[发明专利]一种盾构控制方法及其系统

权利要求书

1.一种盾构控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立盾构位姿坐标系统，根据盾构位姿坐标系构建盾构位置和姿态的齐次变换矩阵来描述盾构掘进过程中的位姿变化，并结合盾构参数求解盾构推进机构速度雅克比矩阵，以及根据盾周位移与盾构位姿的关系获得盾构位姿变化引起附近的土体位移；

S2、根据盾构位置和姿态的齐次变换矩阵对盾构掘进过程受的负载进行建模求解各种分力，包括：刀盘所受的法向力、盾周法向力、盾周摩阻力、管片-盾尾摩阻力与后配套拖曳阻力；

S3、将所求各项负载向动坐标系原点进行简化等效，建立盾构等效负载模型以获得油缸的分区推力；

所述建立盾构位姿坐标系统包括：

建立三个坐标系，包括：固结在盾构机上的动坐标系{B}、固结在管片环上的基坐标系{A}和全局坐标系{G}；

构建动坐标系{B-xByBzB}，该坐标系固结到中盾背板，原点B是油缸前球铰接的分布中心，在初始状态下，xB轴沿盾构机的中心轴指向掘进方向，zB轴垂直盾构机的中心轴并竖直向上，yB轴方向按右手原则确定；

构建基坐标系{A-xAyAzA}，该坐标系固结到给推进油缸提供反力的管片环上，原点A是油缸后球铰接的分布中心，在初始状态下，基坐标系{A-xAyAzA}和动坐标系{B-xByBzB}各坐标轴对应平行；

构建全局坐标系{G-XYZ}，在初始状态下，全局坐标系{G-XYZ}和动坐标系{B-xByBzB}各坐标轴对应平行；

其中，L_BC为刀盘面板中心到B点的距离；L为油缸套筒的长度；li为第i根液压油缸的伸长量；L_R为动坐标系原点B到盾壳尾端的距离；R为中盾内壳半径；R₀为液压油缸分布圆的半径；R₁为刀盘半径；Δr_i为管片环外表面和盾尾壳内表面的距离，即盾尾间隙

所述根据盾构位姿坐标系构建盾构位置和姿态的齐次变换矩阵来描述盾构掘进过程中的位姿变化，并结合盾构参数求解盾构推进机构速度雅克比矩阵，包括：

采用求解盾构位置和姿态的齐次变换矩阵来表示基坐标系{A}和动坐标系{B}之间的变换关系，计算盾构位姿矩阵来描述盾构掘进过程中的位姿变化：

式中：

为从动坐标系{B}到基坐标系{A}的旋转矩阵，且

ψ，θ，分别表示盾构机的横滚角、俯仰角和偏航角；c和s分别代表余弦函数cos和正弦函数sin；

为从基坐标系原点A到动坐标系原点B的平移向量，表示动坐标系{B}在基坐标系{A}中的位置，且

所述盾构推进机构速度雅克比矩阵为

式中：

^Bu为液压油缸的单位方向向量，且^Bu＝[1 0 0]^T；

B_i为第i根油缸前球铰在动坐标系{B}中位置矢量，i取1～n，n为油缸总根数；

所述根据盾周位移与盾构位姿的关系获得盾构位姿变化引起附近的土体位移，包括：

式中：

u_n为土体位移；

为基坐标系{A}到全局坐标系{G}的齐次变换矩阵；

为初始时刻的盾构位姿矩阵；

为下一时刻的盾构位姿矩阵；

^BS为盾壳外表面任意一点S在动坐标系{B}下的位置矢量，用下式表示

S_O为点S在坐标轴xB上的投影点；

为点S_O在动坐标系{B}中的横坐标；

η为位置矢量^BS与yB轴的夹角，单位为弧度；

j和k分别为全局坐标系{G}的Y轴和Z轴方向的单位方向向量，表示为j＝[0 1 0 0]^T和k＝[0 0 1 0]^T；^BS_O为点So在动坐标系{B}下的位置矢量。