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原文传递竖井掘进姿态测量与调控技术研究

论文题名：	竖井掘进姿态测量与调控技术研究
关键词：	桥桩施工;竖井掘井设备;姿态测量;误差补偿;姿态控制;动力学建模
摘要：	竖井掘进设备是建设桥桩的重要设备，其性能的优劣直接影响到竖井、孔桩挖掘效率与质量。受西南地区复杂地形影响，无法使用现有大型竖井掘进设备，现场施工仍然采用人工钻爆法掘进。但人工钻爆法自动化程度低且安全隐患高，目前只有将自动化掘进设备与钻爆法掘进有机结合，才能提高挖掘效率与环境适应能力。竖井工况环境恶劣，而将自动化掘进设备应用于钻爆掘进工艺时，其自动化掘进设备的定位调姿为目前待解决的重点问题之一。因此本文以竖井掘进设备为对象，开展竖井掘进设备姿态测量与控制关键技术方面的研究。本文的研究内容主要有以下四个方面：　　（1）竖井掘进设备系统组成与动力学分析。分析竖井掘进支撑调姿设备的系统组成、结构特点、工作原理等特性，针对竖井掘进设备的姿态特点，建立了机构运动坐标系。分析了微调姿与快速调姿两种工况下，支撑调姿系统的动力学特性，考虑支撑调姿机构—围岩相互作用关系，运用拉格朗日动力学建模法，建立了机—岩动力学耦合模型，为本文姿态控制研究打下理论基础。　　（2）竖井掘进设备姿态测量与解算方法研究。首先，考虑到竖井环境复杂工况，采用多传感器测量法取代常规单一传感器，并设计多传感器测量系统结构布局。其次，参考广义导航系统双坐标系建立法，结合多传感器数据信息，建立描述竖井掘进装备姿态的参考坐标系。然后，分析现有姿态解算方法，结合扩展卡尔曼滤波算法，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的多传感器数据融合姿态测量与欧拉角实时姿态解算方法。最后，进行了姿态测量与解算实验，验证该方法在姿态测量与解算时的准确性与可靠性。　　（3）竖井掘进姿态测量误差补偿研究。首先，分析了基于扩展卡尔曼滤波多传感器数据融合方法的姿态测量误差来源。其次，分析了扩展卡尔曼滤波的算法特点，基于混沌序列种群初始化与最优平均位置的优化方法，提出了一种改进量子粒子群算法优化扩展卡尔曼滤波参数，并通过求解单峰与多峰验证了改进算法的可行性。最后，通过姿态测量与解算对比分析实验，验证了基于改进量子粒子群—扩展卡尔曼滤波算法的优势，该算法有效补偿了姿态测量误差。　　（4）竖井掘进设备姿态控制策略与方法研究。首先，分析了竖井掘进设备井下姿态特点，将三维调姿过程二维化、步骤化。以设备与井筒轴心线间距，姿态测量数据为依据，总结归纳了三种姿态形式与配套调姿方案。然后，考虑竖井掘进实际工况与液压设备时滞、欠约束等问题，通过支撑液压腿传感器数据与实时姿态测量数据，设计了基于双负反馈控制的控制器结构。其次，以最优控制方法为基础，amp;nbsp;通过引入模糊控制，设计了一种基于模糊—最优控制的姿态控制器。最后，建立了基于MATLAB/AMESim软件的姿态控制仿真实验环境，开展了姿态控制仿真实验，证明了基于模糊—最优控制为核心的姿态控制方法，有效地解决竖井掘进设备姿态控制时滞、欠约束等问题。
作者：	马鉴望
专业：	机械工程
导师：	胡启国
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023