CN114102604B - 一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法。本发明涉及隧道施工技术领域，本发明根据三个凿岩机械臂的工作范围为将凿岩孔划分为左臂作业区、右臂作业区和中臂作业区，并按照孔类型对凿岩孔进行分类；规划左臂作业区和右臂作业区中孔类型作业顺序，根据不同类型孔的位置分布；分别确定三个作业区中凿岩孔序的起点和终点；在左臂作业区和右臂作业区中分别确定五类孔集合的起止点；利用遗传算法以路径长度最短为指标优化左臂和右臂作业区中五类孔集合的孔序，中臂作业区中，使用贪心算法逐一取点组成孔序，完成孔序自动规划。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，是一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法。
背景技术
三臂凿岩台车是一种应用于凿岩作业的大型隧道工程机械，目前仍采用人工操纵方式作业。由于隧道建设过程中面临着岩爆、坍塌以及突泥涌水等风险，三臂凿岩台车全自动无人化作业成为了现阶段研究的重点。
三臂凿岩台车的作业任务是控制三个凿岩机械臂按照拟定的凿岩孔作业顺序完成掌子面上的钻孔工作，每个机械臂需要完成的凿岩孔数量大致相同。凿岩孔序设计的是否合理极大程度上影响了作业效率与机械臂之间的碰撞风险。传统的孔序规划是利用人工手动规划完成的，单次凿岩作业需要规划的孔数约为160个，因此对于数目众多的凿岩孔，人工孔序规划的规划难度大且无法获得高效率和高安全性的孔序。
发明内容
本发明为了解决现有人工规划技术存在规划结果作业效率低、臂杆碰撞风险高的技术问题，本发明提供了一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法。本发明提供了以下技术方案：
一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法，包括以下步骤：
步骤1：根据三个凿岩机械臂的工作范围为将凿岩孔划分为左臂作业区、右臂作业区和中臂作业区，并按照孔类型对凿岩孔进行分类；
步骤2：规划左臂作业区和右臂作业区中孔类型作业顺序，根据不同类型孔的位置分布，设置孔类型的作业顺序为：底板孔、开槽孔、辅助孔、内轮廓孔和外轮廓孔；
步骤3：分别确定三个作业区中凿岩孔序的起点和终点；
步骤4：在左臂作业区和右臂作业区中分别确定五类孔集合的起止点；
步骤5：利用遗传算法以路径长度最短为指标优化左臂和右臂作业区中五类孔集合的孔序，通过将各类孔集合的孔序相连得到左臂作业区和右臂作业区的孔序；
步骤6：中臂作业区中，使用贪心算法逐一取点组成孔序，完成孔序自动规划。
优选地，所述步骤1具体为：通过MATLAB读取包含凿岩孔信息的XML格式文件，根据文件中孔类型标签将凿岩孔分类，根据凿岩孔的坐标绘制凿岩孔分布图，根据机械臂运动空间的分析结果将凿岩孔分为左臂作业区、右臂作业区和中臂作业区。
优选地，所述步骤3具体为：左臂作业区中以左下角的底板孔为起始凿岩孔，以左下角的外轮廓孔为终止凿岩孔；右臂作业区中以左下角底板凿岩孔为起始凿岩孔，右下角外轮廓孔为终止凿岩孔；中臂作业区中以最左侧凿岩孔为起始凿岩孔，以最上侧凿岩孔为终止凿岩孔。
优选地，所述步骤4中确定起止点的原则为：在同一类型孔集合中，终点为距离起点最远的凿岩孔；后一类型孔集合中的起点为距离前一类型孔集合终点最近的凿岩孔。
优选地，所述步骤6具体为：
在中臂作业区中，孔序中第i号孔的评价函数通过下式表示：
fi＝di-1,i+1/di,n
其中，di-1,i为第i号孔与孔序中前一孔的距离，di,n为第i号孔与中臂作业区终止凿岩孔的距离；
以中臂作业区起始凿岩孔作为孔序的起点，使用贪心算法依次从中臂作业区孔集合中选取使得评价函数最小的孔作为下一节点，直到分配完中臂作业区中所有凿岩孔；至此三个工作区的孔序规划均以完成，完成规划。
本发明具有以下有益效果：
本发明为了解决了同类型孔不能集中作业和孔序杂乱的问题，左臂和右臂作业区孔类型种类高达五种，按孔类型分类得到不同类型孔的集合，在各类型孔集合中规划孔序实现同类型孔集中处理，同时采用设置各类型孔集合孔序起点和终点的方式，避免了不同类型孔集合的孔序在连接时出现单步移动过长的问题，减少了凿岩机械臂在凿岩孔之间的移臂距离，提高了凿岩作业效率；解决了三臂同时作业时中臂与容易其他两臂发生碰撞的问题，当前孔与孔序中的前一孔距离越近则凿岩作业时机械臂运动量越少，通过综合当前孔与前一孔的距离以及当前孔与终点孔距离设计目标函数，能够让远离中臂工作区终点孔的凿岩孔先被纳入孔序中，从而实现中臂工作区的孔序呈现由下至上和由外至内的趋势，因此中臂在作业时逐渐远离左臂和右臂工作区，降低了臂杆碰撞的风险，极大提高了作业的安全性。
附图说明
图1为凿岩孔分布图；
图2为孔序起止点示意图；
图3为中臂作业区孔序规划原理图；
