CN116006185A - 微型顶管机用可嵌入自动导向*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型顶管机用可嵌入自动导向***，该***包括：依次连接的多元测量模块、控制中枢模块和终端控制模块，其中，多元测量模块用于测量微型顶管机的多元参数，并对外输出多元参数；控制中枢模块用于接收多元参数，并转发至终端控制模块；终端控制模块用于对多元参数进行参数分析，并输出模糊控制指令至控制中枢模块，以便控制中枢模块根据模糊控制指令对微型顶管机机头进行姿态控制。本发明能够通过多元参数的调整实现微型顶管机机头姿态自动控制。

Description

微型顶管机用可嵌入自动导向***

技术领域

本发明涉及微型顶管机技术领域，尤其涉及一种微型顶管机用可嵌入自动导向***。

背景技术

针对微型顶管机机头姿态自动导向，专利CN202023178648.8中的微型顶管机机头姿态激光测量仪，通过第一弹簧和第二弹簧的设置，使该激光测量仪具备了稳定性高、测量精度高的效果，通过支撑块和倾斜仪的配合设置，在使用的过程中可以实现始终保持该装置水平位置，使激光光源免受外界震动的影响。由于设置有摄像头和光靶，可方便收集激光测量光点位置信息，且摄像头与外部计算机通电连接，以便及时调整顶管机机头的姿态，从而起到了提高测量精度、减少震动对测量精度干扰的作用，达到了结构简单、实用性高的目的。但是，该发明装置占用顶管机内部空间较大，且由于该装置结构需求增添钢结构滑道，破坏了顶管的规则形状，使得顶管机顶进过程中不够稳定，易发生偏移。

专利CN202022788102.8虽然通过内置摄像机进行光电捕捉激光靶影像，但是未考虑到顶管机内部结构复杂，内置摄像机镜头极易受到影响，一旦内置摄像机出现故障，该设备即瘫痪，且该装置传输图像对网络信号要求较高，容易收到网络的限制。

另外，目前常用的测量方法有：人工测量法、激光测量法、陀螺罗盘法、自动跟踪全站仪测量法等，但是这些测量方法均难以应用于微型顶管机的测量。例如陀螺仪设备目前体积较大，无法安装到机头，全站仪价格昂贵，并且经文献检索尚未发现在微型顶管机的机头上，设置激光测量装置来测量微型顶管机的机头姿态，以及现有技术缺乏对顶管机水平垂直误差、顶进距离、方位进行综合测量的微型顶管机机头姿态自动导向***。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种微型顶管机用可嵌入自动导向***，该***能够实现微型顶管机机头姿态自动控制。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种微型顶管机用可嵌入自动导向***，包括：

多元测量模块，用于测量微型顶管机的多元参数，并对外输出所述多元参数；

控制中枢模块，与所述多元测量模块连接，所述控制中枢模块用于接收所述多元参数，并转发至终端控制模块；

所述终端控制模块，与所述控制中枢模块连接，所述终端控制模块用于对所述多元参数进行参数分析，并输出模糊控制指令至所述控制中枢模块，以便所述控制中枢模块根据所述模糊控制指令对微型顶管机机头进行姿态控制。

