郝 建 生

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

采用連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)提高資源采出率，解決我國煤礦井下煤柱及不規(guī)則塊段開采、“三下”壓煤開采、露天邊幫壓煤回收、延長礦井服務(wù)年限等方面,具有重要意義。目前短壁成套裝備主要由美國、加拿大和俄羅斯等國生產(chǎn)，其中以JOY公司生產(chǎn)的連續(xù)采煤機(jī)和梭車為主，我國主要短壁連續(xù)裝備依賴進(jìn)口。目前中煤科工集團(tuán)開發(fā)的連續(xù)采煤機(jī)陸續(xù)替代進(jìn)口取得了較好的應(yīng)用效果，但配套連運(yùn)系統(tǒng)缺失一直制約礦井產(chǎn)量提升，亟待開發(fā)。

連續(xù)采煤機(jī)機(jī)在房柱式開采工藝中的應(yīng)用大幅提高了開采效率，然其后配套通常采用梭車進(jìn)行運(yùn)輸，由于運(yùn)輸距離長，2臺機(jī)器之間存在一段時間間隔，限制了連續(xù)采煤機(jī)開機(jī)率，采硐越深影響越顯著。實現(xiàn)采礦工作面與主運(yùn)輸送帶受料點間連續(xù)運(yùn)輸，無疑可大幅提高生產(chǎn)效率，甚至產(chǎn)量翻番。傳統(tǒng)的連運(yùn)系統(tǒng)是一系列由具有履帶底盤的多個移動單元組成的刮板輸送系統(tǒng)，每個運(yùn)輸單元由人工獨立控制，必須通過多名作業(yè)人員相互協(xié)同操作實現(xiàn)車輛協(xié)同前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎，同時由于各單元長度和鉸接方式也很大程度上限制了在井下巷道中行駛和轉(zhuǎn)彎性能，在實際使用中由于人員協(xié)同造成的事故常見，系統(tǒng)復(fù)雜，占用人工多等問題制約了該設(shè)備在短壁采煤的廣泛應(yīng)用[1-3]。

帶式輸送機(jī)具有長距離連續(xù)運(yùn)輸、大運(yùn)量、可靠性高、性價比高的特點，且易于實現(xiàn)自動化集中控制。帶式連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)(以下簡稱帶式連運(yùn)系統(tǒng))的開發(fā)結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)驗，采用汽車列車方式，由一定數(shù)量和功能的運(yùn)輸車輛單元組成長距離運(yùn)輸系統(tǒng)，行駛和轉(zhuǎn)彎通過程序協(xié)同控制，操作人員2名，大幅提高連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)作業(yè)效率，消除人為操作不當(dāng)造成設(shè)備的損壞。實現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)自動行駛，跟隨連續(xù)采煤機(jī)軌跡進(jìn)行精準(zhǔn)循跡控制，各行駛單元轉(zhuǎn)向鉸接方式能否適應(yīng)礦井路面條件，進(jìn)行靈活精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向控制等問題是實現(xiàn)長距離動態(tài)行駛運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)關(guān)鍵。如何提高設(shè)備自動化程度，減少作業(yè)人員，提升行駛靈活性和環(huán)境適應(yīng)能力，開發(fā)設(shè)計帶式連運(yùn)行駛控制算法，使其能夠在井下巷道中完全自主行駛是項目開發(fā)研究重點和難點。

1 房柱式采煤工藝

目前房式開采工藝進(jìn)行原煤生產(chǎn)，一般采硐布置深度達(dá)120 m，采用連續(xù)采煤機(jī)配套梭車的方式進(jìn)行，經(jīng)由給料破碎機(jī)將原礦運(yùn)至主輸送帶系統(tǒng)，生產(chǎn)能力通常達(dá)到7萬～8萬t/月以上。隨著采硐深度的延伸，梭車運(yùn)輸往返距離不斷增加延伸，限制了連續(xù)采煤機(jī)開機(jī)率和產(chǎn)量提升，采硐越深這種影響越顯著。經(jīng)實際調(diào)研，連續(xù)采煤機(jī)配套梭車的工藝系統(tǒng)，每個作業(yè)循環(huán)約5 min，每次運(yùn)輸量約20 m3，單個采硐生產(chǎn)循環(huán)間因運(yùn)輸距離造成等待約占總時間30%以上，采、運(yùn)能力不匹配是生產(chǎn)組織中急需解決的問題。

