CN103217978A - 一种实现液压载重车多车组协调作业的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，其可以实现巷道无轨轮式液压载重车的无人自动驾驶。应用超声波测距原理，确定车体与巷道之间的位置，车通过超声波测距传感器测出的各类信息通过超声波测距传感器测出的各类信息，传送给中央处理器，处理器根据以设定好的程序计算出车相对于巷道的车体速度、转向角度、行走轨迹、路径等信息，并将该位置信息上传至CAN总线***，供后车调用，后车处理器从CAN总线中下载前车的姿态信息，根据前车的姿态信息，处理器根据控制程序来运算跟踪前车运动轨迹所需的几何参数，进而确定本车的运动轨迹，达到后车自动跟踪前车的目的，从而实现分体式载重运输车的转向控制。

Description

一种实现液压载重车多车组协调作业的控制方法

技术领域

本发明属于测控技术领域，涉及一种实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，其可以实现巷道无轨轮式液压载重车的无人自动驾驶。

背景技术

在矿山开采中，矿井下重型采掘、支护设备常需要由液压载重车运输转移工作面。由于巷道的地形较复杂，空间狭小，在运输设备的过程中对液压载重车的控制较困难。现有的井下巷道液压载重车由人工驾驶，在实际运行的过程中，井下巷道特殊的环境极易对驾驶员产生影响。由于井下巷道空间狭小，驾驶员精神必须保持长时间高度集中，如若操控不当就可能发生载重车与巷道壁或液压支护设备的刮蹭与碰撞，甚至造成巷道塌陷等重大安全事故。因此，现有的井下巷道液压载重车驾驶对人员要求高，风险大，很难保证井下特殊条件下的安全生产。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提供一种实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，基于该控制方法可以实现巷道无轨轮式液压载重车多车组的无人自动驾驶。

本发明从解决实际问题出发，采用了以下技术方案：

（1）硬件***包括超声波测距***、CAN现场总线***、中央处理器、人机交互***及执行***；

（2）应用超声波测距原理，使用超声波测距传感器来实时采集车体与巷道壁的距离信息，从而对车体和巷道壁之间的相对位置关系进行确定，同时超声波测距传感器采用了防爆处理，适应了井下的特殊环境；

（3）前车通过超声波测距传感器测出的信息，传送给中央处理器，中央处理器根据以设定好的程序计算出车相对于巷道的车体速度、转向角度、行走轨迹、路径的信息，并将该位置信息上传至CAN总线***，供后车调用；

（4）动车组中每个车具有独立的处理器，后车处理器从CAN总线中下载前车的姿态信息，根据前车的姿态信息，处理器根据控制程序来运算跟踪前车运动轨迹所需的几何参数，进而确定本车的运动轨迹，达到后车自动跟踪前车的目的，且在循迹运动的过程中两车的距离保持一定；

（5）动车组中每个车首尾相连构成一个串联***，前车的运动能被后车实时识别，后车根据前车姿态信息来控制本车的运动，而后车的姿态信息再上传至总线***，从而使下一车有运动的参考信息，实现多车组的协调工作；

（6）动车组中每个车的处理器，在跟踪前车运动轨迹的基础上，实时汇总本车超声波测距传感器测量的车体与巷道壁之间的距离信息，动车组中每个车的液压***中都包含PLC控制***，通过各车PLC控制器的独立控制各阀、泵、马达等液压元件、调整车的姿态来来保证后车不与巷道壁发生刮蹭、碰撞，并实现车的自动纠偏；

（7）为了实现动车组各车直行、转向间的协调作业，软件***采用模块化设计，即主程序可分为若干块，每个程序块有不同的功能，而程序库中存有更多的扩展程序块，通过不同程序块的组合，可以使动车组完成不同的动作，从而扩大了动车组的工作范围；

（8）本发明可以采用单人驾驶或人工遥控动力源车，后续载重液压车自动跟踪前车轨迹的作业方式，也可以采用全自动无人驾驶方式，避免了因人为驾驶操作失误而带来的安全隐患。

