用于凿岩台车的控制系统和控制方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种用于凿岩台车的控制系统及控制方法。

背景技术

凿岩台车也称钻孔台车，其是在隧道及地下工程中采用的钻爆法施工的凿岩设备。它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业。工作机构主要由凿岩机、推进梁、大臂、吊篮臂、台车平台组成。凿岩台车以其转场灵活性、施工多样化、作业效率高等优点，成为隧道施工的理想设备。但是随着近些年隧道施工的需要，凿岩台车的一些缺点也逐步显现出来，例如，在每个工作循环前需要人工断面画点、隧道掘进的导向都需要进行测量，对操作人员的经验要求高等问题较为突出，最终造成凿岩台车在施工作业时，需要较多的人员投入，作业效率降低，施工作业成本提高。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现要素：

针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种用于凿岩台车的控制系统，包括：一种用于凿岩台车的控制系统，包括：信息获取装置，被配置为获取所述凿岩台车的施工作业工况参数信息以及所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息；控制装置，被配置为从信息获取装置接收所述施工作业工况参数信息以及所述定位姿态信息，并根据所述施工作业工况参数信息以及所述定位姿态信息生成控制指令；以及执行装置，被配置为从所述控制装置接收所述控制指令，并根据所述控制指令驱动所述凿岩台车执行相应的动作。

根据本发明的一个方面，所述施工作业工况参数信息包括以下至少其中之一：进给力、回转角度、摆动角度、回转速度、推进速度、液压系统压力、液压系统流量。

根据本发明的一个方面，所述信息获取装置包括：全站仪，被配置为根据预定固定点确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息。

根据本发明的一个方面，所述全站仪被配置为通过参考所述预定固定点的坐标测量所述凿岩台车的参考点的坐标，并根据所述参考点的坐标确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息。

根据本发明的一个方面，所述信息获取装置还包括：角度监测模块，被配置为监测所述凿岩台车的凿岩臂在各个方向的转动角度；长度监测模块，被配置为监测所述凿岩台车的凿岩臂、推进梁和/或凿岩机的推进长度；以及压力监测模块，被配置为监测所述凿岩台车的施工压力参数信息。

根据本发明的一个方面，所述控制装置被配置为根据所述施工作业工况参数信息、所述定位姿态信息、导入的隧道施工图纸信息以及根据定位姿态信息确定的凿岩台车与施工隧道的空间关系信息，确定用于施工作业的钻孔的目标坐标值，并根据所述目标坐标值生成所述控制指令。

根据本发明的一个方面，所述控制装置包括：处理器，被配置为从所述信息获取装置接收所述定位姿态信息，并根据所述施工作业工况参数信息、所述定位姿态信息生成所述控制指令；以及控制器，被配置为从所述信息获取装置接收所述施工作业工况参数信息并将其传输至所述处理器，以及将所述处理器生成的所述控制指令传输至所述执行装置。

根据本发明的一个方面，所述执行装置包括：液压泵、液压管路、液压阀组、液压油缸、液压马达，其中所述液压阀组与所述控制装置连接。

根据本发明的一个方面，所述凿岩台车执行的操作包括：大臂摆动、大臂举升、大臂伸缩、小臂回转、小臂俯仰、小臂旋转、推进梁摆动、推进梁进给。

本发明还提供一种用于凿岩台车的控制方法，包括：获取所述凿岩台车的施工作业工况参数信息以及所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息；根据所述施工作业工况参数信息以及所述定位姿态信息生成控制指令；以及根据所述控制指令驱动所述凿岩台车执行相应的动作。

根据本发明的一个方面，该控制方法还包括：实时监测并反馈所述凿岩台车的施工作业工况参数，根据反馈的所述施工作业工况参数修正所述控制指令；以及根据修正的控制指令驱动所述凿岩台车修正所执行的动作。

根据本发明的一个方面，所述获取步骤包括：监测所述凿岩台车的施工作业工况参数信息，以及根据预定固定点确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息。

根据本发明的一个方面，确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息的步骤包括：通过参考所述预定固定点坐标测量所述凿岩台车的参考点坐标，并根据所述参考点坐标确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息。

