救援運(yùn)載車自主制動(dòng)控制研究

梁秀春

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司， 山西 左權(quán) 032600）

引言

隨著國(guó)家煤炭能源的大力開(kāi)發(fā)，煤礦救援運(yùn)載車被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸救援機(jī)器人，其整車制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化是安全、高效救援的直接影響因素[1]。目前，運(yùn)載車存在自動(dòng)化制動(dòng)技術(shù)應(yīng)用范圍較窄、智能化控制效果較差等問(wèn)題，在行駛過(guò)程中很難達(dá)到較好的制動(dòng)效果，影響著整車的行駛安全[2]。因此開(kāi)展基于模糊算法救援運(yùn)載車智能化制動(dòng)仿真研究尤為重要。

1 模糊控制理論

模糊邏輯是一種模擬人類推理過(guò)程的計(jì)算機(jī)推理設(shè)計(jì)要求，可通過(guò)與人類語(yǔ)言相近的語(yǔ)言變量進(jìn)行模糊推理，可讀性較高，易于理解，具有以下特點(diǎn)[3]：其一，控制簡(jiǎn)單方便、易于掌握，是一種比較理想的非線性語(yǔ)言控制器；其二，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性；其三，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，易于實(shí)現(xiàn)控制不確定性系統(tǒng)的控制。其基本原理如圖1所示。

2 自主制動(dòng)模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 隸屬度函數(shù)的選擇

在Matlab中鍵人命令fuzzy，進(jìn)入模糊邏輯控制箱。建立A，D，U的隸屬度函數(shù)，有三角形、高斯形、梯形等11種可供選擇，本文選取常用的三角形（trimf）隸屬度函數(shù)[4]。建立的輸入量輸出量隸屬度函數(shù)如圖2所示。

2.2 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制規(guī)則的條件語(yǔ)言為：IF=i，AND=j，THEN=k[5]，根據(jù)運(yùn)載車可能遇到的障礙物情況，確定了救援車4X5=20條控制規(guī)則，其詳細(xì)規(guī)則如下頁(yè)表1所示。

圖1 模糊控制基本原理

圖2 輸入量和輸出量隸屬度函數(shù)示意圖

2.3 模糊化求解

由于前文確定的隸屬度函數(shù)形狀為三角形，為提高求解的合理性和精確性，選用重心求解法[6]，利用Matlab模糊邏輯工具箱，生成了輸入輸出三維關(guān)系曲面，如圖3所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

圖3 輸入輸出關(guān)系曲線圖

3 智能制動(dòng)控制系統(tǒng)建模及仿真

3.1 智能制動(dòng)仿真模型建立

采用MATLAB/Simulink軟件建立了基于模糊算法的煤礦救援車智能制動(dòng)的仿真模型，該模型能自主制動(dòng)運(yùn)行速度和制動(dòng)強(qiáng)度的大小，以此來(lái)驗(yàn)證模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)對(duì)救援運(yùn)載車自主制動(dòng)的適用性和有效性，智能制動(dòng)仿真模型如圖4所示。

圖4 智能制動(dòng)仿真模型仿真模型

3.2 障礙物在行駛軌道上時(shí)仿真結(jié)果

救援運(yùn)載車進(jìn)入彎道行駛時(shí)，障礙物在行駛軌道上，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖分析可知，運(yùn)載車發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，通過(guò)產(chǎn)生的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制電磁鐵兩端電壓，由此實(shí)現(xiàn)運(yùn)載車的制動(dòng)控制，降低運(yùn)載車行駛速度。運(yùn)載車在1.2～3 s時(shí)，整車勻速行駛，此時(shí)PWM控制信號(hào)輸出為0。當(dāng)障礙物與運(yùn)載車距離達(dá)到危險(xiǎn)距離，此時(shí)障礙物與運(yùn)載車角度為0°，系統(tǒng)發(fā)出緊急制動(dòng)指令，控制電壓信號(hào)脈寬達(dá)到最大，運(yùn)載車減速停車，從而避免運(yùn)載車與障礙物相撞。

3.3 障礙物在行駛軌道側(cè)邊時(shí)仿真結(jié)果

救援運(yùn)載車進(jìn)入彎道行駛時(shí)，障礙物在行駛軌道側(cè)邊，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7分析可知，救援運(yùn)載車以2 m/s速度行駛一段時(shí)間后，距離逐漸縮短，由于模糊控制器設(shè)計(jì)的距離權(quán)重比較大，因此，運(yùn)載車開(kāi)始緩慢制動(dòng)，速度逐漸降低。當(dāng)經(jīng)過(guò)障礙物后，又加速到制動(dòng)前的初速度4 m/s。由圖8分析可知，此過(guò)程中有兩段制動(dòng)時(shí)間，勻速和加速時(shí)沒(méi)有PWM信號(hào)輸出。

圖6PWM控制信號(hào)輸出

圖7 速度變化曲線

圖8 脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)載車智能制動(dòng)系統(tǒng)能對(duì)救援運(yùn)載車進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確、靈活控制，當(dāng)障礙物在行駛軌道上或在軌道側(cè)邊時(shí)，可對(duì)運(yùn)載車與障礙物距離進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，通過(guò)發(fā)出不同脈寬的PWM控制信號(hào)，達(dá)到對(duì)運(yùn)載車行駛速度和制動(dòng)強(qiáng)度的控制，實(shí)現(xiàn)煤礦救援運(yùn)載車制動(dòng)的無(wú)人化、智能化。該主動(dòng)制動(dòng)模糊控制器設(shè)計(jì)合理，能夠滿足運(yùn)載車智能自主制動(dòng)的要求。該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了運(yùn)載車自動(dòng)制動(dòng)效果，提高了整車的行駛安全，對(duì)提高現(xiàn)場(chǎng)救援效率具有重要意義。