CN113738390A - 一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矩形顶管机控制领域，特别是涉及一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法。包括如下步骤：S1：实时获取矩形顶管机的当前姿态信息；S2：根据当前姿态信息计算矩形顶管实时的位置偏差；S3：通过矩形顶管机的运动学简化模型计算各组纠偏组件的目标伸缩状态；S4：计算出当前工作区间内的环境系数；S5：获取当前工作区间内环境允许伸缩量；S6：通过分时迁移微顶法计算各组纠偏组件每次纠偏动作的实际伸缩量；S7：在推进油缸每向前顶进一个预设的顶进单元时，控制纠偏组件执行一次纠偏动作，直至矩形顶管机重新回到预设轴线。本发明解决了现有矩形顶管机轨迹控制方法存在对复杂工况的适应性不足，纠偏效果差，纠偏不及时等问题。

Description

一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法

技术领域

本发明涉及矩形顶管机控制领域，特别是涉及一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法。

背景技术

顶管机是一种隧道开挖设备，矩形顶管机是成型截面为矩形的顶管机，矩形顶管具有施工时间短、对工程周边环境影响小的特点；且在同等截面下，矩形顶管相比圆形顶管能更有效地利用地下空间，断面利用率高。目前越来越多的矩形顶管被应用于地下工程的建设。

矩形顶管机在掘进过程中，由于复杂多变的地质环境、推力不均、尾盾间隙不均等因素的影响；矩形顶管机的掘进方向容易产生偏转，进而导致矩形顶管机实际掘进轨迹的轴线与预设轴线间产生偏差。顶管机中通常设置纠偏油缸来对掘进过程中的偏差进行修正。在实际作业环境中，影响顶管掘进姿态的因素很多，而且相互耦合，呈现非线性、时变性、模糊随机性的特点；这使纠偏油缸的伸缩量亦呈现时变性特点，顶管机无法做到完全按既定纠偏轨迹掘进，纠偏难度较大，顶进轨迹难以控制。

常见的顶管机顶进轨迹控制方法主要有以下两种：根据顶管机当前的偏离姿态，以多项式拟合的方法，设计顶管机纠偏轨迹，并遵循拟合轨迹特性，分配油缸压力，对顶管机顶进轨迹进行控制。以模糊控制或神经网络控制为基础，根据施工经验，以顶管机纠偏量或油缸液压值为被控对象，建立纠偏规则，获得轴线纠偏的神经网络控制器或模糊控制器。但是，以上方法多基于几何拟合或施工经验，考虑到的影响纠偏因素较为片面，未考虑顶管纠偏过程中土地沉降、土壤扰动对顶管机掘进过程的影响，容易造成过纠、少纠现象，导致以上方法实际应用效果差。

发明内容

基于此，有必要针对现有矩形顶管机轨迹控制方法存在对复杂工况的适应性不足，纠偏效果差，纠偏不及时等问题；提供一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法。

本发明提供的一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，主要用于在顶管机的顶进轨迹与预设轴线出现位置偏差时，对矩形顶管机的姿态进行实时的分时迁移调整。该方法对偏差的修正更加及时，也使得矩形顶管机的轨迹控制更加精准。本发明中的分时迁移空间姿态微调纠偏矩形顶管机的纠偏方法包括如下步骤：

S1：按照预设的采样频率实时获取矩形顶管机的当前姿态信息。

S2：根据当前姿态信息计算矩形顶管实时的位置偏差P。

S3：根据位置偏差P，通过矩形顶管机的运动学简化模型计算各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i；纠偏组件采用纠偏油缸作为执行机构。

S4：获取矩形顶管机当前工况下的环境状态信息，计算出当前工作区间内的环境系数A_环。

S5：根据环境系数A_环通过查表法获取当前工作区间内纠偏油缸的环境允许伸缩量A。

S6：读取各组纠偏组件中纠偏油缸的目标伸缩状态Δl_i和当前工作区间的环境允许伸缩量A，并通过分时迁移微顶法计算各组纠偏组件每次纠偏动作的实际伸缩量l_Ri。

S7：在矩形顶管机的推进油缸每向前顶进一个预设的顶进单元时，控制各组纠偏组件中的纠偏油缸执行一次纠偏动作，直至矩形顶管机重新回到预设轴线；其中，纠偏动作中各纠偏油缸完成相应的实际伸缩量l_Ri的执行。

优选地，当前姿态信息包括矩形顶管机的俯仰角α，方位角β，和滚动角θ。

优选地，位置偏差P包括水平偏差B、竖直偏差C和侧翻角γ；各自的计算公式如下：

B＝L·tanα，

C＝L·tanβ，

γ＝θ

其中，水平偏差B表示矩形顶管机的机头中心到预设轴线之间的水平距离；竖直偏差C表示矩形顶管机的机头中心到预设轴线之间的竖直距离；γ为顶管机机头沿轴线翻转过的角度；L表示矩形顶管机的筒身末端中心至机头中心的距离。

优选地，各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i的计算方法如下：

S31：将所述矩形顶管机简化为8-UPU并联机构的运动学模型；并以机头部分为动平台，筒身为静平台，建立空间直角坐标系；其中，Q-XYZ为动平台坐标系，O-xyz为静平台坐标系。

S32：获取实时的位置偏差P，在建立的坐标系下，采用下式求解矩形顶管机纠偏的目标姿态W'：

其中，W₀为动平台初始坐标，

为角度旋转矩阵，P为位置偏差，且满足：

S33：定义所述目标姿态W'中纠偏油缸上铰链的坐标为(X_bi，Y_bi，Z_bi)，下铰链的坐标设为(x_ai，y_ai，z_ai)，则纠偏油缸上下铰链之间的距离l_i通过下式计算：