根据本发明的一个方面，该控制方法还包括：导入隧道施工图纸信息以及根据定位姿态信息确定的凿岩台车与施工隧道的空间关系信息，其中生成控制指令的所述动作包括：根据所述施工作业工况参数信息和所述定位姿态信息、导入的所述隧道施工图纸信息以及所确定的凿岩台车与施工隧道的空间关系信息，确定用于施工作业的钻孔的目标坐标值，且基于所述目标坐标值，生成所述控制指令。

根据本发明的一个方面，所述凿岩台车进行的动作包括：大臂摆动、大臂举升、大臂伸缩、小臂回转、小臂俯仰、小臂旋转、推进梁摆动、推进梁进给。

根据本发明的用于凿岩台车的控制系统和控制方法至少能够实现以下有益技术效果之一：在隧道施工作业时完全省去每个循环人工画点环节、隧道掘进的导向测量，对操作人员的经验要求不高，可以减少凿岩台车施工作业时人员投入，提高隧道施工作业效率，降低操纵劳动强度，减少资源投入，为隧道施工带来更大的经济效益与社会效益。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的用于凿岩台车的控制系统；

图2示出了根据本发明的一个实施例的控制系统的具体示例性结构；

图3示出了一种用于凿岩台车的控制方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种用于凿岩台车的控制系统100。控制系统100包括：信息获取装置101，被配置为获取所述凿岩台车的施工作业工况参数信息以及所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息；控制装置102，被配置为与信息获取装置101耦合并从其接收所述施工作业工况参数信息以及所述定位姿态信息，并根据所述施工作业工况参数信息以及所述定位姿态信息生成控制指令；以及执行装置103，被配置为与所述控制装置102耦合并从其处接收所述控制指令，并根据所述控制指令驱动所述凿岩台车执行相应的动作。

本领域技术人员可以理解，本发明中上述各个模块之间的耦合，可以通过有线的方式进行耦合，也可以通过无线的方式进行耦合，也可以通过有线、无线相结合的方式进行耦合。另外，各个模块之间通讯所采用的协议、规范，可以是现有的协议和规范，也可以根据实际的工况和要求进行定制。这些都在本发明的范围内。

根据本发明的实施例，所述施工作业工况参数信息包括以下至少其中之一：进给力、回转角度、摆动角度、回转速度、推进速度、液压系统压力、液压系统流量。

图2示出了根据本发明的一个实施例的控制系统的具体示例性结构。根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，信息获取装置101可以包括全站仪1011，该全站仪1011可以被配置为根据预定固定点确定所述凿岩台车200在隧道中的定位姿态信息；以及监测装置1012，被配置为监测所述凿岩台车200的施工作业工况参数信息。

根据本发明，预定固定点可以是由本领域技术人员预先设置的。由于施工隧道是狭长的建筑物，两开挖洞口之间的控制点之间一般互不通视，因此还要布设中间控制点，预先在隧道内设置的控制点即为预定固定点。平面控制测量多采用三角或导线测量，高程控制测量一般采用水准测量或三角高程测量。

根据本发明的优选实施例，全站仪1011可以被配置为通过参考所述预定固定点的坐标测量所述凿岩台车200的参考点的坐标，并根据所述参考点的坐标确定所述凿岩台车200在隧道中的定位姿态信息。根据本发明，例如可以通过将预定固定点定向或者后方交会等方式，设置测站，从而建立坐标系。建站完成后测量凿岩机机身上预定的多个(例如三个)参考点的坐标。通过多个参考点的坐标，可以确定凿岩台车机身的定位姿态信息，例如偏移、俯仰等信息。

虽然以上描述了使用全站仪来确定凿岩台车在隧道中的定位姿态信息，但是本发明不限于此。也可以使用本领域公知的其他能够测定凿岩台车的参考点坐标的设备来确定凿岩台车在隧道中的定位姿态信息。

