基于最優(yōu)軌跡跟蹤的地下鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛技術(shù)

張軍暉

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

[關(guān)鍵詞]地下鏟運(yùn)機(jī)；軌跡跟蹤；無人駕駛

中圖分類號(hào)：TM236 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）10-0238-01

1 鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛技術(shù)分析

鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛，就是鏟運(yùn)機(jī)的行走過程中不需要人為參與，完全依靠自身的傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境的檢測(cè)、自主導(dǎo)航和自主的行走。其中，自主導(dǎo)航技術(shù)是鏟運(yùn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵。現(xiàn)有技術(shù)條件下，自主導(dǎo)航技術(shù)可分為絕對(duì)式導(dǎo)航和相對(duì)式導(dǎo)航兩種。絕對(duì)式導(dǎo)航技術(shù)是指鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛環(huán)境地圖的數(shù)字信息已經(jīng)預(yù)先存入車載計(jì)算機(jī)，在數(shù)字地圖的坐標(biāo)系下，設(shè)定一條最優(yōu)路徑，控制鏟運(yùn)機(jī)嚴(yán)格遵循這一路徑軌跡來運(yùn)行。相對(duì)式導(dǎo)航技術(shù)是指鏟運(yùn)機(jī)通過車載傳感器主動(dòng)感知周圍環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施或者是局部的物體來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，又稱為反應(yīng)式導(dǎo)航技術(shù)，如基于沿巷道壁行走技術(shù)的導(dǎo)航技術(shù)是以控制鏟運(yùn)機(jī)沿著巷道行駛，且不碰到墻壁為原則進(jìn)行導(dǎo)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(shù)字信息，屬于相對(duì)式導(dǎo)航技術(shù)，在無人駕駛狀態(tài)下，通過車載傳感器實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于最優(yōu)軌跡的偏差信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)在地下巷道內(nèi)的無人駕駛控制。

2 行駛軌跡各參數(shù)關(guān)系

鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛時(shí)，需要建立相關(guān)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一的控制。不考慮鏟運(yùn)機(jī)垂直路面方向的運(yùn)動(dòng)，以起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，起始的前進(jìn)方向?yàn)閄軸，水平面內(nèi)垂直前進(jìn)方向?yàn)閅軸建立二維坐標(biāo)系。以鏟斗方向驅(qū)動(dòng)橋的橫向中心點(diǎn)作為鏟運(yùn)機(jī)的定位中心點(diǎn)，對(duì)應(yīng)投影到X-Y坐標(biāo)平面內(nèi)為Q點(diǎn)，鏟運(yùn)機(jī)最優(yōu)軌跡為預(yù)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(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中的曲線2，鏟運(yùn)機(jī)實(shí)際行駛過程中的航向角Φ1定義為其前進(jìn)方向與X軸正向所形成的角度，逆時(shí)針方向?yàn)檎?，順時(shí)針為負(fù)，鏟運(yùn)機(jī)在最優(yōu)軌跡曲線上的航向角Φ2定義為鏟運(yùn)機(jī)在最優(yōu)軌跡曲線上的投影點(diǎn)Q1的速度方向和X軸正方向形成的角度，目標(biāo)路徑上的航向角Φ1與鏟運(yùn)機(jī)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(yùn)機(jī)無人駕駛方向與目標(biāo)路徑預(yù)定的行駛方向之間的偏離程度。鏟運(yùn)機(jī)跟蹤軌跡上Q點(diǎn)與目標(biāo)路徑上投影點(diǎn)的直線距離定義為鏟運(yùn)機(jī)的橫向位置偏差δ。取在目標(biāo)路徑曲線右側(cè)的偏差為正，反之為負(fù)。橫向位置偏差主要反映鏟運(yùn)機(jī)在巷道內(nèi)的橫向偏離情況。設(shè)定鏟運(yùn)機(jī)前后車體的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角，即鉸接角為α。設(shè)定逆時(shí)針的鉸接角α為正，反之為負(fù)。鏟運(yùn)機(jī)軌跡曲線和軌跡參數(shù)定義如圖1所示。