其中，(X_bi，Y_bi，Z_bi)在动平台坐标系上，(x_ai，y_ai，z_ai)在静平台坐标系上。

S34：根据各组纠偏组件中纠偏油缸的初始长度l₀和各组纠偏油缸上下铰链之间的距离l_i计算各组所述纠偏油缸的目标伸缩状态Δl_i，计算公式如下：

Δl_i＝l_i-l₀；

其中，Δl_i＞0时，表征纠偏油缸应当伸长，Δl_i＜0时，表征纠偏油缸应当缩短。

优选地，环境状态信息包括：施工地段的土壤复杂度ρ_土，施工地段的水体复杂度ρ_水和施工时矩形顶管机的受载情况特征值P_载；

环境系数A_环的计算公式如下：

其中，k₁表示土壤复杂度ρ_土的加权系数；k₂表示水体复杂度ρ_水的加权系数；k₃表示受载情况特征值P_载的加权系数。

优选地，本发明中根据专家经验建立环境允许伸缩量A和环境系数A_环之间的映射关系；得到一个表征二者对应关系的关系对照表，在关系对照表中，环境允许伸缩量A至少分为七级，环境系数A_环的区间分为相应数量的子区间，当环境系数A_环位于不同区间时分别对应唯一的环境允许伸缩量A的值。

优选地，每次纠偏动作的实际伸缩量l_Ri的计算过程如下：

S61：根据各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i和油缸当前实际状态l，计算各组纠偏组件纠偏时所需完成的目标伸缩量l_si，计算公式如下：

l_si＝Δl_i-l；

S62：获取各组纠偏组件中目标伸缩量l_si的最大值，记为最大目标伸缩量l_smax；

S63：获取当前工况下的环境允许伸缩量A；比较所述环境允许伸缩量A和所述最大目标伸缩量l_smax的关系，作出如下决策：

(1)当|l_smax|≤A时，则每次纠偏动作中，各组纠偏组件实际伸缩量l_Ri均等于计算出的目标伸缩量l_si；

(2)当|l_smax|＞A时，则每次纠偏动作中，目标纠偏量l_si最大的纠偏油缸的实际伸缩量l_Ri等于A，其余各组纠偏组件按比例伸缩，各自的实际伸缩量l_Ri满足下式：

优选地，步骤S3中，计算出各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i之后，还将目标伸缩状态Δl_i与对应的各组纠偏油缸的理论行程范围进行比较。当某组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i超出相应纠偏油缸的理论行程范围时，矩形顶管机停止后续步骤的执行，并发出一个报警信号。

优选地，步骤S7中，推进油缸向前推进的每个预设的推进单元的推进距离为100mm。

优选地，矩形顶管机中，各组纠偏组件的油缸数均为两个，定义二者分别为主顶油缸J_主和跟随油缸J_次，步骤S7中，各组纠偏组件采用多缸同步策略执行各个纠偏动作；多缸同步策略的执行方法如下：

获取主顶油缸J_主的伸缩量S_主和跟随油缸J_次的伸缩量S_次。

计算主顶油缸J_主和跟随油缸J_次伸缩量的位移差ΔS，ΔS＝S_主-S_次；

各组纠偏组件顶进过程中，根据位移差ΔS作出如下决策，以使主顶油缸J_主和跟随油缸J_次的顶进状态保持同步：

(1)若ΔS＞0.05mm，则增大跟随油缸J_次的油缸液压，并提升跟随油缸J_次的顶进速度；

(2)若ΔS＜0.05mm，则减小跟随油缸J_次的油缸液压，并降低跟随油缸J_次的顶进速度。

本发明提供的一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，具有如下有益效果：

1、本发明将纠偏系统的模型简化为并联机构的模型，进而实现利用运动学完成纠偏油缸目标伸缩状态逆解求解，得到的计算结果的准确度高、可靠性好，因而能够为后期对矩形顶管机姿态的进行准确控制奠定基础。

2、本发明考虑了矩形顶管机工作的环境因素，引入环境系数，结合施工地段的水土复杂度以及顶管机施工时的受载情况，将纠偏油缸的顶进过程分为若干段，通过不断更新纠偏轨迹的方法，采用分时迁移空间姿态微调纠偏方法对矩形顶管机的顶进轨迹进行实时控制。因而对环境适应性好，顶进轨迹误差小。

3、本发明的矩形顶管机中两个纠偏油缸作为一组纠偏组件，使其同步顶进，增加了油缸顶力，提高了纠偏结构的刚度和稳定性，且结合环境因素来考虑油缸的顶进量，防止油缸一次顶进过量而过载，安全性更好。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法的流程图；

