王振啟， 楊支海， 趙曉燕， 嚴(yán) 博， 王伯健

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 上杭 364200； 2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會澤冶煉分公司， 云南 會澤 654211；3.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司， 北京 100160)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的高速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求日益增大，采礦深度日益變深，以人為本的思想日益彰顯，人工的生命成本、價值成本、金錢成本日益提高，所以采礦設(shè)備的無人化、自動化、智能化的需求日益顯著[1-2]。鏟運(yùn)機(jī)無人操縱技術(shù)的應(yīng)用正是解決這一問題的方法，鏟運(yùn)機(jī)無人操縱控制算法的研發(fā)可以控制鏟運(yùn)機(jī)在沒有人直接干預(yù)的情況下，憑借傳感器、控制器、通訊模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)備，通過算法程序控制鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛行駛和自主鏟裝、自動稱重、自動卸料作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)在地下深井下自動化、無人化、智能化自主作業(yè)，推動智能礦山的發(fā)展，對礦山的自動化、無人化、智能化具有借鑒作用[3-4]。

目前，國內(nèi)外自主鏟裝技術(shù)還不成熟，是實(shí)現(xiàn)無人操控的領(lǐng)域研發(fā)的難點(diǎn)[5]。本文以某地下鏟運(yùn)機(jī)鏟裝機(jī)構(gòu)為研究對象，介紹了鏟運(yùn)機(jī)及鏟裝工作機(jī)構(gòu)組成及工作原理，針對不同鏟裝方法詳細(xì)分析了自主鏟裝過程，結(jié)合專家知識經(jīng)驗，設(shè)計了自主鏟裝控制算法，并驗證了控制算法的準(zhǔn)確性和可靠性，為地下鏟運(yùn)機(jī)無人操控奠定了基礎(chǔ)。

1 地下鏟運(yùn)機(jī)及鏟裝工作機(jī)構(gòu)

地下鏟運(yùn)機(jī)整車結(jié)構(gòu)由前車體、后車體、副車架與鏟斗工作機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)外形尺寸圖如圖1所示。

圖1 地下鏟運(yùn)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)，其鏟裝工作機(jī)構(gòu)主要包括正轉(zhuǎn)四連桿工作機(jī)構(gòu)、正轉(zhuǎn)五連桿工作機(jī)構(gòu)、正轉(zhuǎn)六連桿工作機(jī)構(gòu)和反轉(zhuǎn)六連桿工作機(jī)構(gòu)[6-7]。地下鏟運(yùn)機(jī)工作裝置主要由舉升油缸、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂、鏟斗、搖臂、連桿以及前車架7個組件構(gòu)成。整個工作裝置連接在鏟運(yùn)機(jī)前機(jī)架上，鏟斗通過動臂、舉升油缸連接，實(shí)現(xiàn)鏟斗的舉升和回落功能；通過連桿、搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸連接，實(shí)現(xiàn)鏟斗的翻轉(zhuǎn)和回收功能[8]。地下鏟運(yùn)機(jī)鏟裝工作機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鏟運(yùn)機(jī)鏟裝工作機(jī)構(gòu)

2 自主鏟裝過程分析

2.1 鏟運(yùn)機(jī)鏟裝方式

從鏟運(yùn)機(jī)的多種作業(yè)工況發(fā)現(xiàn)，鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)方式是在鏟運(yùn)機(jī)行駛過程中配合鏟斗的動作進(jìn)行[9]。而鏟運(yùn)機(jī)鏟斗不同的鏟裝方式對整體鏟裝控制有不同的影響。鏟運(yùn)機(jī)常見的鏟裝方法有以下幾種：

(1)一次鏟裝法

鏟運(yùn)機(jī)前向行駛，推動鏟斗鏟入礦石料堆，直至鏟斗后壁和礦石料堆接觸，這時鏟運(yùn)機(jī)停止前進(jìn)。然后翻轉(zhuǎn)鏟斗或者舉升鏟斗完成鏟裝，如圖3所示，這種是最簡單的鏟裝方法。但其缺點(diǎn)也很明顯，因鏟裝深度過大導(dǎo)致鏟裝阻力過大，需要鏟運(yùn)機(jī)提供很大的功率來克服此阻力。因此常用于煤、炭、沙等松散物料。

圖3 一次鏟裝法示意圖

(2)配合鏟裝法

在鏟運(yùn)機(jī)鏟運(yùn)機(jī)前向行駛的同時，配合以轉(zhuǎn)斗油缸或動臂油缸的動作進(jìn)行鏟裝作業(yè)，一般有兩種方式。

①如圖4所示，鏟運(yùn)機(jī)鏟運(yùn)機(jī)前向行駛的同時，提升動臂并且翻轉(zhuǎn)鏟斗(圖4a)，或僅翻轉(zhuǎn)鏟斗(圖4b)。此方法目的是讓斗刃的軌跡與礦石料堆輪廓大致平行，承受較小的鏟裝阻力，提高鏟裝效率。

