CN116291519A - 盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，包括如下步骤：获取盾构施工的设计隧道轴线；实时获取盾构机的盾构姿态，确定盾构施工控制轴线；控制盾构机进行掘进施工，当盾构机掘进施工偏离盾构施工控制轴线时，对盾构机进行纠偏：在盾构机上选取一特征点，基于所选取的特征点和盾构姿态确定盾构机与盾构施工控制轴线相重合的回归距离；生成纠偏曲线并控制盾构机进行掘进施工，直至盾构机回归到盾构施工控制轴线上。本发明在盾构姿态超出安全区域、偏离设定路径后能完成纠偏路径的自动规划，并自适应主动控制盾构机进行自主掘进，降低施工风险并确保隧道高质量建造。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道装备技术领域，特指一种盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法。
背景技术
目前，在长达数公里乃至十余公里的盾构隧道掘进施工过程中，盾构轴线的主流操作方法依然是盾构司机凭经验手动控制推力系统分区油压从而完成纠偏操作。在我国隧道施工规模快速扩大，成熟盾构司机稀缺的背景下，这种基于人工经验的控制方法蕴藏着很大的工程风险。同时，大量的都市核心区高难度穿越和推拼同步等现代化高效盾构施工技术的推广，仅靠经验和粗略计算已经无法满足要求。因此，亟需提供一种新的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，解决现有的盾构纠偏倚靠盾构司机经验手动操作存在的经验受限、工程风险大以及成熟盾构司机稀缺的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，包括如下步骤：
获取盾构施工的设计隧道轴线；
在盾构机施工的过程中，实时获取盾构机的盾构姿态，根据所述盾构机的盾构姿态与所述设计隧道轴线在高程方向上需保持的空间位置关系确定盾构施工控制轴线；
依据所确定的盾构施工控制轴线控制盾构机进行掘进施工，当盾构机掘进施工偏离所述盾构施工控制轴线时，对所述盾构机进行纠偏：
在所述盾构机上选取一特征点，基于所选取的特征点和盾构姿态确定盾构机与所述盾构施工控制轴线相重合的回归距离；
基于所选取的特征点、盾构姿态以及回归距离生成纠偏曲线；
依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工，直至盾构机回归到盾构施工控制轴线上从而完成盾构机的纠偏。
本发明的控制方法以实现当盾构姿态超出安全区域、偏离设定路径后完成纠偏路径的自动规划，并自适应主动控制盾构机进行自主掘进，解决了当前盾构司机驾驶经验受限导致的工程风险大的问题，降低施工风险并确保隧道高质量建造。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，确定回归距离的步骤包括：
判断盾构机相对于所述盾构施工控制轴线的特征点姿态是否大于50mm；
若否，则进一步判断盾构机沿当前盾构姿态向前掘进时是否会与所述盾构施工控制轴线相交；
若进一步判断的结果为是，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进与所述盾构施工控制轴线相交位置点间的距离n1，若n1>l，则令回归距离s＝l，若n1≤l，则令回归距离s＝n1，其中l表示盾构机的长度；
若进一步判断的结果为否，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距50mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n2，若n2>5，则令回归距离s＝l，若n2≤5，则令回归距离s＝l+5-n2；
若是，则进一步判断盾构机沿当前盾构姿态向前掘进时是否会与所述盾构施工控制轴线相交；
若进一步判断的结果为是，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距50mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n3，若n3>l，则令回归距离s＝2l，若n3≤l，则令回归距离s＝l+n3；
若进一步判断的结果为否，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距100mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n4，若n4>5，则令回归距离s＝2l，若n4≤5，则令回归距离s＝3l-n4。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，在确定回归距离时，针对管片间隙对回归距离的影响进行判定：
获取当前管片的最小间隙；
判断所获取的当前管片的最小间隙是否大于设定间隙的一半；
若是，则忽略管片间隙对回归距离的影响；
若否，则判断当前管片的最小间隙的变化趋势，若当前管片的最小间隙的变化趋势为变小，则设定管片间隙调整环数T为3环；若当前管片的最小间隙的变化趋势为变大，则设定管片间隙调整环数T为2环；
