王有倉(cāng)

（中國(guó)神華準(zhǔn)能集團(tuán)，內(nèi)蒙古 薛家灣 010300）

露天礦卡車(chē)坡道運(yùn)行姿態(tài)的實(shí)時(shí)分析和判定方法

王有倉(cāng)

（中國(guó)神華準(zhǔn)能集團(tuán)，內(nèi)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(duì)露天礦卡車(chē)在采場(chǎng)內(nèi)的行車(chē)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和判定。通過(guò)這些姿態(tài)的分析能夠?qū)崟r(shí)確定卡車(chē)行走在水平路段、上下坡道、轉(zhuǎn)彎道路還是處于裝載或卸載狀態(tài)。掌握了這些卡車(chē)所處的狀態(tài)和環(huán)境，就能更準(zhǔn)確地計(jì)算卡車(chē)制動(dòng)剎車(chē)的距離，為礦用卡車(chē)毫米波雷達(dá)防撞系統(tǒng)中的安全距離計(jì)算提供了依據(jù)，并實(shí)現(xiàn)不同道路條件下采用不同的剎車(chē)策略。為露天礦的安全生產(chǎn)提供先進(jìn)的技術(shù)手段和方法。

卡車(chē)姿態(tài)；傳感器；加速度；陀螺儀；安全距離；雷達(dá)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(yùn)輸量必須采用與之相應(yīng)的運(yùn)輸系統(tǒng)，大噸位重型卡車(chē)是主要的運(yùn)輸形式之一。由于其車(chē)體龐大，司機(jī)視線存在盲區(qū)。特別是在夜間行車(chē)，光線少，路況復(fù)雜，車(chē)輛頻繁穿梭。這些都給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。為了減少車(chē)輛間的碰撞事故，近年來(lái)，我們對(duì)超聲波測(cè)距、紅外線測(cè)距、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)測(cè)距都進(jìn)行了試驗(yàn)研究和對(duì)比，得出毫米波雷達(dá)[1]更適合于露天礦采場(chǎng)內(nèi)的重型卡車(chē)防撞系統(tǒng)的應(yīng)用。關(guān)鍵是毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)、波瓣面積大并且不受大霧和灰塵的影響。在實(shí)際的雷達(dá)防撞系統(tǒng)應(yīng)用中，卡車(chē)行走在不同的道路條件下，給出的剎車(chē)制動(dòng)策略也大不相同。那么如何確定卡車(chē)正行走在上坡道、下坡道，還是彎道上，我們采用卡車(chē)姿態(tài)傳感器[2]來(lái)實(shí)時(shí)分析判斷車(chē)體的傾斜狀態(tài)，也就掌握了卡車(chē)所在的道路狀況。

2 卡車(chē)在不同坡度道路上的剎車(chē)距離統(tǒng)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)露天礦重型卡車(chē)防碰撞，減少事故的發(fā)生，礦用卡車(chē)毫米波雷達(dá)技術(shù)防碰撞自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成功，為礦山的安全生產(chǎn)提供了先進(jìn)的手段和方法。在制定雷達(dá)安全剎車(chē)距離的過(guò)程中，必須對(duì)車(chē)輛安裝的雷達(dá)自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行剎車(chē)距離實(shí)驗(yàn)，以便掌握車(chē)輛在不同坡道上的剎車(chē)距離變化規(guī)律，從而確定車(chē)輛的最小安全距離規(guī)則。在這個(gè)規(guī)則下使得雷達(dá)系統(tǒng)自動(dòng)剎車(chē)后與障礙物之間保留一定的距離。

下面是通過(guò)在重型卡車(chē)經(jīng)過(guò)平路、上坡和下坡路段時(shí)記錄的雷達(dá)自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)采用電自動(dòng)時(shí)的剎車(chē)距離曲線。如圖1所示，其自動(dòng)剎車(chē)距離與車(chē)輛的行駛速度有指數(shù)關(guān)系。采用最小二乘法得到了相應(yīng)的曲線。

圖1 卡車(chē)?yán)走_(dá)自動(dòng)剎車(chē)在坡道時(shí)的距離關(guān)系圖

式中：X為代表卡車(chē)啟動(dòng)剎車(chē)時(shí)的速度km/h；Yx為卡車(chē)下坡雷達(dá)自動(dòng)剎車(chē)距離，m；Ys為卡車(chē)上坡雷達(dá)自動(dòng)剎車(chē)距離，m。

