CN118133457A - 盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法 - Google Patents

盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法 Download PDF

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CN118133457A CN202410302609.8A CN202410302609A CN118133457A CN 118133457 A CN118133457 A CN 118133457A CN 202410302609 A CN202410302609 A CN 202410302609A CN 118133457 A CN118133457 A CN 118133457A
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袁大军
聂小凡
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Abstract

本发明涉及一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法，包括以下步骤：获取盾构掘进过程中的位姿信息，确定盾构位姿矩阵；根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量；构建盾构机力学模型；建立盾构推进系统静力传递方程；求解末端输出广义力矢量；建立盾构推进系统末端力矩椭球方程；绘制盾构推进系统末端力矩椭球，评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力。本发明提供一种评估方法，以定量的评估盾构推进系统在当前位姿状态下可通过调整各分区油缸推力来产生各个方向上的末端力矩的能力，从而为盾构位姿调整和油缸布局优化提供一定的理论基础，简单、实用，便于工程推广。

Description

盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评 估方法
技术领域
本发明涉及盾构技术领域，具体涉及一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法。
背景技术
盾构在掘进过程中，通过调整盾构推进系统各分区油缸推力，克服地层阻力等外负载，从而实现盾构位姿的调整。
本质上，盾构位姿调整的过程是由盾构推进系统各分区液压油缸推力产生的末端力和力矩与盾构所受到的外负载不平衡引起的。盾构在当前位姿状态下，可通过调整盾构推进系统各分区油缸的推力，使得盾构推进系统产生的末端力和力矩发生变化，从而应对不同情况下的所需的位姿调整力或力矩。如果盾构推进系统各分区液压油缸推力产生的末端力和力矩在某一个方向上的分量能够克服盾构外负载在相应方向上的分量，则说明在该方向上盾构能够进行主动的位置或姿态调整。但如果无论如何调整各分区液压油缸推力，盾构推进系统产生的末端力和力矩在某一方向上的分量无法克服盾构外负载在相应方向上的分量，则说明在该方向上盾构的位姿是不能主动控制的，也就是说，在这种情况下，不能通过改变该方向的外力去主动控制盾构机在该方向上运动状态。如果不依赖其它手段，在不能主动控制的方向上，盾构位姿偏差会增大。
据调研，目前没有现有手段能够评估盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩的能力，因此有必要对此作出相关研究。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法，以定量的评估盾构推进系统在当前位姿状态下可通过调整各分区油缸推力来产生各个方向上的末端力矩的能力，从而为盾构位姿调整和油缸布局优化提供一定的理论基础，简单、实用，便于工程推广。
本发明的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法，包括以下步骤：获取盾构掘进过程中的位姿信息，确定盾构位姿矩阵；根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量；构建盾构机力学模型；建立盾构推进系统静力传递方程；求解末端输出广义力矢量；建立盾构推进系统末端力矩椭球方程；绘制盾构推进系统末端力矩椭球，评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力。通过该评估方法，能够定量的评估盾构推进系统在当前位姿状态下可通过调整各分区油缸推力来产生各个方向上的末端力矩的能力，从而为盾构位姿调整和油缸布局优化提供一定的理论基础。