2 汽車列車運(yùn)輸系統(tǒng)可行性

帶式輸送機(jī)具有長距離連續(xù)運(yùn)輸、大運(yùn)量、性價比高的特點，且易于實現(xiàn)自動化集中控制，在采礦過程中應(yīng)用廣泛。在巷道縱橫交錯的運(yùn)輸環(huán)境通常安裝多部帶式輸送機(jī)，搭接成連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)來提高產(chǎn)量。如在煤礦井下巷道掘進(jìn)的過程中通常采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)配套橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、固定帶式輸送機(jī)，在巷道轉(zhuǎn)彎處設(shè)置多部搭接帶式輸送機(jī)實現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸。然而在采煤過程中，連續(xù)采煤機(jī)工作效能遠(yuǎn)高于巷道掘進(jìn)機(jī)[4-5]，推進(jìn)速度快，如果采用同樣布置工藝方式，無疑將需要大量人工用于巷道帶式輸送機(jī)延伸和安裝布置，會極大限制連續(xù)采煤機(jī)效率提升，因此礦常配套梭車進(jìn)行運(yùn)輸，隨著采硐深度延伸來增加梭車數(shù)量縮短作業(yè)循環(huán)時間[6-8]。

汽車列車是由牽引車和多輛掛車組成的車組，地面交通運(yùn)輸常見型式有客車列車、貨車列車、鉸接列車及平板列車，應(yīng)用廣泛技術(shù)成熟[9-11]。如采用汽車列車方式，將一定數(shù)量、相互搭接在一起的輸送帶運(yùn)輸車輛單元組成長距離運(yùn)輸系統(tǒng)，行駛過程由程序協(xié)同控制，牽引車跟隨連續(xù)采煤機(jī)同時受料，列車尾部與主運(yùn)輸送帶平行布置，由尾車卸料帶式輸送機(jī)隨時卸料至主運(yùn)輸送帶，可形成1套與連續(xù)采煤機(jī)隨動的連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，大幅提高采礦生產(chǎn)能力，結(jié)構(gòu)簡單靈活方便，相對梭車往復(fù)行駛可節(jié)約成本提高安全性。

經(jīng)實地調(diào)研和探討，汽車列車型式連運(yùn)系統(tǒng)方案應(yīng)用于房柱式開采工藝主要有5個方面設(shè)計要求。

1)帶式連運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)輸能力和礦料存儲能力可替代梭車，其瞬時運(yùn)輸能力應(yīng)與連續(xù)采煤機(jī)、主運(yùn)輸送帶相匹配，針對連續(xù)采煤機(jī)瞬時運(yùn)量大的特點，帶式連運(yùn)受料車料斗容量和運(yùn)量應(yīng)同時滿足。

2)根據(jù)礦房柱式開采工藝要求，包括巷道設(shè)備布置和工藝尺寸、采硐深度置等，結(jié)合帶式連運(yùn)模塊化單元數(shù)量對控制系統(tǒng)開發(fā)難易程度，合理設(shè)計車輛單元長度和數(shù)量，以及允許的配套單元數(shù)量，以確定輸送帶連運(yùn)系統(tǒng)最大適應(yīng)長度。

3)按照煤礦底板和坡道性質(zhì)，合理設(shè)計輪式底盤驅(qū)動型式及布置方式，以適應(yīng)堆積密度低的尾礦回填路面的附著系數(shù)和允許接地比壓，確保行駛和駐車安全可靠。

4)帶式連運(yùn)系統(tǒng)可在多彎道自動行駛，控制算法易于實現(xiàn)且安全可靠，包括操控維護(hù)簡單、列車運(yùn)行軌跡跑偏量穩(wěn)定可控等，不能與巷道和其他設(shè)備發(fā)生碰撞。

5)帶式連運(yùn)各部件和系統(tǒng)應(yīng)具備在煤礦腐蝕環(huán)境下可靠工作能力和壽命。

結(jié)合上述問題，對工藝和現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行分析研究，確定了帶式連運(yùn)工作狀態(tài)和功能要求，設(shè)計了LYD800型帶式連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)(簡稱為帶式連運(yùn))及配套工藝方案，主要滿足2種工況應(yīng)用：①采礦運(yùn)輸，即帶式連運(yùn)跟隨連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)入采洞，由系統(tǒng)受料車接受連續(xù)采煤機(jī)采出的礦料，依次轉(zhuǎn)運(yùn)至卸料車，并轉(zhuǎn)運(yùn)到主輸送帶。②充填作業(yè)，即受料車接受充填物料后，系統(tǒng)將料轉(zhuǎn)運(yùn)至采空區(qū)，通過卸料車的卸料端將充填物料拋灑至指定區(qū)域。經(jīng)過模擬仿真和現(xiàn)場測試，帶式連運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制邏輯不斷迭代優(yōu)化，基本實現(xiàn)帶式連運(yùn)行駛自主控制。