可选的，所述多元参数包括所述微型顶管机的水平垂直偏差参数、顶进距离参数、倾角参数、转动角参数和偏航角参数。

可选的，所述多元测量模块包括：

激光测量单元，与所述控制中枢模块连接，所述激光测量单元用于测量所述微型顶管机的水平垂直偏差参数；

顶进距离测量单元，与所述控制中枢模块连接，所述顶进距离测量单元用于测量所述微型顶管机的顶进距离参数；

顶管机倾角测量单元，与所述控制中枢模块连接，所述顶管机倾角测量单元用于测量所述微型顶管机的倾角参数；

陀螺定向仪，与所述控制中枢模块连接，所述陀螺定向仪用于测量所述微型顶管机的转动角参数和偏航角参数。

可选的，所述激光测量单元包括：

激光发射器，与设置在所述微型顶管机机头末端的主动目标靶正对设置，且设置在所述微型顶管机的外部，所述激光发射器用于向所述主动目标靶发射激光信号；

激光检测传感器，用于检测所述激光信号，并将所检测到的所述激光信号的位置与目标位置进行比较，以获取所述微型顶管机的水平垂直偏差参数。

可选的，所述顶进距离测量单元包括：

测量轮，设置在所述微型顶管机所处的工作井的封门位置；

顶进距离测量传感器，负载在所述测量轮上，并随所述测量轮转动，所述顶进距离测量传感器用于检测所述微型顶管机的顶进距离参数。

可选的，所述顶管机倾角测量单元包括：

电子水准仪和铟瓦尺片，所述铟瓦尺片的设置方向与所述电子水准仪所在的水平线方向垂直，所述电子水准仪通过铟瓦尺片的倾斜检测所述微型顶管机的倾角参数。

可选的，所述陀螺定向仪包括：两个倾角仪和一个陀螺仪，所述陀螺定向仪通过所述倾角仪和所述陀螺仪对所述微型顶管机的转动角参数和偏航角参数进行测量。

可选的，所述微型顶管机内设置有水平平台，所述顶管机倾角测量单元、所述陀螺定向仪和所述控制中枢模块均设置在所述水平平台上。

可选的，所述终端控制模块为PLC终端控制模块，所述终端控制模块具有自动操作模式和手动操作模式。

本发明至少具有以下技术效果：

(1)本发明通过多元测量模块及PLC终端控制模块的“电机”结合，使得对顶管机的多参数的瞬时调整和自动控制更加的灵敏、精确，并且本发明能够实现对顶管机水平垂直误差、顶进距离、方位等参数进行综合测量，并实现微型顶管机机头姿态自动控制。

(2)本发明可推广适用于多种机型顶管机，且所有内部元件都搭载在水平平台上，未来可以进一步优化形成封装模块，进而只需将其安装在顶管机内部，即可实现对顶管机的自动导航控制，并且可避开顶管机内部空间限制。

(3)本发明采用陀螺定向仪，不仅体积小，重量轻，低成本，且具有高可靠性、全固态装置、抗大过载冲击等良好优势，避开了外界因素对内部元件的影响。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的微型顶管机用可嵌入自动导向***的结构框图；

图2为本发明一实施例提供的多元测量模块的结构框图；

图3为本发明一实施例提供的微型顶管机用可嵌入自动导向***的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的微型顶管机用可嵌入自动导向***。

图1为本发明一实施例提供的微型顶管机用可嵌入自动导向***的结构框图。如图1所示，该微型顶管机用可嵌入自动导向***10包括：多元测量模块11、控制中枢模块12和终端控制模块13。

其中，多元测量模块11用于测量微型顶管机的多元参数，并对外输出多元参数；控制中枢模块12与多元测量模块11连接，控制中枢模块12用于接收多元参数，并转发至终端控制模块13；终端控制模块13与控制中枢模块12连接，终端控制模块13用于对多元参数进行参数分析，并输出模糊控制指令至控制中枢模块12，以便控制中枢模块12根据模糊控制指令对微型顶管机机头进行姿态控制。其中，多元参数包括微型顶管机的水平垂直偏差参数、顶进距离参数、倾角参数、转动角参数和偏航角参数。

本实施例中，多元测量模块11在测量到微型顶管机的水平垂直偏差参数、顶进距离参数、倾角参数等姿态参数后，将其发送至控制中枢模块12，控制中枢模块12接收后再将其转发至终端控制模块13，终端控制模块13对所接收的多元参数进行分析，并根据分析结果输出模糊控制指令至控制中枢模块12。控制中枢模块12接收到模糊控制指令后，根据所述模糊控制指令对微型顶管机机头进行姿态控制，由此可实现微型顶管机机头姿态自动控制。

如图2所示，多元测量模块11包括：激光测量单元111、顶进距离测量单元112、顶管机倾角测量单元113和陀螺定向仪114。上述各测量单元均与控制中枢模块12连接，其中，激光测量单元111用于测量微型顶管机的水平垂直偏差参数；顶进距离测量单元112用于测量微型顶管机的顶进距离参数；顶管机倾角测量单元113用于测量微型顶管机的倾角参数；陀螺定向仪114用于测量微型顶管机的转动角参数和偏航角参数。

