地下鏟運(yùn)機(jī)自主行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向死區(qū)的研究

李恒通，嚴(yán) 勃，石瀟杰，石 峰，郭 鑫

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160)

隨著地下金屬礦的開(kāi)采深度逐步加深，人員的工作環(huán)境變得愈發(fā)惡劣。近年來(lái)，各大礦山都逐步加大對(duì)無(wú)人化、智能化設(shè)備的投入，地下鏟運(yùn)機(jī)作為地下礦山開(kāi)采的主力設(shè)備，自主行駛對(duì)于智能鏟運(yùn)機(jī)而言有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

區(qū)別于傳統(tǒng)車(chē)輛的輪式轉(zhuǎn)向，地下鏟運(yùn)機(jī)采用鉸接轉(zhuǎn)向，鉸接轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是將前后車(chē)體采用鉸接方式連接起來(lái)，采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，改變前后車(chē)體的夾角，進(jìn)而在行駛過(guò)程中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。采用鉸接轉(zhuǎn)向能縮小轉(zhuǎn)彎半徑，更靈活的在狹窄的巷道內(nèi)活動(dòng)[1]。

1 自主行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向控制過(guò)程

地下鏟運(yùn)機(jī)為前后鉸接車(chē)體，通過(guò)安裝在前后車(chē)體的轉(zhuǎn)向油缸伸縮，進(jìn)而改變前后車(chē)體的鉸接角，控制車(chē)體進(jìn)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

智能鏟運(yùn)機(jī)能根據(jù)多傳感器融合技術(shù)對(duì)當(dāng)前行駛環(huán)境和當(dāng)前車(chē)身姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)提供給車(chē)載控制器進(jìn)行決策。車(chē)載控制器根據(jù)當(dāng)前環(huán)境和車(chē)身姿態(tài)計(jì)算鏟運(yùn)機(jī)橫向位置偏差、航向角偏差、航向角變化量偏差等參數(shù)，自主行駛多參數(shù)偏差融合控制算法根據(jù)參數(shù)及預(yù)先設(shè)置的控制目標(biāo)，計(jì)算鏟運(yùn)機(jī)的控制量：轉(zhuǎn)向、油門(mén)、檔位等。

自主行駛過(guò)程中最重要的是對(duì)轉(zhuǎn)向的控制，地下鏟運(yùn)機(jī)通過(guò)中央控制器輸出指令控制鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主行駛[2-3]。

具體控制過(guò)程為：控制器輸出為0～128的數(shù)字量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行車(chē)輛轉(zhuǎn)向。

控制系統(tǒng)的流程如圖1所示：

圖1 轉(zhuǎn)向控制流程圖Fig.1 Flowchart of steering control

在實(shí)際控制中，當(dāng)控制器給出的數(shù)字量小于一定值時(shí)，車(chē)體不動(dòng)作，直接影響了車(chē)輛的控制精度，為提高車(chē)輛的控制精度，需要對(duì)控制過(guò)程中的死區(qū)現(xiàn)象進(jìn)行分析，減小死區(qū)現(xiàn)象對(duì)自主行駛控制精度的影響。

2 死區(qū)產(chǎn)生的原因

死區(qū)現(xiàn)象主要由兩方面的原因造成：閥塊本身的死區(qū)及車(chē)輛轉(zhuǎn)向死區(qū)。

1)閥塊死區(qū)

在液壓系統(tǒng)中，閥塊的死區(qū)非線性特征普遍存在，對(duì)高精度的控制系統(tǒng)影響較大，但如果從制造中消除死區(qū)其成本又太大。故一般是建立模型，通過(guò)試驗(yàn)確定執(zhí)行元件的死區(qū)參數(shù)，在后續(xù)控制過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，降低死區(qū)的影響。

三位比例閥的中位一般有重疊，當(dāng)閥芯在中位時(shí)，一定范圍內(nèi)，比例閥對(duì)于輸入信號(hào)的變化不產(chǎn)生輸出上的變化，仍保持在中位，此現(xiàn)象稱(chēng)為閥塊的死區(qū)特征，如圖2所示。

圖中：v為液壓電池閥的輸入電壓；u為液壓電磁閥的輸出壓力；f(v)為電池閥輸出壓力與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系；

通常情況下，a≠b，f1(v)≠f2(v)，一般這種現(xiàn)象稱(chēng)為閥塊死區(qū)非線性特征[4]。

圖2 閥塊死區(qū)非線性特征Fig.2 Nonlinear Characteristic of valve block dead zone

2)車(chē)輛轉(zhuǎn)向死區(qū)

在車(chē)輛實(shí)際轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向力矩必須大于車(chē)輛的轉(zhuǎn)向阻力矩，車(chē)輛才會(huì)轉(zhuǎn)向，根據(jù)鉸接車(chē)輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)特性，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向力矩由液壓缸提供，當(dāng)向同一方向轉(zhuǎn)向時(shí)，缸內(nèi)面積不變，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力隨著壓力升高而增大，當(dāng)液壓缸提供的轉(zhuǎn)向力矩足夠大時(shí)，車(chē)輛才能轉(zhuǎn)向[5-6]。