3 帶式連運(yùn)系統(tǒng)

帶式連運(yùn)系統(tǒng)由20輛固定長度具有車輛底盤的移動帶式輸送機(jī)，通過機(jī)械鉸接的方式連接在一起，形成汽車列車的運(yùn)輸系統(tǒng)(圖1)。1號車為受料車，20號車為卸料車，2—19號車為中間車，每個車輛單元均配置有行駛、轉(zhuǎn)向、制動功能，布置有角度傾斜的帶式輸送機(jī)，每部相鄰帶式輸送機(jī)受料車、卸料車分別搭接，實現(xiàn)逐級連續(xù)運(yùn)輸；車與車之間通過機(jī)械鉸接的方式連接在一起，能夠繞垂向、橫向和縱向相對轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)拐彎、爬坡和路面起伏工況；設(shè)備具有遙控操作和本地操作2種操控方式，由2名司機(jī)分別遙控操作受料車和卸料車。一臺機(jī)器滿足了房柱式開發(fā)運(yùn)輸和采硐回填工藝，可實現(xiàn)礦房巷道與主巷轉(zhuǎn)彎工況下前進(jìn)與倒車行駛，滿足開采工作面采硐連續(xù)運(yùn)輸配套要求，有利于產(chǎn)量翻番，并為用戶節(jié)省設(shè)備管理和采購經(jīng)費(fèi)。

圖1 帶式連運(yùn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of belt type continuous transportation system

帶式連運(yùn)機(jī)械系統(tǒng)簡單，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。主要包括耐腐蝕車架、輪式驅(qū)動底盤、帶式輸送機(jī)、受卸料斗搭接機(jī)構(gòu)、車輛鉸接機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵零部件，其中鉸接機(jī)構(gòu)制造精度和工藝，車架整體鉚焊和表面防腐處理等是其關(guān)鍵技術(shù)和要求，但真正技術(shù)難點在于行駛控制算法開發(fā)。

3.1 車架及鉸接機(jī)構(gòu)

帶式連運(yùn)系統(tǒng)各單元車輛通過機(jī)械鉸接的方式連接在一起，每輛車都具有行駛驅(qū)動，這就要求單元車間可自由回轉(zhuǎn)，即限制兩車之間的3個方向的平移，以3個正交方向為軸自由轉(zhuǎn)動，滿足車輛間橫擺、俯仰、側(cè)傾以適應(yīng)不同底板運(yùn)行工況。鉸接機(jī)構(gòu)(圖2)采用圓周滾動軌道方式通過銷軸實現(xiàn)車輛間連接，引導(dǎo)輪組在一定轉(zhuǎn)向角范圍內(nèi)以較高精度沿圓周軌道往復(fù)轉(zhuǎn)動，靈活適應(yīng)車輛行駛過程中車身姿態(tài)轉(zhuǎn)角的自適應(yīng)工作，并將車輛間轉(zhuǎn)向角實時反饋控制系統(tǒng)參與循跡過程控制。引導(dǎo)輪和導(dǎo)軌同時承受各個方向的負(fù)荷，并要求配合面具有良好的防腐性能，因此精度和材料處理是該零部件設(shè)計的關(guān)鍵，實際運(yùn)用中圓周鉸接機(jī)構(gòu)具有靈活且低噪聲的運(yùn)動特性。

圖2 圓周軌道鉸接機(jī)構(gòu)Fig.2 Circular rail articulated mechanism

3.2 行駛系統(tǒng)