利用如下纠偏距离公式计算得到最终的回归距离：
D＝(s+T×m)×k
式中，D表示最终的回归距离，s表示由盾构姿态影响而确定的回归距离，T表示考虑管片间隙而确定的调整环数，m表示管片宽度，k表示土质因素对回归距离的影响参数。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，在确定回归距离时，分别计算盾构机在水平方向和高程方向上对应的回归距离，最终回归距离以水平方向和高程方向上的较大值进行确定。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，生成纠偏曲线的步骤包括：
若基于当前的盾构姿态确定盾构机的掘进方位偏离盾构施工控制轴线，则生成的纠偏曲线包括圆弧形曲线段和逐渐向着所述盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段，且所述圆弧形曲线段和所述弧形曲线段位于所述盾构施工控制轴线上盾构机所在的一侧；
若基于当前的盾构姿态确定盾构机的掘进方位偏向盾构施工控制轴线，则判断当前盾构机的轴线与盾构施工控制轴线的夹角是否小于等于临界角，若是，则生成的纠偏曲线包括逐渐向着盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段；若否，则生成的纠偏曲线包括圆弧形曲线段和逐渐向着盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段，且圆弧形曲线段的两端位于所述盾构施工控制轴线的两侧。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工时，将所述纠偏曲线根据设定距离进行划分形成多个纠偏区段；
基于划分形成的纠偏区段，确定每一纠偏区段的终点处的盾构机的目标转向角度；
依据确定的目标转向角度对盾构机进行纠偏控制。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工时，利用如下三个闭环计算公式计算得到目标总推力矢量：
式中，u1(t)表示输出的目标总推力，e1(t)表示盾构目标推进速度与实际推进速度的差值，u2(t)表示输出的目标垂直合力矩，e2(t)表示盾构高程目标转向角度与实际高程转向角度的差值，u3(t)表示输出的目标水平合力矩，e3(t)表示盾构水平目标转向角度与实际水平转向角度的差值，Kp1、Kp2和Kp3表示比例系数，Tt1、Tt2和Tt3表示积分时间常数，TD1、TD2和TD3表示微分时间常数；
利用所得到的目标总推力矢量控制盾构机进行掘进施工。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工的过程中，对纠偏质量进行判断：
获取盾构机的实际转向变化角度α；
设定盾构机的目标转向角度为α0，
若满足-△2≤α-α0≤△1，则判定纠偏质量合格，否则判定纠偏质量不合格，其中△1和△2表示容错角度值。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工的过程中，判断如下四个条件：
|α盾-α设|≥△3，|β盾-β设|≥△3，|P盾-P设|≥△4，|G盾-G设|≥△4，
其中，α盾表示盾构机在平面方向的实际转向角度，α设表示盾构机在平面方向的目标转向角度，β盾表示盾构机在高程方向的实际转向角度，β设表示盾构机在高程方向的目标转向角度，P盾表示特征点在平面方向的偏差实际值，P设表示特征点在平面方向的偏差目标值，G盾表示特征点在高程方向的偏差实际值，G设标准特征点在高程方向的偏差目标值，△3表示盾构转向角度容错值，△4表示特征点偏差容错值；
若上述四个条件中满足任意一个，则重新生成纠偏曲线。
本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的进一步改进在于，在控制盾构机进行掘进施工的过程中，判断如下四个停机条件：
盾构机当前姿态已超限；
预测盾构机在下一施工区段完成后姿态将超限；
纠偏质量不合格累计次数大于等于设定次数；
盾构姿态的单次变化量大于等于设定量；
若上述四个停机条件满足任意一个，则停止控制盾构机施工。
附图说明
图1为本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的流程图。
图2为本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法中设计隧道轴线、盾构施工控制轴线以及盾构机访问的结构示意图。
图3为本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法中的第一种纠偏曲线的结构示意图。
图4为本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法中第二种纠偏曲线的结构示意图。
图5为本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法中第三种纠偏曲线的结构示意图。
