露天礦卡車坡道運行姿態的實時分析和判定方法

王有倉

（中國神華準能集團，內蒙古 薛家灣 010300）

露天礦卡車坡道運行姿態的實時分析和判定方法

王有倉

（中國神華準能集團，內蒙古 薛家灣 010300）

采用MEMS加速度傳感器和陀螺儀傳感器，完成了對露天礦卡車在采場內的行車姿態進行實時分析和判定。通過這些姿態的分析能夠實時確定卡車行走在水平路段、上下坡道、轉彎道路還是處于裝載或卸載狀態。掌握了這些卡車所處的狀態和環境，就能更準確地計算卡車制動剎車的距離，為礦用卡車毫米波雷達防撞系統中的安全距離計算提供了依據，并實現不同道路條件下采用不同的剎車策略。為露天礦的安全生產提供先進的技術手段和方法。

卡車姿態；傳感器；加速度；陀螺儀；安全距離；雷達防撞

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.152

1 引言

特大型露天煤礦的年采剝總量都在上億噸。這樣大的運輸量必須采用與之相應的運輸系統，大噸位重型卡車是主要的運輸形式之一。由于其車體龐大，司機視線存在盲區。特別是在夜間行車，光線少，路況復雜，車輛頻繁穿梭。這些都給安全生產帶來隱患。為了減少車輛間的碰撞事故，近年來，我們對超聲波測距、紅外線測距、激光雷達和毫米波雷達測距都進行了試驗研究和對比，得出毫米波雷達[1]更適合于露天礦采場內的重型卡車防撞系統的應用。關鍵是毫米波雷達探測距離遠、波瓣面積大并且不受大霧和灰塵的影響。在實際的雷達防撞系統應用中，卡車行走在不同的道路條件下，給出的剎車制動策略也大不相同。那么如何確定卡車正行走在上坡道、下坡道，還是彎道上，我們采用卡車姿態傳感器[2]來實時分析判斷車體的傾斜狀態，也就掌握了卡車所在的道路狀況。

2 卡車在不同坡度道路上的剎車距離統計

為了實現露天礦重型卡車防碰撞，減少事故的發生，礦用卡車毫米波雷達技術防碰撞自動剎車系統實驗成功，為礦山的安全生產提供了先進的手段和方法。在制定雷達安全剎車距離的過程中，必須對車輛安裝的雷達自動剎車系統進行剎車距離實驗，以便掌握車輛在不同坡道上的剎車距離變化規律，從而確定車輛的最小安全距離規則。在這個規則下使得雷達系統自動剎車后與障礙物之間保留一定的距離。

下面是通過在重型卡車經過平路、上坡和下坡路段時記錄的雷達自動剎車系統采用電自動時的剎車距離曲線。如圖1所示，其自動剎車距離與車輛的行駛速度有指數關系。采用最小二乘法得到了相應的曲線。

圖1 卡車雷達自動剎車在坡道時的距離關系圖

式中：X為代表卡車啟動剎車時的速度km/h；Yx為卡車下坡雷達自動剎車距離，m；Ys為卡車上坡雷達自動剎車距離，m。

由此，可得到安全距離的一般表達式：式中，K為安全距離，雷達自動剎車系統制動后車輛與前方障礙物的安全距離；Y0為卡車剎車后距離障礙物的預留距離，一般取10m；Y為車輛雷達自動剎車系統啟動后的剎車距離，對于上下坡道各采用式（1）和式（2）表達式求出。

3 車輛轉彎的判斷規則

3.1 MEMS陀螺儀的工作原理

陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動量守恒的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位于軸心且可旋轉的轉子構成[3]，如圖2所示。陀螺儀一旦開始旋轉，由于轉子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的能力。但是，微機電系統(MEMS MicroelectroMechanicalSystems)，是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。由于采用了微機電系統技術，使得其尺寸大大縮小。

