張軍暉

[摘 要]鏟運機作為礦產采掘運輸一體的無軌裝備，其智能化相關技術也成為近年來研究的熱點。智能化的地下鏟運機，無需人員下井在車上駕駛和換班，生產作業(yè)時間可以得到充分保障，配合智能控制技術和先進的狀態(tài)監(jiān)控技術，可顯著提升地下開采的效率，并大幅度減小現場作業(yè)人員，從而有效保障人員安全?；诖?，本文提出一種基于最優(yōu)軌跡跟蹤的地下鏟運機無人駕駛技術，該方法充分結合巷道的特性和鏟運機的功能特性，工作裝置穩(wěn)定可靠，為智能化鏟運機的應用推廣提供理論和技術支持，以期滿足地下開采的實際需求。

[關鍵詞]地下鏟運機；軌跡跟蹤；無人駕駛

中圖分類號：TM236 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）10-0238-01

1 鏟運機無人駕駛技術分析

鏟運機無人駕駛，就是鏟運機的行走過程中不需要人為參與，完全依靠自身的傳感器實現環(huán)境的檢測、自主導航和自主的行走。其中，自主導航技術是鏟運機能夠實現無人駕駛的關鍵?，F有技術條件下，自主導航技術可分為絕對式導航和相對式導航兩種。絕對式導航技術是指鏟運機無人駕駛環(huán)境地圖的數字信息已經預先存入車載計算機，在數字地圖的坐標系下，設定一條最優(yōu)路徑，控制鏟運機嚴格遵循這一路徑軌跡來運行。相對式導航技術是指鏟運機通過車載傳感器主動感知周圍環(huán)境的基礎設施或者是局部的物體來實現導航，又稱為反應式導航技術，如基于沿巷道壁行走技術的導航技術是以控制鏟運機沿著巷道行駛，且不碰到墻壁為原則進行導航的一種方法，由于該方法不需要大量外部條件配合而被廣泛研究。本文基于一種軌跡跟蹤的方法，無需提前知道地圖的數字信息，屬于相對式導航技術，在無人駕駛狀態(tài)下，通過車載傳感器實時獲取當前運動軌跡相對于最優(yōu)軌跡的偏差信息，進而實現鏟運機在地下巷道內的無人駕駛控制。

2 行駛軌跡各參數關系

鏟運機無人駕駛時，需要建立相關坐標系進行統(tǒng)一的控制。不考慮鏟運機垂直路面方向的運動，以起始點為坐標原點，起始的前進方向為X軸，水平面內垂直前進方向為Y軸建立二維坐標系。以鏟斗方向驅動橋的橫向中心點作為鏟運機的定位中心點，對應投影到X-Y坐標平面內為Q點，鏟運機最優(yōu)軌跡為預先規(guī)劃好的最佳行駛軌跡，如圖1中的曲線1，也是巷道的中心線，實際運動軌跡如圖中的曲線2，鏟運機實際行駛過程中的航向角Φ1定義為其前進方向與X軸正向所形成的角度，逆時針方向為正，順時針為負，鏟運機在最優(yōu)軌跡曲線上的航向角Φ2定義為鏟運機在最優(yōu)軌跡曲線上的投影點Q1的速度方向和X軸正方向形成的角度，目標路徑上的航向角Φ1與鏟運機跟蹤軌跡航向角Φ2的差值，定義為航向角偏差θ，航向角偏差反映了鏟運機無人駕駛方向與目標路徑預定的行駛方向之間的偏離程度。鏟運機跟蹤軌跡上Q點與目標路徑上投影點的直線距離定義為鏟運機的橫向位置偏差δ。取在目標路徑曲線右側的偏差為正，反之為負。橫向位置偏差主要反映鏟運機在巷道內的橫向偏離情況。設定鏟運機前后車體的相對轉動角，即鉸接角為α。設定逆時針的鉸接角α為正，反之為負。鏟運機軌跡曲線和軌跡參數定義如圖1所示。