图6为本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法中总推力矢量经闭合控制计算后变化示意图。
图7至图10为本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法中计算回归距离的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，以实现当盾构姿态超出安全区域、偏离设定路径后完成纠偏路径的自动规划，并以推力矢量自适应主动控制为手段进行自主掘进，解决了当盾构司机驾驶经验受限导致的施工质量不佳及工程风险大的问题，从而降低了施工风险，确保隧道高质量建造。下面结合附图对本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法进行说明。
参阅图1，显示了本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法的流程图。下面结合图1，对本发明盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法进行说明。
如图1所示，本发明的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法包括如下步骤：
执行步骤S11，获取盾构施工的设计隧道轴线；接着执行步骤S12；
执行步骤S12，在盾构机施工的过程中，实时获取盾构机的盾构姿态，根据盾构机的盾构姿态与设计隧道轴线在高程方向上需保持的空间位置关系确定盾构施工控制轴线；接着执行步骤S13；
执行步骤S13，依据所确定的盾构施工控制轴线控制盾构机进行掘进施工，当盾构机掘进施工偏离盾构施工控制轴线时，对盾构机进行纠偏：接着执行步骤S14；
执行步骤S14，在盾构机上选取一特征点，基于所选取的特征点和盾构姿态确定盾构机与盾构施工控制轴线相重合的回归距离；接着执行步骤S15；
执行步骤S15，基于所选取的特征点、盾构姿态以及回归距离生成纠偏曲线；接着执行步骤S16；
执行步骤S16，依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工，直至盾构机回归到盾构施工控制轴线上从而完成盾构机的纠偏。
本发明的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法适用于盾构机在手动驾驶模式下进洞并穿越加固区一段距离后，对盾构机进行自主掘进控制。通过观察盾构姿态和成型隧道质量确定盾构机与DTA(设计隧道轴线)两者在高程方向上需要保持的空间位置关系，认为可初步确定一个盾构姿态设定控制目标。如图2所示，显示的盾构机20的盾构姿态即为设定的控制目标。因此，结合盾构姿态设定控制目标和DTA可确定一个CDTA(盾构施工控制轴线)。图2中的F1为设计隧道轴线，F2为盾构施工控制轴线。将盾构机20简化为一个带特征点21的有向线段，特征点21为在盾构机20上选择的一个位置点，可选取切口或者盾尾姿态监测点作为特征点，有向线段的方向即盾构机中轴线22上从盾尾指向切口方向。
在本发明的一种具体实施方式中，预先给定盾构姿态安全区域设定值和盾构姿态超限值，根据与路径规划相关的关键实测数据(包括盾构实时姿态、盾尾间隙、推进系统行程差等)以及基本参数(包括盾构机与管片的结构参数、盾构姿态安全区域设定值、盾构姿态超限值等)确定回归距离，即盾构机需要经过一段回归距离后重新达到盾构姿态设定控制目标。
进一步地，确定回归距离的步骤包括：
判断盾构机相对于所述盾构施工控制轴线的特征点姿态是否大于50mm；特征点姿态可为盾构机上选取的任一位置点的姿态，较佳地，特征点姿态为切口姿态或者盾尾姿态，也即计算切口处监测点或盾尾处监测点距盾构施工控制轴线的垂直距离是否大于50mm。
若否，则进一步判断盾构机沿当前盾构姿态向前掘进时是否会与所述盾构施工控制轴线相交；
结合图7所示，若进一步判断的结果为是，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进与所述盾构施工控制轴线相交位置点间的距离n1，若n1>l，则令回归距离s＝l，若n1≤l，则令回归距离s＝n1，其中l表示盾构机的长度；
结合图8所示，若进一步判断的结果为否，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距50mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n2，若n2>5，则令回归距离s＝l，若n2≤5，则令回归距离s＝l+5-n2；
若是，则进一步判断盾构机沿当前盾构姿态向前掘进时是否会与所述盾构施工控制轴线相交；
结合图9所示，若进一步判断的结果为是，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距50mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n3，若n3>l，则令回归距离s＝2l，若n3≤l，则令回归距离s＝l+n3；