本发明第二方面提供一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估装置，其特征在于，包括：位姿信息获取模块，被配置为获取盾构掘进过程中的位姿信息，并能够确定盾构位姿矩阵；位置矢量确定模块，被配置为根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量；力学模型构建模块，被配置为构建盾构机力学模型；静力传递方程建立模块，被配置为建立盾构推进系统静力传递方程；广义力矢量求解模块，被配置为求解末端输出广义力矢量；力矩椭球方程建立模块，被配置为建立盾构推进系统末端力矩椭球方程；以及力矩椭球绘制模块，被配置为绘制盾构推进系统末端力矩椭球，并能够据此评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力。通过该评估装置，使得本发明的评估方法能够容易的被实现。
本发明第三方面提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；以及存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据本发明第一方面提供的评估方法。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据本发明第一方面提供的评估方法。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法，具体而言，至少能够获得如下一种或多种有益效果：（1）本发明的评估方法能够定量的评估盾构推进系统在当前位姿状态下可通过调整各分区油缸推力来产生各个方向上的末端力矩的能力，从而为盾构位姿调整和油缸布局优化提供一定的理论基础；（2）本发明给出了盾构推进系统液压油缸推力和等效外负载的映射关系（式6），同时也给出了盾构推进系统液压油缸推力和其产生的末端力矩的映射关系（式11）；（3）本发明简单、实用，便于工程推广。应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
图1示出了根据本发明一种实施例的评估方法技术步骤流程图；
图2示出了根据本发明一种实施例的盾构机力学模型示意图；
图3示出了根据本发明一种实施例的盾构推进系统力矩椭球示意图；
图4示出了根据本发明一种实施例的盾构位姿q=[3.5m 0m 0m 0° 0° 0°]T时的盾构推进系统力矩椭球；
图5示出了根据本发明一种实施例的盾构位姿q=[3.5m -0.04m -0.04m -5° -0.4° -0.4°]T时的盾构推进系统力矩椭球；
图6示出了根据本发明一种实施例的盾构位姿q=[3.5m 0.04m 0.04m 5° 0.4°0.4°]T时的盾构推进系统力矩椭球；
图7示出了根据本发明一种实施例的评估装置的示意性组成框图；以及
图8示出了能够实施本发明的多个实施例的计算设备的示意性组成框图。
在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
还需要理解，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
鉴于目前没有现有手段能够评估盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩的能力，而评估盾构推进系统在不同位姿状态下产生的各个方向末端力矩的能力对当前位姿状态下位姿调整的可能性具有重要意义，对液压油缸的布局形式优化也有一定指导意义，本发明提供一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法，以定量的评估盾构推进系统在当前位姿状态下可通过调整各分区油缸推力来产生各个方向上的末端力矩的能力，从而为盾构位姿调整和油缸布局优化提供一定的理论基础。
需要解释的是，所谓位姿即盾构机的位姿，也是盾构推进系统的位姿；所谓末端，可将盾构推进系统看作一个并联机构，并联机构包括动平台和定平台，动平台（对外执行任务的装置）可以认为是末端。对盾构推进系统而言，如图2，动坐标系{B-xByBzB}所在的位置可认为是末端。
以下结合较佳的实施方式和具体示图对本发明的实现进行详细的描述。
