掘進(jìn)機(jī)最佳推進(jìn)速度，dist表示掘進(jìn)過程中實(shí)際推進(jìn)的距離，peffort表示完成掘進(jìn)所消耗的功。

30、優(yōu)選的，所述s4基于偏差和曲率的計(jì)算結(jié)果，生成隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡調(diào)整指令sdtl，公式如下所示：

31、δθ＝ra*gjpc+rb*gjql

32、δv＝rc*gjpc

33、公式中，δθ表示需要調(diào)整的方向角度的指令，δv表示調(diào)整掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)速度的指令，gjpc表示當(dāng)前掘進(jìn)位置和設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差，gjql表示軌跡曲率，ra表示調(diào)整角度對(duì)偏差的敏感系數(shù)，rb表示調(diào)整角度對(duì)曲率的敏感系數(shù)，rc表示調(diào)整速度對(duì)偏差的敏感系數(shù)。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡控制方法，具備以下有益效果：

35、本發(fā)明通過進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定與規(guī)劃，確定隧道的設(shè)計(jì)軌跡、深度及掘進(jìn)速度，收集地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，明確地下土壤類型和構(gòu)造，通過傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)收集掘進(jìn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括地層壓力、土壤濕度、溫度、振動(dòng)以及掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，中央計(jì)算系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算當(dāng)前掘進(jìn)位置和設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差gjpc與軌跡曲率gjql，識(shí)別潛在的偏離軌跡與遇到的障礙，進(jìn)行軌跡調(diào)整與控制，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)扭矩wjnj、掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的功率jjgl、掘進(jìn)機(jī)推力wjtl，根據(jù)上述數(shù)值優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度，并計(jì)算預(yù)計(jì)掘進(jìn)效率sjxl，優(yōu)化掘進(jìn)過程中的能量消耗，基于偏差和曲率的計(jì)算結(jié)果，生成隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡調(diào)整指令sdtl傳輸至掘進(jìn)機(jī)控制單元，掘進(jìn)機(jī)控制單元在收到隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡調(diào)整指令sdtl時(shí)，自動(dòng)對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)軌跡進(jìn)行控制調(diào)整，通過上述軌跡控制方法，自動(dòng)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)軌跡調(diào)整，降低了掘進(jìn)機(jī)操作復(fù)雜性和人為控制錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。