图2为本发明实施例1中通过分时迁移微顶法计算每次纠偏动作的实际伸缩量的计算方法流程图；

图3为本发明实施例1中多缸同步策略的执行方法的步骤流程图；

图4为本发明实施例1中矩形顶管机纠偏过程的状态变化示意图；

图5为本发明实施例2中提供的一种分时迁移空间姿态微调纠偏的矩形顶管机的结构示意图；

图6为本发明实施例2中分时迁移空间姿态微调纠偏矩形顶管机中机头部分的机构示意图；

图7为本发明实施例2中矩形顶管机内纠偏油缸的位置分布示意图；

图8为本发明实施例2中矩形顶管机在地下空间施工时，机头部分受载情况的示意图；

图9为本发明实施例2中提供的动态纠偏的分时迁移矩形顶管机控制部分的模块示意图；

图10为本发明实施例2中位置偏差的转化几何关系示意图；

图11为本发明实施例2中分时迁移空间姿态微调纠偏矩形顶管机运行过程的流程框图；

图12为本发明实施例3中提供的分时迁移空间姿态微调纠偏矩形顶管机的结构示意图；

图中标记为：

1、机头；2、筒身；4、纠偏油缸；5、顶进油缸；6、位移传感器；7、位姿测量模块；8、工况检测模块；9、液压泵站；10、数据处理模块；11、控制模块；12、警报模块；13、通讯模块；14、服务器；41、主顶油缸；42、跟随油缸；101、位置偏差计算单元；102、目标伸缩状态计算单元；103、环境允许伸缩量计算单元；104、实际伸缩量生成单元；105、存储单元；111、顶进控制单元；112、纠偏控制单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例提供一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，主要用于在顶管机的实际顶进轨迹与预设轴线出现位置偏差时，对矩形顶管机的姿态进行实时的分时迁移调整。如图1所示，本实施例中的分时迁移空间姿态微调纠偏矩形顶管机的纠偏方法包括如下步骤：

S1：按照预设的采样频率实时获取矩形顶管机的当前姿态信息。当前姿态信息包括矩形顶管机的俯仰角α，方位角β，和滚动角θ。

S2：根据当前姿态信息计算矩形顶管实时的位置偏差P。位置偏差P包括水平偏差B、竖直偏差C和侧翻角γ。各自的计算公式如下：

B＝L·tanα，

C＝L·tanβ，

γ＝θ

上式中，水平偏差B表示矩形顶管机的机头中心到预设轴线之间的水平距离；竖直偏差C表示矩形顶管机的机头中心到预设轴线之间的竖直距离；γ为顶管机机头沿轴线翻转过的角度；L表示矩形顶管机的筒身末端中心至机头中心的距离。

S3：根据位置偏差P，通过矩形顶管机的运动学简化模型计算各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i。纠偏组件中的执行机构为纠偏油缸。计算出各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i之后，还将目标伸缩状态Δl_i与对应的纠偏油缸的理论行程范围进行比较；当某组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i超出相应纠偏油缸的理论行程范围时，矩形顶管机停止后续步骤的执行，并发出一个报警信号。

本实施例中，各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i的计算方法如下：

S31：将矩形顶管机简化为8-UPU并联机构的运动学模型；并以机头部分为动平台，筒身为静平台，建立空间直角坐标系；其中，P-XYZ为动平台坐标系，O-xyz为静平台坐标系。

S32：获取实时位置偏差P，采用下式求解矩形顶管机纠偏的目标姿态W'：

其中，W₀为动平台初始坐标，

为角度旋转矩阵，P为位置偏差，且满足：

S33：定义目标姿态W'中纠偏油缸上铰链的坐标为(X_bi，Y_bi，Z_bi)，下铰链的坐标设为(x_ai，y_ai，z_ai)，则纠偏油缸上下铰链之间的距离l_i通过下式计算：

其中，(X_bi，Y_bi，Z_bi)在动平台坐标系上，(x_ai，y_ai，z_ai)在静平台坐标系上。

S34：根据各组纠偏组件的初始长度l₀和各组纠偏组件上下铰链之间的距离l_i计算各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i，计算公式如下：

Δl_i＝l_i-l₀。

其中，Δl_i＞0时，表征纠偏油缸应当伸长，Δl_i＜0时，表征纠偏油缸应当缩短。

S4：获取矩形顶管机当前工况下的环境状态信息，计算出当前工作区间内的环境系数A_环。

其中，环境状态信息包括：施工地段的土壤复杂度ρ_土，施工地段的水体复杂度ρ_水和施工时矩形顶管机的受载情况特征值P_载。

环境系数A_环的计算公式如下：

其中，k₁表示土壤复杂度ρ_土的加权系数；k₂表示水体复杂度ρ_水的加权系数；k₃表示所述受载情况特征值P_载的加权系数。

S5：根据环境系数A_环通过查表法获取当前工作区间内环境允许伸缩量A。根据专家经验建立环境允许伸缩量A和环境系数A_环之间的映射关系。得到一个表征二者对应关系的关系对照表。关系对照表中，环境允许伸缩量A至少分为七级，环境系数A_环的值位于不同区间时，分别对应唯一的某级环境允许伸缩量A的值。

S6：读取各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i和当前工作区间的环境允许伸缩量A，并通过分时迁移微顶法计算各组纠偏组件每次纠偏动作的实际伸缩量l_Ri。如图2所示，分时迁移微顶法中，每次纠偏动作的实际伸缩量l_Ri的计算过程如下：

S61：根据各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i和油缸当前实际状态l，计算各组纠偏组件纠偏时所需完成的目标伸缩量l_si，计算公式如下：

l_si＝Δl_i-l。

S62：获取各组纠偏组件中目标伸缩量l_si的最大值，记为最大目标伸缩量l_smax。

S63：获取当前工况下的环境允许伸缩量A；比较环境允许伸缩量A和最大目标伸缩量l_smax的关系，作出如下决策：

(1)当|l_smax|≤A时，每次纠偏动作中，各组纠偏组件实际伸缩量l_Ri均等于计算出的目标伸缩量l_si。

(2)当|l_smax|＞A时，每次纠偏动作中，目标纠偏量l_si最大的纠偏油缸的实际伸缩量l_Ri等于A，其余各组纠偏组件按比例伸缩，各自的实际伸缩量l_Ri满足下式：