参见图1所示的流程框图，示出一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法100，评估方法100包括：S10：获取盾构掘进过程中的位姿信息，确定盾构位姿矩阵；S20：根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量；S30：构建盾构机力学模型；S40：建立盾构推进系统静力传递方程；S50：求解末端输出广义力矢量；S60：建立盾构推进系统末端力矩椭球方程；S70：绘制盾构推进系统末端力矩椭球，评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力。借助本发明实施例提供的评估方法能够定量的评估盾构推进系统在当前位姿状态下可通过调整各分区油缸推力来产生各个方向上的末端力矩的能力。下面结合具体实施方式和示图对各环节进行详细阐述。
S10，获取盾构掘进过程中的位姿信息。
首先根据盾构导向系统获取盾构位姿矢量：
其中，表示盾构机推进油缸前球铰分布圆中心B的位置坐标；表示盾 构机的滚动角、俯仰角和横摆角，右上标字母T为数学运算符号，表示向量或矩阵的转置。
确定盾构位姿矩阵：
盾构位姿矩阵计算公式为：
——（1）
其中，和分别表示盾构的姿态矩阵和位置矢量，其计算公式为：
——（2）
——（3）
其中，c代表余弦函数cos；s代表正弦函数sin。
在一个具体实施例中，盾构位姿状态分别为q=[3.5m 0m 0m 0° 0° 0°]T、q=[3.5m -0.04m -0.04m -5° -0.4° -0.4°]T和q=[3.5m 0.04m 0.04m 5° 0.4° 0.4°]T，然后可参考 式（1）、（2）和（3），求解盾构机在这三种位姿状态下的盾构位姿矩阵。
S20，根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量。
盾构推进系统液压油缸是在盾壳内环向布置的，油缸分布形式主要包含：油缸分布圆半径、油缸布局（如单杠布局、双缸布局等），也就是油缸的布置图。
确定液压油缸前球铰位置矢量包括：
液压油缸分布形式包含分布半径和分布间隔，根据液压油缸分布形式，确定所有油缸前球铰Bi的位置矢量Bi，下标数字i为液压油缸的编号，i=1,2,3……n，n为推进系统液压油缸的总根数。
根据某盾构机推进系统液压油缸分布形式，求解液压油缸前球铰位置矢量如表1所示。Bi即为表1中编号为i的x、y、z构成的列矢量。例如：B5=[0.0000 2.0810 2.3112]T。
表1 油缸撑靴球铰坐标统计表
S30，构建盾构机力学模型。
力学模型就是将实际物体的复杂受力状态抽象成可以进行力学分析的受力图。如 图2所示，在动坐标系{B-xByBzB}中，xB、yB、zB分别代表坐标系的三个坐标轴，、、分别 表示x向负载力、y向负载力、z向负载力，、、分别表示x向负载力矩、y向负载力矩、 z向负载力矩。
将盾构机掘进过程中受到的所有荷载分为两类：
一类为来自盾构推进系统各液压油缸的推力，将其按照油缸编号顺序构成一推力 矢量，其形式为：
——（4）
其中，为第i根液压油缸的推力；
另一类为盾构机掘进过程中受到的除了油缸推力之外的所有外负载，包括地层阻 力、地层围压、盾尾-管片接触力、盾构机后配套拖曳阻力、盾构自重，将这些作用在盾构机 上的所有外负载向盾构推进系统液压油缸前球铰原点B简化等效为一个六维广义力矢量， 并将其定义为等效外负载，其形式为：
——（5）
其中，为等效外负载中的合力矢量，且；为等效外负 载中的合力矩矢量，且。
通过构建力学模型能够清晰的描述盾构机受到的主动力（油缸推力即推力矢量 ）和外负载。由于外负载分布和求解都非常复杂，因此将外负载进行了等效简化，等效简化 成等效外负载，如图2所示。
S40，建立盾构推进系统静力传递方程，包括：
根据虚功原理，当盾构机处于静力平衡状态时，盾构推进系统液压油缸推力矢量和等效外负载之间的关系可用静力传递方程表示：
——（6）
其中，是6×n矩阵，表示盾构推进系统的力雅可比矩阵，其表达式为：
——（7）
式中，为第i根推进油缸单位方向向量，其计算公式为：
——（8）
计算公式为：
——（9）。
借助式（6），可以通过当前油缸推力，去反求盾构外负载，或者知道外负载，可以优化求解盾构推力。
S50，求解末端输出广义力矢量，包括：
根据式（6）可知，盾构机在等效外负载和的共同作用下处于静力平衡状 态，则令，定义其为盾构推进系统产生的广义末端力，其形式为：
——（10）
式中，和分别为盾构推进系统产生的末端力和末端力矩；、和分 别表示盾构推进系统产生的末端力在x、y和z方向上的分量；、和分别表示盾构 推进系统产生的末端力矩在x、y和z方向上的分量。
S60，建立盾构推进系统末端力矩椭球方程，包括：
根据式（7）和（10），盾构推进系统液压油缸推力产生末端力矩的方程为：
——（11）
式中，为力雅克比矩阵G的后三行构成的新矩阵，定义为力矩传递矩阵，根据式 （7），可求解得到：
——（12）
假定为行满秩矩阵，并对进行奇异值分解，可得到：
——（13）
式中：和分别为3阶正交矩阵和n阶正交矩阵，，、、代表构成的三个分块矩阵，通过奇异值分解得到；为对角矩阵，，且有，则即为的三个奇 异值，且其平方也是矩阵的全部正特征值。