圖4 配合鏟裝法示意圖

②當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)的鏟斗斗刃沿礦石料堆底部鏟入約1/4或1/2的鏟斗斗底長度時，鏟運(yùn)機(jī)停止前進(jìn)，通過舉升動臂保證滿斗率，如圖5所示。

圖5 挖掘鏟裝法示意圖

(3)分段鏟裝法

圖6 分段鏟裝法示意圖

如圖6所示，鏟運(yùn)機(jī)采用分段鏟入和舉升的方法，即鏟斗鏟入一定深度后，鏟運(yùn)機(jī)停止前進(jìn)，翻轉(zhuǎn)鏟斗使礦石回落，然后再次鏟入和翻轉(zhuǎn)鏟斗以保證滿斗率。這種方法易損壞鏟斗零件，對工作裝置的強(qiáng)度有較大要求。

2.2 自主鏟裝過程

自主鏟裝過程主要是通過專家知識經(jīng)驗，即有經(jīng)驗的鏟裝操作人員建立出鏟裝軌跡，跟蹤控制其軌跡，來實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)自主鏟裝作業(yè)[10]。經(jīng)過有經(jīng)驗的鏟裝操作人員多次鏟裝工作，開啟所有相關(guān)傳感器記錄整個鏟裝動作數(shù)據(jù)，將大量數(shù)據(jù)處理提煉，構(gòu)建成鏟裝數(shù)據(jù)庫，作為專家知識經(jīng)驗。根據(jù)錄制的視頻和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)對比分析鏟裝過程的特征點(diǎn)，將這些特征點(diǎn)作為整個鏟裝軌跡曲線的特征點(diǎn)，最后整定記錄的整個軌跡數(shù)據(jù)作為鏟裝目標(biāo)軌跡。自主鏟裝過程示意圖，如圖7所示。

圖7 自主鏟裝過程示意圖

圖7是根據(jù)鏟裝實(shí)驗結(jié)果數(shù)據(jù)和錄制視頻分析后，繪制出的鏟斗運(yùn)動軌跡示意圖。圖7左端為鏟裝過程的起點(diǎn)；車輛向右行駛到右端斗尖接觸料堆，遇到阻力無法前進(jìn)后將增大40油門控制值繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)遭遇第一次被阻加速前進(jìn)后將油門控制值調(diào)回，繼續(xù)前進(jìn)開始兩次撬斗運(yùn)動，撬斗收回的位置是通過傳感器獲取鏟裝操作人員駕駛時的撬斗位置，兩次撬斗收回的位置不同；當(dāng)完成兩次撬斗之后繼續(xù)前進(jìn)收回鏟斗，當(dāng)鏟斗即將完全收回后停止前進(jìn)繼續(xù)收斗至完全收回位置，準(zhǔn)備倒車；圖7右端為鏟裝完成鏟斗的姿態(tài)，完成鏟裝后鏟運(yùn)機(jī)開始倒車3s；盡可能向上舉升鏟斗接近礦道頂，在中途一定位置讀取舉升油缸壓力值換算成鏟裝礦料重量，滿足目標(biāo)值后下降鏟斗，完成鏟裝過程，不滿足目標(biāo)重量值則恢復(fù)初始化鏟斗位姿重新鏟裝。

2.3 自主鏟裝控制算法

分析鏟裝操作人員駕駛的鏟裝動作數(shù)據(jù)和多次觀察整個鏟裝過程，將整個鏟裝過程分為初始化鏟運(yùn)機(jī)鏟裝位姿、兩次被阻加速、前進(jìn)完畢后收斗、倒車1 s、舉升稱重、卸料及卸除殘料、恢復(fù)初始位姿等7個子環(huán)節(jié)。

(1)初始化鏟運(yùn)機(jī)鏟裝位姿：在起點(diǎn)將鏟斗和鏟斗大臂放到最低，斗尖輕觸地面。

(2)兩次被阻加速：利用里程計檢測車輛速度，若遇到突然減速則判斷為鏟斗前進(jìn)插入遭遇被阻，增加一次油門控制值，共有兩次被阻過程。

(3)前進(jìn)完畢后收斗：當(dāng)執(zhí)行完兩次被阻過程后，繼續(xù)前進(jìn)，將油門值調(diào)整為100，收斗控制量120，開始收斗，收斗到一定位置，切換空擋。

