阅读说明：本技术 一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法 (Planning execution control method for excavation path of multi-mode digging and building machine ) 是由 刘飞香 秦念稳 肖正航 谭果 刘洪涛 陈聪 曾婷 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法,包括建立多模式挖头的正运动学模型；探测掌子面岩体类型,并建立岩体空间模型；根据岩体空间模型规划开挖路径；根据岩体空间模型记录的岩体类型选择对应模式的挖头；控制挖头按照开挖路径进行挖掘；挖掘过程中根据岩体空间模型记录的岩体类型变化,更换对应模式的挖头后继续挖掘。通过建立正运动学模型和岩体空间模型规划开挖路径,并根据不同岩体类型更换不同挖头,结构简单,多模式挖头灵活切换,提高执行效率和可靠性,采用路径规划和执行控制提高自动化程度,减少了人员劳动强度,实现安全高效的隧道掘建,提高隧道智能建造无人化和智能化程度。(The invention discloses a planning execution control method for an excavation path of a multi-mode digging machine, which comprises the steps of establishing a positive kinematics model of a multi-mode digging head; detecting the type of the face rock mass and establishing a rock mass space model; planning an excavation path according to the rock mass space model; selecting an excavating head in a corresponding mode according to the rock mass type recorded by the rock mass space model; controlling the digging head to dig according to the digging path; and in the excavation process, according to the change of the rock mass type recorded by the rock mass space model, the excavation is continued after the excavation head in the corresponding mode is replaced. The excavation path is planned by establishing the positive kinematics model and the rock mass space model, different excavation heads are replaced according to different rock mass types, the structure is simple, the multi-mode excavation heads are flexibly switched, the execution efficiency and reliability are improved, the automation degree is improved by adopting path planning and execution control, the labor intensity of personnel is reduced, the safe and efficient tunnel excavation is realized, and the unmanned and intelligent degrees of intelligent tunnel construction are improved.)

一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法

技术领域

本发明涉及掘建挖掘领域，特别是涉及一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法。

背景技术

随着隧道智能建造的发展，隧道开挖越来越向着信息化、自动化、少人化靠近，目前隧道开挖领域基本以钻爆法和盾构法为主，但钻爆法和盾构法各有其适用工况，针对围岩条件变化较大时，往往不能灵活切换，导致施工效率低，人员劳动强度大。

现有技术主要集中在单一机构路径规划和工作控制中，包括图像识别、冗余路径规划等。针对地下工程施工中所涉及多模式开挖问题，并不能提供执行器件和机械结构发生切换的路径规划及执行控制技术，无法满足复杂地质条件下施工的适应性和高效性。

因此，亟待提供一种规划执行控制方法，可灵活切换挖头，按照规划路径进行断面开挖，提高开挖效率，减少人员劳动强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法，通过建立正运动学模型和岩体空间模型规划开挖路径，并根据不同岩体类型更换不同的挖头，提升自动化程度和工作效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法，包括步骤：