借助式（11），已知所需要的末端力矩（也就是所需的调姿力矩），可以通过优化求解，求得油缸推力均匀且总推力最小的油缸推力。
S60，建立盾构推进系统末端力矩椭球方程，还包括：
设定盾构推进系统液压油缸推力矢量为单位力矢量，则有；
根据式（11）可得：
——（14）
式中：矩阵为矩阵的Moore-Penrose广义逆矩阵，即，且有：
——（15）
则根据式（14）可得：
——（16）
将式（16）两端分别点乘自身并进行整理，可得：
——（17）
将式（17）中的二次型化简为标准型，可得：
——（18）
公式（18）为空间三维椭球面的标准方程，该方程即为盾构推进系统末端力矩椭球 方程。该方程表示，盾构在当前位姿状态下，无论如何调整盾构推进系统液压油缸推力（满 足），盾构推进系统产生的末端力矩矢量均在三维椭球面内部，将该椭球定义为力 矩椭球，描述了盾构推进系统液压油缸推力和其产生的末端力矩之间的映射关系。
S70，绘制盾构推进系统末端力矩椭球，评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力，包括：
绘制盾构推进系统在当前位姿状态下的末端力矩椭球，其中力矩椭球的主轴为的特征向量方向，其中特征值对应的特征向量为椭球长轴方向，特征值对应的特征向量为椭球的中轴方向，特征值对应的特征向量为椭球的短 轴方向，并且半轴长为对应特征值的平方根，即长轴的半轴长为，中轴的半轴长 为，短轴的半轴长为；根据以上信息，可绘制盾构推进系统在当前位姿状态下的末 端力矩椭球，如图3所示。
力矩椭球可以用来评估盾构推进系统在当前位姿下沿各个方向产生末端力矩的能力，沿长轴方向产生的末端力矩最大，沿短轴方向产生的末端力矩最小，因此通过对比力矩椭球在各个坐标轴的分布范围，即可评估盾构推进系统产生x、y和z轴三个方向末端力矩的能力。
经过步骤S30~步骤S70的推导求解，可绘制盾构推进系统在q=[3.5m 0m 0m 0° 0°0°]T、q=[3.5m -0.04m -0.04m -5° -0.4° -0.4°]T和q=[3.5m 0.04m 0.04m 5° 0.4°0.4°]T三种位姿状态下的末端力矩椭球，分别如图4、图5和图6所示。
图4示出盾构位姿q=[3.5m 0m 0m 0° 0° 0°]T时的盾构推进系统力矩椭球，由图4 可以发现，当位姿分量y、z和姿态角都为0时，力矩椭球退化为在yoz平面内的圆。这表明，末 端输出力矩矢量中，只能输出力矩和，输出的x向力矩为0，即盾构在当前位姿 状态下，无论如何调整油缸推力，盾构推进系统只能产生y和z向调姿力矩，无法产生x向调 姿力矩，由此说明，在该状态下，无论如何调整油缸推力，都无法使得盾构机沿x轴滚动，即 无法调整盾构机的滚动角。
图5、图6分别示出盾构位姿q=[3.5m -0.04m -0.04m -5° -0.4° -0.4°]T和q= [3.5m 0.04m 0.04m 5° 0.4° 0.4°]T时的盾构推进系统力矩椭球，由图5和图6可以发现， 盾构在这两种位姿状态下，和范围远大于范围，说明盾构推进系统在正常掘进 过程中的位姿状态下，盾构推进系统产生的末端输出力矩中，x向输出力矩分量最小， y、z向末端输出力矩和非常大。说明盾构机在以正常位姿掘进情况下，盾构推进系 统液压油缸推力主要用于给末端产生y向（俯仰角）调姿力矩和z向（横摆角）调姿力矩，其产 生的x向（滚动角）调姿力矩非常有限，由此说明，在一般状态下，可以通过调整油缸推力，去 调整盾构机的俯仰角和横摆角，而调整滚动角的能力不足。
通过以上阐述可知，本发明提供的盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法，能够定量的评估盾构推进系统在当前位姿状态下可通过调整各分区油缸推力来产生各个方向上的末端力矩的能力，从而为盾构位姿调整和油缸布局优化提供一定的理论基础；评估方法简单、实用，便于推广。
本发明进一步提供一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估装置300，用于执行和实现评估方法100。
图7示出了根据本发明实施例的评估装置300的组成框图，评估装置300可以包括位姿信息获取模块301、位置矢量确定模块303、力学模型构建模块305、静力传递方程建立模块307、广义力矢量求解模块309、力矩椭球方程建立模块311以及力矩椭球绘制模块313。