由此，可得到安全距離的一般表達(dá)式：式中，K為安全距離，雷達(dá)自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)制動(dòng)后車(chē)輛與前方障礙物的安全距離；Y0為卡車(chē)剎車(chē)后距離障礙物的預(yù)留距離，一般取10m；Y為車(chē)輛雷達(dá)自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)啟動(dòng)后的剎車(chē)距離，對(duì)于上下坡道各采用式（1）和式（2）表達(dá)式求出。

3 車(chē)輛轉(zhuǎn)彎的判斷規(guī)則

3.1 MEMS陀螺儀的工作原理

陀螺儀是一種用來(lái)傳感與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量守恒的理論設(shè)計(jì)出來(lái)的。陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成[3]，如圖2所示。陀螺儀一旦開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的能力。但是，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS MicroelectroMechanicalSystems)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小。

圖2 傳統(tǒng)陀螺儀原理圖

對(duì)于MEMS陀螺儀(gyroscope)的工作原理與傳統(tǒng)陀螺儀的工作原理不同，因?yàn)橐梦C(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)不是一件容易的事。MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生切向力的作用。因此MEMS傳感器將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件是通過(guò)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的。

3.2 陀螺儀判斷車(chē)輛轉(zhuǎn)彎的原理和算法

車(chē)輛轉(zhuǎn)彎程度不僅與彎道角度有關(guān)還與行車(chē)速度有關(guān)，所以適合使用角速度來(lái)描述車(chē)輛轉(zhuǎn)彎程度。車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)候角速度變化的是陀螺儀的Z軸，對(duì)Z軸多次采樣取平均作為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向角速度，此角速度作為車(chē)輛轉(zhuǎn)向程度的依據(jù)。

陀螺儀是測(cè)量物體角速度的傳感器，當(dāng)陀螺儀隨物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，陀螺儀能夠測(cè)量物體繞各個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，通過(guò)對(duì)角速度進(jìn)行積分運(yùn)算，就能得到物體旋轉(zhuǎn)的角度[3]。短時(shí)間內(nèi)，陀螺儀測(cè)量具有較高的精度，但陀螺儀容易受振動(dòng)，因而，需要延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，這樣才能把握在礦山道路上顛簸而產(chǎn)生的誤差。轉(zhuǎn)彎角速度的變化如圖3所示，每秒采集10個(gè)樣本，即以100ms的采樣率來(lái)記錄角速度的變化過(guò)程。根據(jù)圖2，我們不必轉(zhuǎn)換為角度，只要角速度的變化幅度超過(guò)一定的范圍，即可確定為彎道行駛。通過(guò)程序的采樣即可判斷車(chē)輛是在彎道上行駛還是在直道上行駛。

圖3 角速度彎道數(shù)據(jù)記錄圖

4 車(chē)輛上下坡的判斷規(guī)則

4.1 MEMS加速度原理

MEMS加速度與陀螺儀判斷車(chē)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(wěn)態(tài)下，當(dāng)坡度為A時(shí)重力加速度G可以在車(chē)身座標(biāo)系的X軸與Z軸分解成兩個(gè)正交的分加速度GX和GZ

由反正切函數(shù)可得出弧度值A(chǔ)a：

再對(duì)弧度進(jìn)行角度轉(zhuǎn)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(chē)身俯仰角的旋轉(zhuǎn)軸為陀螺儀的Y軸，表示為Yg，因?yàn)橥勇輧x的量值為旋轉(zhuǎn)角速度，所以根據(jù)采樣時(shí)間間隔與Yg的積分表示采樣時(shí)間內(nèi)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(jì)算方式可以分析出當(dāng)車(chē)輛在X方向?yàn)閱?dòng)或停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于存在X方向加速度的疊加會(huì)導(dǎo)致三角正切運(yùn)算的角度會(huì)偏離實(shí)際值。

