地下鏟運機自主行駛與避障控制方法研究

孔德明

摘 要：隨著經濟以及科學技術的發展，對復雜施工環境中的地下鏟運機的自主行駛以及避障措施的要求越來越高，將地下鏟運機目標路線以及偏差路線相結合起來可以劃分為4種模式。本文針對鏟運機自主運行的模型以及鏟運機目標路徑及跟蹤軌跡參數之間的關系以及自主行駛性能分析和基于模糊理論的安全避障方法研究地下鏟運機的自主行駛方法。對地下鏟運機在實際的生產過程提供一定的參考價值。

關鍵詞：地下鏟運機；模型；避障；軌跡

中圖分類號：TD421 文獻標志碼：A

1 鏟運機自主運行的模型

針對鏟運機復雜以及自身的運行特點，準確控制鏟運車的運動路徑成了研究鏟運車的重點也是難點。目前主要是通過激光掃描控制法和軌跡偏差推算控制法將鏟運機目標路徑規劃與偏差相結合進行運行控制。由于軌跡偏差推算控制法不需要較多的輔助設備，成本相對較低，因此被廣泛運用于鏟運車上。

2 鏟運機目標路徑以及跟蹤軌跡參數之間的關系

地下鏟運機在地下或井下的巷道中工作，一方面由于地下不平整，致使地下鏟運機在地下行走受到限制；另一方面地下設備較多，如通風機、照明設備、電器開關等，形成局部障礙，致使鏟運機并不一定沿墻面行走，而是有時需要繞過這些障礙。因此，規劃鏟運機的目標路徑以及利用相對位置和絕對位置來確定鏟運機的實際路徑和理論路徑的偏差，就顯得非常具有工程運用價值。

一般是在巷道路面所在的平面內建立一個x-y的坐標系。以P點的速度方向作為車輛行駛方向，并定義鏟運機的航向角φg為運動方向與x軸正向所成的夾角，逆時針為正。曲線C表示鏟運機的跟蹤軌跡，而理論規劃的路徑如圖1中的A曲線所示。為了避障，圖1中曲線B為局部避障目標路徑，δb0表示橫向偏位移。該參數表示實際運動軌跡方向和規劃路徑的行駛方向的偏差，值越大表明越偏離規劃路徑的行駛方向。橫向位置偏差δ為跟蹤路徑的P點和主路徑的Pm點的距離，當P點在主路徑右側時，橫向位置偏差δ為正。該參數反映實際運動軌跡與主目標路徑的橫向位置的偏差情況，絕對值越大表明與主目標路徑的橫向距離越遠。相同地，可定義橫向位置偏差δb為跟蹤路徑的P點和局部避障目標路徑的Pmb點的距離，方向定義和δ一致。該參數反映實際運動軌跡與局部避障目標路徑的橫向位置的偏差情況，絕對值越大表明與局部避障目標路徑的橫向距離越遠，并且有δb=δ+δb0。P點位置坐標由弧長sm和橫向偏差δ表示，即為P（sm，δ）。P點的曲率用kg表示，其方向為：我們定義當曲率中心Og在軌跡曲線前進方向左側時定義其為正曲率，曲率半徑一般用R表示。為正，反之為負。相同地可定義Rm和Rmb的曲率，分別為主目標路徑在Rm的曲率，局部避障目標路徑在Rmb的曲率。用Km和Kmb表示，Rm和Rmb為相應曲率中心Om和Omb的半徑。車速通過安裝在鏟運車的車速傳感器測得。

3 自主行駛控制特性分析

3.1 橫向位置偏差限幅控制

當橫向位置偏差較小，小于1m時，該控制方法能實現快速而穩定的控制。但是當橫向位置偏差大于1時，該控制方式不穩定。為了使控制兼顧穩定快速的功能，橫向偏差不宜大于1，研究發現當限幅值在0.4～0.8時效果最佳。

3.2 雙門限改進型PID控制

雙門限改進型PID控制顧名思義，即是在傳統的PID控制策略上，引入了橫向位置偏差門限和航向角偏差門限值。這樣做的目的是消除工程上最常用的PID控制的穩定誤差，同時提高系統的響應速度和控制精度。因此，本文設置橫向位置偏差δb，門限值為?δ2，?δ2最佳在0.1m～0.2m。當橫向位置偏差大于?δ2時，不考慮積分環節；當橫向位置偏差小于?δ2引入積分環節，加大了系統消除較小誤差的能力，減小調整時間，消除存在的穩態誤差。雖然引入橫向位置偏差門限能減少穩態誤差，使鏟運車的實際路徑與目標路徑更接近，但是當鏟運車的航向角較大時同樣會造成控制系統失穩。因此，為了避免由航向角偏差較大而引起系統超調量增大，失穩，需要對航向角偏差設置門限值?β在0.03rad～0.2rad最佳，而?β在0.03rad～0.2rad。

4 基于模糊控制的安全避障

4.1 模糊控制理論基本概念

模糊控制理論在實際的生產和生活中應用十分廣泛，操作人員能通過不斷學習和積累經驗實現對控制對象的控制，由于經驗很難用語言來表達，故具有模糊性。模糊控制理論在很復雜的環境中應用也能應用。

4.2 基于模糊控制的安全避障的實際應用

圖1表示某礦山鏟運車安全導航圖。其中圖1（a）為規劃的從溜井處的鏟車出發至采場內目標點1和2的規劃路線，圖1（b）為基于模糊控制的鏟車實際運動路徑。通過比較這兩個圖，可知當鏟車按照既定的路線1到達目標點1的過程中，會在途中遇到較大的障礙物，因此必須繞過該障礙物才能順利獲得目標點1。同樣的，當鏟車按照既定的路線2到達目標點2的過程中，也會在途中遇到較大的障礙物，因此必須繞過該障礙物才能順利獲得目標點2。使用模糊控制，當鏟車遇到障礙后，通過安裝在鏟車的傳感器檢測到既定路線存在障礙時，系統將控制鏟車開始減少行駛，同時按照邏輯算法，驅動相關設備，從而使鏟車始終與障礙物保持一定的安全距離，避開障礙物順利獲得目標點1和2。圖1（b）正是鏟車通過模糊控制，經學習和積累經驗而走出的實際運動路線示意圖。

5 結論與展望

本文針對地下鏟運機的不同運行模型以及對障礙物的偏移方法，依附于主目標路徑避障開始位置以及結束位置，對實際的地下鏟運車的運行提供了一種有效的運行方式，大大降低了地下鏟運車的工作難度。該方法能夠有效地避障且與實際的工作環境有很大的相似之處，可以推算出主目標的路徑，減小了跟蹤路徑的偏差，提高了地下鏟運機的生產工作效率，該種方法具有很高的適應性以及可靠性。

參考文獻

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