结合图10所示，若进一步判断的结果为否，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距100mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n4，若n4>5，则令回归距离s＝2l，若n4≤5，则令回归距离s＝3l-n4。
回归距离s表示因水平方向或者高程方向盾构姿态造成的纠偏回归距离。进一步地，在确定回归距离时，分别计算盾构机在水平方向和高程方向上对应的回归距离，最终回归距离以水平方向和高程方向上的较大值进行确定。
在本发明的一种具体实施方式中，在确定回归距离时，针对管片间隙对回归距离的影响进行判定：
获取当前管片的最小间隙；在针对水平方向的回归距离进行计算时，获取当前管片在水平方向上的最小间隙，在针对高程方向的回归距离进行计算时，获取当前管片在高程方向上的最小间隙；
判断所获取的当前管片的最小间隙是否大于设定间隙的一半；
若是，则忽略管片间隙对回归距离的影响；
若否，则判断当前管片的最小间隙的变化趋势，若当前管片的最小间隙的变化趋势为变小，则设定管片间隙调整环数T为3环；若当前管片的最小间隙的变化趋势为变大，则设定管片间隙调整环数T为2环；
利用如下纠偏距离公式计算得到最终的回归距离：
D＝(s+T×m)×k
式中，D表示最终的回归距离，s表示由盾构姿态影响而确定的回归距离，T表示考虑管片间隙而确定的调整环数，m表示管片宽度，k表示土质因素对回归距离的影响参数，取值为0～1，在计算之前可预先设定。
其中的管片间隙也即盾尾间隙，是盾尾处当前拼装的管片与盾尾之间的间隙。
在计算管片间隙对回归距离的影响时，分别针对水平方向上的回归距离和高程方向上的回归距离进行计算，然后得到水平方向上的最终回归距离和高程方向上的最终回归距离，接着在从两者中选取较大值作为生成纠偏曲线用的最终回归距离。
在本发明的一种具体实施方式中，综合当前盾构机上的特征点的空间位置和盾构机偏离CDTA的角度方向等信息完成纠偏曲线的规划。规划纠偏曲线本质上是由盾构机特征点目标位置组合形成的轨迹。
生成纠偏曲线的步骤包括：
若基于当前的盾构姿态确定盾构机的掘进方位偏离盾构施工控制轴线，结合图3所示，则生成的纠偏曲线包括圆弧形曲线段31和逐渐向着盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段32，且圆弧形曲线段31和弧形曲线段32位于盾构施工控制轴线上盾构机所在的一侧；
若基于当前的盾构姿态确定盾构机的掘进方位偏向盾构施工控制轴线，则判断当前盾构机的轴线与盾构施工控制轴线的夹角是否小于等于临界角，若是，结合图4所示，则生成的纠偏曲线包括逐渐向着盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段33；若否，结合图5所示，则生成的纠偏曲线包括圆弧形曲线段34和逐渐向着盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段35，且圆弧形曲线段34的两端位于盾构施工控制轴线的两侧。
较佳地，临界角为45°。
在设定好纠偏曲线后，控制盾构机沿着设定的纠偏曲线进行掘进施工，直至盾构机达到回归距离后盾构机的姿态能够达到目标姿态。
进一步地，若盾构机当前的盾构姿态为与盾构施工控制轴线相平行或者斜向下朝向盾构施工控制轴线，则判断盾构机的掘进方向是偏向盾构施工控制轴线。否则即为偏离盾构施工控制轴线。在设计纠偏曲线时，盾构机的当前位置即为纠偏曲线的始点，回归距离的末端所对应的盾构施工控制轴线上的位置点即为纠偏曲线的终点，若纠偏曲线为圆弧形曲线段+弧形曲线段，则在纠偏曲线的始点和终点之间选取一连接点，在始点和连接点之间设计圆弧形曲线段，在连接点和终点之间设计弧形曲线段；若纠偏曲线为弧形曲线段，则在始点和终点之间设计一条缓和曲线，让曲线逐渐地靠近盾构施工控制轴线。在生成圆弧形曲线段时，设定一圆弧半径和一圆心角，依据设定的圆弧半径和圆心角在连接点和终点之间得到一条圆弧形曲线段，其中的圆弧半径的范围是500m至2000m，圆心角的范围是0°至90°，在生成圆弧形曲线段时，可随机的在上述范围中选取一个数值。在生成弧形曲线段时，在始点(或连接点)至终点之间采用三次多项式线型y＝a×x3+b×x2+c×x+d，需满足四个条件：
①在始点(或连接点)处，即x＝0时，y为盾构机当前特征点相对于施工控制轴线的姿态偏差值；
②在始点(或连接点)处，即x＝0时，y为盾构机当前特征点相对于施工控制轴线的姿态偏差值；y的一阶导数(即y’)为盾构机当前姿态与施工控制轴线夹角的正切值；
③在终点处，y为0；
④在终点处，y的一阶导数(即y’)为盾构机设定控制目标姿态与施工控制轴线夹角的正切值；
通过上述四个条件即可求出a、b、c、d四个未知参数。
在本发明的一种具体实施方式中，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工时，将纠偏曲线根据设定距离进行划分形成多个纠偏区段；
基于划分形成的纠偏区段，确定每一纠偏区段的终点处的盾构机的目标转向角度；
