孔德明

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)復(fù)雜施工環(huán)境中的地下鏟運(yùn)機(jī)的自主行駛以及避障措施的要求越來越高，將地下鏟運(yùn)機(jī)目標(biāo)路線以及偏差路線相結(jié)合起來可以劃分為4種模式。本文針對(duì)鏟運(yùn)機(jī)自主運(yùn)行的模型以及鏟運(yùn)機(jī)目標(biāo)路徑及跟蹤軌跡參數(shù)之間的關(guān)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(yùn)機(jī)的自主行駛方法。對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)在實(shí)際的生產(chǎn)過程提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地下鏟運(yùn)機(jī)；模型；避障；軌跡

中圖分類號(hào)：TD421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 鏟運(yùn)機(jī)自主運(yùn)行的模型

針對(duì)鏟運(yùn)機(jī)復(fù)雜以及自身的運(yùn)行特點(diǎn)，準(zhǔn)確控制鏟運(yùn)車的運(yùn)動(dòng)路徑成了研究鏟運(yùn)車的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。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(yùn)機(jī)目標(biāo)路徑規(guī)劃與偏差相結(jié)合進(jìn)行運(yùn)行控制。由于軌跡偏差推算控制法不需要較多的輔助設(shè)備，成本相對(duì)較低，因此被廣泛運(yùn)用于鏟運(yùn)車上。

2 鏟運(yùn)機(jī)目標(biāo)路徑以及跟蹤軌跡參數(shù)之間的關(guān)系

地下鏟運(yùn)機(jī)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(yùn)機(jī)在地下行走受到限制；另一方面地下設(shè)備較多，如通風(fēng)機(jī)、照明設(shè)備、電器開關(guān)等，形成局部障礙，致使鏟運(yùn)機(jī)并不一定沿墻面行走，而是有時(shí)需要繞過這些障礙。因此，規(guī)劃鏟運(yùn)機(jī)的目標(biāo)路徑以及利用相對(duì)位置和絕對(duì)位置來確定鏟運(yùn)機(jī)的實(shí)際路徑和理論路徑的偏差，就顯得非常具有工程運(yùn)用價(jià)值。

一般是在巷道路面所在的平面內(nèi)建立一個(gè)x-y的坐標(biāo)系。以P點(diǎn)的速度方向作為車輛行駛方向，并定義鏟運(yùn)機(jī)的航向角φg為運(yùn)動(dòng)方向與x軸正向所成的夾角，逆時(shí)針為正。曲線C表示鏟運(yùn)機(jī)的跟蹤軌跡，而理論規(guī)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(biāo)路徑，δb0表示橫向偏位移。該參數(shù)表示實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡方向和規(guī)劃路徑的行駛方向的偏差，值越大表明越偏離規(guī)劃路徑的行駛方向。橫向位置偏差δ為跟蹤路徑的P點(diǎn)和主路徑的Pm點(diǎn)的距離，當(dāng)P點(diǎn)在主路徑右側(cè)時(shí)，橫向位置偏差δ為正。該參數(shù)反映實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與主目標(biāo)路徑的橫向位置的偏差情況，絕對(duì)值越大表明與主目標(biāo)路徑的橫向距離越遠(yuǎn)。相同地，可定義橫向位置偏差δb為跟蹤路徑的P點(diǎn)和局部避障目標(biāo)路徑的Pmb點(diǎn)的距離，方向定義和δ一致。該參數(shù)反映實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與局部避障目標(biāo)路徑的橫向位置的偏差情況，絕對(duì)值越大表明與局部避障目標(biāo)路徑的橫向距離越遠(yuǎn)，并且有δb=δ+δb0。P點(diǎn)位置坐標(biāo)由弧長(zhǎng)sm和橫向偏差δ表示，即為P（sm，δ）。P點(diǎn)的曲率用kg表示，其方向?yàn)椋何覀兌x當(dāng)曲率中心Og在軌跡曲線前進(jìn)方向左側(cè)時(shí)定義其為正曲率，曲率半徑一般用R表示。為正，反之為負(fù)。相同地可定義Rm和Rmb的曲率，分別為主目標(biāo)路徑在Rm的曲率，局部避障目標(biāo)路徑在Rmb的曲率。用Km和Kmb表示，Rm和Rmb為相應(yīng)曲率中心Om和Omb的半徑。車速通過安裝在鏟運(yùn)車的車速傳感器測(cè)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(dāng)橫向位置偏差較小，小于1m時(shí)，該控制方法能實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)定的控制。但是當(dāng)橫向位置偏差大于1時(shí)，該控制方式不穩(wěn)定。為了使控制兼顧穩(wěn)定快速的功能，橫向偏差不宜大于1，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)限幅值在0.4～0.8時(shí)效果最佳。

