【文章內(nèi)容簡介】 ????????????需要實(shí)時(shí)測量鏟運(yùn)機(jī)的航向角和行駛速度 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 實(shí)時(shí)速度：里程計(jì)和慣性導(dǎo)航單元融合確定 實(shí)時(shí)航向角：陀螺儀直接測量 航跡推算法定位： 依據(jù)編碼信標(biāo)識別的位置修正，利用激光掃描測量系統(tǒng)掃描條碼信標(biāo)，得出絕對位置信息。 航跡推算法定位修正： 光點(diǎn)掃描光模擬電信號整形為矩形脈沖電信號（數(shù)字信號）信標(biāo)工作原理及實(shí)物 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 激光掃描器 編碼 信標(biāo) 側(cè)壁開 始識 別 特 征 點(diǎn)掃 描 點(diǎn) 二 值 化特 征 點(diǎn) 歸 類計(jì) 算 距 離標(biāo) 志 位與 模 板 匹 配距 離 匹 配T r u eFalse識 別 結(jié) 束信標(biāo)安裝示意 編碼信標(biāo)識別流程圖 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 姿態(tài)確定技術(shù)： 轉(zhuǎn)向角： 鏟運(yùn)機(jī)采用鉸接車架液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)，根據(jù)活塞桿的相對位移來確定轉(zhuǎn)向夾角，活塞桿的相對位移大小和車體轉(zhuǎn)向角度一一對應(yīng)?？梢詫⑥D(zhuǎn)向角的測量轉(zhuǎn)化為測量活塞桿的位移。 在鉸接處安裝編碼器，通過讀取編碼器信息也可以得到轉(zhuǎn)向角大小。 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 姿態(tài)確定技術(shù)： 偏離角：前進(jìn)方向和巷道中軸線夾角 四個(gè)頂點(diǎn)： A,B,C,D 四測距儀： 1,2,3,4 頂點(diǎn)距離： S1,S2,S3,S4 定位中心點(diǎn)： O 中心偏離角： 中心偏離位移： OE（ d） 測距儀 1， 4距離后車輪中心的距離 AD、 DH： L L2 根據(jù)圖示三角關(guān)系可得： 1 3 2 4a r c si n 2( 1 2)S S S S LL?? ??? ? ?? ?????偏 離 角 ：（二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 自主導(dǎo)航技術(shù)研究： 地下無軌采礦設(shè)備為了適應(yīng)井下低矮、狹窄、多彎巷道環(huán)境，將車身設(shè)計(jì)成低矮、細(xì)長、鉸接式車體結(jié)構(gòu)。地下 2立方鏟運(yùn)機(jī)的長度一般為 7米，寬度 ，高 ，鏟運(yùn)機(jī)車身兩側(cè)外廓與巷道壁的距離一般僅為 ，這么長的車體要在狹窄、多彎的巷道內(nèi)行駛，其難度是可想而知的，即使是經(jīng)過培訓(xùn)的鏟運(yùn)機(jī)司機(jī)，駕駛鏟運(yùn)機(jī)時(shí)刮蹭巷道壁也時(shí)有發(fā)生。因此， 對地下采礦設(shè)備自主導(dǎo)航技術(shù) 需要進(jìn)行深入研究。 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 自主導(dǎo)航控制器的設(shè)計(jì)構(gòu)想： 決定鏟運(yùn)機(jī)軌跡的最重要控制輸入變量為轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向角的變化 速 率。在一定車速下對轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向角變化率的控制即是對鏟運(yùn)機(jī)軌跡的控制。而對轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向角變化率的控制依據(jù)，應(yīng)該包含鏟運(yùn)機(jī)當(dāng)前的橫向位置偏差、航向角偏差、航向角變化率偏差、車速及車體結(jié)構(gòu)參數(shù)，由這些變量按照上述規(guī)律組合在一起，來決定轉(zhuǎn)向角的控制規(guī)律。 下面對這種控制規(guī)律進(jìn)行分析研究。然后 構(gòu)建出 用來導(dǎo)航地下鏟運(yùn)機(jī) 的 導(dǎo)航控制器 。 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 以巷道內(nèi)路面為坐標(biāo)平面建立 XY坐標(biāo)系 , P來代表鏟運(yùn)機(jī)的位置 ,曲線 A為預(yù)先規(guī)劃好的目標(biāo)路徑，曲線 B為鏟運(yùn)機(jī)實(shí)際跟蹤軌跡。 