CC BY
13
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MARINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
Научная статья УДК 681.5
doi: 10.17213/1560-3644-2022-3-57-63
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМ
КОМПЛЕКСОМ
А.В. Батюков
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Рассмотрены вопросы разработки и экспериментального исследования комбинированного устройства позиционирования для системы управления микротоннелепроходческим комплексом. Предложено устройство, совмещающее в себе лазерный и инерциальный способы определения координат, обеспечивающие возможность определения координат и пространственного положения проходческого щита при строительстве прямолинейных и криволинейных тоннелей методом продавливания. Предложен способ связи устройства позиционирования с системой управления микротоннелепроходческим комплексом на базе проводного интерфейса RS-485. Проведены экспериментальные исследования макетного образца устройства позиционирования, подтверждающие, что разработанное устройство определяет координаты с допустимой точностью.
Ключевые слова: микротоннелирование, проходческий щит, подземная система позиционирования, преобразование координат, матрица направляющих косинусов
Благодарности: исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта N° 20-38-90123.
Для цитирования: Батюков А.В. Разработка и экспериментальное исследование комбинированного устройства позиционирования для системы управления микротоннелепроходческим комплексом // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. № 3. С. 57 - 63. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-3-57-63
Original article
DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF COMBINED POSITIONING DEVICE FOR THE CONTROL SYSTEM OF THE MICROTUNNEL BORING MACHINE
A. V. Batyukov
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The issues of developing and expiremental researching a combined positioning device for the microtunnel boring machine control system are considered. A device combining laser and inertial methods of determining coordinates is proposed, which provides the possibility of determining the coordinates and spatial position of the tunneling shield during the construction of straight and curved tunnels by the pushing method. A method for connecting the positioning device with the microtunnel boring machine control system based on the RS-485 wired interface is proposed. Experimental studies of the layout sample of the positioning device have been carried out, showing that the developed device determines the coordinates with acceptable accuracy.
Keywords: microtunnelling, tunneling shield, underground positioning system, coordinate transformation, rotation matrix Acknowledgments: the reported study was funded by RFBR, project No. 20-38-90123.
For citation: Batyukov A.V. Development and experimental research of combined positioning device for the control system of the microtunnel boring machine. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022; (3):57 - 63. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-32-57-63
© ЮРГПУ(НПИ), 2022
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
Микротоннелирование является одним из наиболее популярных способов бестраншейной технологии строительства тоннелей для различных инженерных коммуникаций в условиях городской застройки. Применение бестраншейных технологий позволяет минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и дневную поверхность, заключающееся в разрушении дорожных покрытий, перекрытии автомобильного движения и т.д. Суть технологии микротон-нелирования заключается в том, что проходка в грунте осуществляется проходческим щитом, поступательное движение которого обеспечивается с помощью набора гидравлических цилиндров, а также мощной домкратной станции, продавливающей железобетонные трубы, являющиеся оболочкой тоннеля [1 - 4].
При этом предъявляются высокие требования к эксплуатационным показателям микротонне-лепроходческих комплексов (МТПК). Наиболее важным из них является точность определения координат и пространственного положения проходческого щита (ПЩ) при строительстве тоннеля, которые определяются с помощью специализированных устройств - систем позиционирования.
На сегодня известно достаточно большое количество различных систем позиционирования, применяющихся для подземной навигации ПЩ, различающихся по принципу определения его местоположения [5]:
- спутниковые навигационные системы, принцип действия которых заключается в использовании ретрансляторов спутникового сигнала, размещаемых на поверхности земли в зоне возведения тоннеля и приемника, который находится внутри проходческого щита;
- лазерные системы навигации (в том числе оптические), которые основаны на геодезических методах определения координат и имеют в своем составе источник лазерного излучения, расположенный в стартовом котловане и приемную мишень, закрепленную в хвосте проходческого щита;
- тахеометрические системы навигации, принцип действия которых схож с лазерными и отличается применением высокоточных дорогостоящих тахеометров и ответных призм, закрепленных на щите;
- инерциальные навигационные системы, с помощью которых определение местоположения движущегося объекта основывается на использовании законов инерции.