所述中央处理器为普通电子计算机或工业计算机。

所述执行***由液压载重车的各液压元件组成，每辆车的PLC控制器可以控制各液压元件执行相应动作。

超声波测距***由超声波传感器、温度补偿器、A/D转换器组成，可以对车体与巷道壁距离进行实施测量，并将信息转化为电信号；超声波传感器由发射器、接收器组成，发射器发出超声波，经巷道壁反弹后由接收器接收，根据发射与接收的时间差来计算车与壁之间的距离。超声波在空气中的传播速度为已知u，测量超声波从发射到遇到障碍物反射回来这个过程的时间差t。测得的时间差和声速相乘就可以得到超声波往返过程中走过的路程，所测距离S为声波传输距离的一半：

$S=\frac{\mathrm{ut}}{2}$

接收器通过将超声波信号转化为电信号，A/D转换器将电信号转化为数字信号。超声波传感器输出的信号经CAN现场总线传输到中央处理器，中央处理器根据各传感器采集的数据来判断车的位姿，并根据判断来发出控制信号，控制信号由CAN现场总线传输到各个PLC控制器，PLC得到控制信号，输出响应信号，最终传输给液压载重车的各阀、泵、马达等液压元件的电气控制装置，从而控制液压元件执行相应动作，进而控制车的运动，最终实现动车组各车间协调转向、直行的目的。

根据GB50419—2007《煤矿巷道断面和交岔点设计规范》第3.1.2条规定，巷道断面形状可分为矩形、梯形、拱形、马蹄形及圆形等；根据该设计规范第4.1.3条规定，运输巷道的净断面，应按巷道内运行的运输设备及需要运送的最大件的尺寸设计，并应按偶尔运送的最大件尺寸和通风能力校核。由于液压载重车的宽度与矿井内大型设备的宽度相当，因此在液压载重车可以在符合国标规范的矿井巷道内作业。根据该设计规范第4.3.2条规定，无轨运输设备与巷道侧帮的支护、管线、设施的安全间隙最小值为600mm，而超声波测距***的检测范围包含了600mm。同时，该设计规范第4.1.1条规定，主要运输巷和主要风巷，无轨巷道不得低于2m，采区准备巷道和大、中型矿井采煤工作面运输巷、回风巷，中厚煤层、厚煤层不得低于2m，薄煤层不得低于1.8m。由于所述控制***硬件组成体积较小，对液压载重车的高度无影响。综上所述，应用了所述动车组协调作业控制***的无轨轮式液压载重动车组可以在井下巷道内很好的实施各车间的转向、直行的协调作业，并可以实现遥控驾驶或无人自动驾驶。

由于超声波测距属非接触式距离测量技术，故在井下巷道内有很好的可操作性，可以采取温度补偿等技术来对超声波测距信号进行处理，保证其稳定性及准确性；动车组采用了CAN现场总线技术，各车的姿态信息可以经由总线***畅通的实时传输；针对动车组协调作业的形式，设计了动车组各车间串连而又独立的控制模式，使得动车组成为一个可控的有机整体，同时各车又具有一定的自主性，便于动车组的协调控制和单车的纠偏；控制思想的软件实现采用了模块化的程序设计，不同模块实现相应的功能，而不同模块的组合就可以实现多种功能，拓宽了该控制策略的应用范围；控制器的控制方法可以采用模糊控制、自适应控制、控制、神经网络控制等方法。

本发明的优点是：应用所述动车组协调作业控制策略可以实现井下巷道内无轨轮式液压载重车组的协调直行、转向等作业，并可拓展为人工遥控驾驶或无人自动驾驶，这一控制策略很好的解决了巷道内人员不能精确操控液压运输车辆的问题，避免了人工操作液压载重车作业带来的安全风险，能够完成多车组单车跟随前车的作业，很好的解决了井下巷道内液压载重车的驾驶问题，使多车组协调转向成为可能，提高了井下采掘、支护等重型设备运输的效率，极大的增加了运输时的可靠性。