其中，微型顶管机内设置有水平平台，顶管机倾角测量单元113、陀螺定向仪114和控制中枢模块12均设置在水平平台14上。

如图3所示，激光测量单元111包括：激光发射器1111和激光检测传感器(图中未示出)。其中，激光发射器1111与设置在微型顶管机机头末端的主动目标靶1112正对设置，且设置在微型顶管机的外部，激光发射器1111用于向主动目标靶1112发射激光信号；激光检测传感器用于检测激光信号，并将所检测到的激光信号的位置与目标位置进行比较，以获取微型顶管机的水平垂直偏差参数。

具体的，可在工作井中安装一台激光发射器1111，并使其与顶管机末端的光栅网格主动目标靶1112保持通视。激光检测传感器捕捉到红色的激光束后，以主动目标靶1112中心点为参考显示激光点的位置。例如，可通过数据传输和网络可视化，将光栅网格主动目标靶1112上的信号值转换为屏幕界面图像信息，以实测获取激光点位置。据此，激光检测传感器可检测出相对于目标位置的水平和垂直偏差参数，然后将水平和垂直偏差参数转化为电信号传送到控制中枢模块12。

请继续参考图3，顶进距离测量单元112包括：测量轮1121和顶进距离测量传感器(图中未示出)。其中，测量轮1121设置在微型顶管机所处的工作井的封门位置；顶进距离测量传感器负载在测量轮1121上，并随测量轮1121转动，顶进距离测量传感器用于检测微型顶管机的顶进距离参数。

具体的，在工作井封门处可安装测量轮1121，以用来测量微型顶管机的顶进距离，并且随着负载在测量轮上的顶进距离测量传感器转动激发电信号，该电信号可以转换为顶进距离进行显示，并且顶进距离测量传感器可将该电信号传输至控制中枢模块12。

请继续参考图3，顶管机倾角测量单元113包括：电子水准仪1131和铟瓦尺片1132。其中，铟瓦尺片1132的设置方向与电子水准仪1131所在的水平线方向垂直，电子水准仪1131通过铟瓦尺片1132的倾斜检测微型顶管机的倾角参数。

具体的，为了避免折射对激光信号的影响，可利用电子水准仪扩展自动测量传感器对微型顶管机的倾角参数进行检测。如图3所示，可在水平平台14末端中心处悬挂配套的铟瓦尺片1132，铟瓦尺片1132可在任意时刻保持与水平线垂直状态，以便电子水准仪1131获取顶管机倾角偏差参数，电子水准仪扩展的自动测量传感器读取倾角偏差参数后，将其转换成电信号传输到控制中枢模块12。

请继续参考图3，陀螺定向仪114包括：两个倾角仪1141和一个陀螺仪1142，陀螺定向仪114通过倾角仪1141和陀螺仪1142对微型顶管机的转动角参数和偏航角参数进行测量。

具体的，可在微型顶管机内部搭载陀螺定向仪114，以用于测量微型顶管机的方位，其中以地理上的北向为参照确定顶管机的偏航角，以地球重力线为参考测定顶管机的倾角和转动角度。本实施例中，陀螺定向仪114由一个高精度陀螺仪1142和两个高精度倾角仪1141组成，这些装置安放在微型顶管机内部的水平平台14上，以便顶管机在±90°范围内倾斜或偏转时，定向仪也能够精确找准北向。陀螺定向仪114在获取方位参数后，可将上述方位参数实时传输至控制中枢模块12，以便控制中枢模块12将其传输至终端控制模块13。

在本发明的一个实施例中，终端控制模块13可为PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)终端控制模块，终端控制模块13具有自动操作模式和手动操作模式。

具体的，在水平平台14上设有的控制中枢模块12可将所获取的如水平垂直偏差、顶进距离、顶管机倾角、转动角及偏航角等参数以电信号的形式发送到PLC终端，形成多元模块的导向***，并通过其扩展的模糊控制装置来实现对隧道掘进的自动控制。在模糊控制过程中，模糊控制单元的行为以规则的形式输入，这些规则是人类决策的体现，主要来源于该领域专家和有经验操作人员的实际经验、对掘进机在地下工作时的动态模拟研究以及对顶进数据的分析。终端控制模块13根据所扩展的模糊控制单元的分析，输出模糊控制指令至控制中枢模块12，以便控制中枢模块12根据模糊控制指令对微型顶管机机头进行姿态控制。其中，终端控制模块13所扩展的模糊控制单元具有自动和手动两种操作模式，在选择手动操作模式时，模糊控制单元将仅提出操作建议而不进行实际操作，在选择自动操作模式时，终端控制模块13将执行自动纠偏操作。

