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盾构机管片拼装视觉伺服控制系统研究
| 论文题名： | 盾构机管片拼装视觉伺服控制系统研究 |
| 关键词： | 隧道工程;盾构机;管片拼装;视觉伺服;控制系统 |
| 摘要： | 管片拼装系统是盾构系统中较为重要的一个子系统。管片拼装的效率直接影响隧道挖掘工程的快慢。目前，在实际工程中，管片拼装的多道工序已基本实现机械自动化，管片拼装效率较初期阶段已有很大提升。但是由于在实际工程中管片位姿无法实时测量，只能通过人眼估计管片位姿，然后手动遥控手柄完成管片的拼装过程，同时实际管片拼装过程中又存在提升装置运动不同步、高速但冲击力矩大、工人熟练程度高低不一等问题，这些都限制管片拼装的效率。 本文首先针对管片拼装机提升装置由于负载干扰等因素造成的运动不同步问题，通过建立双缸数学模型，采用梯度下降法，设计了基于滑模的自适应PID同步控制器，实现双缸同步控制。同时为实现管片智能化拼装，本文采用在管片对接位置布置合作式靶标的方法，通过相机间接实现管片的实时位姿估计，运用基于图像的视觉伺服技术，建立了一套完整的自动化管片拼装控制系统，并在管片拼装实验装置完成了策略有效性验证。本文内容主要包括两部分研究与试验： 1、管片拼装机提升装置同步控制。针对管片提升机构运动不同步的问题，通过建立提升机构数学模型，基于常规的PID控制原理，结合滑模控制方法，运用梯度下降方法，设计了一种滑模自适应PID控制算法。该方法能够有效应对因为负载差异造成管片提升装置运动不同的问题。通过在管片拼装实验台上对比多种提升同步策略，结果表明，所提出的自适应PID控制器同步误差低于PID策略，同时对提升机构的线性不确定性具有良好的鲁棒性。 2、盾构机管片拼装视觉伺服控制系统设计。首先采用在管片合适位置布置靶标的方式，运用工业相机间接实现管片的实时位姿估计。然后建立待拼装管片期望位置计算模型，采用机器学习方法建立了管片期望位置的预测模型。接着运用基于图像的视觉伺服策略（IBVS），结合滑模控制理论（SMC），将常规P控制器设计为混合PD-SMC控制器，并用李雅普诺夫理论对所提混合控制器进行了稳定性验证。同时考虑到相机运动产生的运动耦合现象，提出先平移、旋转后提升、微调的分步管片策略，最终建立了一套完整的管片自动拼装方法。通过在管片拼装实验装置上进行IBVS和混合PD-SMC两种拼装策略的三组对比验证分析，结果表明所提出的混合PD-SMC分步拼装策略拼装时间更短，而且拼装的图像轨迹更加平滑，无明显抖振现象。 |
| 作者： | 赵磊 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王林涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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