Обзор и анализ технических решений показывают, что наиболее приемлемым из существующих способов определения координат и поло-
жения проходческого щита в пространстве является применение лазерной системы позиционирования при условии использования промежуточных модулей с учетом установки стационарной базовой станции (точки постоянного закрепления) в стартовом котловане, на которые в автоматическом режиме производится визирование мобильной лазерной установки, смонтированной в тоннеле. Это позволит использовать систему позиционирования при проходке по криволинейной траектории и обеспечит совместное применение инерциальной системы позиционирования для каждого модуля корпуса проходческого щита МТПК. Установка промежуточных модулей системы позиционирования позволит избежать искажений лазерного луча, проявляющихся на больших расстояниях из-за разности температур воздуха в тоннеле.
Применение совместно с лазерной системой позиционирования инерциальной системы позиционирования обеспечит заданную точность определения геодезических координат «хвост -нож» модульного проходческого щита МТПК, а также высокую точность угла крена и угла деферента каждого модуля проходческого щита МТПК. Точность такой системы позволит выполнить требования нормативных документов, регламентирующих работы при проходке тоннелей бестраншейным способом [6]. Поэтому для определения координат опорных точек модулей проходческого комплекса и их пространственного положения было предложено комбинированное устройство позиционирования, которое позволяет контролировать движение щита по криволинейной траектории и обеспечивает определение координат передней и задней точек модулей машиниста МТПК (А3, В3), машинного отделения (А2, В2) и головной секции (А1, В1) (рис. 1).
Рис. 1. Расположение точек определения координат / Fig. 1. Location of reference points for determining coordinates
Разработанное устройство представляет собой комбинированную систему, имеющую в своем составе стартовый лазерный приемо-передатчик, находящийся в стартовой шахте, промежуточные модули, которые жестко закрепляются в бетонных кольцах тоннеля при криволинейной проходке,
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ISSN 1560-3644 BULLETIN OFHIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS.
и приемную фотомишень с инерциальной системой определения пространственного положения, расположенную в хвосте каждого из модулей проходческого комплекса. Принцип определения координат хвостовой части щита основан на применении тахеометрического хода, с помощью которого можно определить планово-высотное положение точки в пространстве. Координаты ножевой точки щита определяются путем расчета, на основе данных наклона и поворота щита в пространстве.
Стартовый лазерный приемо-передатчик (ЛПП) (рис. 2, а) состоит из источника лазерного излучения и лазерного дальномера, закрепленных на подвижной платформе.
б
Рис. 2. Комбинированное устройство позиционирования: 1 - крепление; 2 - источник лазерного излучения/лазерный дальномер; 3 - мотор-редуктор с абсолютным энкодером;
4 - приемная фотомишень промежуточного модуля; 5 - плата управления; 6 - фотоматрица; 7 - устройство
определения пространственного положения / Fig. 2. Combined positioning device: 1 - mount; 2 - laser source/laser rangefinder; 3 - gear motor with absolute encoder; 4 - receiving target of the intermediate module; 5 - control board; 6 - photo matrix; 7 - spatial position detection device
_ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2022. № 3
NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
Платформа приводится в движение в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью двух электроприводов с обратной связью, которая реализована с помощью абсолютных многооборотных энкодеров высокого разрешения, регистрирующих углы поворота платформы в вертикальной и горизонтальной плоскости. Аналогичным образом устроен промежуточный модуль, располагаемый в тоннеле при криволинейной проходке. Приемная фотомишень (рис. 2, б) состоит из фотодиодной матрицы, регистрирующей лазерное излучение, и микроэлектромеханической системы (МЭМС), содержащей гироскоп, инклинометр и магнитометр, с помощью которой определяются углы наклона и поворота щита в пространстве[7].
