【文章內容簡介】 ????????????需要實時測量鏟運機的航向角和行駛速度 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 實時速度：里程計和慣性導航單元融合確定 實時航向角：陀螺儀直接測量 航跡推算法定位： 依據(jù)編碼信標識別的位置修正，利用激光掃描測量系統(tǒng)掃描條碼信標，得出絕對位置信息。 航跡推算法定位修正： 光點掃描光模擬電信號整形為矩形脈沖電信號（數(shù)字信號）信標工作原理及實物 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 激光掃描器 編碼 信標 側壁開 始識 別 特 征 點掃 描 點 二 值 化特 征 點 歸 類計 算 距 離標 志 位與 模 板 匹 配距 離 匹 配T r u eFalse識 別 結 束信標安裝示意 編碼信標識別流程圖 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 姿態(tài)確定技術： 轉向角： 鏟運機采用鉸接車架液壓動力轉向，轉向時，根據(jù)活塞桿的相對位移來確定轉向夾角，活塞桿的相對位移大小和車體轉向角度一一對應?？梢詫⑥D向角的測量轉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向角大小。 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 姿態(tài)確定技術： 偏離角：前進方向和巷道中軸線夾角 四個頂點： A,B,C,D 四測距儀： 1,2,3,4 頂點距離： S1,S2,S3,S4 定位中心點： 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）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 自主導航技術研究： 地下無軌采礦設備為了適應井下低矮、狹窄、多彎巷道環(huán)境，將車身設計成低矮、細長、鉸接式車體結構。地下 2立方鏟運機的長度一般為 7米，寬度 ，高 ，鏟運機車身兩側外廓與巷道壁的距離一般僅為 ，這么長的車體要在狹窄、多彎的巷道內行駛，其難度是可想而知的，即使是經(jīng)過培訓的鏟運機司機，駕駛鏟運機時刮蹭巷道壁也時有發(fā)生。因此， 對地下采礦設備自主導航技術 需要進行深入研究。 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 自主導航控制器的設計構想： 決定鏟運機軌跡的最重要控制輸入變量為轉向角和轉向角的變化 速 率。在一定車速下對轉向角和轉向角變化率的控制即是對鏟運機軌跡的控制。而對轉向角和轉向角變化率的控制依據(jù)，應該包含鏟運機當前的橫向位置偏差、航向角偏差、航向角變化率偏差、車速及車體結構參數(shù)，由這些變量按照上述規(guī)律組合在一起，來決定轉向角的控制規(guī)律。 下面對這種控制規(guī)律進行分析研究。然后 構建出 用來導航地下鏟運機 的 導航控制器 。 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 以巷道內路面為坐標平面建立 XY坐標系 , P來代表鏟運機的位置 ,曲線 A為預先規(guī)劃好的目標路徑，曲線 B為鏟運機實際跟蹤軌跡。 Kg為跟蹤軌跡在 P點的曲率， Km為目標路徑在 P點的曲率， Rm為其曲率半徑， Sm為目標路徑曲線的弧長。 a為鏟運機轉向角，行駛車速為 Vg，車速與軌跡曲線 B相切，其目標路徑上 P點投影車速為 Vm。 ? ? ? ? ?δ ?? ?? ?? ?? ?φ ?? ?? ?? ?? ?α? ???? ?φ ?δ? ??β ? φ ? ? φ ?? ???鏟運機軌跡曲線和軌跡參數(shù)定義 鏟運機路徑跟蹤軌跡特性研究 ： （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 （ 1） 投影車速與鏟運機車速的 函數(shù) 關系 （ 2） 橫向位置偏差與航向角偏差的 函數(shù) 關系 （ 3） 航向角與曲率及車速的 函數(shù) 關系 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 （ 4） 鏟運機跟蹤軌跡航向角與曲率、轉向角、車速的 函數(shù) 關系 （ 5） 航向角偏差、橫向位置偏差、轉向角、目標路徑曲率、車速、鏟運機結構參數(shù)之間的 函數(shù) 關系 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 （ 6） 地下鏟運機跟蹤軌跡推算模型 ： 上述 鏟運機路徑跟蹤軌跡特性研究 ，揭示 出軌跡偏差與車輛結構尺寸、轉向角、轉向角速率、車速、路徑曲率的函數(shù) 關系（微分方程組）， 為地下鏟運機導航控制器設計 提供了理論依據(jù) 。 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 自主鏟運機導航控制器的 構建： （ 1） 絕對定位和相對定位相結合的導航控 制方法 1） 在絕對定位中利用激光雷達掃描安放在巷道壁已知位置的信標，來感知外部環(huán)境信息，進行準確位置識別和計算，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 產生的累積誤差，恢復其定位精度。 2） 在相對定位中應用轉角傳感器、陀螺儀、里程計對鏟運機的位姿進行測量，由導航控制器 推 算出跟蹤軌跡與目標路徑的偏差來進行導航控制。 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 每隔一定距離在巷道壁已知位置安放信標（絕對定位），來提供準確的定位測量數(shù)據(jù)，消除相對定位（軌跡推算）過程中的累積誤差，特別是在一些關鍵地點 （節(jié)點） ，如轉彎處、避障處、起點、終點等，更是需要信標的準確定位數(shù)據(jù)。 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 （ 2） 導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，將導航控制器設計成三偏差融合反饋的導航控制器，其中三偏差融合反饋計算公式為 ： 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，使得導航控制具有預測性和前瞻性，通過改變 反饋系數(shù) ，可以改變三項偏差在反饋中的權重，方便地調節(jié)導航控制系統(tǒng)總的響應特性，實現(xiàn)快速與穩(wěn)定的均衡。 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 （ 3） 地下鏟運機多偏差導航控制器結構框圖 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 地下鏟運機 PID多偏差導航控制器的算法框圖 （二）、地下采礦設備自主定位及導航技術研究 PI