此次試驗(yàn)對(duì)象對(duì)KCY-2型兩立方鏟運(yùn)機(jī)，其簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 LHD structural chart

鏟運(yùn)機(jī)滿斗時(shí)前橋負(fù)荷大，其簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向阻力模型如圖4所示。其中T為轉(zhuǎn)向力矩，ωF，ωR分別為前橋和后橋的阻力矩，F(xiàn)r為后橋所受切向力，L1和L2分別為鉸接中心距離前后橋的距離。

圖4 轉(zhuǎn)向阻力矩圖Fig.4 Steering resistance torque chart

3 死區(qū)測(cè)試

由于轉(zhuǎn)向死區(qū)的存在，雖然控制系統(tǒng)向液壓電池閥發(fā)送了0～128的數(shù)字信號(hào)，但實(shí)際上，只有當(dāng)車(chē)體實(shí)際開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)，這個(gè)信號(hào)才是有效信號(hào)。當(dāng)控制器發(fā)出低于此信號(hào)的數(shù)值時(shí)，雖然控制系統(tǒng)發(fā)出了指令，但實(shí)際上車(chē)輛并沒(méi)有任何實(shí)際動(dòng)作響應(yīng)，故上述信號(hào)是無(wú)效信號(hào)，其會(huì)影響控制系統(tǒng)的精度，進(jìn)而降低自主行駛時(shí)的穩(wěn)定性。

車(chē)輛液壓油油溫穩(wěn)定，接近正常工作狀態(tài)；地面為水泥地面。對(duì)車(chē)輛原地轉(zhuǎn)向死區(qū)進(jìn)行了測(cè)試，逐步加大控制器的輸出信號(hào)數(shù)值，以車(chē)體實(shí)際轉(zhuǎn)角發(fā)生變化為準(zhǔn)，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，左右轉(zhuǎn)時(shí)，不同鉸接角下開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)的輸出信號(hào)數(shù)值的變化規(guī)律如圖5所示。

表1 原地轉(zhuǎn)向數(shù)值

圖5 原地轉(zhuǎn)向數(shù)值Fig.5 Pivot steering data

上述兩條曲線對(duì)于0～128的區(qū)間來(lái)說(shuō)變化較為平緩，為了便于后續(xù)車(chē)載控制器的計(jì)算，取均值進(jìn)行擬合計(jì)算。

控制器在自主行駛時(shí)，輸出0～128的轉(zhuǎn)向信號(hào)，用以控制轉(zhuǎn)向油缸伸縮進(jìn)而控制車(chē)身姿態(tài)。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，左轉(zhuǎn)時(shí)，不同鉸接角下車(chē)體開(kāi)始轉(zhuǎn)向的電壓信號(hào)值均值為62.5；右轉(zhuǎn)時(shí)，不同鉸接角下車(chē)體開(kāi)始轉(zhuǎn)向的電壓信號(hào)值均值為60.8。但車(chē)體實(shí)際響應(yīng)區(qū)間為左轉(zhuǎn)：62.5～128；右轉(zhuǎn)60.8～128；控制算法計(jì)算出的轉(zhuǎn)向數(shù)值為x，實(shí)際系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)向值為y，對(duì)相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行修正：

4 實(shí)車(chē)測(cè)試

以2立方地下鏟運(yùn)機(jī)為測(cè)試對(duì)象，采用綜合偏差控制算法進(jìn)行控制，將巷道彎曲變化情況，車(chē)身轉(zhuǎn)向角變化情況，激光掃描器前后安裝位置情況及航向位置偏差情況進(jìn)行全面綜合，以綜合偏差為0為控制目標(biāo)[7-8]。

以6 km/h的速度進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)自主行駛測(cè)試，轉(zhuǎn)向死區(qū)未修正之前，以車(chē)輛前橋的中心點(diǎn)為定位點(diǎn)的行駛偏差如圖6所示。

圖6 修正前行駛偏差Fig.6 Running deviation before correction

以6 km/h的速度進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)自主行駛測(cè)試，在使用上述函數(shù)對(duì)控制器輸出進(jìn)行修正后，以車(chē)輛前橋的中心點(diǎn)為定位點(diǎn)的行駛偏差如圖7所示，克服死區(qū)對(duì)自主行駛控制的影響后，自主行駛情況明顯改善，對(duì)于目標(biāo)中線的跟蹤效果更好。

圖7 修正后行駛偏差Fig.7 Running deviation after correction

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究表明，在地下鏟運(yùn)機(jī)實(shí)際自主行駛測(cè)試的過(guò)程中，轉(zhuǎn)向死區(qū)實(shí)際存在，并對(duì)自主行駛產(chǎn)生不利影響；通過(guò)對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向死區(qū)的測(cè)試，得到轉(zhuǎn)向死區(qū)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)值，之后通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向死區(qū)的修正，能明顯改善自主行駛的控制效果，提高控制精度及速度。