3 無人駕駛試驗驗證

地下鏟運機的無人駕駛的關鍵是具有智能化的子系統(tǒng)的支撐，為實現地下鏟運機無人駕駛的目標，需要考慮鏟運機各子系統(tǒng)所具備的關鍵技術。本論文以KCY2型智能鏟運機為平臺，進行鏟運機自主行駛和自主卸載的相關試驗。

3.1 地表無人駕駛試臉

為驗證智能鏟運機的各項智能化性能，為現場工業(yè)試驗的驗證做好基礎，在地表環(huán)境下搭建了模擬巷道，為模擬巷道表面凹凸不平的實際情況，采用泡沫板搭建模擬巷道，并在泡沫板上人為打孔形成表面粗糙的形狀后噴涂上水泥，每4米一個支柱，可以自由組合形成直巷道或者彎曲巷道，便于開展各類自主行駛的相關試驗，結合多元信息自主導航控制器的設計，主要測試鏟運機的自主行駛的無人駕駛是否滿足鏟運機自主行駛的要求，試驗完成了自主行駛程序編寫，利用前向掃描激光或后向掃描激光，實時掃描兩邊模擬巷道壁相對于車身的位置信息，結合鏟運機當前狀態(tài)下的轉向角信息和里程計信息，由車載控制器發(fā)出指令控制鏟運機的油門和轉向。在此基礎上，完成了直線段模擬巷道環(huán)境下的自主行駛試驗。

試驗中發(fā)動機轉速給定值為40（額定轉速時給定值為127），此時發(fā)動機轉速為900r/min，由于前向掃描激光傳感器是安裝在司機室頂部，其掃描的中心在前驅動橋的后方1.1米處，幾乎與中央鉸接點重合，這鐘小角度的掃描激光前瞻性很差，導致控制效果較差，鏟運機難以穩(wěn)定行駛。故激光掃描器右側掃描區(qū)域參與計算的掃描激光序號取30～60，即參與計算的掃描激光角度I取值范圍是300～600，提高了掃描激光前瞻性。設定比例放大系數Kp=4，取微分系數Kd=0.2，取PID的積分系數Ki=0.激光掃描器右側掃描區(qū)域參與計算的掃描激光序號取00～600，即參與計算的掃描激光角度i取值范圍是00～600，其中仿真試驗時Td=0.8s，T為采樣周期，T=0.2s。仿真時由于取得參與計算的激光對比較少，所以計算出的綜合偏差數值較小，仿真時需要大的比例放大系數，Kp=30，倒過來取Kd=Kp*Td/T=30xTd/0.2=0.2，將Td=0.0013代入仿真環(huán)境，車體可以進行自主行駛。隨后將上述參數應用到實際的自主行駛，實現了地下鏟運機在地表模擬巷道內的自主行駛控制。

3.2 地下巷道的自主行駛試驗

結合自主行駛控制算法所闡述的內容，將該自主行駛方法應用于地下巷道的鏟運機自主行駛，試驗場地為某鉛鋅礦-240中段的主斜坡道，鏟運機所使用的自主行駛方法仍然和地表上一致。試驗段由兩個直線段組成，在地下巷道的自主行駛試驗中，鏟運機行駛的以直線為主，不同于地表的模擬巷道環(huán)境下的試驗，實際巷道的試驗由于巷道壁的形狀更為不規(guī)則，實際測量得到數據更加不光滑，導致鏟運機的運算速率和采樣周期都有不同程度的加快。試驗以跟蹤巷道中心線為主的控制模式，其某個循環(huán)下控制鏟運機按照一定的速度進行最優(yōu)軌跡跟蹤的實驗跟蹤效果。有實驗可知，鏟運機自主行駛控制時，實際的行駛軌跡能夠很好的跟蹤巷道的中心線，這條線也是規(guī)劃的最優(yōu)行駛軌跡。

參考文獻

[1] 張奎杰，李寶順.基于WiFi及無線遙控技術遠程控制井下鏟運機[J].現代電子技術，2013，03：37-39.

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