(4)倒車：切換倒擋，油門值為80，倒車1 s。

(5)舉升稱重：倒車完畢后，切換空擋，油門控制值為100，舉升控制量為120，大臂舉起，當(dāng)舉起到一定位置時，開始稱重。若重量足夠，進(jìn)行下一階段；若重量不夠，回到開頭重新鏟裝。

(6)卸料及抖動卸除殘料：稱重重量滿足后，開始卸料，油門值為80，放斗控制量為100，到一定位置，收回一點(diǎn)鏟斗，反復(fù)兩次，將余料清除。

(7)恢復(fù)初始位姿：收回鏟斗、下降鏟斗大臂，恢復(fù)到鏟裝初始位姿。

鏟裝過程流程圖，如圖8所示。

圖8 鏟裝過程流程圖

每個子環(huán)節(jié)的控制算法最開始采用PID反饋控制算法，初步實(shí)驗后發(fā)現(xiàn)子環(huán)節(jié)過多且每個子環(huán)節(jié)中還分解成若干小環(huán)節(jié)，導(dǎo)致控制小環(huán)節(jié)更多，PID反饋控制算法計算量過大，且PID控制根本是修正偏差，在接近關(guān)鍵特征點(diǎn)時容易來回震蕩導(dǎo)致鏟裝進(jìn)鏟斗礦料灑出，甚至?xí)霈F(xiàn)卡死在當(dāng)前控制環(huán)節(jié)中。

因此，通過對比分析算法的可靠性、可行性、可操作性，化簡優(yōu)化算法，得到關(guān)鍵特征點(diǎn)反饋控制算法，此算法主要策略是讀取傳感器數(shù)據(jù)，判斷傳感器數(shù)據(jù)是否滿足關(guān)鍵特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)，若不滿足則給定相關(guān)動作控制量使鏟斗動作，若滿足則跳轉(zhuǎn)下一個子環(huán)節(jié)，下一個子環(huán)節(jié)開始的條件需判斷上一個子環(huán)節(jié)是否完成且是否滿足上一子環(huán)節(jié)條件。整體的滿足條件是在關(guān)鍵特征點(diǎn)設(shè)置一個閾值，當(dāng)鏟斗動作反饋的傳感器數(shù)據(jù)到達(dá)關(guān)鍵特征點(diǎn)閾值以內(nèi)視為滿足條件，即鏟斗動作反饋的軌跡接近規(guī)劃的鏟斗軌跡關(guān)鍵特征點(diǎn)附近時，跳轉(zhuǎn)下一個子環(huán)節(jié)。這種滿足條件的設(shè)置是為了防止程序運(yùn)行中判斷鏟斗是否到達(dá)關(guān)鍵特征點(diǎn)時，無法精準(zhǔn)到達(dá)關(guān)鍵特征點(diǎn)而出現(xiàn)判斷卡死、程序無法跳出當(dāng)前子環(huán)節(jié)等問題。

2.4 自主鏟裝過程控制算法實(shí)驗分析

鏟運(yùn)機(jī)地下自主鏟裝全過程實(shí)驗結(jié)果圖，如圖9、圖10所示。

圖9 無人操縱鏟裝軌跡跟蹤控制圖

實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，除最開始的初始化鏟斗位姿，使鏟斗放下鏟尖接觸地面準(zhǔn)備鏟裝起始動作外，鏟裝過程的整體跟蹤精度較高，鏟斗收放的最大誤差為-5.4 mm，鏟斗舉升的最大誤差為26 mm，所有關(guān)鍵特征點(diǎn)基本跟蹤到位，鏟裝礦料的重量達(dá)到目標(biāo)值以上，根據(jù)實(shí)驗現(xiàn)象和檢測結(jié)果表明滿斗率也達(dá)到目標(biāo)值。

圖10 無人操縱鏟裝控制實(shí)驗軌跡誤差圖

某地下巷道鏟運(yùn)機(jī)自主鏟裝效果，如圖11所示。

圖11 地下鏟運(yùn)機(jī)自主鏟裝效果圖

3 結(jié)論

(1)本文分析了地下鏟運(yùn)機(jī)及鏟裝工作機(jī)構(gòu)組成及工作原理；

(2)針對不同鏟裝方法詳細(xì)分析了自主鏟裝過程，建立出鏟裝軌跡并對其軌跡進(jìn)行跟蹤控制，來實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)自主鏟裝作業(yè)。結(jié)合專家知識經(jīng)驗，設(shè)計了一種自主鏟裝控制算法；

(3)對該控制算法進(jìn)行了實(shí)驗驗證，結(jié)果表明：自主鏟裝過程精度高，滿斗率達(dá)標(biāo)，驗證了該控制算法的準(zhǔn)確性和可靠性。

(4)為地下鏟運(yùn)機(jī)無人操控奠定了基礎(chǔ)，具有重要的工程應(yīng)用價值。