CN104731100A - 一种井下铲运机无人驾驶控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下铲运机无人驾驶控制方法及***，相关方法包括：周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据；根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差；获取外部输入的包含前进或后退的行驶方向，利用计算到的综合偏差W计算融合反馈e(k)，并对融合反馈e(k)进行校正后，计算转向控制电压u(k)；其中，k表示周期，当初始周期k＝1时，e(k)＝e(k-1)＝e(k-2)＝0，u(k)＝u(k-1)＝0；根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶。通过采用本发明公开的方法及***，可以方便、准确的实现铲运机在其工作范围内的无人驾驶。

Description

一种井下铲运机无人驾驶控制方法及***

技术领域

本发明涉及矿冶技术领域，尤其涉及一种井下铲运机无人驾驶控制方法及***。

背景技术

近年来，矿产资源的开采逐步转入地下，并向深部延伸，随着深度的不断增加，井下的工作环境越来越恶劣，同时还有不确定的冒顶等危险因素，不可避免的给从事采矿运输装备工作的人员带来了一定的安全和风险，作为井下无轨采矿技术中最关键的运输装备—铲运机的无人驾驶技术成为研究趋势。

由于井下特殊的工作环境使得目前现有车辆的一些通用无人驾驶技术，如基于GPS和惯性导航结合的技术无法在井下使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下铲运机无人驾驶控制方法及***，可以方便、准确的实现铲运机在其工作范围内的无人驾驶。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种井下铲运机无人驾驶控制方法，该方法包括：

周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据；

根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W；

获取外部输入的包含前进或后退的行驶方向，将计算到的第k个周期的综合偏差W作为控制偏差e(k)，来计算转向控制电压u(k)；其中，设初始周期k＝2时，e(k)＝e(k-1)＝e(k-2)＝0，u(k)＝u(k-1)＝0；

根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶。

进一步的，所述周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据包括：

在一次扫描周期中，扫描光束每隔1°进行一次激光测距扫描，若预设角度范围为n°，则获得n+1个距离测量数据；其中，n为180或360。

进一步的，所述根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W包括：

在每一周期中，计算每对左右对称扫描光束测距的差值与左右对称扫描光束测距之和的比值，然后求和，构成综合偏差W，其公式为：

$W=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_{n-i}-L_i}{L_{n-i}+L_i},m\≤n;$

其中，L_i与L_n-i分别表示第i°与第n-i°时的距离测量值。

进一步的，计算转向控制电压u(k)的公式为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

其中，Δu(k)表示第k个周期的转向控制电压的增量，其计算公式为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

上式中，K_p、K_i与K_d分别为预设的比例系数、积分系数及微分系数。

进一步的，所述根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶包括：

根据外部输入的行驶方向控制铲运机向前或后退行驶；

比较转向控制电压u(k)与预设值的大小关系，若转向控制电压u(k)大于预设值则控制铲运机向右转；否则，控制铲运机向左转；然后，对转向控制电压u(k)进行限幅处理，根据限幅后的转向控制电压u(k)的数值确定转向的速度。

一种井下铲运机无人驾驶控制***，该***包括：

扫描式距离检测模块，用于周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据；

信息处理模块，用于根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W；

主控制单元模块，用于获取外部输入的包含前进或后退的行驶方向，将计算到的第k个周期的综合偏差W作为控制偏差e(k)，来计算转向控制电压u(k)；其中，设初始周期k＝2时，e(k)＝e(k-1)＝e(k-2)＝0，u(k)＝u(k-1)＝0；

电磁阀模块，用于根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶。

进一步的，所述周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据包括：

在一次扫描周期中，扫描光束每隔1°进行一次激光测距扫描，若预设角度范围为n°，则获得n+1个距离测量数据；其中，n为180或360。

进一步的，所述根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W包括：

在每一周期中，计算每对左右对称扫描光束测距的差值与左右对称扫描光束测距之和的比值，然后求和，构成综合偏差W，其公式为：

$W=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_{n-i}-L_i}{L_{n-i}+L_i},m\≤n;$

其中，L_i与L_n-i分别表示第i°与第n-i°时的距离测量值。

进一步的，计算转向控制电压u(k)的公式为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

其中，Δu(k)表示第k个周期的转向控制电压的增量，其计算公式为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

上式中，K_p、K_i与K_d分别为预设的比例系数、积分系数及微分系数。

进一步的，所述根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶包括：

根据外部输入的行驶方向控制铲运机向前或后退行驶；

比较转向控制电压u(k)与预设值的大小关系，若转向控制电压u(k)大于预设值则控制铲运机向右转；否则，控制铲运机向左转；然后，对转向控制电压u(k)进行限幅处理，根据限幅后的转向控制电压u(k)的数值确定转向的速度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过周期性的获取巷道与铲运机的距离测量数据，并以此计算出转向控制电压，再结合输入的行驶方向，则可方便、准确的实现井下特殊巷道、特定工作范围的铲运机无人驾驶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种井下铲运机无人驾驶控制方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的对巷道进行180°扫描时的示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种井下铲运机无人驾驶控制***的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在实际应用中，铲运机在井下的工作范围一般为200米，其行驶路线一旦确定后，在一个工作面上基本保持不变，主要为铲装点到卸载点之间的来回往复运动。基于此，本发明针对井下巷道特殊的环境和铲运机特殊的工作范围，提出一种无人驾驶铲运机控制方案，利用该方案可以很方便实现铲运机工作范围内的无人驾驶，该方案所涉及的结构简单，工作稳定可靠。下面结合具体实施例进行详细的说明。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种井下铲运机无人驾驶控制方法的示意图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据。

