一种隧道无轨自行式变质量平台车的重心位置动态计算方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道无轨自行式变质量平台车的重心位置动态计算方法。

背景技术：

目前，国内外测定车辆重心位置的方法主要有5种：摇摆法、悬挂法、零位法、平台支撑反力法和质量反应法。其中：摇摆法所需设备复杂，局限性很大；悬挂法通常难于实现，尤其大型车辆，因难以选择适合悬挂整车质量的悬挂点，而且悬挂后变形很大，测量精度不能保证；零位法和平台支撑反力法需用专用设备，投资较大，普及率较低；质量反应法所需测试设备少，虽易于实现，但受零部件变形、配合间隙变化等影响，测量精度不高。

上述方法都属于静态测定方法，要求车辆静止于测量平台上，监测车辆静止状态下的重心位置，而隧道施工领域的无轨自行式平台车，运行在圆形隧道的管片上，操作工人携带检测、维修工具和施工材料等在平台车上作业，由于工人数量、位置以及施工材料的重量在改变，整车的质量和重心也随之变化。平台车在圆形隧道管片上，重心偏移会导致平台车在行驶过程中姿态发生变化，影响施工安全，因此急需一种重心计算方法实现对圆形隧道内无轨自行式变质量平台车重心位置的动态监测，为地铁隧道平台车重心调节提供依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧道无轨自行式变质量平台车的重心位置动态计算方法，能实现对圆形隧道变质量平台车动态重心位置的实时监测，以解决现有缺乏对圆形隧道变质量平台车动态重心位置实时监控的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种隧道无轨自行式变质量平台车的重心位置动态计算方法，包括以下几个步骤：

s1、建立坐标系i，以平台车底面中心o’为原点，宽度方向为x’轴，长度方向为y’轴，高度方向为z’轴建立坐标系i；

s2、获取平台车重心g在坐标系i下的偏移量，建立力矩平衡方程，得到平台车重心g相对平台车中轴线的偏移量；

s3、获取平台车重心g在坐标系i下的初始位置坐标，根据所述偏移量建模得到初始位置坐标(x’，y’，z’)；

s4、建立坐标系ⅱ，以隧道圆心o为原点，隧道水平方向为x轴，隧道轴线方向为y轴，隧道竖直方向为z轴建立坐标系ⅱ，获取平台车重心g在坐标系ⅱ下的位置坐标(x”，y”，z”)；

s5、获取平台车重心g在姿态变化后的重心坐标，测量平台车姿态变化时的俯仰角β，横滚角α和航向角γ，建立空间三维坐标转换矩阵，获取平台车重心g在坐标系ⅱ下的重心坐标(x，y，z)，完成对平台车重心g的实时监测。

进一步地，所述步骤s2中，获取平台车重心g的偏移量的分步骤包括：

s210、测量平台车重心g距离平台车的支腿a、支腿b、支腿c和支腿d的垂直距离分别为l1，l2，w1和w2，重心g离平台车底面高度为δh；

s220、在四条支腿上安装压力传感器，所述压力传感器获得各支腿的实时支反力fa0、fb0、fc0和fd0，建立力矩平衡方程：

其中，l为平台车的长，w为平台车的宽，求解方程组可得：

其中，l1，l2，w1和w2即为平台车重心g在坐标系i下x’轴和y’轴方向的偏移量。

进一步地，所述步骤s3中，获取平台车重心g的初始位置坐标(x’，y’，z’)，具体包括：

通过在solidworks中建模，测算获得平台车重心高度δh，在坐标系ⅰ下，g点初始位置(x’，y’，z’)为：

进一步地，所述步骤s4中，获取所述平台车重心g在坐标系ⅱ下的位置坐标(x”，y”，z”)，具体为：

进一步地，所述步骤s5中，所述俯仰角β和横滚角α由安装于平台车车身顶端的倾角传感器测得，所述航向角γ由安装在平台车前后两端面的一维激光雷达测得。

进一步地，获取平台车中心g在坐标系ⅱ下姿态变化后重心坐标(x，y，z)的步骤为：

s510、平台车相对于隧道圆心o，沿x轴方向旋转β角，沿y轴旋转α角，绕z轴旋转γ角，旋转顺序为x-y-z；

s520、建立坐标变换矩阵：

转换得到最终坐标变换矩阵：

s530、获得旋转后平台车重心g在坐标系ⅱ下的最终坐标(x，y，z)：

其中，矩阵上标t表示转置；

s540、实时监测平台车重心g的位置变化，比较平台车姿态变化后按照步骤s1～s4得到的平台车重心g坐标系ⅱ下的位置坐标和最终坐标(x，y，z)实现监测。

本发明的有益效果是：

1)本发明的隧道无轨自行式变质量平台车的重心位置动态计算方法，通过建立合理的力矩平衡方程和坐标变换矩阵来实现数据的逻辑计算，最后得到计算结构精度高的平台中心位置坐标，不受主观性因素影响，具有低成本、高精度及实时性好的特点。

2)本发明的重心位置动态计算方法的只需压力传感器、一维激光雷达、倾角传感器结合建模的数据逻辑计算即可实现动态计算，具有成本低的优点，便于大规模推广。

3)本发明结合由倾角传感器测得的隧道内车辆姿态角，将实时测量计算得到的车辆坐标系下的重心坐标转换成隧道坐标系下的重心坐标，解决了车辆在圆形隧道内行走且重心不确定时车辆重心位置实时测量的问题，本发明方法能对在圆形隧道内行走的车辆的重心位置实现有效地监控，以防止车辆倾翻，应用本发明的方法能提高车辆行走的安全性，彻底解决了车辆在圆形隧道内行走且重心不确定条件下的车辆重心位置实时测量的问题。