依据确定的目标转向角度对盾构机进行纠偏控制。
本发明将纠偏曲线分段，便于给出纠偏区段结束后盾构机应该完成的平面方向和高程方向的目标转向角度，实现目标纠偏矢量的给定。
在本发明的一种具体实施方式中，将盾构推进速度、盾构平面转向角度、盾构高程转向角度分别与盾构机推进系统的目标总推力、目标总推力水平合力矩、目标总推力垂直合力矩进行绑定，通过三个闭环控制计算，进而生成推进系统目标总推力矢量，并将该目标总推力矢量分配解算成每个推进油缸单元目标推力进行执行。
具体地依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工时，利用如下三个闭环计算公式计算得到目标总推力矢量：
目标总推力FT(运算修正值)和推进速度(运算校验值)形成闭环：
目标垂直合力矩MTv(运算修正值)和盾构高程转向角度(运算校验值)形成闭环：
目标水平合力矩MTh(运算修正值)和盾构平面转向角度(运算校验值)形成闭环：
式中，u1(t)表示输出的目标总推力，e1(t)表示盾构目标推进速度与实际推进速度的差值，u2(t)表示输出的目标垂直合力矩，e2(t)表示盾构高程目标转向角度与实际高程转向角度的差值，u3(t)表示输出的目标水平合力矩，e3(t)表示盾构水平目标转向角度与实际水平转向角度的差值，Kp1、Kp2和Kp3表示比例系数，Tt1、Tt2和Tt3表示积分时间常数，TD1、TD2和TD3表示微分时间常数；在上述的三个闭环计算公式中，目标总推力FT、目标垂直合力矩MTv和目标水平合力矩MTh为控制对象，u1(t)、u2(t)和u3(t)为控制的输出，e1(t)、e2(t)和e3(t)为控制的输入。
利用所得到的目标总推力矢量控制盾构机进行掘进施工。
盾构机在目标总推力矢量的驱动下完成自主掘进并实现转向，直至当前分段的设定距离结束。结合图6所示，为实现转向，总推力矢量(FT、MTv、MTh)经闭环控制计算后变更为(FT'、MTv'、MTh')。
在本发明的一种具体实施方式中，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工的过程中，对纠偏质量进行判断：
获取盾构机的实际转向变化角度α；
设定盾构机的目标转向角度为α0，
若满足-△2≤α-α0≤△1，则判定纠偏质量合格，否则判定纠偏质量不合格，其中△1和△2表示容错角度值。
目标纠偏方位距容错角度值△2之间表示略欠纠偏，目标纠偏方位距容错角度值△1表示略超纠偏，容错角度值△1的取值为5°，容错角度值△2的取值为5°。
较佳地，在对纠偏曲线进行区段划分后，在每一纠偏区段施工完成后进行纠偏质量是否合格的判断，以便于对盾构机无人化自主掘进控制的质量进行监控。
进一步地，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工的过程中，判断如下四个条件：
|α盾-α设|≥△3，|β盾-β设|≥△3，|P盾-P设|≥△4，|G盾-G设|≥△4，
其中，α盾表示盾构机在平面方向的实际转向角度，α设表示盾构机在平面方向的目标转向角度，β盾表示盾构机在高程方向的实际转向角度，β设表示盾构机在高程方向的目标转向角度，P盾表示特征点在平面方向的偏差实际值，P设表示特征点在平面方向的偏差目标值，G盾表示特征点在高程方向的偏差实际值，G设标准特征点在高程方向的偏差目标值，△3表示盾构转向角度容错值，△4表示特征点偏差容错值；其中△3的取值为3°，△4的取值为5mm。
若上述四个条件中满足任意一个，则重新生成纠偏曲线。
在本发明的一种具体实施方式中，在控制盾构机进行掘进施工的过程中，判断如下四个停机条件：
盾构机当前姿态已超限；
预测盾构机在下一施工区段完成后姿态将超限；
纠偏质量不合格累计次数大于等于设定次数；
盾构姿态的单次变化量大于等于设定量；
若上述四个停机条件满足任意一个，则停止控制盾构机施工。
盾构机无人化自主掘进控制在发生上述的四个停机条件中的一个是即可停止对盾构机的自主控制，以确保盾构机的施工安全。
本发明的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法可由控制系统来实现，该控制系统较佳为应用程序，安装在盾构机的操控室内的控制平台上，该控制系统生成的控制指令可通过盾构PLC控制器进行执行。
本发明的控制方法获取盾构机的实时数据和基本参数，其中的实时数据包括盾构实时姿态、推进油缸形成、管片位移量、盾尾间隙量、管片选型以及推进净行程等；基本参数包括盾构设计轴线、盾构机结构尺寸、管片结构尺寸、盾构姿态安全区域、盾构姿态超限区域以及相关计算参数等。本发明的控制方法基于获取的实时数据和基本参数确定盾构姿态设定控制目标和回归距离，接着规划纠偏曲线，根据纠偏曲线和盾构姿态设定控制模板推算得到目标纠偏矢量、纠偏区段、盾构转向角度，进而形成推进系统执行机构独立控制目标，输出自适应推力矢量，由推进系统执行，然后形成执行结果与目标进行对比形成盾构姿态反馈、纠偏质量评估以及纠偏目标刷新。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取盾构施工的设计隧道轴线；
