陳永峰 韋建龍

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道裝備制造學(xué)院,陜西 渭南 714000;2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出,到2025年大型煤礦要基本實現(xiàn)智能化,井下重點崗位機器人作業(yè),實現(xiàn)智能連續(xù)作業(yè)和無人化運輸[1]。目前煤礦井下輔運設(shè)備還停留在人工感知操作階段,靠人的感覺、經(jīng)驗和技術(shù)來操作運輸設(shè)備大大影響了煤礦機械技術(shù)的發(fā)展[2-3]。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜,長時間繁重、復(fù)雜的操作勞動易造成駕駛?cè)藛T疲勞,從而發(fā)生碰撞及側(cè)翻事故,對駕駛?cè)藛T、設(shè)備造成重大傷害,對作業(yè)人員的安全保障形成巨大挑戰(zhàn),因此亟需高效、安全、智能的輔助運輸方案。煤礦輔運車輛運行路線相對固定、運行道路封閉,為無人駕駛技術(shù)提供了有利的實施空間[4-5]。研發(fā)適應(yīng)性好、越障能力強,具有良好控制能力和信息處理能力,并能實現(xiàn)自動駕駛功能的煤礦輔運車輛,對于現(xiàn)代化煤礦實現(xiàn)安全高效綠色開采具有良好的促進作用[6-8]。

煤礦輔助運輸要實現(xiàn)智能化、無人化、機器人化,輔運設(shè)備必須具有信息監(jiān)測和自主處理能力,從而實現(xiàn)自動駕駛、路徑循跡等功能。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)作為車輛自動駕駛的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù),其控制精確性直接決定著車輛自動駕駛的整體性能。20世紀60年代末,奔馳公司已開始對轎車前輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了研究,并進行了F400Carving車型應(yīng)用驗證;博世公司就線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性及可靠性進行了論證[9-10];國內(nèi)同濟大學(xué)提出四輪驅(qū)動電動車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案并設(shè)計出國內(nèi)首輛四輪微型概念車“春暉3號”[11];武漢理工大學(xué)及中國科學(xué)院合肥智能機械研究所都對電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略技術(shù)進行了深入研究;工程機械巨頭卡特彼勒提出了露天礦卡無人駕駛方案并推出了相關(guān)產(chǎn)品;吉林大學(xué)王同建博士團隊對裝載機線控轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用方面進行了深入研究,并在控制算法、容錯方法等方面取得了一定的進展[12]。然而,上述研究都是針對地面轎車或地面工程機械,煤礦井下地形復(fù)雜、障礙多、坡陡彎急、行駛空間有限、光線照明差,煤壁、粉塵在一定程度上會吸收激光雷達波,導(dǎo)致信號減弱從而使得設(shè)備對周圍工況檢測的準確性大打折扣。因此煤礦井下輔運設(shè)備對指令信號后處理的響應(yīng)性、反應(yīng)靈敏度等方面都要高于地面車輛,為提高系統(tǒng)響應(yīng)性和改善系統(tǒng)精準控制性能,本研究建立了礦用輔運車輛自動駕駛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,設(shè)計了基于PID的閉環(huán)控制器,實現(xiàn)了PID參數(shù)在線整定,并對自動駕駛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了仿真驗證。

1 輔運車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

以某礦用防爆輔運車輛為基礎(chǔ),設(shè)計了一套自動駕駛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steer-by-Wire System for Automatic Driving,SWAD),系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向液壓泵、安全閥、液壓轉(zhuǎn)向器、電磁閥組、轉(zhuǎn)向電機、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)、角度傳感器、轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器及液壓油箱等元件組成。礦用防爆輔運車輛SWAD結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦用防爆輔運車輛SWAD結(jié)構(gòu)Fig.1 Mine explosion-proof auxiliary transport vehicle SWAD

