一种盾构机姿态自动控制仿真系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114706322A(43)申请公布日2022.07.05(21)申请号202210331663.6(22)申请日2022.03.30(71)申请人西南交通大学地址610031四川省成都市二环路北一段(72)发明人黄德青宋晨健秦娜徐进严一舟(74)专利代理机构北京正华智诚专利代理事务所(普通合伙)11870专利代理师周芸婵(51)Int.Cl.G05B17/02(2006.01)G06T17/00(2006.01)权利要求书6页说明书13页附图5页(54)发明名称一种盾构机姿态自动控制仿真系统(57)摘要本发明公开了一种盾构机姿态自动控制仿真系统，通过构建数字通信接口模块、推进动力学模块、盾体运动学模块、尾盾动力学模块、基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块、虚拟导向系统模块以及盾构三维场景展示模块，组建盾构机姿态自动控制仿真系统；本发明构建基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块，并结合各模块间的数据传输合理反映盾构机运动过程盾体所受阻力，阻力矩的情况；并通过数字通信接口模块预留外部的数据/控制接口，通过外部控制信号完善对基于盾构姿态自动控制的仿真测试，为盾构姿态自动控制算法的设计与验证提供了一个低成本，高效率，高可靠性的实现方案，并实时可视化展示盾构机的运动过程。CN114706322ACN114706322A权利要求书1/6页1.一种盾构机姿态自动控制仿真系统，其特征在于，包括：数字通信接口模块、推进动力学模块、盾体运动学模块、尾盾动力学模块、基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块、虚拟导向系统模块以及盾构三维场景展示模块；其中，数字通信接口模块分别与推进动力学模块、尾盾动力学模块、盾体运动学模块、基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块、虚拟导向系统模块以及盾构三维场景展示模块连接；用于接收并存储推进动力学模块、尾盾动力学模块、盾体运动学模块、基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块、虚拟导向系统模块的输出数据；并为各模块提供基础数据支撑；推进动力学模块与盾体运动学模块连接；用于根据数字通信接口模块传输的数据计算盾构机油缸的推进行程，并将推进行程传输到盾体运动学模块；尾盾动力学模块与盾体运动学模块连接；用于接收数字通信接口模块传输数据，并根据传输数据计算铰链行程；并将铰链行程传输到盾体运动学模块；盾体运动学模块与基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块、虚拟导向系统模块连接；用于接收推进行程与铰链行程，并根据推进行程与铰链行程计算盾体实时位姿，并将盾体实时位姿传输给基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块与虚拟导向系统模块；基于盾体‑土体动态作用模型的土体环境模块，用于根据盾体实时位姿计算土体环境对推进油缸的推进阻力以及铰接拉力；虚拟导向系统模块，用于根据盾体实时位姿计算盾体姿态偏差；盾构三维场景展示模块，用于根据数字通信接口模块的输出参数，进行三维建模，并对盾构机运动过程进行可视化展示。2.根据权利要求1所述的盾构机姿态自动控制仿真系统，其特征在于，推进动力学模块具体为：接收数字通信接口模块传输的压力指令、速度指令及推进阻力，利用推进动力学方程计算盾构机油缸的推进行程，并将推进行程传输到盾体运动学模块；其推进动力学方程表示为：其中，Mc为活塞盾体中质量矩阵，Bc为盾体与土体负载之间的粘性阻尼系数，Kc为活塞盾体中负载的刚度系数，Xc为盾构机油缸的实际行程，即为盾构机油缸的推进行程，FL为推进阻力，Ac为盾构机油缸中各分区总的油缸横截面，Pc为盾构机油缸的油压。3.根据权利要求1所述的盾构机姿态自动控制仿真系统，其特征在于，尾盾动力学模块具体为：接收数字通信接口模块传输的铰链状态输入信号及盾尾拉力，并结合尾盾动力学模型计算实时铰链行程；并将铰链行程传输到盾体运动学模块；其中，尾盾动力学模型计算式表示为：2CN114706322A权利要求书2/6页铰接油缸为释放或者拖拉模式时其中，Xj为铰接油缸的行程，Fsj为铰接油缸的拉力，Mj为盾尾等效到铰接油缸的等效质量矩阵，Bj为铰接油缸的阻尼系数，Kj为铰接油缸的弹簧系数，Fe为盾尾拉力。4.根据权利要求1所述的盾构机姿态自动控制仿真系统，其特征在于，盾体运动学模块具体：包括前中盾运动学子模块与尾盾运动学子模块；其中，前中盾运动学子模块，用于根据推进动力学模块输出的盾构机油缸的推进行程计算前中盾实时位姿；尾盾运动学子模块，用于根据尾盾动力学模块输出的实时铰链行程计算尾盾在城市坐标系下的实时位姿。5.根据权利要求4所述的盾构机姿态自动控制仿真系统，其特征在于，前中盾运动学子模块具体包括：盾体刀盘中心位置向量计算单元，用于根据推进动力学模块输出的盾构机油缸的推进行程计算当前环号对应的管片坐标系盾体刀盘中心位置向量，