在盾构机施工的过程中，实时获取盾构机的盾构姿态，根据所述盾构机的盾构姿态与所述设计隧道轴线在高程方向上需保持的空间位置关系确定盾构施工控制轴线；
依据所确定的盾构施工控制轴线控制盾构机进行掘进施工，当盾构机掘进施工偏离所述盾构施工控制轴线时，对所述盾构机进行纠偏：
在所述盾构机上选取一特征点，基于所选取的特征点和盾构姿态确定盾构机与所述盾构施工控制轴线相重合的回归距离；
基于所选取的特征点、盾构姿态以及回归距离生成纠偏曲线；
依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工，直至盾构机回归到盾构施工控制轴线上从而完成盾构机的纠偏。
2.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，确定回归距离的步骤包括：
判断盾构机相对于所述盾构施工控制轴线的特征点姿态是否大于50mm；
若否，则进一步判断盾构机沿当前盾构姿态向前掘进时是否会与所述盾构施工控制轴线相交；
若进一步判断的结果为是，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进与所述盾构施工控制轴线相交位置点间的距离n1，若n1>l，则令回归距离s＝l，若n1≤l，则令回归距离s＝n1，其中l表示盾构机的长度；
若进一步判断的结果为否，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距50mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n2，若n2>5，则令回归距离s＝l，若n2≤5，则令回归距离s＝l+5-n2；
若是，则进一步判断盾构机沿当前盾构姿态向前掘进时是否会与所述盾构施工控制轴线相交；
若进一步判断的结果为是，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距50mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n3，若n3>l，则令回归距离s＝2l，若n3≤l，则令回归距离s＝l+n3；
若进一步判断的结果为否，则计算得出盾构机当前位置在所述盾构控制轴线上的正投影点距盾构机向前掘进至与所述盾构施工控制轴线相距100mm的位置处在所述盾构控制轴线上的正投影点间的距离n4，若n4>5，则令回归距离s＝2l，若n4≤5，则令回归距离s＝3l-n4。
3.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，在确定回归距离时，针对管片间隙对回归距离的影响进行判定：
获取当前管片的最小间隙；
判断所获取的当前管片的最小间隙是否大于设定间隙的一半；
若是，则忽略管片间隙对回归距离的影响；
若否，则判断当前管片的最小间隙的变化趋势，若当前管片的最小间隙的变化趋势为变小，则设定管片间隙调整环数T为3环；若当前管片的最小间隙的变化趋势为变大，则设定管片间隙调整环数T为2环；
利用如下纠偏距离公式计算得到最终的回归距离：
D＝(s+T×m)×k
式中，D表示最终的回归距离，s表示由盾构姿态影响而确定的回归距离，T表示考虑管片间隙而确定的调整环数，m表示管片宽度，k表示土质因素对回归距离的影响参数。
4.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，在确定回归距离时，分别计算盾构机在水平方向和高程方向上对应的回归距离，最终回归距离以水平方向和高程方向上的较大值进行确定。
5.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，生成纠偏曲线的步骤包括：
若基于当前的盾构姿态确定盾构机的掘进方位偏离盾构施工控制轴线，则生成的纠偏曲线包括圆弧形曲线段和逐渐向着所述盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段，且所述圆弧形曲线段和所述弧形曲线段位于所述盾构施工控制轴线上盾构机所在的一侧；
若基于当前的盾构姿态确定盾构机的掘进方位偏向盾构施工控制轴线，则判断当前盾构机的轴线与盾构施工控制轴线的夹角是否小于等于临界角，若是，则生成的纠偏曲线包括逐渐向着盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段；若否，则生成的纠偏曲线包括圆弧形曲线段和逐渐向着盾构施工控制轴线靠近的弧形曲线段，且圆弧形曲线段的两端位于所述盾构施工控制轴线的两侧。
6.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工时，将所述纠偏曲线根据设定距离进行划分形成多个纠偏区段；
基于划分形成的纠偏区段，确定每一纠偏区段的终点处的盾构机的目标转向角度；
依据确定的目标转向角度对盾构机进行纠偏控制。
7.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工时，利用如下三个闭环计算公式计算得到目标总推力矢量：
