顶管机的姿态预测方法、装置、设备及介质与流程

本发明涉及地下工程，具体的说，是涉及一种顶管机的姿态预测方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、随着经济的发展和地下空间的开发，越来越多的矩形顶管隧道应用于地下工程的建设。通过顶管隧道施工可以不破坏地面结构的情况下进行施工，避免传统开挖施工对地面交通、建筑物和地下管线的影响。然而在顶管顶进施工过程中存在开挖面各点压力差别、顶管侧向受力不均等问题，造成大断面矩形隧道施工中的顶管姿态难以控制。

2、目前的顶管机姿态控制措施主要包括顶推油缸控制、铰接油缸控制、刀盘旋转模式控制、注入纠偏泥浆、调节螺旋出土机转速等。其中，顶推油缸控制是顶管机姿态控制的关键。例如授权公告号cn110130916a的专利公开了一种大断面矩形顶管姿态控制方法，通过激光导向系统采集顶管机姿态数据，结合实时油缸推力数据构建大断面矩形顶管姿态控制的循环神经网络模型，获取顶管姿态偏移预测值，在所述预测值超过预设的阈值之前，通过调整油缸顶力对顶管机姿态进行控制。授权公告号cn113738390a的专利公开了一种矩形顶管机的分时迁移空间姿态微调纠偏方法，通过实时采集的顶管机姿态数据，结合顶管机的运动学简化模型，计算纠偏组件每次纠偏动作的实际伸缩量，以控制纠偏组件的纠偏动作。

3、上述两项专利中n110130916a所公布的方法在计算顶管机姿态偏移的精度受神经网络模型本身特性影响，依赖大量工程数据，可迁移性差。cn113738390a所公布的方法未考虑顶管机所受荷载情况，如刀盘-土体和顶管机盾周-土体的相互作用等，通过考虑油缸的伸缩情况来控制顶管机姿态，不涉及力学作用的分析，仅从几何学上研究顶管机姿态控制，使用起来效果较差。

4、以上缺陷，值得改进。

技术实现思路

1、本发明提供一种顶管机的姿态预测方法、装置、设备及介质，其主要目的在于提升顶管机姿态预测的精确度。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种顶管机的姿态预测方法，包括：

3、基于预设的顶管姿态预测指令构建顶管机位姿坐标系，并根据所述顶管机位姿坐标系获取顶管机掘进过程中的位姿变化，得到顶管机位姿变化；

4、获取所述顶管机的盾周位移，并基于所述顶管机的盾周位移和所述顶管机位姿变化获取所述顶管机盾周的土体位移；

5、根据所述土体位移，利用所述顶管机位置和姿态的齐次变换矩阵进行对所述顶管机掘进过程中所受荷载进行建模，计算所述顶管机的多个分力；

6、基于预设的动坐标系原点将所述顶管机的多个分力进行简化等效，建立顶管机等效荷载模型，获取特定偏转力矩下的顶管机姿态。

7、可选地，所述根据所述顶管机位姿坐标系获取顶管机掘进过程中的位姿变化，得到顶管机位姿变化，包括：

8、根据所述顶管机位姿坐标系构建顶管机位置和姿态的齐次变换矩阵，得到位置姿态变换矩阵；

9、通过所述位置姿态变换矩阵表示所述顶管机掘进过程中的位姿变化，得到顶管机位姿变化。

10、可选地，所述根据所述顶管机位姿坐标系构建顶管机位置和姿态的齐次变换矩阵，得到位置姿态变换矩阵，包括：

11、通过预设的测量设备获取所述顶管机的实时位置和姿态数据，并根据所述顶管机的实时位置和姿态数据构建初始齐次变换矩阵；

12、基于顶管机位姿坐标系中顶管机的坐标点对所述初始齐次变换矩阵进行验证，并在验证通过时得到所述顶管机的位置姿态变换矩阵。

13、可选地，所述通过所述位置姿态变换矩阵表示所述顶管机掘进过程中的位姿变化，得到顶管机位姿变化，包括：

14、获取所述顶管机的实时监测数据，并根据所述实时监测数据对所述位姿变换矩阵进行更新，得到更新位移变换矩阵；

15、将所述更新位姿变换矩阵导入所述顶管机对应的顶管机位姿坐标系，表示所述顶管机掘进过程中的位姿变化，得到顶管机位姿变化。

16、可选地，所述根据所述土体位移，利用所述顶管机位置和姿态的齐次变换矩阵进行对所述顶管机掘进过程中所受荷载进行建模，计算所述顶管机的多个分力，包括：

17、基于环境参数和顶管机的设备参数计算所述顶管机的盾壳所受的静止土压力；

18、通过预设的地基反力曲线函数和所述土体位移计算反力，得到地基反力；

19、通过所述地基反力和所述静止土压力计算所述顶管机盾壳上的法向作用力，得到盾周法向力，并根据所述盾壳法向力和所述环境参数中的顶管机-土界面摩擦系数计算所述顶管机盾壳上的切向作用力，得到盾周摩阻力；