在每一次扫描周期时(周期T可设为20毫秒)，扫描光束每隔1°进行一次激光测距扫描，若预设角度范围为n°，则获得n+1个距离测量数据；表示为：L₀，L₁，L₂，...，L_n；其中，n为180或360。

如图2所示，图2中预设角度范围设置为180°，标记1表示井下巷道壁，标记2表示铲运机，标记3表示设置在铲运机上的用于完成本步骤的扫描式距离检测模块。

该扫描式距离检测模块用于检测铲运机周围巷道环境相对距离信息，该模块的主要功能是在同一个水平面内，以一定的分辨率连续在同一角度范围内，反复测量巷道等相对于自身的距离信息，并将距离信息按照特定的存储方式进行存储。该扫描式距离检测模块通常安装在铲运机左右和前后的中心交叉点(一般位于驾驶室顶棚上方)。

步骤12、根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W。

在每一周期中，计算每对左右对称扫描光束测距的差值与左右对称扫描光束测距之和的比值，然后求和，构成综合偏差W，其公式为：

$W=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_{n-i}-L_i}{L_{n-i}+L_i},m\≤n;$

其中，L_i与L_n-i分别表示第i°与第n-i°时的距离测量值。

示例性的，实际工作中可以取左边30°～60°，右边120°～150°的距离测量值。

步骤13、获取外部输入的包含前进或后退的行驶方向，将计算到的第k个周期的综合偏差W作为控制偏差e(k)，来计算转向控制电压u(k)。

所述外部输入的包含前进或后退的行驶方向，可以是用户输入的铲运机当前的行驶方向。

发明实施例中，无人驾驶控制方法主要控制铲运机沿着巷道的中心线行驶，由于距离检测模块安装在左右对称线上，所以控制铲运机的无人驾驶方法主要变为控制综合偏差w不断趋向于0的过程，取综合偏差W的数值作为实际计算中的控制偏差e。

在实际行驶中，设铲运机设定初始状态(k＝2)时，e(k)＝e(k-1)＝e(k-2)＝0，u(k)＝u(k-1)＝0。其中e(K)，e(k-1)，e(k-2)分别代表k时刻和上一个采样周期及上两个采样周期时的控制偏差；u(k)和u(k-1)代表控制转向的电压值，也是控制铲运机自主行驶的关键参数之一。

u(k)的迭代计算公式表示为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

其中，Δu(k)表示第k个周期的转向控制电压的增量，其计算公式为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

上式中，K_p、K_i与K_d分别为预设的比例系数、积分系数及微分系数，具体的可参考实际铲运机的液压***设定。

步骤14、根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶。

本发明实施例中，行驶方向是根据外输入的行驶方向所确定的，从而根据外输入的行驶方向给前进或后退电磁阀电流。在控制转向及相应的速度时，首先判断铲运机下一步需要左转还是右转(比较u(k)与预设值的大小关系)，实时计算的转向控制电压u(k)如果大于预设值(例如，预设值为0)，则控制转向为右转，如果u(k)小于预设值，则为左转。其次对u(k)进行限幅处理，考虑到实际电磁阀电压供电电压为24V，将0～24V电压等比例转换成0～127的数字量代替，则实际计算结果大于127，则取值为127，如果小于-127，则取值为-127根据0～127的递增关系对应的转向速度从低到高将限幅后的u(k)，直接赋值给转向电磁阀(可根据限幅后的转向控制电压u(k)的数值确定转向的速度)，从而驱动铲运机按照设定的动作执行。

之后，转移存储e(k-1)→e(k-2),e(k)→e(k-1),u(k)→u(k-1)。

重复上述步骤，可实现铲运机自主行驶及转向控制；同时，由于扫描式距离检测模块通常安装在铲运机左右和前后的中心交叉点，则可跟随左右巷道的变化趋势，保持铲运机始终处于巷道中心线位置行驶。

本发明实施例通过周期性的获取巷道与铲运机的距离测量数据，并以此计算出转向控制电压，再结合输入的行驶方向，则可方便、准确的实现井下特殊巷道、特定工作范围的铲运机无人驾驶。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的一种井下铲运机无人驾驶控制***的示意图。如图3所示，该***主要包括：