式中，u1(t)表示输出的目标总推力，e1(t)表示盾构目标推进速度与实际推进速度的差值，u2(t)表示输出的目标垂直合力矩，e2(t)表示盾构高程目标转向角度与实际高程转向角度的差值，u3(t)表示输出的目标水平合力矩，e3(t)表示盾构水平目标转向角度与实际水平转向角度的差值，Kp1、Kp2和Kp3表示比例系数，Tt1、Tt2和Tt3表示积分时间常数，TD1、TD2和TD3表示微分时间常数；
利用所得到的目标总推力矢量控制盾构机进行掘进施工。
8.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工的过程中，对纠偏质量进行判断：
获取盾构机的实际转向变化角度α；
设定盾构机的目标转向角度为α0，
若满足-△2≤α-α0≤△1，则判定纠偏质量合格，否则判定纠偏质量不合格，其中△1和△2表示容错角度值。
9.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，在依据所生成的纠偏曲线控制盾构机进行掘进施工的过程中，判断如下四个条件：
|α盾-α设|≥△3，|β盾-β设|≥△3，|P盾-P设|≥△4，|G盾-G设|≥△4，
其中，α盾表示盾构机在平面方向的实际转向角度，α设表示盾构机在平面方向的目标转向角度，β盾表示盾构机在高程方向的实际转向角度，β设表示盾构机在高程方向的目标转向角度，P盾表示特征点在平面方向的偏差实际值，P设表示特征点在平面方向的偏差目标值，G盾表示特征点在高程方向的偏差实际值，G设标准特征点在高程方向的偏差目标值，△3表示盾构转向角度容错值，△4表示特征点偏差容错值；
若上述四个条件中满足任意一个，则重新生成纠偏曲线。
10.如权利要求1所述的盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法，其特征在于，在控制盾构机进行掘进施工的过程中，判断如下四个停机条件：
盾构机当前姿态已超限；
预测盾构机在下一施工区段完成后姿态将超限；
纠偏质量不合格累计次数大于等于设定次数；
盾构姿态的单次变化量大于等于设定量；
若上述四个停机条件满足任意一个，则停止控制盾构机施工。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310134662.7A CN116291519A (zh) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310134662.7A CN116291519A (zh) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 盾构机无人化自主掘进的轴线控制方法 |
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| CN116291519A true CN116291519A (zh) | 2023-06-23 |
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Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN116291519A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117211858A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-12-12 | 广州地铁集团有限公司 | 一种地铁盾构瓦斯隧道的智能化施工控制方法及其装置 |
| CN117552796A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 北京城建设计发展集团股份有限公司 | 盾构推进系统油缸伸缩速度控制方法、装置、设备及介质 |
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2023
- 2023-02-17 CN CN202310134662.7A patent/CN116291519A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117211858A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-12-12 | 广州地铁集团有限公司 | 一种地铁盾构瓦斯隧道的智能化施工控制方法及其装置 |
| CN117552796A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 北京城建设计发展集团股份有限公司 | 盾构推进系统油缸伸缩速度控制方法、装置、设备及介质 |
| CN117552796B (zh) * | 2024-01-11 | 2024-04-16 | 北京城建设计发展集团股份有限公司 | 盾构推进系统油缸伸缩速度控制方法、装置、设备及介质 |
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