救援運載車自主制動控制研究

梁秀春

（山西煤炭進出口集團左權宏遠煤業有限公司， 山西 左權 032600）

引言

隨著國家煤炭能源的大力開發，煤礦救援運載車被廣泛應用于運輸救援機器人，其整車制動系統的自動化和智能化是安全、高效救援的直接影響因素[1]。目前，運載車存在自動化制動技術應用范圍較窄、智能化控制效果較差等問題，在行駛過程中很難達到較好的制動效果，影響著整車的行駛安全[2]。因此開展基于模糊算法救援運載車智能化制動仿真研究尤為重要。

1 模糊控制理論

模糊邏輯是一種模擬人類推理過程的計算機推理設計要求，可通過與人類語言相近的語言變量進行模糊推理，可讀性較高，易于理解，具有以下特點[3]：其一，控制簡單方便、易于掌握，是一種比較理想的非線性語言控制器；其二，抗干擾能力強，響應速度快，并對系統參數的變化有較強的魯棒性；其三，不需要建立精確的數學模型，易于實現控制不確定性系統的控制。其基本原理如圖1所示。

2 自主制動模糊控制器設計

2.1 隸屬度函數的選擇

在Matlab中鍵人命令fuzzy，進入模糊邏輯控制箱。建立A，D，U的隸屬度函數，有三角形、高斯形、梯形等11種可供選擇，本文選取常用的三角形（trimf）隸屬度函數[4]。建立的輸入量輸出量隸屬度函數如圖2所示。

2.2 模糊控制規則的建立

模糊控制規則的條件語言為：IF=i，AND=j，THEN=k[5]，根據運載車可能遇到的障礙物情況，確定了救援車4X5=20條控制規則，其詳細規則如下頁表1所示。

圖1 模糊控制基本原理

圖2 輸入量和輸出量隸屬度函數示意圖

2.3 模糊化求解

由于前文確定的隸屬度函數形狀為三角形，為提高求解的合理性和精確性，選用重心求解法[6]，利用Matlab模糊邏輯工具箱，生成了輸入輸出三維關系曲面，如圖3所示。

表1 模糊控制規則表

圖3 輸入輸出關系曲線圖

3 智能制動控制系統建模及仿真

3.1 智能制動仿真模型建立

采用MATLAB/Simulink軟件建立了基于模糊算法的煤礦救援車智能制動的仿真模型，該模型能自主制動運行速度和制動強度的大小，以此來驗證模糊控制規則的設計對救援運載車自主制動的適用性和有效性，智能制動仿真模型如圖4所示。

圖4 智能制動仿真模型仿真模型

3.2 障礙物在行駛軌道上時仿真結果

救援運載車進入彎道行駛時，障礙物在行駛軌道上，仿真結果如圖5、圖6所示。

由圖分析可知，運載車發現障礙物時，通過產生的PWM脈寬調制信號來控制電磁鐵兩端電壓，由此實現運載車的制動控制，降低運載車行駛速度。運載車在1.2～3 s時，整車勻速行駛，此時PWM控制信號輸出為0。當障礙物與運載車距離達到危險距離，此時障礙物與運載車角度為0°，系統發出緊急制動指令，控制電壓信號脈寬達到最大，運載車減速停車，從而避免運載車與障礙物相撞。

3.3 障礙物在行駛軌道側邊時仿真結果

救援運載車進入彎道行駛時，障礙物在行駛軌道側邊，仿真結果如圖7、圖8所示。

由圖7分析可知，救援運載車以2 m/s速度行駛一段時間后，距離逐漸縮短，由于模糊控制器設計的距離權重比較大，因此，運載車開始緩慢制動，速度逐漸降低。當經過障礙物后，又加速到制動前的初速度4 m/s。由圖8分析可知，此過程中有兩段制動時間，勻速和加速時沒有PWM信號輸出。

圖6PWM控制信號輸出

圖7 速度變化曲線

圖8 脈沖寬度調制(PWM)信號曲線

4 結語

運載車智能制動系統能對救援運載車進行穩定、準確、靈活控制，當障礙物在行駛軌道上或在軌道側邊時，可對運載車與障礙物距離進行準確判斷，通過發出不同脈寬的PWM控制信號，達到對運載車行駛速度和制動強度的控制，實現煤礦救援運載車制動的無人化、智能化。該主動制動模糊控制器設計合理，能夠滿足運載車智能自主制動的要求。該控制系統的設計增加了運載車自動制動效果，提高了整車的行駛安全，對提高現場救援效率具有重要意義。