行駛系統(tǒng)的設(shè)計首先需要討論集中或分散牽引的利弊。若將動力集中設(shè)置在受料頭車和卸料尾車上，每部車上設(shè)置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，理論驅(qū)動功率300 kW，配備專用行駛變頻器，將存在成本高、體積大、結(jié)構(gòu)布置困難、質(zhì)量大、對比壓大，在浮礦很厚的底板行駛，可能會出現(xiàn)附著力不足，行駛打滑、轉(zhuǎn)向阻力大，操控困難的情況。如采用分散驅(qū)動，每部車自帶行駛和轉(zhuǎn)向動力，將質(zhì)量分布每部車，針對其浮礦多的底板，合理匹配行駛動力與輪系對地比壓，易于實現(xiàn)靈活行駛。

行駛系統(tǒng)由一系列獨立配置于單個車輛，采用橋+電機(jī)+減速機(jī)的系統(tǒng)來實現(xiàn)，具有行駛速度控制、差速控制、轉(zhuǎn)向控制、制動控制功能，隨連續(xù)采煤機(jī)自動行駛，確保受料連續(xù)可靠。受料車可實現(xiàn)任意方向轉(zhuǎn)動和移動，后續(xù)車輛行駛輪系轉(zhuǎn)向通過系統(tǒng)程序控制，遵循前一單元車輛輪系行駛軌跡，確保系統(tǒng)所有車輛沿著同一條軌跡實現(xiàn)精準(zhǔn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，滿足在規(guī)定巷道內(nèi)安全、有序地運(yùn)行，隨配套連續(xù)采煤機(jī)一同工作。

為確保系統(tǒng)每一輛車能夠避免碰撞、傾翻等運(yùn)行問題，相鄰兩車連接機(jī)構(gòu)能夠滿足車輛左右橫擺、前后俯仰、側(cè)傾工況與輪系行駛相適應(yīng)，前后車輛橋中心軸線與車輛鉸接中心軸線重合。根據(jù)采場系統(tǒng)巷道寬度、采洞寬度及運(yùn)輸系統(tǒng)配套位置，確定車輛預(yù)計寬度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)彎內(nèi)徑和外徑，并對車輛單節(jié)長度進(jìn)行優(yōu)化確定。根據(jù)車輛載荷預(yù)估行駛系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)和減速機(jī)工作參數(shù)，進(jìn)行部件選型。本次設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)采用電機(jī)、減速器、轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的形式。

3.3 輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)

每部車輛的帶式輸送機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)模塊，啟停實行聯(lián)鎖控制策略，起車時由后往前依次啟動，停機(jī)時由前往后依次停止。初步確定帶式輸送機(jī)帶寬1 000 mm，槽角20°，運(yùn)量800 t/h，帶速1.66 m/s，單節(jié)輸送帶長度根據(jù)機(jī)長設(shè)計確定7 m。輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)具有跑偏控制、輸送帶張緊控制、過載、過熱保護(hù)等功能。每輛車輸送帶的受、卸料端有專門設(shè)計的搭接結(jié)構(gòu)，適應(yīng)車輛行駛過程中轉(zhuǎn)角變化以防止漏撒料。

3.4 操作、控制及安全系統(tǒng)

帶式連運(yùn)自動循跡行駛，需要感知工作環(huán)境，實現(xiàn)列車自動導(dǎo)引運(yùn)行的決策和自主執(zhí)行，消除作業(yè)者人為干擾產(chǎn)生的錯誤，高度精確控制引導(dǎo)列車自動行駛到所需的工作位置。自動控制系統(tǒng)開發(fā)旨在實現(xiàn)自主行駛，開發(fā)一套控制硬件和軟件，測試這些系統(tǒng)并達(dá)到一定實用性和可靠性。帶式連運(yùn)行駛過程中由司機(jī)進(jìn)行位置引導(dǎo)，跟隨連續(xù)采煤機(jī)或是沿著主輸送帶倒車專場，各單元車輛通過安裝的傳感器獲取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過傳感器接口輸入到算法中，在計算之后，算法的輸出通過控制接口發(fā)送回系統(tǒng)。重復(fù)此循環(huán)，直到系統(tǒng)達(dá)到其計劃目的地。除定位和循跡行駛等主要功能外，還需要傳感器用于安全和預(yù)警功能。