附图说明

图1为超声波测距传感器测距原理图；

图2为单车车身超声波测距传感器分布示意图；

图3为单车应用超声波测距***的行走示意图；

图4为应用所述控制策略的多车组协调作业示意图；

图5为无人驾驶***整体框图；

图6为单车控制策略流程图；

图7单车间姿态信息传递示意图。

图中：1-发射器，2-接收器，3-巷道壁，4-超声波发射线，5-超声波反射线，6-车体，7-行进方向。

具体实施方式

1.超声波测距***

如图1所示，超声波测距传感器由1发射器，2接收器组成，发射器1发出超声波发射线4，当超声波射线触碰到巷道壁3时，会发生反弹，接收器2用于接收反弹的超声波射线。检测从超声波发射器发出的超声波经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离，而所测距离即为声波传输距离的一半。此测距方法为非接触式测距，灵敏度高，能够实时采集距离信息，为车体的相对位置判断提供实时可靠的信息。由于超声波在空气中传播，不同温度下速度是不同的，可以使用温度补偿方法对距离信号加以处理，从而得到更加精确的距离信息。

图2为单车车身超声波测距传感器分布示意图。整车使用了8个超声波测距传感器，为了适应控制的要求，这些测距传感器分为前后两个方向，F、FL、FR三个传感器分别为前、左前、右前，B、BL、BR三个传感器分别为后、左后、右后，L、R两传感器为左、右。八个超声波测距传感器分布在车身四周，近似测量出以车体为中心，车载平台水平360°范围内车体边缘距离巷道壁的距离信息。

2.动车组协调作业控制策略

图3为单车应用超声波测距***的行走示意图。在直行状态下，8个超声波测距传感器采集车体6对巷道壁3的距离值，通过控制，使得车体始终沿着巷道中心线行走，并通过不断调整车体姿态，保持车体始终沿着中心线运动。7为车体运动方向，8个超声波传感器前后标示由运动方向7确定，传感器测距方向沿着车体运动方向的为前部传感器，反之为后部传感器。

本发明在实际使用前，先对现场实地测量，用便携超声波测距装置矫正测距值。实际工作时，各个传感器根据现场实际工作情况都设置一个阀值，此值为判断车体与巷道壁相对位置的参考依据。

图6为单车控制策略流程图。当确定了车的运动方向后，传感器的前后标示就确定了。SF、SFL、SFR、SL、SR分别为前、左前、右前、左及右部传感器测量的距离值。以单车为首车且为自动驾驶为例。如图，首先判断前部是否有墙壁，如果测量值SF小于此传感器阀值，则表明前部有壁阻挡，此时进入转向模式；当小于时再次判断左前距离与右前距离的差值绝对值|SFL-SFR|，当此值大于阀值，表示车体前后部距壁过近，此时再次判断车前部距离哪一侧距离近SFL-SFR的正负性，进而采用中心转动来调整姿态；当此值小于阀值，表示车体前后部距壁还有一定距离，此时判断左右距离差值绝对值|SL-SR|，若此值大于设定的相应阀值，表明车体与巷道壁接***行，但过于靠近一侧壁，此时采用平行移动来调整姿态，若此值小于设定的相应阀值，表明车体在中线附近，此时保持车体直行。

由上述情况可以推广其它情况。此控制策略经过相应调整可以应用于非首车的其它各车。前车的距离信息经过超声波测距***测定后，通过单车处理器处理成为该车的位姿信息，该信息上传至总线，后车在从总线下载前车的实时姿态信息后，后车处理器将根据设定程序，使本车自动遵循前车行走轨迹行驶，而在行驶的过程中要求两车间的距离保持一定，则此时就需要单车独立调节本车的运动情况，则如图5的控制策略经过改进后将对后车起到纠偏的作用，使得后车始终能够保持一定的间距对前车的循迹行驶，且不会因偏差而发生刮蹭、撞击巷道壁的情况。而经过相应的改进，该控制策略可以适应单人驾驶、人工遥控驾驶及无人驾驶的情况。根据此控制策略可以很好的判断车体与巷道壁的相对位置。由于液压载重车的特殊结构，其可以实现原地中心转向、八字转向、平行左移右移等特殊的运动，故可利用液压载重车良好的操控性对其进行运动控制，从而使车体始终保持在巷道中心线上运动，并灵活转向。