S7：在矩形顶管机的推进油缸每向前顶进一个预设的顶进单元时，控制各组纠偏组件执行一次纠偏动作，直至矩形顶管机重新回到预设轴线。其中，纠偏动作中各组纠偏组件完成相应的实际伸缩量l_Ri的执行。

本实施例中，推进油缸向前推进的每个预设的推进单元的推进距离为100mm。矩形顶管机中，各组纠偏组件的油缸数均为两个，定义二者分别为主顶油缸J_主和跟随油缸J_次。各组纠偏组件采用多缸同步策略执行各个纠偏动作；如图3所示，多缸同步策略的执行方法如下：

(1)获取主顶油缸J_主的伸缩量S_主和跟随油缸J_次的伸缩量S_次。

(2)计算主顶油缸J_主和跟随油缸J_次伸缩量的位移差ΔS，ΔS＝S_主-S_次。

(3)各组纠偏组件顶进过程中，根据位移差ΔS作出如下决策，以使主顶油缸J_主和所述跟随油缸J_次的顶进状态保持同步：

Ⅰ)若ΔS＞0.05mm，则增大跟随油缸J_次的油缸液压，并提升跟随油缸J_次的顶进速度。

Ⅱ)若ΔS＜0.05mm，则减小跟随油缸J_次的油缸液压，并降低跟随油缸J_次的顶进速度。

如图4上半部分所示，本实施例中矩形顶管机的运动偏差调节过程大致分为四个阶段，第一阶段为初始阶段，顶管机按预设轴线顶进，第二阶段为偏差阶段，顶管机姿态发生变化，开始偏离预定轴线，第三阶段为纠偏阶段，纠偏油缸伸出，使机头中心位于预设轴线上，第四阶段为完成阶段，顶管机经纠正完成后重新回到预设轴线。本实施例中，为了使得纠偏调节过程更加精细，避免对设备造成损伤，进一步通过“分时迁移微顶法”和“多缸同步顶进策略”对纠偏过程进行细化，缩小每一个纠偏调节的调整幅度。具体的调整过程如图4的下半部分所示。从图4中可以看出，本实施例将传统纠偏调节过程分成多多个步骤，结合顶进过程依次完成。在每完成一个顶进单元后，调整各组纠偏油缸的压力，控制矩形顶管机机头的姿态；最终达到纠偏的目的。

本实施例中的分时迁移空间姿态纠偏矩形顶管机在顶进过程中，考虑了土质信息和顶管机的受载情况，并根据顶管机姿态实时更新油缸顶进数据，能够对矩形顶管机顶进轨迹进行控制，环境适应性好，纠偏效率高，有效避免了矩形顶管机纠偏时过纠、少纠的情况。

实施例2

本实施例提供一种动态纠偏的自寻的矩形顶管机，该矩形顶管机在顶进过程中采用如实施例1中的一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法实现空间姿态调节，从而保证矩形顶管机的真实掘进轨迹与预设的理想轨迹保持吻合。

如图5所示，该矩形顶管机包括机头1、筒身2、纠偏组件、推进油缸、液压泵站9。推进油缸安装在筒身2后端，用于驱动矩形顶管机向前顶进。纠偏组件安装在机头1和筒身2之间，包括多组纠偏油缸4，用于对机头1向前顶进时的运动方向进行调整。液压泵站9用于调节纠偏油缸4的液压量，进而控制纠偏油缸4的伸缩量和伸缩速度。

本实施例的纠偏组件包括至少四组纠偏油缸4，分别位于矩形顶管机的机头1的四个侧边上，并通过差异化调整各组纠偏油缸4的伸缩量实现对机头顶进方向的调整。如图6所示，各组纠偏油缸4至少包括两个油缸，分别为主顶油缸41和跟随油缸42，主顶油缸41和跟随油缸42同步运动。采用主顶油缸41和跟随油缸42两个同时构成一组，能够提供更大的纠偏推力，刚度也更高，在使用过程不容易损坏。

具体地，在本实施例中纠偏油缸4中的油缸数为16个，分别安装在8个位置，安装方式如图7所示。如图所示，矩形的机头1的四周的左上、左下、右上、右下、上左、上右、下左、下右侧各包括一组纠偏组件(即主顶油缸41和跟随油缸42)。采用本实施例中的“井”字形的分布方式，使纠偏组件受力更均匀，减小纠偏组件过载的风险。

本实施例提供的矩形顶管机还包括：位移传感器6，位姿测量模块7，工况检测模块8，数据处理模块10和控制模块11。

位移传感器6安装在纠偏油缸4上，用于检测各个纠偏油缸4的伸缩量。位移传感器6在各个纠偏油缸4调节过程可以实时监测纠偏油缸4的当前伸缩状态。在设备运行过程，一方面，位移传感器6可以获取各个纠偏油缸4的当前状态，并结合目标伸缩状态确定各个纠偏油缸4的目标伸缩量。另一方面，位移传感器6可以在纠偏动作执行过程，对纠偏油缸4的伸缩长度形成反馈，便于更精确的控制纠偏调节过程。

其中，位姿测量模块7用于采集矩形顶管机实时的姿态信息。位姿测量模块7采集的姿态信息包括：俯仰角α，方位角β和滚动角θ。具体的在本实施例位姿测量模块7采用陀螺仪作为检测的仪器。