圖2 傳統陀螺儀原理圖

對于MEMS陀螺儀(gyroscope)的工作原理與傳統陀螺儀的工作原理不同，因為要用微機械技術在硅片襯底上加工出一個可轉動的結構不是一件容易的事。MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時產生切向力的作用。因此MEMS傳感器將旋轉物體的角速度轉換成與角速度成正比的直流電壓信號，其核心部件是通過摻雜技術、光刻技術、腐蝕技術、LIGA技術、封裝技術等批量生產的。

3.2 陀螺儀判斷車輛轉彎的原理和算法

車輛轉彎程度不僅與彎道角度有關還與行車速度有關，所以適合使用角速度來描述車輛轉彎程度。車輛在轉彎時候角速度變化的是陀螺儀的Z軸，對Z軸多次采樣取平均作為實時轉向角速度，此角速度作為車輛轉向程度的依據。

陀螺儀是測量物體角速度的傳感器，當陀螺儀隨物體運動時，陀螺儀能夠測量物體繞各個軸轉動的角速度，通過對角速度進行積分運算，就能得到物體旋轉的角度[3]。短時間內，陀螺儀測量具有較高的精度，但陀螺儀容易受振動，因而，需要延長觀測時間，這樣才能把握在礦山道路上顛簸而產生的誤差。轉彎角速度的變化如圖3所示，每秒采集10個樣本，即以100ms的采樣率來記錄角速度的變化過程。根據圖2，我們不必轉換為角度，只要角速度的變化幅度超過一定的范圍，即可確定為彎道行駛。通過程序的采樣即可判斷車輛是在彎道上行駛還是在直道上行駛。

圖3 角速度彎道數據記錄圖

4 車輛上下坡的判斷規則

4.1 MEMS加速度原理

MEMS加速度與陀螺儀判斷車輛上下坡的角度算法角度由加速度角AngleAccel與陀螺儀角AngleGyro融合而成。加速度角度AngleAccel的獲取方式如圖4所示。在穩態下，當坡度為A時重力加速度G可以在車身座標系的X軸與Z軸分解成兩個正交的分加速度GX和GZ

由反正切函數可得出弧度值Aa：

再對弧度進行角度轉換可得

式中，π取3.14，GX和GZ從MEMS加速度傳感器中直接獲取。

陀螺儀角度AngleGyro的獲取方式：

陀螺儀用累加積分的方法獲取角度，車身俯仰角的旋轉軸為陀螺儀的Y軸，表示為Yg，因為陀螺儀的量值為旋轉角速度，所以根據采樣時間間隔與Yg的積分表示采樣時間內的俯仰角度增量AngleGyro。

圖4 斜面坡道受力示意圖

4.2 加速度與陀螺儀的融合

從加速度角的計算方式可以分析出當車輛在X方向為啟動或停止運動時，由于存在X方向加速度的疊加會導致三角正切運算的角度會偏離實際值。

從陀螺儀角度的計算由于采樣精度的問題，采樣誤差在積分中會累計，適用于增量計算。

所以使用陀螺儀角來修正加速度角的偏差，用加速度角來標定基準值。

角度算法采用互補濾波方式來融合加速度角AngleAccel與陀螺儀角AngleGyro。這種濾波的原理是對AngleGyro進行高通濾波（采變化量），而對AngleAccel進行低通濾波（采穩值），最后再將兩者加合，輸出姿態角估計值。其公式如下，Angle為最終傾角輸出值，互補公式如下：

高通濾波的目的是過濾掉長期的變量，而讓短期的變量通過，這可以用來去掉陀螺儀的漂移累計誤差。低通濾波的目的是過濾掉短期的變量，而讓長期的變量通過，這可以用來去掉加速度計的噪聲與偏差。

為了確定濾波系數a，得確定一個時間常數Tau，

式中，dt為濾波采樣時間。Tau為對陀螺儀的信任度和對加速度計的信任度的界限。

當時間dt小于Tau，AngleGyro處于優先地位，AngleAccel的噪聲將被過濾。當時間大于Tau時，AngleAccel的平均值將被優先考慮，這時的AngleGyro將產生漂移。Tau的選擇將取決于AngleGyro何時產生比較大的累計漂移。