從陀螺儀角度的計(jì)算由于采樣精度的問(wèn)題，采樣誤差在積分中會(huì)累計(jì)，適用于增量計(jì)算。

所以使用陀螺儀角來(lái)修正加速度角的偏差，用加速度角來(lái)標(biāo)定基準(zhǔn)值。

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

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

為了確定濾波系數(shù)a，得確定一個(gè)時(shí)間常數(shù)Tau，

式中，dt為濾波采樣時(shí)間。Tau為對(duì)陀螺儀的信任度和對(duì)加速度計(jì)的信任度的界限。

當(dāng)時(shí)間dt小于Tau，AngleGyro處于優(yōu)先地位，AngleAccel的噪聲將被過(guò)濾。當(dāng)時(shí)間大于Tau時(shí)，AngleAccel的平均值將被優(yōu)先考慮，這時(shí)的AngleGyro將產(chǎn)生漂移。Tau的選擇將取決于AngleGyro何時(shí)產(chǎn)生比較大的累計(jì)漂移。

根據(jù)實(shí)際硬件設(shè)計(jì)，采樣時(shí)間為100ms，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出Tau在取值1時(shí)，可以得到比較平滑的角度變化曲線，同時(shí)加速度的偏差也被約束到一個(gè)合理的水平。

圖5是實(shí)測(cè)車(chē)輛（MT4400）在一個(gè)坡度約為4.5°的上坡時(shí)坡度變化曲圖。圖6為車(chē)輛下坡時(shí)坡度在4～5°時(shí)的角速度變化曲線圖。其中橫座標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)量（時(shí)間累計(jì)），縱座標(biāo)為坡度值（單位為0.1°）。結(jié)合實(shí)際路況經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，互補(bǔ)濾波方式基本滿足道路坡道俯仰角的測(cè)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(chē)裝載和重車(chē)運(yùn)行加速度曲線圖

圖8 卡車(chē)卸載和空車(chē)運(yùn)行加速度曲線圖

5 加速度判斷車(chē)輛裝載狀態(tài)的原理算法

在車(chē)輛裝載和卸載時(shí)裝載物在裝載或卸載時(shí)會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的震動(dòng)，裝載時(shí)的震動(dòng)周期與鏟傾倒的頻率有關(guān)，卸載時(shí)與車(chē)輛卸載速度有關(guān)。最終反映在MEMS傳感器上的垂直方向加速度Accel_Z會(huì)有規(guī)律的跳變。如圖7為裝載和重車(chē)運(yùn)行時(shí)的Z軸加速度曲線圖。

圖8為卸載和卡車(chē)運(yùn)行時(shí)的Z軸加速度曲線：

可以通過(guò)在Z軸加速度穩(wěn)定時(shí)，如果產(chǎn)生了規(guī)律的震動(dòng)可以判斷為裝載或卸載。區(qū)分裝載和卸載使用震動(dòng)間隔時(shí)間來(lái)判斷，裝載時(shí)間隔很長(zhǎng)約100s。卸載時(shí)時(shí)間間隔短約40～50s，液壓桿結(jié)處的震動(dòng)小于20s。因此，在Z軸加速度穩(wěn)定時(shí)，大于100s以上的震動(dòng)判斷為裝載，小于50s的震動(dòng)判斷為卸載。

6 結(jié)論

采用MEMS傳感器技術(shù)，通過(guò)對(duì)三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器的組合應(yīng)用，對(duì)露天礦卡車(chē)在行車(chē)過(guò)程中所處道路條件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和判斷，從而確定車(chē)輛處于平路、上坡或下坡，同時(shí)也能夠區(qū)分車(chē)輛是處于重車(chē)還是空車(chē)的狀態(tài)。為礦用卡車(chē)毫米波雷達(dá)防撞系統(tǒng)的剎車(chē)規(guī)則打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)礦山現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，這種傳感器的精度和可靠性可以達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求，為礦山行車(chē)安全提供了有效的技術(shù)保證。

【1】王治國(guó)，李熹，郭德淳，費(fèi)元春.超寬帶汽車(chē)防撞雷達(dá)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007（4）：29.

【2】李怡凡，吳黎明，張力鍇．一種車(chē)身姿態(tài)的捷聯(lián)測(cè)量[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(8)：1189-1194．

【3】NeilM．Barbour．慣性導(dǎo)航傳感器［J］．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù)，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(cāng)(1963～)男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，高級(jí)工程師，從事安監(jiān)方面研究，（(電子信箱）238741003@qq.com)。