随着我国城市化进程的加快,城市基础设施的不断完善与发展,基础设施建设开始从地表空间向地下空间转移,利用小口径地下管道掘进机可以实现地下管道的挖掘。为保证掘进机能够正确、高效、稳定的工作,本文对口径为500 mm的小口径地下管道掘进机的纠偏系统进行设计与研究。首先,对总体纠偏方案进行设计,主要包括:纠偏系统执行机构、位姿测量系统和纠偏系统工作流程的设计。提出一种适用于小口径地下管道掘进机的内部纠偏模式、纠偏油缸“+”字型双向铰接方式布置的方案以及外置式激光位姿测量系统。其次,为了提高纠偏系统的测量精度,在对当前的基于边缘检测和灰度分布检测方法的研究基础上,提出一种基于改进圆拟合的激光光斑定中算法,并通过仿真实验验证了基于改进圆拟合的激光光斑定中算法相较于Hough变化法、圆拟合法具有更高的精度,提高了掘进机水平方位角与俯仰角的测量精度。再次,对小口径地下管道掘进机的纠偏轨迹进行设计。依次设计“圆弧-圆弧”、“圆弧-阿基米德螺线-圆弧”、“圆弧-直线-圆弧”三种平面纠偏轨迹路线,通过理论计算表明“圆弧-直线-圆弧”轨迹路线具有最短的纠偏位移。以此为基础,设计出三维空间中掘进机的纠偏轨迹路线。根据温克尔弹性地基假定,对掘进机纠偏过程局部挤压土体分析,得到纠偏油缸在纠偏过程中需提供的纠偏力矩;对掘进机整体进行力学分析,对纠偏过程中掘进机纠偏油缸的状态方程进行整理,得到纠偏控制系统的传递函数。最后,为了验证纠偏系统的可靠性与稳定性,应用AMEsim软件对小口径地下管道掘进机的纠偏原理进行建模,利用AMEsim/Matlab软件联合仿真,采用常规PID、模糊PID、鲁棒控制三种控制器对纠偏油缸位移进行闭环反馈控制,获得纠偏油缸的行程位移曲线。仿真结果表明纠偏系统在鲁棒控制器下具有更好的稳定性与可靠性。