工况检测模块8用于获取矩形顶管机当前工况下的环境状态信息。本实施例中的分时迁移空间姿态微调纠偏矩形顶管机特别增加了一个工况检测模块8，工况检测模块8检测的环境状态信息包括：施工地段的土壤复杂度ρ_土，施工地段的水体复杂度ρ_水和施工时矩形顶管机的受载情况特征值P_载。具体的，矩形顶管机的受载情况的分布如图8所示。

本实施例中的矩形顶管机考虑了不同工况对设备纠偏过程的影响，在不同的工况条件下，设备遭遇的土壤环境、水环境和载荷情况也各不相同。在这样的复杂情况下，不能采取单一的纠偏调节方式进行工作，否则可以会对设备的安全性和隧道掘进效果产生影响；严重的甚至还会损坏矩形顶管机。

本实施例通过工况检测模块8获取当前设备工作环境的土壤复杂度ρ_土、水体复杂度ρ_水和受载情况特征值P_载。因此可以确定不同工况下最佳的纠偏调节幅度，保证设备可以稳定均匀地完成纠偏调节过程，而不至于受到较大的损伤。

如图9所示，数据处理模块10包括位置偏差计算单元101、目标伸缩状态计算单元102、环境允许伸缩量计算单元103，以及实际伸缩量生成单元104。本实施例中位移传感器6、位姿测量模块7和工况检测模块8检测的数据均传输到数据传输模块中，用于计算各个纠偏油缸4在每个纠偏动作下的实际伸缩量。

其中，偏差计算单元用于按照预设的采样频率实时获取位姿测量模块7的检测结果，并根据顶进轨迹的预设轴线和姿态信息计算出矩形顶管机当前状态与目标轨迹的预设轴线间的位置偏差。位置偏差包括水平偏差、竖直偏差和侧翻角。如图10所示，位置偏差计算单元101采用如下的计算公式，计算水平偏差B、竖直偏差C和侧翻角γ：

B＝L·tanα，

C＝L·tanβ，

γ＝θ

上式中，水平偏差B表示矩形顶管机的机头1中心到预设轴线之间的水平距离；竖直偏差C表示矩形顶管机的机头1中心到预设轴线之间的竖直距离；γ为顶管机机头1沿轴线翻转过的角度；L表示矩形顶管机的筒身2末端中心至机头1中心的距离。

目标伸缩姿态计算单元用于根据矩形顶管机的运动学模型和位置偏差求解出矩形顶管的纠偏组件中各个纠偏油缸4的目标伸缩状态。目标伸缩状态为各个纠偏油缸4为完成纠偏动作需要达到的伸缩状态。

目标伸缩状态计算单元102求解各个纠偏油缸4的目标伸缩状态的过程如下：

(1)将矩形顶管机简化为8-UPU并联机构的运动学模型；并以机头1为动平台，筒身2为静平台，建立空间直角坐标系；其中，Q-XYZ为动平台坐标系，O-xyz为静平台坐标系。

(2)获取位置偏差P，采用下式求解矩形顶管机纠偏的目标姿态W'：

其中，W₀为动平台初始坐标，

为角度旋转矩阵，P为位置偏差，且满足：

(3)定义目标姿态W'中纠偏油缸4上铰链的坐标为(X_bi，Y_bi，Z_bi)，下铰链的坐标为(x_ai，y_ai，z_ai)，则纠偏油缸4上下铰链之间的距离l_i通过下式计算：

其中，(X_bi，Y_bi，Z_bi)在动平台坐标系上，(x_ai，y_ai，z_ai)在静平台坐标系上。

(4)根据各组纠偏组件的初始长度l₀和各组纠偏油缸4上下铰链之间的距离l_i计算各组纠偏油缸4的目标伸缩状态Δl_i，计算公式如下：

Δl_i＝l_i-l₀；

其中，Δl_i＞0时，表征纠偏油缸4应当伸长，Δl_i＜0时，表征纠偏油缸4应当缩短。

本实施例中，求解各个纠偏油缸4的目标伸缩状态需要确定矩形顶管机的运动学模型，考虑到矩形顶管机的结构复杂，直接描述机头1的坐标是比较困难的，运动学模型难以建立。但是，本实施例考虑在设备中，筒身2和机头1是由多个纠偏油缸4连接起来的，纠偏油缸4限制了机头1的运动方向，因此可以将矩形顶管机简化为“8-UPU并联机构”。并在机头1建立动平台坐标系Q-XYZ，坐标原点Q位于纠偏油缸4上铰链与机头1相交平面的中心，机头1法线方向为Z轴，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。在筒身2上建立静平台坐标系O-xyz，坐标原点O位于纠偏油缸4下铰链与筒身2相交平面的中心，筒身2法线方向为z轴，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。通过对动平台坐标系进行平移和旋转变换，则得到顶管机纠偏的目标姿态。

环境允许伸缩量计算单元103用于获取工况检测模块8的检测结果，并根据环境状态信息计算出当前工况下的环境系数，进而根据环境系数查询到当前工况下的环境允许伸缩量。环境允许伸缩量为各个纠偏油缸4在当前工况下的最大伸缩量。