图4为孔序规划结果图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图4所示，为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法：
一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法，包括以下步骤：
步骤1：根据三个凿岩机械臂的工作范围为将凿岩孔划分为左臂作业区、右臂作业区和中臂作业区，并按照孔类型对凿岩孔进行分类；
所述步骤1具体为：通过MATLAB读取包含凿岩孔信息的XML格式文件，根据文件中孔类型标签将凿岩孔分类，根据凿岩孔的坐标绘制凿岩孔分布图，根据机械臂运动空间的分析结果将凿岩孔分为左臂作业区、右臂作业区和中臂作业区。如图1所示。
步骤2：规划左臂作业区和右臂作业区中孔类型作业顺序，根据不同类型孔的位置分布，设置孔类型的作业顺序为：底板孔、开槽孔、辅助孔、内轮廓孔和外轮廓孔；
步骤3：分别确定三个作业区中凿岩孔序的起点和终点；
所述步骤3具体为：左臂作业区中以左下角的底板孔为起始凿岩孔，以左下角的外轮廓孔为终止凿岩孔；右臂作业区中以左下角底板凿岩孔为起始凿岩孔，右下角外轮廓孔为终止凿岩孔；中臂作业区中以最左侧凿岩孔为起始凿岩孔，以最上侧凿岩孔为终止凿岩孔。三个作业区孔序的起止点如图2所示。
步骤4：在左臂作业区和右臂作业区中分别确定五类孔集合的起止点；所述步骤4中确定起止点的原则为：在同一类型孔集合中，终点为距离起点最远的凿岩孔；后一类型孔集合中的起点为距离前一类型孔集合终点最近的凿岩孔。
步骤5：利用遗传算法以路径长度最短为指标优化左臂和右臂作业区中五类孔集合的孔序，通过将各类孔集合的孔序相连得到左臂作业区和右臂作业区的孔序；
步骤6：中臂作业区中，使用贪心算法逐一取点组成孔序，完成孔序自动规划。
所述步骤6具体为：
在中臂作业区中，孔序中第i号孔的评价函数通过下式表示：
fi＝di-1,i+1/di,n
其中，di-1,i为第i号孔与孔序中前一孔的距离，di,n为第i号孔与中臂作业区终止凿岩孔的距离，如图3所示；
以中臂作业区起始凿岩孔作为孔序的起点，使用贪心算法依次从中臂作业区孔集合中选取使得评价函数最小的孔作为下一节点，直到分配完中臂作业区中所有凿岩孔；至此三个工作区的孔序规划均以完成，完成规划结果如图4所示。
以上所述仅是一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法的优选实施方式，一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：根据三个凿岩机械臂的工作范围为将凿岩孔的分布图划分为左臂作业区、右臂作业区和中臂作业区，并按照孔类型对凿岩孔进行分类；
步骤2：规划左臂作业区和右臂作业区中凿岩孔类型作业顺序，根据不同类型凿岩孔的位置分布，设置凿岩孔类型的作业顺序为：底板孔、开槽孔、辅助孔、内轮廓孔和外轮廓孔；
步骤3：分别确定左臂作业区、右臂作业区、中臂作业区中凿岩孔序的起始凿岩孔和终止凿岩孔；
所述步骤3具体为：左臂作业区中以左下角的底板孔为起始凿岩孔，以左下角的外轮廓孔为终止凿岩孔；右臂作业区中以左下角底板孔为起始凿岩孔，右下角外轮廓孔为终止凿岩孔；中臂作业区中以最左侧凿岩孔为起始凿岩孔，以最上侧凿岩孔为终止凿岩孔；
步骤4：在左臂作业区和右臂作业区中分别确定五种类型的凿岩孔集合的起点和终点；
所述步骤4中确定起点和终点的原则为：在同一类型凿岩孔集合中，终点为距离起点最远的凿岩孔；后一类型凿岩孔集合中的起点为距离前一类型凿岩孔集合终点最近的凿岩孔；
步骤5：利用遗传算法以路径长度最短为指标优化左臂作业区和右臂作业区中五种类型的凿岩孔集合的孔序，通过将各类型的凿岩孔集合的孔序相连得到左臂作业区和右臂作业区的孔序；
步骤6：中臂作业区中，使用贪心算法逐一取点组成孔序，完成孔序自动规划；
所述步骤6具体为：
在中臂作业区中，孔序中第i号凿岩孔的评价函数通过下式表示：
其中，为第i号凿岩孔与孔序中前一凿岩孔的距离，/>为第i号凿岩孔与中臂作业区终止凿岩孔的距离；
以中臂作业区起始凿岩孔作为孔序的起点，使用贪心算法依次从中臂作业区孔集合中选取使得评价函数最小的孔作为下一节点，直到分配完中臂作业区中所有凿岩孔；至此左臂作业区、右臂作业区、中臂作业区的孔序规划均已完成，完成规划。
2.根据权利要求1所述的一种应用于三臂凿岩台车的孔序自动规划方法，其特征是：所述步骤1具体为：通过MATLAB读取包含凿岩孔信息的XML格式文件，根据文件中凿岩孔类型标签将凿岩孔分类，根据凿岩孔的坐标绘制凿岩孔分布图，根据机械臂运动空间的分析结果将凿岩孔的分布图分为左臂作业区、右臂作业区和中臂作业区。
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