图4为应用所述控制策略的多车组协调作业示意图。图中分别展示了协调直行及协调转向两种情况。本发明可应用于多车串联协调作业。如图4所示，两车之间的连接可以是铰链连接，也可以是软连接，即只通过钢丝或软机构连接，由于每个车之间的距离由单车的控制器控制，因此本发明对两车之间的连接要求不高，单车间的协调运动由控制器根据程序设定来控制。单车之间的通信由CAN现场总线完成，这样，多车组就被整合为一个整体，根据***调试，就可以实现多车协同作业。所述发明使用了开放式的接口设计，根据作业的需要，可以增减车组的单车数，而整个车组的信息可以由一台主控制器（工控机或普通PC机）来观察和调整，能够实时监测整个车组的工作状态。

图5为无人驾驶***整体框图。本发明硬件***分为：超声波测距***、CAN现场总线***、中央处理器、人机交互***、动作执行***等。车体与巷道壁的距离信息由超声波测距***实时采集，测量的实时数据通过单车的控制器，计算并转化为数字姿态信号后上传至CAN总线***，中央处理器负责监控整个***的工作状态，同时整个车组的控制程序的交换窗口也在中央处理器上，人机交互界面是为动车组协调作业***与工程人员的交流平台，该***使用了可视化的编程软件，工程人员可以根据现场实际情况添加或修改相应程序模块，从而增加了该所述动车组协调作业***的适应能力。

图7为单车间信息传递示意图。该发明所述的控制策略，核心思想是前车的姿态信息能够实时获得，而后车在获得前车实时姿态信息后能够实时调整本车的执行机构，从而达到轨迹跟踪、协调作业的目的。

本发明发明可以实现井下无轨轮式液压载重车的多车组协调运行，应用该发明可以很好的在煤矿等矿井下实施液压载重车的运输作业。该发明可以根据现场实际工作情况，通过人机交互***调整自动驾驶策略，从而增加了该发明的适用范围。开放式的设计可以将多车组串联为整体，根据***本身的程序实现多车组的协同作业，因此该发明有很好的实用价值。而所述控制策略可以根据实际工况，在改动***程序后应用于普通液压平板车多车组协同作业，亦可以实现普通平板车多车组有人驾驶、人工遥控驾驶乃至无人驾驶，从而提高设备的利用率。因此，该发明在工业领域有很广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，其特征是：

（1）硬件***包括超声波测距***、CAN现场总线***、中央处理器、人机交互***及执行***；

（2）使用超声波测距传感器来实时采集车体与巷道壁的距离信息，从而对车体和巷道壁之间的相对位置关系进行确定；

（3）前车通过超声波测距传感器测出的信息，传送给中央处理器，中央处理器根据以设定好的程序计算出车相对于巷道的车体速度、转向角度、行走轨迹、路径的信息，并将该位置信息上传至CAN总线***，供后车调用；

（4）动车组中每个车具有独立的处理器，后车处理器从CAN总线中下载前车的姿态信息，根据前车的姿态信息，处理器根据控制程序来运算跟踪前车运动轨迹所需的几何参数，进而确定本车的运动轨迹，达到后车自动跟踪前车的目的，且在循迹运动的过程中两车的距离保持一定；

（5）动车组中每个车首尾相连构成一个串联***，前车的运动能被后车实时识别，后车根据前车姿态信息来控制本车的运动，而后车的姿态信息再上传至总线***，从而使下一车有运动的参考信息，实现多车组的协调工作；

（6）动车组中每个车的处理器，在跟踪前车运动轨迹的基础上，实时汇总本车超声波测距传感器测量的车体与巷道壁之间的距离信息，动车组中每个车的液压***中都包含PLC控制***，通过各车液压***中的PLC控制器的独立控制、调整车的姿态来保证后车不与巷道壁发生刮蹭、碰撞，并实现车的自动纠偏。

2.根据权利要求1所述的实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，其特征是：所述中央处理器为普通电子计算机或工业计算机。

3.根据权利要求1所述的实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，其特征是：所述执行***由液压载重车的各液压元件组成。

4.根据权利要求1所述的实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，其特征是：超声波测距***由超声波传感器、温度补偿器、A/D转换器组成，对车体与巷道壁距离进行实施测量，并将信息转化为电信号。

5.根据权利要求4所述的实现液压载重车多车组协调作业的控制方法，其特征是：超声波传感器由发射器、接收器组成，发射器发出超声波，经巷道壁反弹后由接收器接收，根据发射与接收的时间差来计算车与壁之间的距离。

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