其中，环境允许伸缩量计算单元103采用如下公式计算出当前工况下的环境系数A_环：

其中，k₁表示所述土壤复杂度ρ_土的加权系数；k₂表示所述水体复杂度ρ_水的加权系数；k₃表示所述受载情况特征值P_载的加权系数。

分析上式可以发现：当施工地段的土壤和水体越复杂时，环境允许伸缩量A的值越小，同理，当顶管机的受载越大时，环境允许伸缩量A的值也越小。

同时，数据处理模块10中还包括一个存储单元105，存储单元105中预先存储有一个根据专家经验确定的“环境系数-环境允许伸缩量对照表”。在对照表中，环境允许伸缩量A至少分为七级，环境系数的区间也被分为七个子区间，环境系数A_环的值位于不同子区间时，分别对应唯一的某级环境允许伸缩量A的值。

环境允许伸缩量计算机单元在计算出当前工况下的环境系数之后，通过查表法可以获得该工况下设备的环境允许伸缩量。在当前工况下，纠偏油缸4的每个纠偏动作的油缸实际伸缩量均不能大于该值。

在矩形顶管机顶进轨迹出现偏差后，纠偏油缸4通过伸缩完成纠偏过程，纠偏油缸4伸缩时，若一次性顶进到目标值长度，对土壤的扰动较大，容易造成纠偏油缸4过载，且由于顶管施工所处的地下空间土质情况十分复杂，影响顶管机姿态的因素很多，计算出的目标伸缩量l_si仅能起到参考作用，不能作为最终的实际伸缩量进行执行，根据目标伸缩量进行一次性纠偏时，可能会出现过纠和少纠现象，影响顶管机的顶进精度，故本实施例中对纠偏油缸4顶进过程分段处理，考虑施工土质复杂程度和顶管机受载情况，实时调整纠偏油缸每段的顶进量，增大纠偏对周围土体的适应性，提高顶管机顶进轨迹的精度。

本实施例中，实际伸缩量生成单元104用于获取各个纠偏油缸4的目标伸缩状态和位移传感器6的检测值，进而计算出各个纠偏油缸4的完成纠偏动作所需的目标伸缩量，然后根据目标伸缩量和当前工况下的环境允许伸缩量之间的关系，采用分时迁移微顶法生成每轮纠偏动作的实际伸缩量。实际伸缩量生成单元104中，每轮纠偏动作中各个纠偏油缸4的实际伸缩量的计算过程如下：

(1)根据各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i和油缸当前实际状态l，计算各组纠偏组件纠偏时所需完成的目标伸缩量l_si，计算公式如下：

l_si＝Δl_i-l；

(2)获取各组纠偏组件中目标伸缩量l_si的最大值，记为最大目标伸缩量l_smax；

(3)获取当前工况下的环境允许伸缩量A；比较环境允许伸缩量A和最大目标伸缩量l_smax的关系，作出如下决策：

ⅰ)当|l_smax|≤A时，则每次纠偏动作中，各组纠偏组件实际伸缩量l_Ri均等于计算出的目标伸缩量l_si；

ⅱ)当|l_smax|＞A时，则每次纠偏动作中，目标纠偏量l_si最大的纠偏油缸4的实际伸缩量l_Ri等于A，其余各组纠偏组件按比例伸缩，各自的实际伸缩量l_Ri满足下式：

本实施例中“分时迁移微顶法”的逻辑为，当计算出的纠偏油缸4的目标伸缩量均小于当前工况下的环境允许伸缩量时，则每个纠偏油缸4均按照计算出的目标伸缩量进行调整。当某些或全部纠偏油缸4的目标伸缩量大于当前工况在的环境允许伸缩量时，则目标伸缩量最大的那个纠偏油缸4按照环境允许伸缩量进行调节，其它纠偏油缸4则根据各自目标伸缩量的比例关系，按比例调节。这样既可以保证每个纠偏油缸4的调节效果和需要达到的调节状态保持一致，同时保证每个纠偏油缸4的调节量均不会超过当前工况的条件限制。

本实施例中，控制模块11包括顶进控制单元111和纠偏控制单元112。顶进控制单元111用于获取预设的顶进轨迹，将顶进轨迹分成若干个顶进单元，并控制顶进油缸5依次执行各个顶进单元的顶进动作。为了实现矩形顶管机的精细化控制，使得设备的掘进轨迹与目标轨迹更吻合，顶进控制单元111分割顶进轨迹时，每个顶进单元的距离不大于100mm。具体的，该实施中将每个顶进单元的距离设置为100mm，即每次顶进油缸5仅将机台向前顶进100mm。

纠偏控制单元112在顶进油缸5每执行一个顶进单元时，获取数据处理模块10计算出的纠偏组件中各个纠偏油缸4的实际伸缩量；并控制纠偏组件中的各个纠偏油缸4完成实际伸缩量的调整过程。

其中，纠偏控制单元112采用多缸同步策略完成各组纠偏油缸4执行纠偏动作的过程；多缸同步策略的执行过程具体包括如下步骤：

(1)获取主顶油缸41的伸缩量S_主和跟随油缸42的伸缩量S_次。

(2)计算主顶油缸41和跟随油缸42伸缩量的位移差ΔS，ΔS＝S_主-S_次。

(3)各组纠偏组件顶进过程中，根据位移差ΔS作出如下决策，以使主顶油缸41和所述跟随油缸42的顶进状态保持同步：

Ⅰ)若ΔS＞0.05mm，则增大跟随油缸42的油缸液压，并提升跟随油缸42的顶进速度。

Ⅱ)若ΔS＜0.05mm，则减小跟随油缸42的油缸液压，并降低跟随油缸42的顶进速度。

为了使得本实施例提供的一种动态纠偏的自寻的矩形顶管机的原理和优异性能能够被清晰的体现出来。本实施例进一步结合图11，对该型矩形顶管的工作流程进行说明。

该型矩形顶管机在运行过程，根据预设的轨迹掘进隧道，控制模块11中的顶进控制单元111将理想的掘进轨迹按照每100mm为一个顶进单元分割成多段。顶进控制单元111每顶进油缸5完成一个顶进单元之后，设备开始执行依次纠偏过程。