Взаимодействие модулей устройства позиционирования осуществляется по собственному протоколу на базе проводного интерфейса RS-485, а для обмена информацией с системой управления МТПК используется проводной интерфейс RS-485 ModBus RTU [8]. Фотомишень, располагаемая в первом модуле МТПК, выступает ведомым устройством в сети протокола ModBus RTU (рис. 3). Аппаратная часть системы определения местоположения выполнена на базе 32-разрядного ARM микроконтроллера фирмы STMicroelectronics.
Основная задача ведущего устройства -ожидание наличия команд от автоматизированной системы управления МТПК. При отсутствии неисправностей в устройстве позиционирования оператор проходческого щита посредством панели управления вводит координаты базового лазерного приемо-передатчика (установлен в стартовой шахте) и координаты мишени. Затем координаты установленных модулей по интерфейсу RS-485 ModBus RTU передаются в контроллер устройства позиционирования. Данные о координатах сохраняются в энергонезависимую память контроллера, и инициируется режим определения координат хвостовой части щита, в ходе которого лазерный приемо-передатчик целеуказателем позиционируется на центр фотомишени, установленной в хвостовой части проходческого щита. Измеренные значения являются базовыми для расчета координат при движении щита МТПК.
Фотомишень 1 Фотомишень 2 Фотомишень 3 Промежуточный ЛПП Стартовый ЛПП
RS-485 ModBus RTU i k J k J L i k
К системе управления МТПК
Рис. 3. Структура устройства позиционирования / Fig. 3. The structure of the positioning device
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
Работу устройства позиционирования как части системы управления микротоннелепроход-ческим комплексом можно представить схемы, представленной на рис. 4.
X, Y, Z.
ДХ, Д Y, AZ у
УП ПЩ -► УВ ПЩ —► ПЩ
Xn, Yn, Zn
Рис. 4. Функциональная схема управления проходческим щитом МТПК / Fig. 4. Functional control scheme of the tunneling shield
Здесь: X,Y,Z - проектные координаты тоннеля, УП ПЩ - устройство позиционирования проходческого щита, AX, AY, AZ - отклонение ножевой точки щита от проектных координат, УВ ПЩ - устройство вывода проходческого щита на проектную ось, Е - комбинация гидроцилиндров передвижки, ПЩ - проходческий щит, Xn, Yn, Zn - координаты ножевой точки ПЩ после цикла передвижки. В систему управления МТПК вносятся проектные координаты тоннеля в местной системе координат [9], после измерения координат опорных точек модулей проходческого щита определяется отклонение координат ножевой точки от проектных, на основании которого устройством вывода проходческого щита на проектную ось формируется комбинация гидроцилиндров передвижки щита [10], благодаря чему проходка осуществляется в соответствии с проектным направлением. Текущее пространственное положение и траектория движения проходческого щита отображается на панели оператора МТПК (рис. 5).
Для проведения экспериментальных исследований разработан макетный образец устройства позиционирования, состоящий из лазерного при-емо-передатчика и приемной фотомишени. Фотомишень устанавливается на горизонтальную поверхность (стол или аналогичную поверхность). Мишень на платформе позиционируется путем совмещения продольных и поперечных меток с продольной (ось X) и поперечной (ось Y) линиями координатной сетки платформы.
Лазерный приемо-передатчик устанавливается на штатив. Штатив позволяет изменять положение лазерного приемо-передатчика относительно мишени в профильной плоскости (ось Z (рис. 6)). Измерение величины смещения в профильной плоскости производится рулеткой. Расстояние между центральной вертикальной осью мишени и вертикальной осью лазерного приемо-передатчика устанавливается равным 10 м.
Рис. 5. Отображение пространственного положения и траектории движения проходческого щита на панели оператора / Fig. 5. Display of the spatial position and trajectory of the tunneling shield on the operator panel
Z
10 м
Рис. 6. Установка лазерного приемо-передатчика:
1 - мишень; 2 - лазерный приемо-передатчик;
3 - горизонтальная ось лазерного приемо-передатчика;
4 - штатив; 5 - стол / Fig. 6. Installation of the laser receiver-transmitter: 1 - target; 2 - laser receiver-transmitter; 3 - horizontal axis of the laser receiver-transmitter; 4 - tripod;
5 - table
Экспериментальное исследование выполняется следующим образом:
- лазерный приемо-передатчик устанавливается от центральной вертикальной оси мишени на расстоянии 10 м;
- выполняется серия испытаний, состоящая из 16 измерений координат (Xi, Y) мишени при варьировании ее координат на платформе.