根據實際硬件設計，采樣時間為100ms，經過實驗得出Tau在取值1時，可以得到比較平滑的角度變化曲線，同時加速度的偏差也被約束到一個合理的水平。

圖5是實測車輛（MT4400）在一個坡度約為4.5°的上坡時坡度變化曲圖。圖6為車輛下坡時坡度在4～5°時的角速度變化曲線圖。其中橫座標為采樣點數量（時間累計），縱座標為坡度值（單位為0.1°）。結合實際路況經過驗證，互補濾波方式基本滿足道路坡道俯仰角的測定需求。

圖5 上坡路坡度變化示意圖

圖6 下坡路坡度變化曲線圖

圖7 卡車裝載和重車運行加速度曲線圖

圖8 卡車卸載和空車運行加速度曲線圖

5 加速度判斷車輛裝載狀態的原理算法

在車輛裝載和卸載時裝載物在裝載或卸載時會產生有規律的震動，裝載時的震動周期與鏟傾倒的頻率有關，卸載時與車輛卸載速度有關。最終反映在MEMS傳感器上的垂直方向加速度Accel_Z會有規律的跳變。如圖7為裝載和重車運行時的Z軸加速度曲線圖。

圖8為卸載和卡車運行時的Z軸加速度曲線：

可以通過在Z軸加速度穩定時，如果產生了規律的震動可以判斷為裝載或卸載。區分裝載和卸載使用震動間隔時間來判斷，裝載時間隔很長約100s。卸載時時間間隔短約40～50s，液壓桿結處的震動小于20s。因此，在Z軸加速度穩定時，大于100s以上的震動判斷為裝載，小于50s的震動判斷為卸載。

6 結論

采用MEMS傳感器技術，通過對三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器的組合應用，對露天礦卡車在行車過程中所處道路條件進行實時分析和判斷，從而確定車輛處于平路、上坡或下坡，同時也能夠區分車輛是處于重車還是空車的狀態。為礦用卡車毫米波雷達防撞系統的剎車規則打下了堅實的基礎。經過礦山現場大量的實驗說明，這種傳感器的精度和可靠性可以達到工業現場的要求，為礦山行車安全提供了有效的技術保證。

【1】王治國，李熹，郭德淳，費元春.超寬帶汽車防撞雷達的設計[J].現代雷達，2007（4）：29.

【2】李怡凡，吳黎明，張力鍇．一種車身姿態的捷聯測量[J].傳感技術學報，2010，23(8)：1189-1194．

【3】NeilM．Barbour．慣性導航傳感器［J］．戰術導彈控制技術，2009，26(4)：51-62.

Real Time Analysis and Decision Method of Running Posture of Truck in Open Pit Mine

WANGYou-cang
(ChinaShenhuaJunggarEnergyGroup,Xuejiawan010300,China)

In this paper, the MEMS acceleration sensor and the gyro sensor are used to analyze and determine the running posture of the truck in the open mining area.Through the analysis of the attitude of the truck in real time to determinewhether the truck is running on the horizontal road, up and down the ramp, turningthe road or still in the loadingor unloadingstate.Masteringthe state and environment ofthe truckscanmore accuratelycalculate brakingdistance oftruck which provides the basis for the safe distance calculation in the millimeter wave radar collision avoidance system for the mine truck ,achieving different road conditionswithdifferentbrakingstrategy.Provideadvancedtechnicalmeansandmethodsforthesafeproductionforopenpitmine.

truckposture;sensor;acceleration;gyro;safetydistance;radarcollisionavoidance

TD65

B

1007-9467（2016）07-0240-03

2016-5-17

王有倉(1963～)男，內蒙古鄂爾多斯人，高級工程師，從事安監方面研究，（(電子信箱）238741003@qq.com)。