3.2 雙門限改進(jìn)型PID控制

雙門限改進(jìn)型PID控制顧名思義，即是在傳統(tǒng)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(wěn)定誤差，同時(shí)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。因此，本文設(shè)置橫向位置偏差δb，門限值為?δ2，?δ2最佳在0.1m～0.2m。當(dāng)橫向位置偏差大于?δ2時(shí)，不考慮積分環(huán)節(jié)；當(dāng)橫向位置偏差小于?δ2引入積分環(huán)節(jié)，加大了系統(tǒng)消除較小誤差的能力，減小調(diào)整時(shí)間，消除存在的穩(wěn)態(tài)誤差。雖然引入橫向位置偏差門限能減少穩(wěn)態(tài)誤差，使鏟運(yùn)車的實(shí)際路徑與目標(biāo)路徑更接近，但是當(dāng)鏟運(yùn)車的航向角較大時(shí)同樣會(huì)造成控制系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，為了避免由航向角偏差較大而引起系統(tǒng)超調(diào)量增大，失穩(wěn)，需要對(duì)航向角偏差設(shè)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(shí)際的生產(chǎn)和生活中應(yīng)用十分廣泛，操作人員能通過不斷學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制，由于經(jīng)驗(yàn)很難用語言來表達(dá)，故具有模糊性。模糊控制理論在很復(fù)雜的環(huán)境中應(yīng)用也能應(yīng)用。

4.2 基于模糊控制的安全避障的實(shí)際應(yīng)用

圖1表示某礦山鏟運(yùn)車安全導(dǎo)航圖。其中圖1（a）為規(guī)劃的從溜井處的鏟車出發(fā)至采場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)1和2的規(guī)劃路線，圖1（b）為基于模糊控制的鏟車實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑。通過比較這兩個(gè)圖，可知當(dāng)鏟車按照既定的路線1到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)1的過程中，會(huì)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(biāo)點(diǎn)1。同樣的，當(dāng)鏟車按照既定的路線2到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)2的過程中，也會(huì)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(biāo)點(diǎn)2。使用模糊控制，當(dāng)鏟車遇到障礙后，通過安裝在鏟車的傳感器檢測(cè)到既定路線存在障礙時(shí)，系統(tǒng)將控制鏟車開始減少行駛，同時(shí)按照邏輯算法，驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)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(biāo)點(diǎn)1和2。圖1（b）正是鏟車通過模糊控制，經(jīng)學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)而走出的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線示意圖。

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的不同運(yùn)行模型以及對(duì)障礙物的偏移方法，依附于主目標(biāo)路徑避障開始位置以及結(jié)束位置，對(duì)實(shí)際的地下鏟運(yùn)車的運(yùn)行提供了一種有效的運(yùn)行方式，大大降低了地下鏟運(yùn)車的工作難度。該方法能夠有效地避障且與實(shí)際的工作環(huán)境有很大的相似之處，可以推算出主目標(biāo)的路徑，減小了跟蹤路徑的偏差，提高了地下鏟運(yùn)機(jī)的生產(chǎn)工作效率，該種方法具有很高的適應(yīng)性以及可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]石峰，顧洪樞，戰(zhàn)凱，等.地下鏟運(yùn)機(jī)自主行駛與避障控制方法研究[J].有色金屬（礦山部分），2015，67（5）：68-75.

[2]石峰，顧洪樞，戰(zhàn)凱，等.地下鏟運(yùn)機(jī)多模式自主行駛控制方法研究[J].礦冶，2015，24（5）：61-66.

[3]張棟林.國(guó)內(nèi)外地下鏟運(yùn)機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平和趨勢(shì)展望[J].礦山機(jī)械，2004（9）：24-31，5.