20、基于所述环境参数和顶管机的设备参数计算所述顶管机的刀盘所受法向力和铰接油缸推力，并将所述顶管机的设备参数中的顶管机自重、所述盾周法向力、所述盾周摩阻力、所述刀盘所受法向力和所述铰接油缸推力作为所述顶管机的多个分力。

21、可选地，所述基于所述环境参数和顶管机的设备参数计算所述顶管机的刀盘所受法向力和铰接油缸推力，包括：

22、基于所述环境参数和所述顶管机设备参数计算刀盘荷载合力和刀盘荷载合力矩，并根据所述刀盘荷载合力和刀盘荷载合力矩计算刀盘所受法向力；

23、基于所述环境参数和顶管机设备参数计算单一油缸推力的等效作用力；

24、获取所述顶管机铰接油缸数目，并根据所述顶管机铰接油缸数目和所述单一油缸推力的等效作用力计算铰接油缸推力。

25、可选地，所述基于预设的动坐标系原点将所述顶管机的多个分力进行简化等效，建立顶管机等效荷载模型，获取特定偏转力矩下的顶管机姿态，包括：

26、基于所述动坐标系原点将所述顶管机的多个分力进行简化等效，建立顶管机等效荷载模型；

27、通过输入不同姿态角，根据所述顶管机等效荷载模型计算得到姿态角与顶管机铰接油缸偏转力矩关系；

28、根据输入的顶管机油缸偏转力矩和所述姿态角与顶管机铰接油缸偏转力矩关系，得到特定偏转力矩下的顶管机姿态。

29、可选地，所述地基反力曲线函数为：

30、

31、其中，i可取v、h，分别表示竖直和水平方向，kio、kimin、kimax分别表示静止土压力、主动土压力系数、被动土压力系数，ai为地基反力系数，ui为土体在i方向上发生的位移，以土体受压为正，土体受拉为负。

32、为了解决上述问题，本发明还提供一种顶管机的姿态预测装置，所述装置包括：

33、位姿变化获取模块，用于基于预设的顶管姿态预测指令构建顶管机位姿坐标系，并根据所述顶管机位姿坐标系获取顶管机掘进过程中的位姿变化，得到顶管机位姿变化：

34、土体位移获取模块，用于获取所述顶管机的盾周位移，并基于所述顶管机的盾周位移和所述顶管机位姿变化获取所述顶管机盾周的土体位移：

35、顶管机分力计算模块，用于根据所述土体位移，利用所述顶管机位置和姿态的齐次变换矩阵进行对所述顶管机掘进过程中所受荷载进行建模，计算所述顶管机的多个分力：

36、顶管机姿态预测模块，用于基于预设的动坐标系原点将所述顶管机的多个分力进行简化等效，建立顶管机等效荷载模型，获取特定偏转力矩下的顶管机姿态。

37、为了解决上述问题，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：

38、至少一个处理器；以及，

39、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

40、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上所述的顶管机的姿态预测方法。

41、为了解决上述问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括存储数据区和存储程序区，存储数据区存储创建的数据，存储程序区存储有计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的顶管机的姿态预测方法。

42、本发明实施例通过构建顶管机位姿坐标系，并根据顶管机位姿坐标系获取顶管机掘进过程中的位姿变化，掌握顶管机掘进过程中的位姿变化，之后通过获取顶管机的盾周位移和顶管机位姿变化获取顶管机盾周的土体位移，然后根据土体位移，利用顶管机位置和姿态的齐次变换矩阵进行对顶管机掘进过程中所受荷载进行建模，计算顶管机的多个分力，实现对顶管机的所受力进行区分计算的目的，最后基于预设的动坐标系原点将顶管机的多个分力进行简化等效，建立顶管机等效荷载模型，获取特定偏转力矩下的顶管机姿态。因此本发明提出的顶管机的姿态预测方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，通过分别计算顶管机的各项分力，解决顶管机在大断面情况下施工过程中各点压力存在差别和受力不均的问题，提升顶管机姿态预测的精确度。