地下铲运机自主行驶与避障控制方法研究

孔德明

摘 要：随着经济以及科学技术的发展，对复杂施工环境中的地下铲运机的自主行驶以及避障措施的要求越来越高，将地下铲运机目标路线以及偏差路线相结合起来可以划分为4种模式。本文针对铲运机自主运行的模型以及铲运机目标路径及跟踪轨迹参数之间的关系以及自主行驶性能分析和基于模糊理论的安全避障方法研究地下铲运机的自主行驶方法。对地下铲运机在实际的生产过程提供一定的参考价值。

关键词：地下铲运机；模型；避障；轨迹

中图分类号：TD421 文献标志码：A

1 铲运机自主运行的模型

针对铲运机复杂以及自身的运行特点，准确控制铲运车的运动路径成了研究铲运车的重点也是难点。目前主要是通过激光扫描控制法和轨迹偏差推算控制法将铲运机目标路径规划与偏差相结合进行运行控制。由于轨迹偏差推算控制法不需要较多的辅助设备，成本相对较低，因此被广泛运用于铲运车上。

2 铲运机目标路径以及跟踪轨迹参数之间的关系

地下铲运机在地下或井下的巷道中工作，一方面由于地下不平整，致使地下铲运机在地下行走受到限制；另一方面地下设备较多，如通风机、照明设备、电器开关等，形成局部障碍，致使铲运机并不一定沿墙面行走，而是有时需要绕过这些障碍。因此，规划铲运机的目标路径以及利用相对位置和绝对位置来确定铲运机的实际路径和理论路径的偏差，就显得非常具有工程运用价值。

一般是在巷道路面所在的平面内建立一个x-y的坐标系。以P点的速度方向作为车辆行驶方向，并定义铲运机的航向角φg为运动方向与x轴正向所成的夹角，逆时针为正。曲线C表示铲运机的跟踪轨迹，而理论规划的路径如图1中的A曲线所示。为了避障，图1中曲线B为局部避障目标路径，δb0表示横向偏位移。该参数表示实际运动轨迹方向和规划路径的行驶方向的偏差，值越大表明越偏离规划路径的行驶方向。横向位置偏差δ为跟踪路径的P点和主路径的Pm点的距离，当P点在主路径右侧时，横向位置偏差δ为正。该参数反映实际运动轨迹与主目标路径的横向位置的偏差情况，绝对值越大表明与主目标路径的横向距离越远。相同地，可定义横向位置偏差δb为跟踪路径的P点和局部避障目标路径的Pmb点的距离，方向定义和δ一致。该参数反映实际运动轨迹与局部避障目标路径的横向位置的偏差情况，绝对值越大表明与局部避障目標路径的横向距离越远，并且有δb=δ+δb0。P点位置坐标由弧长sm和横向偏差δ表示，即为P（sm，δ）。P点的曲率用kg表示，其方向为：我们定义当曲率中心Og在轨迹曲线前进方向左侧时定义其为正曲率，曲率半径一般用R表示。为正，反之为负。相同地可定义Rm和Rmb的曲率，分别为主目标路径在Rm的曲率，局部避障目标路径在Rmb的曲率。用Km和Kmb表示，Rm和Rmb为相应曲率中心Om和Omb的半径。车速通过安装在铲运车的车速传感器测得。

3 自主行驶控制特性分析

3.1 横向位置偏差限幅控制

当横向位置偏差较小，小于1m时，该控制方法能实现快速而稳定的控制。但是当横向位置偏差大于1时，该控制方式不稳定。为了使控制兼顾稳定快速的功能，横向偏差不宜大于1，研究发现当限幅值在0.4～0.8时效果最佳。

3.2 双门限改进型PID控制

双门限改进型PID控制顾名思义，即是在传统的PID控制策略上，引入了横向位置偏差门限和航向角偏差门限值。这样做的目的是消除工程上最常用的PID控制的稳定误差，同时提高系统的响应速度和控制精度。因此，本文设置横向位置偏差δb，门限值为?δ2，?δ2最佳在0.1m～0.2m。当横向位置偏差大于?δ2时，不考虑积分环节；当横向位置偏差小于?δ2引入积分环节，加大了系统消除较小误差的能力，减小调整时间，消除存在的稳态误差。虽然引入横向位置偏差门限能减少稳态误差，使铲运车的实际路径与目标路径更接近，但是当铲运车的航向角较大时同样会造成控制系统失稳。因此，为了避免由航向角偏差较大而引起系统超调量增大，失稳，需要对航向角偏差设置门限值?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 模糊控制理论基本概念

模糊控制理论在实际的生产和生活中应用十分广泛，操作人员能通过不断学习和积累经验实现对控制对象的控制，由于经验很难用语言来表达，故具有模糊性。模糊控制理论在很复杂的环境中应用也能应用。

4.2 基于模糊控制的安全避障的实际应用

图1表示某矿山铲运车安全导航图。其中图1（a）为规划的从溜井处的铲车出发至采场内目标点1和2的规划路线，图1（b）为基于模糊控制的铲车实际运动路径。通过比较这两个图，可知当铲车按照既定的路线1到达目标点1的过程中，会在途中遇到较大的障碍物，因此必须绕过该障碍物才能顺利获得目标点1。同样的，当铲车按照既定的路线2到达目标点2的过程中，也会在途中遇到较大的障碍物，因此必须绕过该障碍物才能顺利获得目标点2。使用模糊控制，当铲车遇到障碍后，通过安装在铲车的传感器检测到既定路线存在障碍时，系统将控制铲车开始减少行驶，同时按照逻辑算法，驱动相关设备，从而使铲车始终与障碍物保持一定的安全距离，避开障碍物顺利获得目标点1和2。图1（b）正是铲车通过模糊控制，经学习和积累经验而走出的实际运动路线示意图。

5 结论与展望

本文针对地下铲运机的不同运行模型以及对障碍物的偏移方法，依附于主目标路径避障开始位置以及结束位置，对实际的地下铲运车的运行提供了一种有效的运行方式，大大降低了地下铲运车的工作难度。该方法能够有效地避障且与实际的工作环境有很大的相似之处，可以推算出主目标的路径，减小了跟踪路径的偏差，提高了地下铲运机的生产工作效率，该种方法具有很高的适应性以及可靠性。

参考文献

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[2]石峰，顾洪枢，战凯，等.地下铲运机多模式自主行驶控制方法研究[J].矿冶，2015，24（5）：61-66.

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