根据本发明的优选实施例，执行装置103可以包括：液压泵、液压管路、液压阀组、液压油缸、液压马达，其中所述液压阀组与所述控制装置102耦接、例如通过线缆连接。根据本发明，液压油缸例如包括：大臂伸缩油缸、大臂摆动油缸、大臂举升油缸、推进梁俯仰油缸、推进梁摆动油缸、旋转油缸、推进梁附加摆动油缸、推进梁伸缩油缸、凿岩机推进油缸。

根据本发明的优选实施例，凿岩台车200执行的动作包括：大臂摆动、大臂举升、大臂伸缩、小臂回转、小臂俯仰、小臂旋转、推进梁摆动、推进梁进给。

根据本发明的优选实施例，如图2所示，监测装置1012可以包括角度监测模块1012a，被配置为监测所述凿岩台车200的凿岩臂在各个方向的转动角度；长度监测模块1012b，被配置为监测所述凿岩台车200的凿岩臂、推进梁和/或凿岩机的推进长度；和/或压力监测模块1012c，且被配置为监测所述凿岩台车200的施工压力参数信息。

根据本发明的实施例，角度监测模块1012a、长度监测模块1012b、压力监测模块1012c可以例如分别由角度传感器、长度传感器、压力传感器来实现。角度传感器、长度传感器、压力传感器的测量操作是本领域公知的，在此不再赘述。

可以将角度监测模块1012a、长度监测模块1012b、压力监测模块1012c分别安装在执行装置103上或者凿岩台车200上，以监测凿岩台车200的施工作业工况参数信息。

例如，可以在凿岩台车200的凿岩臂的各个关节上安装角度传感器，用来采集各节臂的上下左右转动角度；可以分别在执行装置103的例如大臂伸缩油缸、推进梁伸缩油缸、凿岩机推进油缸上安装长度测量传感器，用来检测大臂、推进梁、凿岩机推进等长度数据；此外，可以在执行装置103的液压阀组上安装压力传感器，用来检测凿岩台车200的施工作业工况参数信息中的压力参数信息。

根据本发明的一个实施例，控制装置102被配置为与所述信息获取装置101耦接，并且根据从信息获取装置101接收到的所述施工作业工况参数信息和定位姿态信息、导入的隧道施工图纸信息以及根据定位姿态信息确定的凿岩台车与施工隧道的空间关系信息，确定用于施工作业的钻孔的目标坐标值，并且基于所述目标坐标值，生成所述控制指令。

根据本发明，例如可以通过确定多个参考点分别相对于凿岩台车的相对坐标系以及其在施工隧道中的绝对坐标系，得到两个坐标系之间的转换参数矩阵，并利用转换参数矩阵将两个坐标系中的坐标进行转化，获取凿岩台车在施工隧道中的位置，从而获取凿岩台车与施工隧道、例如掌子面之间的空间位置关系信息，而将隧道施工图纸信息与施工隧道、例如实际工作掌子面对应起来。

根据本发明的优选实施例，如图2所示，控制单元102例如可以由处理器(例如可以由电脑主机实现)1021和控制器1022一起实现。处理器1021可以通过控制器1022接收从监测装置101的角度传感模块1012a、长度传感模块1012b和压力传感模块1012c传输的凿岩台车200的施工作业工况参数信息，接收从全站仪1011所述凿岩台车200在隧道中的定位姿态信息，并且根据施工作业工况参数信息、定位姿态信息、导入的隧道施工设计信息以及根据定位姿态信息确定的凿岩台车200与施工隧道(例如，施工隧道的施工掌子面)的空间位置关系，通过断面布孔图设计和数据处理，确定用于施工作业的钻孔的目标坐标值，并基于该目标坐标值生成控制指令。控制器1022向处理器1021传输施工作业工况参数信息，并将处理器1021生成的控制指令发送给执行装置103，从而执行装置103根据控制器1022发出的控制指令驱动凿岩台车200执行相应的动作，从而完全省去每个循环中人工画点环节、隧道掘进的导向测量，大大提高了作业效率。

根据本发明的实施例中，控制装置102的处理器1021可以根据导入的隧道施工图纸信息确定凿岩台车的开挖方向、角度和作业施工掌子面区域，设定钻孔间距，并确定断面布孔图设计。