該系統(tǒng)采用遙控操作，由牽引車司機(jī)操作受料車與連續(xù)采煤機(jī)卸料端隨動，卸料車轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)段，由尾車司機(jī)操控，確保礦料準(zhǔn)確轉(zhuǎn)運(yùn)到主輸送帶上。每輛車均配置控制箱，受料車和卸料車設(shè)置主控制器，在牽引過程中通過切換實現(xiàn)主從控制，中部車輛設(shè)置從控制器?？刂葡渚哂腥δ馨存I操作，急停功能，運(yùn)行監(jiān)測和人機(jī)交互界面系統(tǒng)，車輛兩側(cè)分別設(shè)置拉繩急停。卸料車配置主配電柜，其余車輛配置分配電柜。主配電柜具有過載、過流保護(hù)等過電保護(hù)。頭車、卸料車配置遙控系統(tǒng)接收機(jī)，其余車輛預(yù)留接收機(jī)安裝位置，接收機(jī)的供電由控制柜預(yù)留接口。具有運(yùn)行和故障聲光報警功能，包括監(jiān)測行駛電機(jī)過載、過熱等故障，輸送帶驅(qū)動過載、輸送帶跑偏等故障，系統(tǒng)運(yùn)行防碰撞功能。聲光系統(tǒng)采用LED信號燈，分運(yùn)行、駐車、轉(zhuǎn)場行駛等多個工作狀態(tài)人機(jī)交互設(shè)計。系統(tǒng)所有元件的防護(hù)等級為IP65。

4 帶式連運(yùn)控制算法

在采硐巷道形成的采區(qū)里自動行駛是帶式連運(yùn)與連續(xù)采煤機(jī)實現(xiàn)采、運(yùn)隨動的關(guān)鍵功能，而基于傳感器數(shù)據(jù)的循跡控制策略是實現(xiàn)自動行駛的關(guān)鍵[10]，包括精準(zhǔn)定位、列車姿態(tài)、循跡3個方面技術(shù)難點，重點實現(xiàn)“在哪”“應(yīng)該在哪”“怎么去那里”的控制邏輯。由于帶式連運(yùn)自動化的復(fù)雜性，在開發(fā)控制算法之前必須徹底了解系統(tǒng)運(yùn)動關(guān)系和動態(tài)特性。帶式連運(yùn)系統(tǒng)在數(shù)學(xué)模型和軌跡圖形方面進(jìn)行了建模，通過模擬構(gòu)建“驅(qū)動規(guī)則”，重點是進(jìn)行循跡跟隨速度控制仿真、軌跡驗證和動態(tài)規(guī)劃。

連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)類似蛇形機(jī)器人，但其特點是由司機(jī)領(lǐng)航，后續(xù)車輛程序控制自動行駛，因此決定了控制算法設(shè)計和開發(fā)有自身特點[11]。帶式連運(yùn)行駛分向前行車和向后退車2種狀態(tài)，有2名司機(jī)分別操控頭車(受料車)和尾車(卸料車)進(jìn)行主、從協(xié)同操控。向前行車，頭車司機(jī)發(fā)出行車指令，得到尾車司機(jī)響應(yīng)后，操作頭車向前或轉(zhuǎn)彎行駛，其他車輛由程序控制進(jìn)行循跡行駛；向后退車，尾車司機(jī)發(fā)出行車指令，得到頭車司機(jī)響應(yīng)后，控制尾車退車或轉(zhuǎn)向行駛，其他車輛由程序控制進(jìn)行循跡行駛。

對于由20個單元組成的復(fù)雜運(yùn)動系統(tǒng)，如果各單元車輪的定位誤差具有正態(tài)分布，知道其位置隨機(jī)偏差與理想位置關(guān)系，那么就能實時進(jìn)行糾正控制，以確定各個車輛單元轉(zhuǎn)角和行駛位置誤差時的精度范圍，這是項目基本的控制思路。因為連運(yùn)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的復(fù)雜性，項目研究的主要重點是基于傳感器構(gòu)架，實現(xiàn)帶式連運(yùn)彎道進(jìn)退循跡精度達(dá)到實用程度，沒有強(qiáng)調(diào)圖形與環(huán)境的控制技術(shù)結(jié)合，通過車身轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向行程、變頻調(diào)速和聲波探測器等傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行位置參數(shù)估算，開發(fā)了一種基于傳感器的動態(tài)自主循跡導(dǎo)航架構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，將巷道兩幫及頂?shù)装褰瞥芍本€多邊形以模擬環(huán)境，來構(gòu)建簡單環(huán)境模型[12-13]。

帶式連運(yùn)行駛控制策略基本原則如下：

1)控制過程必須準(zhǔn)確且易于實現(xiàn)，以便由司機(jī)引導(dǎo)操作后，帶式連運(yùn)各單元能夠識別自身狀態(tài)，估算其當(dāng)前行駛位置和方向。