扫描式距离检测模块31，用于周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据；

信息处理模块32，用于根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W；

主控制单元模块33，用于获取外部输入的包含前进或后退的行驶方向，将计算到的第k个周期的综合偏差W作为控制偏差e(k)，来计算转向控制电压u(k)；其中，设初始周期k＝2时，e(k)＝e(k-1)＝e(k-2)＝0，u(k)＝u(k-1)＝0；

电磁阀模块34，用于根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶。

进一步的，所述周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据包括：

在一次扫描周期中，扫描光束每隔1°进行一次激光测距扫描，若预设角度范围为n°，则获得n+1个距离测量数据；其中，n为180或360。

进一步的，所述根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W包括：

在每一周期中，计算每对左右对称扫描光束测距的差值与左右对称扫描光束测距之和的比值，然后求和，构成综合偏差W，其公式为：

$W=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_{n-i}-L_i}{L_{n-i}+L_i},m\≤n;$

其中，L_i与L_n-i分别表示第i°与第n-i°时的距离测量值。

进一步的，计算转向控制电压u(k)的公式为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

其中，Δu(k)表示第k个周期的转向控制电压的增量，其计算公式为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

上式中，K_p、K_i与K_d分别为预设的比例系数、积分系数及微分系数。

进一步的，所述根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶包括：

根据外部输入的行驶方向控制铲运机向前或后退行驶；

比较转向控制电压u(k)与预设值的大小关系，若转向控制电压u(k)大于预设值则控制铲运机向右转；否则，控制铲运机向左转；然后，对转向控制电压u(k)进行限幅处理，根据限幅后的转向控制电压u(k)的数值确定转向的速度。

需要说明的是，上述***中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将***的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种井下铲运机无人驾驶控制方法，其特征在于，该方法包括：

周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据；

根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W；

获取外部输入的包含前进或后退的行驶方向，将计算到的第k个周期的综合偏差W作为控制偏差e(k)，来计算转向控制电压u(k)；其中，设初始周期k＝2时，e(k)＝e(k-1)＝e(k-2)＝0，u(k)＝u(k-1)＝0；

根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据包括：

在一次扫描周期中，扫描光束每隔1°进行一次激光测距扫描，若预设角度范围为n°，则获得n+1个距离测量数据；其中，n为180或360。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W包括：

在每一周期中，计算每对左右对称扫描光束测距的差值与左右对称扫描光束测距之和的比值，然后求和，构成综合偏差W，其公式为：

$W=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_{n-i}-L_i}{L_{n-i}+L_i},m\≤n;$

其中，L_i与L_n-i分别表示第i°与第n-i°时的距离测量值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算转向控制电压u(k)的公式为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

其中，Δu(k)表示第k个周期的转向控制电压的增量，其计算公式为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

上式中，K_p、K_i与K_d分别为预设的比例系数、积分系数及微分系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶包括：

根据外部输入的行驶方向控制铲运机向前或后退行驶；

比较转向控制电压u(k)与预设值的大小关系，若转向控制电压u(k)大于预设值则控制铲运机向右转；否则，控制铲运机向左转；然后，对转向控制电压u(k)进行限幅处理，根据限幅后的转向控制电压u(k)的数值确定转向的速度。

6.一种井下铲运机无人驾驶控制***，其特征在于，该***包括：

扫描式距离检测模块，用于周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据；

信息处理模块，用于根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W；

主控制单元模块，用于获取外部输入的包含前进或后退的行驶方向，将计算到的第k个周期的综合偏差W作为控制偏差e(k)，来计算转向控制电压u(k)；其中，设初始周期k＝2时，e(k)＝e(k-1)＝e(k-2)＝0，u(k)＝u(k-1)＝0；

电磁阀模块，用于根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述周期性的扫描预设角度范围内巷道信息，获得若干与巷道间的距离测量数据包括：

在一次扫描周期中，扫描光束每隔1°进行一次激光测距扫描，若预设角度范围为n°，则获得n+1个距离测量数据；其中，n为180或360。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述根据每一周期获得的距离测量数据计算综合偏差W包括：

在每一周期中，计算每对左右对称扫描光束测距的差值与左右对称扫描光束测距之和的比值，然后求和，构成综合偏差W，其公式为：

$W=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_{n-i}-L_i}{L_{n-i}+L_i},m\≤n;$

其中，L_i与L_n-i分别表示第i°与第n-i°时的距离测量值。

9.根据权利要求6所述的***，其特征在于，计算转向控制电压u(k)的公式为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

其中，Δu(k)表示第k个周期的转向控制电压的增量，其计算公式为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

上式中，K_p、K_i与K_d分别为预设的比例系数、积分系数及微分系数。

10.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述根据行驶方向以及转向控制电压u(k)控制铲运机进行前进或后退以及对应的转向行驶包括：

根据外部输入的行驶方向控制铲运机向前或后退行驶；

比较转向控制电压u(k)与预设值的大小关系，若转向控制电压u(k)大于预设值则控制铲运机向右转；否则，控制铲运机向左转；然后，对转向控制电压u(k)进行限幅处理，根据限幅后的转向控制电压u(k)的数值确定转向的速度。