(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211078321.4 (22)申请日 2022.09.05 (71)申请人 北京交通大 学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园 村3号 (72)发明人 袁大军　王旭阳　金大龙　姚占虎　 成晓青　吕计瑞　勾常春　陆平　 罗维平　耿哲　郭海鹏　杨引尊　 (74)专利代理 机构 北京市商 泰律师事务所 11255 专利代理师 毛燕生 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 17/16(2006.01)E21D 9/093(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于动力学建模的盾构掘进位姿预测 方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于动力学建模的盾构 掘进位姿预测方法， 包括以下步骤： S1： 根据盾构 导向系统获取历史盾构位姿信息和位姿变化率； S2： 确定盾构位姿变 换矩阵； S3： 确定盾构推进系 统参数； S4： 建立盾构推进系 统动力学方程； S5： 建立盾构推进系统状态空间模型； S6： 建立盾构 等效负载估计模型； S7： 建立盾构掘进位姿预测 模型。 本方法具有较高的预测精度和工程适用 性， 能够为盾构司机或是自动控制系统调整盾构 位姿提供理论依据。 权利要求书4页 说明书8页 附图2页 CN 115455686 A 2022.12.09 CN 115455686 A 1.一种基于动力学建模的盾构掘进位姿预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 根据盾构导向系统获取历史盾构位姿信息和位姿变化 率； S2： 确定盾构位姿变换矩阵； S3： 确定盾构推进系统参数； S4： 建立盾构推进系统动力学 方程； S5： 建立盾构推进系统状态空间模型； S6： 建立盾构等效负载估计模型； S7： 建立盾构掘进位姿预测模型。 2.根据权利要求1所述的一种基于动力学建模的盾构掘进位姿预测方法， 其特征在于， S1中， 盾构位姿矢量q＝[x  y z ψ θ φ]T和位姿变化 率矢量 其中(x,y,z)表示盾构机推进油缸前球铰分布圆中心的位置坐标； ( ψ, θ,φ)表示盾构 机的三个姿态角： 滚动角， 俯仰角和横摆角。 3.根据权利要求1所述的一种基于动力学建模的盾构掘进位姿预测方法， 其特征在于， S2中， 盾构位姿变换矩阵计算公式为： 其中， 和 分别表示盾构的姿态 矩阵和位置 矢量， 其计算公式为 其中， c代 表余弦函数cos； s代 表正弦函数si n。 4.根据权利要求1所述的一种基于动力学建模的盾构掘进位姿预测方法， 其特征在于， S3中， 盾构推进系统参数包括： 推进油缸后 球铰坐标Bi； 盾体质心位置矢量rG； 盾构质量MG； 盾 体惯性张量AIM； 盾构推进系统推进力矢量Fd＝[F1 F2…Fn]T， n为推进油缸总数量。 5.根据权利要求1所述的一种基于动力学建模的盾构掘进位姿预测方法， 其特征在于， S4中， 盾构推进系统动力学 方程为： 其中， FT为盾构掘进过程中受到的等效负载； 其它 系数计算公式为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115455686 A 2其中， E3为三阶单位矩阵；Aui为第i根推进油缸单位方向向量， i＝1,2,3, ……n； g＝[0  0  ‑9.8]T为重力加速度矢量； ω为盾体角速度；Aui， T0， 和ω计算公式为： 6.根据权利要求1所述的一种基于动力学建模的盾构掘进位姿预测方法， 其特征在于， S5中， 盾构推进系统状态空间模型为 Y＝X1＝HX              (11) 其中， X1＝q＝[x y z ψ θ φ]T表示系统 的位姿， 表示系统 的位姿变化率； 表示系统的状态矢量； U＝Fd＝[F1 F2…Fn]T表示系统的控制输入； H ＝[E6 06×6]表示系统的输出矩阵； Y＝[x  y z ψ θ φ]T表示系统的输出位姿矢量； h1(X)和 h2(X)计算公式为： h1(X)＝M‑1(FT‑CX2‑G)          (12)权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115455686 A 3