2)能識別并決定其下一個過程或估算軌跡目標(biāo)位置和方向。

3)具有精確的控制和高可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)循跡行駛過程。

4)能滿足操作人員高度人機(jī)交互。

帶式連運(yùn)控制算法開發(fā)遵循上述原則，首先將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)， 其次使用數(shù)據(jù)判定要行駛的軌跡路徑，最后接受控制指令數(shù)據(jù)驅(qū)動各單元順序沿著這條軌跡行駛。按照該順序，將整個循環(huán)控制過程分解為如下4個階段：①初始化軟件和硬件系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)識別；③軌跡路徑規(guī)劃、驗證和調(diào)整；④發(fā)出控制指令進(jìn)行行駛驅(qū)動。軌跡路徑規(guī)劃所涉及的一些參量包括：主巷寬度、采硐寬度、主巷與采硐角度、巷道坡度、底板性質(zhì)和附著系數(shù)、允許的轉(zhuǎn)彎半徑、預(yù)期轉(zhuǎn)場效率、帶式輸送機(jī)搭接受卸料極限角度、通行和防碰撞安全距離等等一些參數(shù)。

帶式連運(yùn)行駛速度控制是基于時間的，在地面測試中，通過手動調(diào)節(jié)控制速度來了解系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎軌跡曲線和軌跡跟蹤能力，研究行駛速度和轉(zhuǎn)向角以及車輛鉸接轉(zhuǎn)角等參數(shù)匹配關(guān)系規(guī)律，這些測試結(jié)果決定了帶式連運(yùn)在固定巷道寬度的最大和最小工作行駛速度，以及帶式連運(yùn)能夠?qū)崿F(xiàn)的循跡精度。結(jié)合仿真結(jié)果反復(fù)進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化和調(diào)整，來最終實現(xiàn)循跡控制。需要說明的是仿真過程是沿著由直線和轉(zhuǎn)向圓弧組成的簡單理想軌跡來進(jìn)行計算，而實際中由司機(jī)跟隨連續(xù)采煤機(jī)形成的復(fù)雜軌跡并不涉及，也沒有考慮地面條件，這些復(fù)雜問題如何影響循跡并確保行駛安全，課題組在控制程序上嵌入人工干預(yù)功能，設(shè)計了行駛狀態(tài)、姿態(tài)與巷道兩幫距離參數(shù)控制調(diào)整人機(jī)交互界面，通過實際工作環(huán)境的試驗進(jìn)行優(yōu)化和完善。

4.1 直線行駛控制算法

該算法用于帶式連運(yùn)在延巷道直線前進(jìn)和倒車行駛，且巷道寬度基本不變的道路。該算法首先初始化系統(tǒng)，然后由司機(jī)操控行駛，除由司機(jī)進(jìn)行操作的主控車輛單元外其他車輛程序控制進(jìn)行循跡行駛。在理想狀態(tài)后續(xù)車輛將按照導(dǎo)引車行駛速度和方向順序動作，后續(xù)車輛單元重復(fù)前車歷史位置時，具有相同的運(yùn)動特征，包括速度和轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)響應(yīng)司機(jī)操控速度為系統(tǒng)行駛驅(qū)動速度，對循跡規(guī)劃的計算結(jié)果進(jìn)行迭代，

計算該時刻位置行駛速度。由于帶式連運(yùn)行駛并非理想狀態(tài)，每個單元的車輛行駛中位置和鉸接角都會因車輛機(jī)械裝配間隙和摩擦、元件靈敏程度、路面狀態(tài)等因素影響而發(fā)生改變。在整個直線軌跡路徑行駛過程中，算法使用的位置數(shù)據(jù)與車輛單元鉸接轉(zhuǎn)角參數(shù)結(jié)合來計算偏移量，偏移量可以是正值、負(fù)值或零值，根據(jù)偏移量和轉(zhuǎn)角值，相對于巷道兩幫距離，又分成若干不同情況進(jìn)行調(diào)整以保證行駛直線精度。該算法在20個單元的樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，取得了滿意的結(jié)果。