建立多模式挖头的正运动学模型；

探测掌子面岩体类型，并建立岩体空间模型；

根据所述岩体空间模型规划开挖路径；

根据所述岩体空间模型记录的岩体类型选择对应模式的所述挖头；

控制所述挖头按照所述开挖路径进行挖掘；

挖掘过程中根据所述岩体空间模型记录的岩体类型变化，更换对应模式的所述挖头后继续挖掘。

优选地，岩体类型包括硬岩地质、软土地质和复合地质，所述挖头包括对应所述硬岩地质的钻劈挖头、对应所述软土地质的挖斗挖头和对应所述复合地质的铣挖头。

优选地，所述钻劈挖头由上至下挖掘并由下至上复位，所述挖斗挖头由上至下挖掘并由下至上复位，所述铣挖头由中心螺旋向外扩散挖掘并由外向内复位。

优选地，所述建立多种模式的挖头的正运动学模型具体为根据油缸和连杆的长度及铰接位置建立所述正运动学模型。

优选地，所述建立岩体空间模型包括步骤：

设定不同岩体类型对应的颜色，形成不同颜色的单位长方体块；

根据探测到的各岩体类型的分布情况，对应各岩体类型的位置，将各色的所述单位长方体块拼接搭建成所述岩体空间模型，并确定各所述单位长方体块的位置坐标。

优选地，所述建立岩体空间模型包括步骤：

搭建初始整体模型，并将所述初始整体模型分割成相互拼接的多个单位长方体块；

设定不同岩体类型对应的颜色；

根据探测到的各岩体类型的分布情况，将对应位置的各所述单位长方体块染成对应的颜色，形成所述岩体空间模型，并确定各所述单位长方体块的位置坐标。

优选地，所述挖掘过程中根据所述岩体空间模型记录的岩体类型变化，更换对应模式的所述挖头后继续挖掘包括步骤：

持续判断岩体类型是否变化，若变化则记录当前开挖位置；

设备退出后根据变化后的岩体类型更换对应的所述挖头；

控制更换后的所述挖头移动至更换前记录的开挖位置；

控制所述挖头继续挖掘。

优选地，所述持续判断岩体类型是否变化包括步骤：

根据所述岩体空间模型和所述正运动学模型同步模拟挖掘过程；

模拟挖掘时判断当前的所述单位长方体块与之前的所述单位长方体块表示的岩体类型是否一致；

若不一致，则岩体类型变化；若一致，则岩体类型不变。

优选地，所述记录当前开挖位置具体为记录岩体类型变化处的所述单位长方体块的位置坐标，复位时移动至记录的位置坐标。

优选地，所述建立岩体空间模型后还包括步骤：

实时探测岩体类型，并实时修改所述岩体空间模型。

本发明提供一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法，包括建立多种模式的挖头的正运动学模型；探测掌子面岩体类型，并建立岩体空间模型；根据岩体空间模型规划开挖路径；根据岩体空间模型记录的岩体类型选择对应模式的挖头；控制挖头按照开挖路径进行挖掘；挖掘过程中根据岩体空间模型记录的岩体类型变化，更换对应模式的挖头后继续挖掘。

通过建立正运动学模型和岩体空间模型规划开挖路径，并根据不同岩体类型更换不同的挖头，案结构简单，多模式挖头灵活切换，提高执行效率和可靠性，采用路径规划和执行控制提高自动化程度，减少了人员劳动强度，实现安全高效的隧道掘建，提高隧道智能建造无人化和智能化程度。

附图说明

图1为本发明所提供的规划执行控制方法的一种

具体实施方式

中钻劈挖头的结构示意图；

图2为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中钻劈挖头的正运动学模型示意图；

图3为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中硬岩地质的空间模型示意图；

图4为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中挖斗挖头的结构示意图；

图5为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中挖斗挖头的正运动学模型示意图；

图6为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中软土地质的空间模型示意图；

图7为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中铣挖头的结构示意图；

图8为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中铣挖头的正运动学模型示意图；

图9为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中复合地质的空间模型示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法，通过建立正运动学模型和岩体空间模型规划开挖路径，并根据不同岩体类型更换不同的挖头，提升自动化程度和工作效率。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图9，图1为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中钻劈挖头的结构示意图；图2为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中钻劈挖头的正运动学模型示意图；图3为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中硬岩地质的空间模型示意图；图4为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中挖斗挖头的结构示意图；图5为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中挖斗挖头的正运动学模型示意图；图6为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中软土地质的空间模型示意图；图7为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中铣挖头的结构示意图；图8为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中铣挖头的正运动学模型示意图；图9为本发明所提供的规划执行控制方法的一种具体实施方式中复合地质的空间模型示意图。

本发明具体实施方式一种多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法，多模式掘建机的挖掘部分包括基座，基座的前端铰接有能够伸缩的大臂4，基座和大臂4后端连接有大臂横摆油缸和大臂俯仰油缸，用于驱动大臂4横摆运动和俯仰运动，大臂4前端通过连杆机构连接挖头，挖头具有多种模式，对应不同岩体类型，连杆机构和大臂4之间设置有挖头俯仰油缸，用于驱动挖头的俯仰运动，通过上述多个油缸实现挖头上下、左右、前后运动。

规划执行控制方法包括步骤：

建立多种模式的挖头的正运动学模型。包括三种模式的挖头，为钻劈挖头1、挖斗挖头2和铣挖头3，其中钻劈挖头1采用排钻和液压劈裂棒组合的方式，各挖头的正运动学模型是根据油缸、连杆和挖掘部件的长度及铰接位置建立而成。三种模型对应大臂及连杆处的部分结构一致，挖头部分结构替换，由直线表示杆件，由四边形表示铰接轴。

