煤矿斜井TBM掘进轨迹规划与位姿精度仿真分析

摘要

针对煤矿斜井特殊工况下盾构机（TBM）掘进轨迹规划和位姿精度控制难题，建立了适应斜井坡度和煤系地层的TBM运动学和动力学模型。采用改进的D-H法建立三连杆运动学模型，利用拉格朗日法推导出包含重力项和载荷扰动的动力学方程。设计了以七次多项式插值和非支配排序遗传算法II(NSGA-II)多目标优化相结合的轨迹规划算法，以急动度最小、偏差最小、时间最短、推力波动最小为优化目标，实现了掘进轨迹的平滑性及高精度。在位姿控制方面，提出模糊自适应PD误差补偿控制算法，用49条模糊规则实时调节PD参数，对系统误差和随机扰动进行补偿。MATLAB仿真结果表明，所提轨迹规划算法比传统的五次多项式算法急动度降低86.6%，最大高程偏差控制在7.6 mm以内；模糊自适应PD控制算法比传统PD算法纠偏收敛进尺缩短50%以上，稳态位置误差不大于5 mm，角度误差不大于0.05°，全程无超调。研究成果为煤矿斜井TBM智能化掘进提供了理论支撑和技术参考。

关键词

煤矿斜井 / TBM / 轨迹规划 / 位姿精度 / MATLAB仿真