4.2 彎道循跡算法

從直線行駛控制策略可以看出，在巷道各項參數(shù)不變的情況下，具有相對理想的性能。在彎道行駛運(yùn)動關(guān)系與鏈條驅(qū)動規(guī)律類似會有多邊形效應(yīng)，從而引起行駛過程運(yùn)動不均勻性，都必須要進(jìn)行轉(zhuǎn)角和速度的實時調(diào)整才能完成實際行駛。如果行駛在S形路段，一旦引入更多變量，該算法將無法導(dǎo)引帶式連運(yùn)正常行駛。針對S形路段行駛，需要開發(fā)相對應(yīng)的算法。由于帶式連運(yùn)采用司機(jī)進(jìn)行導(dǎo)引，其轉(zhuǎn)彎操作將直接影響車輛彎道行駛和轉(zhuǎn)向后列車直線特性，列車行駛?cè)绾雾憫?yīng)人工導(dǎo)引，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎前后列車行駛良好狀態(tài)將是要解決的難題。針對相對固定巷道轉(zhuǎn)彎角度和巷道寬度的前提下，通過模擬仿真彎道行駛多車匹配規(guī)律，分析轉(zhuǎn)向角度和控制范圍(轉(zhuǎn)彎可行分析)來規(guī)范司機(jī)操作。同時在模擬結(jié)果優(yōu)化基礎(chǔ)上，依據(jù)實時工況的自身位置和目標(biāo)位置2個參量之間的關(guān)系來估算調(diào)整轉(zhuǎn)向角，來控制相應(yīng)的車輛行駛速度來修正這個角度，當(dāng)轉(zhuǎn)向到所需的角度開始直線行駛則相應(yīng)單元車輛遵循直線行駛的算法邏輯，并用該計算速度進(jìn)行循跡行駛，算法在循跡整個過程中迭代運(yùn)行直到停止。

5 系統(tǒng)改進(jìn)和優(yōu)化

實現(xiàn)軌跡規(guī)劃并不能確保在行駛過程中某一時刻各車輛單元在定位方面不會出錯，需要對連運(yùn)系統(tǒng)定性和定量地測試其對算法響應(yīng)所產(chǎn)生的軌跡偏移量，否則控制程序?qū)⒋嬖诳尚行詥栴}。在行駛中的任何時刻，連運(yùn)系統(tǒng)定位和執(zhí)行都會相對控制指令對應(yīng)的理想軌跡存在誤差。那么“偏離理想軌跡多少”“因什么造成”“怎么調(diào)整”，這些問題需要不斷優(yōu)化算法和提高系統(tǒng)制造精度。

為解決上述問題，需要模擬和分析機(jī)械系統(tǒng)精度及其他環(huán)境因素所產(chǎn)生的軌跡偏差。例如由車輛回轉(zhuǎn)鉸接機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和加工精度造成循跡偏差大，由于該零件加工精度和制造工藝造成的運(yùn)動約束和定位誤差，車輛間姿態(tài)轉(zhuǎn)角并不總是標(biāo)定的那樣準(zhǔn)確，因此鉸接機(jī)構(gòu)定位誤差會影響到車輛行駛，從而在循跡精度上出現(xiàn)明顯位置誤差。認(rèn)識到零件設(shè)計的邊界和要求后，通過優(yōu)化和更改制造工藝后，重點提升了鉸接精度，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性。

6 結(jié) 論

1)設(shè)計完成了用于房柱式開采，基于長距離動態(tài)運(yùn)輸、跟隨連續(xù)采煤機(jī)軌跡自動行駛的連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，項目研究采用的技術(shù)路線和控制方法可為礦山其他智能輸送裝備控制系統(tǒng)開發(fā)提供借鑒和參考。

2)提出了汽車列車連運(yùn)系統(tǒng)循跡行駛控制策略，開發(fā)了不同工況循跡控制算法，設(shè)計了高精度車輛單元圓周軌道鉸接機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了帶式連運(yùn)行駛自動控制軌跡穩(wěn)定、跑偏量可控、人工干預(yù)操控簡單。

3)地面測試結(jié)果表明應(yīng)用汽車列車型式的帶式連運(yùn)系統(tǒng)，通過采用自動循跡行駛控制在房柱式開采工藝中能跟隨連續(xù)采煤機(jī)轉(zhuǎn)彎進(jìn)入采硐實現(xiàn)長距離連續(xù)運(yùn)輸。

4)下一步可在提高轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)精度，探索更穩(wěn)健運(yùn)動控制算法，將仿真模型與物理系統(tǒng)融合等方面繼續(xù)研究。