附图说明

图1为本发明的平台车的整体结构示意图；

图2为本发明平台车重心分析简化模型示意图；

图3为本发明在坐标系i下，平台车重心g在平面x’-y’的位置示意图；

图4为本发明在坐标系i下，平台车重心g在平面y’-z’的位置示意图；

图5为本发明在坐标系i下，平台车重心g在平面x’-z’的位置示意图；

图6为本发明的重心位置动态计算方法的流图框图；

图中，1-压力传感器，2-一维激光雷达，3-倾角传感器，4-行走机构，5-平台车主结构。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供一种技术方案：

请参照图1-6，一种隧道无轨自行式变质量平台车的重心位置动态计算方法，包括以下几个步骤：

s1、建立坐标系i，以平台车底面中心o’为原点，宽度方向为x’轴，长度方向为y’轴，高度方向为z’轴建立坐标系i；

s2、获取平台车重心g在坐标系i下的偏移量，建立力矩平衡方程，得到平台车重心g相对平台车中轴线的偏移量；

s3、获取平台车重心g在坐标系i下的初始位置坐标，根据所述偏移量建模得到初始位置坐标(x’，y’，z’)；

s4、建立坐标系ⅱ，以隧道圆心o为原点，隧道水平方向为x轴，隧道轴线方向为y轴，隧道竖直方向为z轴建立坐标系ⅱ，获取平台车重心g在坐标系ⅱ下的位置坐标(x”，y”，z”)；

s5、获取平台车重心g在姿态变化后的重心坐标，测量平台车姿态变化时的俯仰角β，横滚角α和航向角γ，建立空间三维坐标转换矩阵，获取平台车重心g在坐标系ⅱ下的重心坐标(x，y，z)，完成对平台车重心g的实时监测。

本方法通过建立坐标系获取平台车重心g在不同坐标系下的位置坐标，采用力矩平衡方程得到平台车重心相对其中轴线的偏移量，由三维软件建模仿真并计算获得重心高度，即得到平台车重心相对于隧道中心的坐标；最后使用空间三维坐标转换矩阵，获得平台车在姿态变化之后的重心坐标，实现对平台车重心的实时监测。

请参照图3，所述步骤s2中，获取平台车重心g的偏移量的分步骤包括：

s210、测量平台车重心g距离平台车的支腿a、支腿b、支腿c和支腿d的垂直距离分别为l1，l2，w1和w2，重心g离平台车底面高度为δh；

s220、在四条支腿上安装压力传感器1，所述压力传感器1获得各支腿的实时支反力fa0、fb0、fc0和fd0，建立力矩平衡方程：

其中，l为平台车的长，w为平台车的宽，求解方程组可得：

其中，l1，l2，w1和w2即为平台车重心g在坐标系i下x’轴和y’轴方向的偏移量。

本发明考虑到压力传感器1的误差以及整车在姿态变换时的质量和重心的变化，本发明利用力矩平衡方程算法得出精度更高的救援车整体重心g平面位置的动态估计，具有精度高、成本低、实时性好等有点。

本发明的平台车包括平台车主结构5和行走机构4，所述行走机构4安装在平台车的四条支腿上，四条支腿分别为支腿a、支腿b、支腿c和支腿d，四条支腿上均安装有压力传感器1，平台车车身顶端安装有倾角传感器3，平台车前后两端面安装有一维激光雷达2。

请参照图3-5，所述步骤s3中，获取平台车重心g的初始位置坐标(x’，y’，z’)，具体包括：

通过在solidworks中建模，测算获得平台车重心高度δh，在坐标系ⅰ下，g点初始位置(x’，y’，z’)为：

步骤s3通过步骤s2中得到的偏移量和步骤s3中得到中心高度δh，通过坐标转换得到得平台车重心g在坐标系ⅰ下的初始位置坐标。

所述步骤s4中，获取所述平台车重心g在坐标系ⅱ下的位置坐标(x”，y”，z”)，具体为：

步骤s4根据步骤s3中得到的平台车重心g在坐标系ⅰ下的初始位置坐标，通过建立坐标转换方程得到平台车重心g在坐标系ⅱ下的位置坐标。

所述步骤s5中，所述俯仰角β和横滚角α由安装于平台车车身顶端的倾角传感器3测得，所述航向角γ由安装在平台车前后两端面的一维激光雷达2测得。

获取平台车中心g在坐标系ⅱ下姿态变化后重心坐标(x，y，z)的步骤为：

s510、平台车相对于隧道圆心o，沿x轴方向旋转β角，沿y轴旋转α角，绕z轴旋转γ角，旋转顺序为x-y-z；

s520、建立坐标变换矩阵：

转换得到最终坐标变换矩阵：

s530、获得旋转后平台车重心g在坐标系ⅱ下的最终坐标(x，y，z)：

其中，矩阵上标t表示转置；

s540、实时监测平台车重心g的位置变化，比较平台车姿态变化后按照步骤s1～s4得到的平台车重心g坐标系ⅱ下的位置坐标和最终坐标(x，y，z)实现监测。

经过步骤s5坐标变换矩阵变换得到的最终坐标(x，y，z)即是平台车姿态变换后的某一确定时刻的坐标，再经步骤s1～s4得到平台车姿态变换后的某一确定时刻的重心g坐标系ⅱ下的位置坐标，上述递推计算后，比较先后位置坐标的精度差，可实时、动态估计及监测平台车重心g的位置变化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。