3 無人駕駛試驗(yàn)驗(yàn)證

地下鏟運(yùn)機(jī)的無人駕駛的關(guān)鍵是具有智能化的子系統(tǒng)的支撐，為實(shí)現(xiàn)地下鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛的目標(biāo)，需要考慮鏟運(yùn)機(jī)各子系統(tǒng)所具備的關(guān)鍵技術(shù)。本論文以KCY2型智能鏟運(yùn)機(jī)為平臺(tái)，進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)自主行駛和自主卸載的相關(guān)試驗(yàn)。

3.1 地表無人駕駛試臉

為驗(yàn)證智能鏟運(yùn)機(jī)的各項(xiàng)智能化性能，為現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)的驗(yàn)證做好基礎(chǔ)，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(shí)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(gè)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(guān)試驗(yàn)，結(jié)合多元信息自主導(dǎo)航控制器的設(shè)計(jì)，主要測(cè)試鏟運(yùn)機(jī)的自主行駛的無人駕駛是否滿足鏟運(yùn)機(jī)自主行駛的要求，試驗(yàn)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(shí)時(shí)掃描兩邊模擬巷道壁相對(duì)于車身的位置信息，結(jié)合鏟運(yùn)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向角信息和里程計(jì)信息，由車載控制器發(fā)出指令控制鏟運(yùn)機(jī)的油門和轉(zhuǎn)向。在此基礎(chǔ)上，完成了直線段模擬巷道環(huán)境下的自主行駛試驗(yàn)。

試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定值為40（額定轉(zhuǎn)速時(shí)給定值為127），此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900r/min，由于前向掃描激光傳感器是安裝在司機(jī)室頂部，其掃描的中心在前驅(qū)動(dòng)橋的后方1.1米處，幾乎與中央鉸接點(diǎn)重合，這鐘小角度的掃描激光前瞻性很差，導(dǎo)致控制效果較差，鏟運(yùn)機(jī)難以穩(wěn)定行駛。故激光掃描器右側(cè)掃描區(qū)域參與計(jì)算的掃描激光序號(hào)取30～60，即參與計(jì)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(shè)定比例放大系數(shù)Kp=4，取微分系數(shù)Kd=0.2，取PID的積分系數(shù)Ki=0.激光掃描器右側(cè)掃描區(qū)域參與計(jì)算的掃描激光序號(hào)取00～600，即參與計(jì)算的掃描激光角度i取值范圍是00～600，其中仿真試驗(yàn)時(shí)Td=0.8s，T為采樣周期，T=0.2s。仿真時(shí)由于取得參與計(jì)算的激光對(duì)比較少，所以計(jì)算出的綜合偏差數(shù)值較小，仿真時(shí)需要大的比例放大系數(shù)，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(jìn)行自主行駛。隨后將上述參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際的自主行駛，實(shí)現(xiàn)了地下鏟運(yùn)機(jī)在地表模擬巷道內(nèi)的自主行駛控制。

3.2 地下巷道的自主行駛試驗(yàn)

結(jié)合自主行駛控制算法所闡述的內(nèi)容，將該自主行駛方法應(yīng)用于地下巷道的鏟運(yùn)機(jī)自主行駛，試驗(yàn)場(chǎng)地為某鉛鋅礦-240中段的主斜坡道，鏟運(yùn)機(jī)所使用的自主行駛方法仍然和地表上一致。試驗(yàn)段由兩個(gè)直線段組成，在地下巷道的自主行駛試驗(yàn)中，鏟運(yùn)機(jī)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(yàn)，實(shí)際巷道的試驗(yàn)由于巷道壁的形狀更為不規(guī)則，實(shí)際測(cè)量得到數(shù)據(jù)更加不光滑，導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)算速率和采樣周期都有不同程度的加快。試驗(yàn)以跟蹤巷道中心線為主的控制模式，其某個(gè)循環(huán)下控制鏟運(yùn)機(jī)按照一定的速度進(jìn)行最優(yōu)軌跡跟蹤的實(shí)驗(yàn)跟蹤效果。有實(shí)驗(yàn)可知，鏟運(yùn)機(jī)自主行駛控制時(shí)，實(shí)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(xiàn)

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