在从监测装置1012获取了施工作业工况参数信息以及定位姿态信息之后，控制装置102的处理器1021可以利用矩阵变换计算出钻头在三维坐标系里的位置作为施工作业目标值，并将其实时显示在例如作为处理器1021的电脑主机的显示单元上。

处理器1021可以根据施工作业目标值生成控制指令，并通过控制器1022将控制指令传输至执行装置103以控制执行装置103(例如液压阀组、液压油缸等)驱动凿岩台车执行相应的动作，使凿岩台车的凿岩机的钻头坐标与断面布孔图中欲钻孔坐标重合，从而进行钻孔施工作业。

根据本发明实施例，用作处理器1021的电脑主机还可以实时显示施工作业工况参数信息、隧道施工信息、断面布孔图设计。

信息获取装置101例如可通过can总线将监测到的凿岩台车200的施工作业工况参数信息经由控制器1022传递给处理器1021。

根据本发明的一个实施例，全站仪1011例如可以通过蓝牙或者串口方式与控制单元102中的处理器1021耦接，从而进行数据传输。

虽然以上例示了信息获取装置与控制装置之间的耦接方式，但是本发明不限于此，也可以通过其他本领域公知的耦接方式将信息获取装置中的各个部件与控制装置中的相应部件进行连接，只要其能够实现相应的数据传输。

如图3所示，根据本发明的另一个实施例，还提供一种用于凿岩台车的控制方法，该方法包括：

在步骤s201，获取所述凿岩台车的施工作业工况参数信息以及所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息；

在步骤s202，根据所述施工作业工况参数信息以及所述定位姿态信息生成控制指令；

在步骤s203，根据所述控制指令驱动所述凿岩台车执行相应的动作。

上述步骤例如可以参照以上结合图1-2描述的信息获取装置、控制装置、执行装置的操作处理，在此省略其具体描述。

根据本发明的一个实施例，用于凿岩台车的控制方法还包括：实时监测并反馈所述凿岩台车的施工作业工况参数，根据反馈的所述施工作业工况参数修正所述控制指令；以及根据修正的控制指令驱动所述凿岩台车修正所执行的动作。

根据本发明的一个实施例，所述获取步骤可以包括：监测所述凿岩台车的施工作业工况参数信息，以及根据预定固定点确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息。

根据本发明的一个实施例，确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息包括：通过参考所述预定固定点坐标测量所述凿岩台车的参考点坐标，并根据所述参考点坐标确定所述凿岩台车在隧道中的定位姿态信息。

根据本发明的一个实施例，用于凿岩台车的控制方法还包括：导入隧道施工图纸信息以及根据定位姿态信息确定的凿岩台车与施工隧道的空间关系信息，其中生成控制指令的步骤包括：根据从所述监测模块接收到的所述施工作业工况参数信息和所述定位姿态信息、导入的所述隧道施工图纸信息以及所确定的凿岩台车与施工隧道的空间关系信息确定用于施工作业的钻孔的目标坐标值，并且基于所述目标坐标值，生成所述控制指令。

根据本发明的一个实施例，所述凿岩台车进行的动作包括：大臂摆动、大臂举升、大臂伸缩、小臂回转、小臂俯仰、小臂旋转、推进梁摆动、推进梁进给。

根据本发明，在执行装置驱动凿岩台车执行相应的动作时，监测装置可以持续实时监测凿岩台车施工作业工况参数信息，并将其反馈给控制装置，控制装置可以根据凿岩台车施工作业工况参数信息进一步修正控制指令，并将其发送给执行装置，使得执行装置根据修正的控制指令驱动凿岩台车修正执行动作，从而能够更准确地控制凿岩台车的动作。

根据本发明的用于凿岩台车的控制系统及控制方法，在隧道施工作业时完全省去每个循环人工画点环节、隧道掘进的导向测量，对操作人员的经验要求不高，可以减少凿岩台车施工作业时人员投入，提高隧道施工作业效率，降低操纵劳动强度，减少资源投入，为隧道施工带来更大的经济效益与社会效益。

本发明还涉及一种凿岩台车，包括如上所述的控制系统。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。