1
5
4
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
Изменение координат мишени производится путем совмещения продольных и поперечных меток с соответствующими требуемым координатам продольными (ось X) и поперечными (ось У) линиями координатной сетки платформы. Изменение координаты Z осуществляется путем изменения высоты штатива, на котором установлен лазерный приемо-передатчик.
После каждого изменения координат мишени производится измерение координат мишени. Полученные значения координат X, У мишени для каждой из 16 точек измерения вносятся в таблицу.
По результатам испытаний определяется погрешность измерения координат положения мишени по следующей формуле: 8 = |х - х1,
где х - действительное значение координаты (X, У), мм; хг - измеренное значение координаты (X, У), мм.
Внешний вид испытательного стенда приведен на рис. 7.
Х
120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
N
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
/JÈI
'Р Л
/Ш
У/
□ -о г тг т-От т О г H^J
- -* " V _
¡L\
\у
Л
N
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Z
120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
0123456789
10 11 12 13 14 15 16
— Истинные значения
N
Рис. 7. Стенд для проведения лабораторных экспериментальных исследований устройства позиционирования / Fig. 7. Stand for laboratory experimental studies of the positioning device
Графики измерения заданных и измеренных координат X, Y, Z приемной фотомишени с указанными границами допустимого отклонения координат ±10 мм представлены на рис. 8, где по оси абсцисс указан порядковый номер эксперимента (N), по оси ординат - координаты X, Y, Z соответственно.
----Допуск 10 мм
□ Измеренные значения
Рис. 8. Графики изменения заданного и измеренного значения координат X, Y, Z соответственно / Fig. 8. Graphs of changes in the set and measured values of the X, Y, Z coordinates
Из графических зависимостей и аналитически полученных данных видно, что устройство определяет координаты с заданной точностью. Погрешность измерения координат не превышает допустимых ±10 мм.
Заключение
На основании теоретических исследований и экспериментальных данных получено решение актуальной научно-технической задачи - разработки комплекса моделей, алгоритмов, методик и технических средств, обеспечивающих увеличение эффективности определения координат проход-
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
ческого щита микротоннелепроходческого комплекса на основе комбинированной системы подземной навигации. В процессе выполнения работы показано, что существующие устройства, предназначенные для определения координат в процессе строительства тоннелей малого диаметра с использованием технологии микротоннелирования не отвечают требованиям, необходимым для успешного определения координат и ведения проходческого щита при строительстве криволинейных тоннелей малого диаметра методом продав-ливания [5]. Сделан вывод о необходимости разработки комбинированной системы, сочетающей в себе преимущества лазерного метода определения координат и инерциальных методов определения пространственного положения проходческого щита.
В соответствии с результатами, полученными в ходе теоретических исследований, был разработан макетный образец системы, позволивший провести экспериментальные исследования. В результате испытаний, было установлено, что устройство отвечает всем предъявляемым требованиям в плане точности определения координат [7, 9, 10]. Экспериментальные исследования подтвердили, что разработанное устройство может быть применено для определения координат проходческого щита модульной конструкции при строительстве криволинейных тоннелей малого диаметра методом продавливания с требуемой точностью, а также обмениваться информацией с другим оборудованием, входящим в состав системы управления микротоннелепроходческим комплексом.
Список источников
1. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика): технический учебник-справочник. М.: ПрессБюро №1, 2005. 304 с.
2. Освоение подземного пространства. Микротоннелирова-ние. Правила и контроль выполнения, требования к результатам работ. СТО НОСТРОЙ 2.27.124-2013. М.: Изд-во «БСТ». 2013. 93 с.
3. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевский М.М., Поляков Ал.В., Поляков Ан.В. Щитовые проходческие комплексы: учеб. пособие. М.: Изд-во Горная книга, изд-во МГГУ, 2009. 447с.
4. Sterling R. L. Developments and Research Directions in Pipe Jacking and Microtunneling // Underground Space. 2018. Vol. 5. Pp. 1-19. doi:10.1016/j.undsp.2018.09.001
5. Батюков А.В., Гуммель А.А., Пузин В. С., Живодерников А.В., Земляной М.А. Анализ систем позиционирования микротон-нелепроходческих комплексов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2019. № 2. С. 26 - 36.
6. Руководящий документ РД 07-226-98 Инструкция по производству геодезическо-маркшейдерских работ при строительстве коммунальных тоннелей и инженерных коммуникаций подземным способом.
7. Патент на изобретение №2733256 РФ МПК E21 9/02, E21C 35/08. Система позиционирования проходческого комплекса в пространстве / А.В. Батюков, А.В. Павленко, А.А. Гуммель, А.В. Живодерников, М.А. Земляной. № 2733256; заявл. 10.12.2019; опубл. 30.09.2020 Бюл. №28
8. Приходько А. Настройка обмена по протоколу Modbus в Codesys v3.5 // Автоматизация и производство. 2013. №2. С. 32-37.
9. Батюков А.В. Комбинированное устройство позиционирования для системы управления микротоннелепроходче-ским комплексом // Изв. вузов. Электромеханика. 2021. Т. 64, № 2. С. 65 - 70.
10. Батюков А.В., Глебов Н.А., Павленко А.В., Гужжель А.А., Гониволк А.Ю. Моделирование процесса управления движением проходческого щита микротоннелепроходче-ского комплекса // Изв. вузов. Электромеханика. 2020. Т. 63, № 5. С. 55 - 60.
References
1. Rybakov A.P. Basics of trenchless technologies (theory and practice): Technical reference manual. Moscow: Publ. PressByuro № 1; 2005. 304 p.
2. The development of underground space. Microtunnelling Rules and performance monitoring, requirements for work results. STO NOSTROY 2.27.124-2013. Moscow; 2013. 93 p.
3. Brener V.A., Zhabin A.B., Shchegolevskiy M.M., Polyakov Al. V., Polyakov An.V. Shield tunneling complexes: Tutorial. Moscow; 2009. 447 p.
4. Sterling, R.L. Developments and research directions in pipe jacking and microtunneling. Underground Space.2018;(5):1-19. doi:10.1016/j.undsp.2018.09.001
5. Batyukov A.V., Gummel' A.A., Puzin V.S., Zhivodernikov A.V., Zemlyanoy M.A. Analysis of positioning systems of microtunneling complexes. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2019; (2):26-36. (In Russ.)
6. Guidance document RD 07-226-98 Instructions for the production of geodetic and surveying works in the construction of utility tunnels and utilities by underground method/
7. Patent RF, no. 2733256. MPK E21 9/02, E21C 35/08.
8. Prihod'ko A. Configuring modbus communication in codesys v3.5. Avtomatizaciya Iproizvodstvo. 2013; (2): 32-37. (In Russ.)
9. Batyukov A.V. Combined positioning device for the control system of the microtunnel boring machine. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2021; (2): 65-70. (In Russ.)
10. Batyukov A.V., Glebov N.A., Pavlenko A.V., Gummel' A.A., Gonivolk A.Y. Modeling the process of controlling the microtunnelling boring machine's motion. Izvestiya Vysshihkh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics. 2020; (5): 55-60. (In Russ.)
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
Сведения об авторах
Батюков Александр Владимирович" - мл. науч. сотр., инжиниринговый центр «Сквозные производственные технологии», Alexbatyukov@gmail.com
Information about the authors
Batyukov Alexander V. - Junior Researcher, Engineering Center «Cross-cutting Production Technologies», Alexbatyukov@gmail.com
Статья поступила в редакцию /the article was submitted 26.07.2022; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 29.07.2022; принята к публикации / acceptedfor publication 02.08.2022.