纠偏过程的一个完整的周期如下：首先由位置偏差计算单元101获取位姿测量模块7检测到的矩形顶管机的姿态信息，然后根据姿态信息计算出矩形顶管机当前的位置偏差。

接着根据建立的矩形顶管机简化模型的坐标数据，以及计算出的矩形顶管机当前的位置偏差，求解出矩形顶管机的目标伸缩状态。当矩形顶管机的位置偏差过大时，矩形顶管机当前的目标伸缩状态和实际伸缩状态差异较大，需要对矩形顶管机进行纠偏调节。当矩形顶管机的位置偏差过小时，矩形顶管机当前的目标伸缩状态和实际伸缩状态差异较小，无需对矩形顶管机进行纠偏调节，则跳过纠偏动作的执行(或理解为仍继续执行纠偏动作，但是实际执行的纠偏幅度为0)。

实际伸缩量生成单元104会接收求解出的矩形顶管机当前的目标伸缩状态。同时，工况检测模块8会检测出矩形顶管机当前工况下的环境状态信息，环境状态信息发送给环境允许量计算单元，环境允许量计算单元先计算出环境系数，然后通过查表法计算出环境允许伸缩量。查询到的环境允许伸缩量发送给实际伸缩量生成单元104，实际伸缩量生成单元104采用“分时迁移微顶法”计算出每个纠偏油缸4执行纠偏动作时的实际伸缩量。

控制模块11中的纠偏控制单元112，获取生成的实际伸缩量之后，控制纠偏油缸4执行纠偏动作完成实际伸缩量的调节目标。

此外，在本实施例中，考虑到当矩形顶管机的因为特殊情况出现较大偏差时，通过纠偏油缸4可能无法实现纠偏调整。因此，本实施例在矩形顶管机上还设置了一个警报模块12。控制模块11在执行纠偏动作时，还获取目标伸缩状态计算单元102计算出的各个纠偏油缸4的目标伸缩状态，并将目标伸缩量状态与相应的纠偏油缸4的理论行程范围进行对比。当某个纠偏油缸4的目标伸缩状态超出其理论行程范围时，控制模块11向警报模块12下达指令，警报模块12发出一个报警信号。

实施例3

实施例2中，矩形顶管机的数据处理模块10属于矩形顶管机自身的一部分，该矩形顶管机在运行过程，可以完成数据采集(即：位移传感器6、位姿测量模块7、工况检测模块8的工作内容)，数据分析和处理(即：数据处理模块10的工作内容)，动态纠偏控制(即：控制模块11的工作内容)和异常报警的四项内容。

而在本实施例提供的一种动态纠偏的自寻的矩形顶管机与实施例1的区别在于：本实施例中，考虑设备在运行过程中涉及的数据量较大，数据计算处理的压力较高。而矩形顶管机设备空间较为狭窄，工作环境较为严苛，高温、燥热；设备自带的数据处理模块10体积和散热性能有限，难以部署高性能的计算设备，因而无法满足数据处理任务的算力要求。为了解决上述问题，本实施例设置专门的后台数据库和服务器14来帮助完成数据处理部分的工作内容。服务器14和后台数据库可以设置在远离设备现场的环境下。如图12所示，在这一类设备中，数据处理模块10被后台数据库和服务器14替代，同时需要在矩形顶管机中增加通讯模块13，通讯模块13将位移传感器6、位姿测量模块7、工况检测模块8的检测结果传输到服务器14中，并将服务器14计算出的每个纠偏动作中各个纠偏油缸4的实际伸缩量传输给控制器，进而由控制器控制矩形顶管机的顶进和纠偏过程。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其用于在顶管机的顶进轨迹与预设轴线出现位置偏差时，对所述矩形顶管机的姿态进行实时的分时迁移调整；其特征在于，包括如下步骤：

S1：按照预设的采样频率实时获取所述矩形顶管机的当前姿态信息；

S2：根据所述当前姿态信息计算所述矩形顶管实时的位置偏差P；

S3：根据所述位置偏差P，通过所述矩形顶管机的运动学简化模型计算各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i；所述纠偏组件采用纠偏油缸作为执行机构；

S4：获取所述矩形顶管机当前工况下的环境状态信息，计算出当前工作区间内的环境系数A_环；

S5：根据所述环境系数A_环通过查表法获取当前工作区间内纠偏油缸的环境允许伸缩量A；

S6：读取所述各组纠偏组件中纠偏油缸的目标伸缩状态Δl_i和当前工作区间的所述环境允许伸缩量A，并通过分时迁移微顶法计算各组纠偏组件每次纠偏动作的实际伸缩量l_Ri；

S7：在所述矩形顶管机的推进油缸每向前顶进一个预设的顶进单元时，控制各组纠偏组件中的纠偏油缸执行一次纠偏动作，直至所述矩形顶管机重新回到预设轴线；其中，所述纠偏动作中各纠偏油缸完成相应的实际伸缩量l_Ri的执行。

2.根据权利要求1所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S1中，所述当前姿态信息包括矩形顶管机的俯仰角α，方位角β，和滚动角θ。