探测掌子面岩体类型，并建立岩体空间模型。通过地质探测，获取掌子面处的岩体类型，其中，岩体类型包括硬岩地质、软土地质和复合地质，钻劈挖头1用于挖掘硬岩地质，挖斗挖头2用于挖掘软土地质，铣挖头3用于挖掘复合地质，复合地质为既有软土又有软岩的地质。也可进一步细分岩体类型，对应设置更多种类的挖头结构，均在本发明的保护范围之内。

根据岩体空间模型规划开挖路径。根据隧道用途、长度、容量等实际需要进行规划，且岩体空间模型能够体现各处地质，在规划时可充分考虑，将挖掘难度、支护难度等情况考虑到路径的规划中。

根据岩体空间模型记录的岩体类型选择对应模式的挖头，即记录为硬岩地质时，采用钻劈挖头1，记录为软土地质时，采用挖斗挖头2，记录为复合地质时，采用铣挖头3。

控制挖头按照开挖路径进行挖掘，安装好选择的挖头后，参照开挖路径开始挖掘。具体地挖掘方式为：钻劈挖头由上至下挖掘，挖斗挖头由上至下挖掘并由下至上复位，铣挖头由中心螺旋向外扩散挖掘，也可适应调整挖掘方式。图1、图4和图7中，虚线为挖头的工作路径一，实线为挖头的工作路径二，图2、图5和图8中，虚线框中的结构为公用的大臂4、油缸等结构的正运动学模型，图3、图6和图9中，剖面线上端向右倾斜的方块为已开挖岩体，剖面线上端向左倾斜的方块为未开挖岩体，箭头指示开挖方向。

挖掘过程中根据岩体空间模型记录的岩体类型变化，更换对应模式的挖头后继续挖掘。由于地质状况复杂，不可能是一成不变的，因此地质变化时，可以更换不同的挖头继续挖掘。

通过建立正运动学模型和岩体空间模型规划开挖路径，并根据不同岩体类型更换不同的挖头，结构简单，多模式挖头灵活切换，提高执行效率和可靠性，采用路径规划和执行控制提高自动化程度，减少了人员劳动强度，实现安全高效的隧道掘建，提高隧道智能建造无人化和智能化程度。

其中，建立岩体空间模型包括步骤：

设定不同岩体类型对应的颜色，形成不同颜色的单位长方体块，在本具有实施方式中，设置三种颜色的单位长方体块，分别代表三种地质。

根据探测到的各岩体类型的分布情况，对应各岩体类型的位置，将各色的单位长方体块拼接搭建成岩体空间模型，并确定各单位长方体块的位置坐标。

或采用其他方式建立岩体空间模型，包括步骤：

搭建初始整体模型，并将初始整体模型分割成相互拼接的多个单位长方体块。

设定不同岩体类型对应的颜色。

根据探测到的各岩体类型的分布情况，将对应位置的各单位长方体块染成对应的颜色，形成岩体空间模型，并确定各单位长方体块的位置坐标。

岩体空间模型的整体尺寸根据待挖掘的隧道尺寸决定，单位长方体块可采用1.5m×1.5m×1m的长方体，或调整长方体的尺寸，或采用六棱柱、三棱柱等作为单位块，均在本发明的保护范围之内。

在上述各具体实施方式提供的规划执行控制方法的基础上，挖掘过程中根据岩体空间模型记录的岩体类型变化，更换对应模式的挖头后继续挖掘包括步骤：

持续判断岩体类型是否变化，具体地，根据岩体空间模型和正运动学模型同步模拟挖掘过程，即实际挖掘于模拟挖掘一致，能够实时模拟挖掘状态；模拟挖掘时判断当前的单位长方体块与之前的单位长方体块表示的岩体类型是否一致，即判断当前待挖掘区域的岩体类型与之前挖掘过的区域的岩体类型是否一致；若不一致，则表示岩体类型变化；若一致，则表示岩体类型不变。

若变化则记录当前开挖位置，具体地，记录岩体类型变化处的单位长方体块的位置坐标，由于模拟挖掘于实际挖掘同步进行，记录岩体类型变化处的单位长方体块的位置坐标，即记录了地质变化后的设备暂停位置。

设备退出后根据变化后的岩体类型更换对应的挖头。

控制更换后的挖头移动至更换前记录的开挖位置，即通过算法模拟挖掘，挖头移动至暂停时记录的位置坐标。然后控制挖头继续挖掘。

进一步地，建立岩体空间模型后还包括实时探测岩体类型，并实时修改岩体空间模型。

以上对本发明所提供的多模式掘建机开挖路径的规划执行控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。