具体来说，位姿信息获取模块301被配置为获取盾构掘进过程中的位姿信息，并能够确定盾构位姿矩阵；位置矢量确定模块303被配置为根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量；力学模型构建模块305被配置为构建盾构机力学模型；静力传递方程建立模块307被配置为建立盾构推进系统静力传递方程；广义力矢量求解模块309被配置为求解末端输出广义力矢量；力矩椭球方程建立模块311被配置为建立盾构推进系统末端力矩椭球方程；以及力矩椭球绘制模块313被配置为绘制盾构推进系统末端力矩椭球，并能够据此评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力。
本发明进一步提供一种电子设备500，包括：一个或多个处理器；以及存储装置，用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现本发明的评估方法100。
示出了能够实施本发明的多个实施例的示例电子设备500的组成框图。例如，根据本发明的评估方法100及评估装置300可以由电子设备500实施或部署在电子设备500中。如/>所示，电子设备500包括CPU 501（中央处理单元），其可以根据存储在ROM 502（只读存储器）中的计算机程序指令或者从存储单元508加载到随机访问存储器（RAM）503中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还可存储设备500操作所需的各种程序和数据。CPU 501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。I/O接口505（输入/输出接口）也连接至总线504。
电子设备500中的多个部件连接至I/O接口505，包括：输入单元506，例如键盘、鼠标等；输出单元507，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元508，例如磁盘、光盘等；以及通信单元509，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元509允许设备500通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
以上所描述的各个过程和处理，例如评估方法100，可由CPU 501执行。例如，在一些实施例中，评估方法100可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元508。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 502和/或通信单元509而被载入和/或安装到设备500上。当计算机程序被加载到RAM 503并由CPU 501执行时，可以执行上文描述的盾构目标位姿解算方法100的一个或多个动作。
本发明进一步提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现前述的评估方法100。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、静态随机存取存储器（SRAM）、便携式压缩盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能盘（DVD）、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波（例如，通过光纤电缆的光脉冲）、或者通过电线传输的电信号。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取盾构掘进过程中的位姿信息，确定盾构位姿矩阵；
根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量；
构建盾构机力学模型；
建立盾构推进系统静力传递方程；
求解末端输出广义力矢量；
建立盾构推进系统末端力矩椭球方程；
绘制盾构推进系统末端力矩椭球，评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述获取盾构掘进过程中的位姿信息，确定盾构位姿矩阵，包括：
根据盾构导向系统获取盾构位姿矢量：
；
其中，表示盾构机推进油缸前球铰分布圆中心B的位置坐标；/>表示盾构机的滚动角、俯仰角和横摆角，右上标字母T为数学运算符号，表示向量或矩阵的转置；
计算盾构位姿矩阵：
——（1）
其中，和/>分别表示盾构的姿态矩阵和位置矢量，其计算公式为：
——（2）
——（3）
其中，c代表余弦函数cos；s代表正弦函数sin。
3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量，包括：
所述液压油缸分布形式包含分布半径和分布间隔，根据液压油缸分布形式，确定所有油缸前球铰Bi的位置矢量Bi，下标数字i为液压油缸的编号，i=1,2,3……n，n为推进系统液压油缸的总根数。