3.根据权利要求2所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S2，所述位置偏差P包括水平偏差B、竖直偏差C和侧翻角γ；各自的计算公式如下：

B＝L·tanα，

C＝L·tanβ，

γ＝θ

其中，水平偏差B表示所述矩形顶管机的机头中心到所述预设轴线之间的水平距离；竖直偏差C表示所述矩形顶管机的机头中心到所述预设轴线之间的竖直距离；γ为顶管机机头沿轴线翻转过的角度；L表示所述矩形顶管机的筒身末端中心至机头中心的距离。

4.根据权利要求3所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S3中，各组纠偏组件中所述纠偏油缸的目标伸缩状态Δl_i的计算方法如下：

S31：将所述矩形顶管机简化为8-UPU并联机构的运动学模型；并以机头部分为动平台，筒身为静平台，建立空间直角坐标系；其中，Q-XYZ为动平台坐标系，O-xyz为静平台坐标系；

S32：获取所述位置偏差P，在建立的坐标系下，采用下式求解矩形顶管机纠偏的目标姿态W'：

其中，W₀为动平台初始坐标，

为角度旋转矩阵，P为位置偏差，且满足：

S33：定义所述目标姿态W'中纠偏油缸上铰链的坐标为(X_bi，Y_bi，Z_bi)，下铰链的坐标设为(x_ai，y_ai，z_ai)，则所述纠偏油缸上下铰链之间的距离l_i通过下式计算：

其中，(X_bi，Y_bi，Z_bi)在动平台坐标系上，(x_ai，y_ai，z_ai)在静平台坐标系上；

S34：根据纠偏油缸的初始长度l₀和各组所述纠偏油缸上下铰链之间的距离l_i计算各组所述纠偏油缸的目标伸缩状态Δl_i，计算公式如下：

Δl_i＝l_i-l₀；

其中，Δl_i＞0时，表征纠偏油缸应当伸长，Δl_i＜0时，表征纠偏油缸应当缩短。

5.根据权利要求4所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S4中，所述环境状态信息包括：施工地段的土壤复杂度ρ_土，施工地段的水体复杂度ρ_水和施工时所述矩形顶管机的受载情况特征值P_载；

所述环境系数A_环的计算公式如下：

其中，k₁表示所述土壤复杂度ρ_土的加权系数；k₂表示所述水体复杂度ρ_水的加权系数；k₃表示所述受载情况特征值P_载的加权系数。

6.根据权利要求5所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S5中，根据专家经验建立所述环境允许伸缩量A和所述环境系数A_环之间的映射关系；得到一个表征二者对应关系的关系对照表；所述关系对照表中，环境允许伸缩量A至少分为七级，所述环境系数A_环的区间分为相应数量的子区间，当所述环境系数A_环位于不同区间时分别对应唯一的环境允许伸缩量A的值。

7.根据权利要求6所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S6中，每次纠偏动作的实际伸缩量l_Ri的计算过程如下：

S61：根据各组纠偏组件中纠偏油缸的目标伸缩状态Δl_i和油缸当前实际状态l，计算各组纠偏组件纠偏时所需完成的目标伸缩量l_si，计算公式如下：

l_si＝Δl_i-l；

S62：获取各组纠偏组件中目标伸缩量l_si的最大值，记为最大目标伸缩量l_smax；

S63：获取当前工况下的环境允许伸缩量A；比较所述环境允许伸缩量A和所述最大目标伸缩量l_smax的关系，作出如下决策：

(1)当|l_smax|≤A时，则每次纠偏动作中，各组纠偏组件实际伸缩量l_Ri均等于计算出的目标伸缩量l_si；

(2)当|l_smax|＞A时，则每次纠偏动作中，目标纠偏量l_si最大的纠偏油缸的实际伸缩量l_Ri等于A，其余各组纠偏组件按比例伸缩，各自的实际伸缩量l_Ri满足下式：

8.根据权利要求1所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S3中，计算出各组纠偏组件的目标伸缩状态Δl_i之后，还将所述目标伸缩状态Δl_i与对应的各组纠偏油缸的理论行程范围进行比较；当某组纠偏组件的所述目标伸缩状态Δl_i超出相应纠偏油缸的理论行程范围时，所述矩形顶管机停止后续步骤的执行，并发出一个报警信号。

9.根据权利要求1所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：步骤S7中，所述推进油缸向前推进的每个预设的推进单元的推进距离为100mm。

10.根据权利要求1所述的矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，其特征在于：所述矩形顶管机中，各组纠偏组件的油缸数均为两个，定义二者分别为主顶油缸J_主和跟随油缸J_次，步骤S7中，各组纠偏组件采用多缸同步策略执行各个纠偏动作；所述多缸同步策略的执行方法如下：

获取所述主顶油缸J_主的伸缩量S_主和所述跟随油缸J_次的伸缩量S_次；

计算所述主顶油缸J_主和所述跟随油缸J_次伸缩量的位移差ΔS，ΔS＝S_主-S_次；

各组纠偏组件顶进过程中，根据所述位移差ΔS作出如下决策，以使所述主顶油缸J_主和所述跟随油缸J_次的顶进状态保持同步：

(1)若ΔS＞0.05mm，则增大跟随油缸J_次的油缸液压，并提升跟随油缸J_次的顶进速度；

(2)若ΔS＜0.05mm，则减小跟随油缸J_次的油缸液压，并降低跟随油缸J_次的顶进速度。

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