Kg為跟蹤軌跡在 P點(diǎn)的曲率， Km為目標(biāo)路徑在 P點(diǎn)的曲率， Rm為其曲率半徑， Sm為目標(biāo)路徑曲線的弧長。 a為鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向角，行駛車速為 Vg，車速與軌跡曲線 B相切，其目標(biāo)路徑上 P點(diǎn)投影車速為 Vm。 ? ? ? ? ?δ ?? ?? ?? ?? ?φ ?? ?? ?? ?? ?α? ???? ?φ ?δ? ??β ? φ ? ? φ ?? ???鏟運(yùn)機(jī)軌跡曲線和軌跡參數(shù)定義 鏟運(yùn)機(jī)路徑跟蹤軌跡特性研究 ： （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 （ 1） 投影車速與鏟運(yùn)機(jī)車速的 函數(shù) 關(guān)系 （ 2） 橫向位置偏差與航向角偏差的 函數(shù) 關(guān)系 （ 3） 航向角與曲率及車速的 函數(shù) 關(guān)系 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 （ 4） 鏟運(yùn)機(jī)跟蹤軌跡航向角與曲率、轉(zhuǎn)向角、車速的 函數(shù) 關(guān)系 （ 5） 航向角偏差、橫向位置偏差、轉(zhuǎn)向角、目標(biāo)路徑曲率、車速、鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的 函數(shù) 關(guān)系 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 （ 6） 地下鏟運(yùn)機(jī)跟蹤軌跡推算模型 ： 上述 鏟運(yùn)機(jī)路徑跟蹤軌跡特性研究 ，揭示 出軌跡偏差與車輛結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向角速率、車速、路徑曲率的函數(shù) 關(guān)系（微分方程組）， 為地下鏟運(yùn)機(jī)導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì) 提供了理論依據(jù) 。 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 自主鏟運(yùn)機(jī)導(dǎo)航控制器的 構(gòu)建： （ 1） 絕對定位和相對定位相結(jié)合的導(dǎo)航控 制方法 1） 在絕對定位中利用激光雷達(dá)掃描安放在巷道壁已知位置的信標(biāo)，來感知外部環(huán)境信息，進(jìn)行準(zhǔn)確位置識別和計(jì)算，并給出相對定位所需要的初始位置偏差和初始航向角偏差，消除相對定位過程中航位推 算 產(chǎn)生的累積誤差，恢復(fù)其定位精度。 2） 在相對定位中應(yīng)用轉(zhuǎn)角傳感器、陀螺儀、里程計(jì)對鏟運(yùn)機(jī)的位姿進(jìn)行測量，由導(dǎo)航控制器 推 算出跟蹤軌跡與目標(biāo)路徑的偏差來進(jìn)行導(dǎo)航控制。 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 每隔一定距離在巷道壁已知位置安放信標(biāo)（絕對定位），來提供準(zhǔn)確的定位測量數(shù)據(jù)，消除相對定位（軌跡推算）過程中的累積誤差，特別是在一些關(guān)鍵地點(diǎn) （節(jié)點(diǎn)） ，如轉(zhuǎn)彎處、避障處、起點(diǎn)、終點(diǎn)等，更是需要信標(biāo)的準(zhǔn)確定位數(shù)據(jù)。 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 （ 2） 導(dǎo)航控制器多偏差融合反饋 借鑒人類在處理跟蹤問題的智慧及路徑跟蹤軌跡特性研究成果，將導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)成三偏差融合反饋的導(dǎo)航控制器，其中三偏差融合反饋計(jì)算公式為 ： 多 偏差融合反饋形成三種 反饋 控制作用的相互制約，避免了單一反饋控制的局限性，使得導(dǎo)航控制具有預(yù)測性和前瞻性，通過改變 反饋系數(shù) ，可以改變?nèi)?xiàng)偏差在反饋中的權(quán)重，方便地調(diào)節(jié)導(dǎo)航控制系統(tǒng)總的響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)快速與穩(wěn)定的均衡。 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 （ 3） 地下鏟運(yùn)機(jī)多偏差導(dǎo)航控制器結(jié)構(gòu)框圖 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 地下鏟運(yùn)機(jī) PID多偏差導(dǎo)航控制器的算法框圖 （二）、地下采礦設(shè)備自主定位及導(dǎo)航技術(shù)研究 PI