综上所述，本发明通过多元测量模块及PLC终端控制模块的“电机”结合，使得对顶管机的多参数的瞬时调整和自动控制更加的灵敏、精确，并且本发明能够实现对顶管机水平垂直误差、顶进距离、方位等参数进行综合测量，并实现微型顶管机机头姿态自动控制，以及本发明可推广适用于多种机型顶管机，且所有内部元件都搭载在水平平台上，未来可以进一步优化形成封装模块，进而只需将其安装在顶管机内部，即可实现对顶管机的自动导航控制，并且可避开顶管机内部空间限制；另外，本发明采用陀螺定向仪，不仅体积小，重量轻，低成本，且具有高可靠性、全固态装置、抗大过载冲击等良好优势，避开了外界因素对内部元件的影响。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，包括：

多元测量模块，用于测量微型顶管机的多元参数，并对外输出所述多元参数；

控制中枢模块，与所述多元测量模块连接，所述控制中枢模块用于接收所述多元参数，并转发至终端控制模块；

所述终端控制模块，与所述控制中枢模块连接，所述终端控制模块用于对所述多元参数进行参数分析，并输出模糊控制指令至所述控制中枢模块，以便所述控制中枢模块根据所述模糊控制指令对微型顶管机机头进行姿态控制。

2.如权利要求1所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述多元参数包括所述微型顶管机的水平垂直偏差参数、顶进距离参数、倾角参数、转动角参数和偏航角参数。

3.如权利要求2所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述多元测量模块包括：

激光测量单元，与所述控制中枢模块连接，所述激光测量单元用于测量所述微型顶管机的水平垂直偏差参数；

顶进距离测量单元，与所述控制中枢模块连接，所述顶进距离测量单元用于测量所述微型顶管机的顶进距离参数；

顶管机倾角测量单元，与所述控制中枢模块连接，所述顶管机倾角测量单元用于测量所述微型顶管机的倾角参数；

陀螺定向仪，与所述控制中枢模块连接，所述陀螺定向仪用于测量所述微型顶管机的转动角参数和偏航角参数。

4.如权利要求3所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述激光测量单元包括：

激光发射器，与设置在所述微型顶管机机头末端的主动目标靶正对设置，且设置在所述微型顶管机的外部，所述激光发射器用于向所述主动目标靶发射激光信号；

激光检测传感器，用于检测所述激光信号，并将所检测到的所述激光信号的位置与目标位置进行比较，以获取所述微型顶管机的水平垂直偏差参数。

5.如权利要求3所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述顶进距离测量单元包括：

测量轮，设置在所述微型顶管机所处的工作井的封门位置；

顶进距离测量传感器，负载在所述测量轮上，并随所述测量轮转动，所述顶进距离测量传感器用于检测所述微型顶管机的顶进距离参数。

6.如权利要求3所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述顶管机倾角测量单元包括：

电子水准仪和铟瓦尺片，所述铟瓦尺片的设置方向与所述电子水准仪所在的水平线方向垂直，所述电子水准仪通过铟瓦尺片的倾斜检测所述微型顶管机的倾角参数。

7.如权利要求3所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述陀螺定向仪包括：两个倾角仪和一个陀螺仪，所述陀螺定向仪通过所述倾角仪和所述陀螺仪对所述微型顶管机的转动角参数和偏航角参数进行测量。

8.如权利要求3所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述微型顶管机内设置有水平平台，所述顶管机倾角测量单元、所述陀螺定向仪和所述控制中枢模块均设置在所述水平平台上。

9.如权利要求1所述的微型顶管机用可嵌入自动导向***，其特征在于，所述终端控制模块为PLC终端控制模块，所述终端控制模块具有自动操作模式和手动操作模式。

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