4.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述构建盾构机力学模型，包括：
将盾构机掘进过程中受到的所有荷载分为两类：
一类为来自盾构推进系统各液压油缸的推力，将其按照油缸编号顺序构成一推力矢量，其形式为：
——（4）
其中，为第i根液压油缸的推力；
另一类为盾构机掘进过程中受到的除了油缸推力之外的所有外负载，将所有外负载向盾构推进系统液压油缸前球铰原点B简化等效为一个六维广义力矢量，并将其定义为等效外负载，其形式为：
——（5）
其中，为等效外负载中的合力矢量，/>，/>、/>、/>分别表示x、y和z方向上的负载力；/>为等效外负载中的合力矩矢量，/>，/>、/>、分别表示x、y和z方向上的负载力矩。
5.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述建立盾构推进系统静力传递方程，包括：
根据虚功原理，当盾构机处于静力平衡状态时，盾构推进系统液压油缸推力矢量和等效外负载/>之间的关系可用静力传递方程表示：
——（6）
其中，是6×n矩阵，表示盾构推进系统的力雅可比矩阵，其表达式为：
——（7）
式中，为第i根推进油缸单位方向向量，其计算公式为：
——（8）
计算公式为：
——（9）。
6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于，所述求解末端输出广义力矢量，包括：
根据式（6）可知，盾构机在等效外负载和/>的共同作用下处于静力平衡状态，则令，定义其为盾构推进系统产生的广义末端力，其形式为：
——（10）
式中，和/>分别为盾构推进系统产生的末端力和末端力矩；/>、/>和/>分别表示盾构推进系统产生的末端力在x、y和z方向上的分量；/>、/>和/>分别表示盾构推进系统产生的末端力矩在x、y和z方向上的分量。
7.根据权利要求6所述的评估方法，其特征在于，所述建立盾构推进系统末端力矩椭球方程，包括：
根据式（7）和（10），盾构推进系统液压油缸推力产生末端力矩的方程为：
——（11）
式中，为力雅克比矩阵G的后三行构成的新矩阵，定义为力矩传递矩阵，根据式（7），可求解得到：
——（12）
假定为行满秩矩阵，并对/>进行奇异值分解，可得到：
——（13）
式中：和/>分别为3阶正交矩阵和n阶正交矩阵，/>；/>为对角矩阵，，且有/>，则/>即为/>的三个奇异值，且其平方也是矩阵/>的全部正特征值；
设定盾构推进系统液压油缸推力矢量为单位力矢量，则有/>；
根据式（11）可得：
——（14）
式中：矩阵为矩阵/>的Moore-Penrose广义逆矩阵，即/>，且有：
——（15）
则根据式（14）可得：
——（16）
将式（16）两端分别点乘自身并进行整理，可得：
——（17）
将式（17）中的二次型化简为标准型，可得：
——（18）
公式（18）为空间三维椭球面的标准方程，该方程即为盾构推进系统末端力矩椭球方程。
8.根据权利要求7所述的评估方法，其特征在于，所述绘制盾构推进系统末端力矩椭球，评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力，包括：
绘制盾构推进系统在当前位姿状态下的末端力矩椭球，其中力矩椭球的主轴为的特征向量方向，并且长轴的半轴长为/>，中轴的半轴长为/>，短轴的半轴长为/>；
通过对比力矩椭球在各个坐标轴的分布范围，评估盾构推进系统产生x、y和z轴三个方向末端力矩的能力。
9.一种盾构推进系统在不同位姿状态下产生三向末端力矩能力的评估装置，其特征在于，包括：
位姿信息获取模块，被配置为获取盾构掘进过程中的位姿信息，并能够确定盾构位姿矩阵；
位置矢量确定模块，被配置为根据盾构推进系统液压油缸分布形式确定液压油缸前球铰位置矢量；
力学模型构建模块，被配置为构建盾构机力学模型；
静力传递方程建立模块，被配置为建立盾构推进系统静力传递方程；
广义力矢量求解模块，被配置为求解末端输出广义力矢量；
力矩椭球方程建立模块，被配置为建立盾构推进系统末端力矩椭球方程；以及
力矩椭球绘制模块，被配置为绘制盾构推进系统末端力矩椭球，并能够据此评估盾构推进系统产生三向末端力矩的能力。
10. 一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；以及
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至8中任一项所述的评估方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1至8中任一项所述的评估方法。
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