轉(zhuǎn)向油缸的一端固定在機架大梁上方,另一端與轉(zhuǎn)向機構(gòu)鉸接(圖2);液壓泵、安全閥、電磁閥組、轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向電機采用模塊化集成式設(shè)計,通過安裝閥塊固定在液壓油箱上,轉(zhuǎn)向電機通過聯(lián)軸塊與液壓轉(zhuǎn)向器直連,液壓油箱整體固定在機架前方;轉(zhuǎn)向控制器和轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器分別固定在機架前方液壓油箱兩側(cè),既使得空間利用最大化又縮短了控制器與驅(qū)動器、轉(zhuǎn)向電機之間的距離,減少了線路分布。

圖2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.2 Steering mechanism structure

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

SWAD系統(tǒng)根據(jù)功能結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)、液壓動力系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。執(zhí)行機構(gòu)由轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向連桿機構(gòu)以及輪胎構(gòu)成,轉(zhuǎn)向油缸活塞桿與轉(zhuǎn)向連桿機構(gòu)連接,缸筒固定連接在機架上,通過轉(zhuǎn)向器控制轉(zhuǎn)向油缸動作推動執(zhí)行機構(gòu)旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)輔運車輛轉(zhuǎn)向。選擇變量液壓泵作為動力源,為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動力,基于負載反饋控制機理并根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力提供匹配的壓力、流量輸出,優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)能效果[13-14],安全閥用于限定系統(tǒng)最大壓力防止系統(tǒng)沖擊造成元件損壞。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是自動駕駛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心,主要由轉(zhuǎn)向控制器、電磁閥組、電機驅(qū)動器、轉(zhuǎn)向電機、液壓轉(zhuǎn)向器、角度傳感器和CAN通信系統(tǒng)組成,主要作用是接收上位機轉(zhuǎn)向指令信號并將信號發(fā)送給驅(qū)動器控制轉(zhuǎn)向電機實施上位機轉(zhuǎn)向指令,同時通過轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)上的角度傳感器采集實際轉(zhuǎn)向角度即反饋信號,控制器計算目標(biāo)轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角的偏差值,以該偏差值為輸入值,PID控制器進行計算輸出,控制轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動液壓轉(zhuǎn)向器進行轉(zhuǎn)向修正,從而完成轉(zhuǎn)向,實現(xiàn)對自動駕駛的精準控制[15-16]。自動駕駛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動駕駛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of the structure of automatic steer-by-wire system

2 SWAD控制程序設(shè)計

2.1 關(guān)鍵參數(shù)分析

礦用輔運車輛要準確、穩(wěn)定、快速地實現(xiàn)轉(zhuǎn)向必須具備兩個基本功能:① 輔運車輛在限定路徑循跡行駛過程中,根據(jù)實際路況對其可能的轉(zhuǎn)向方向和轉(zhuǎn)向角度做出正確判斷,即轉(zhuǎn)向控制器必須根據(jù)上位機的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)向目標(biāo)指令信號精準控制轉(zhuǎn)向輪向預(yù)設(shè)方向轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)輔運車輛的轉(zhuǎn)向方向控制;② 適宜的轉(zhuǎn)向速度控制,即根據(jù)輔運車輛實際運行的不同轉(zhuǎn)向條件設(shè)定合理的轉(zhuǎn)向速度值。如行駛速度相同時,小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向速度快,大轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向速度慢;轉(zhuǎn)彎半徑相同時,不同的行駛速度需要的轉(zhuǎn)向時間也不相同。因此,SWAD系統(tǒng)必須兼顧輔運車輛轉(zhuǎn)向方向、角度和轉(zhuǎn)向速度的聯(lián)合控制,才能真正意義上實現(xiàn)輔運車輛自動駕駛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精準控制。

2.2 工作原理

SWAD控制系統(tǒng)采用典型閉環(huán)控制系統(tǒng),系統(tǒng)控制系統(tǒng)框架如圖4所示。上位機通過CAN總線將目標(biāo)轉(zhuǎn)角信號輸入微控制器,控制器根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)角信號向轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號u(t),驅(qū)動器接收到信號后驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機動作,同時電磁閥組得電接通,轉(zhuǎn)向器向轉(zhuǎn)向油缸輸出與目標(biāo)轉(zhuǎn)角相應(yīng)的流量控制油缸動作,完成輔運車輛轉(zhuǎn)向輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角輸出。同時輔運車輛實際轉(zhuǎn)角測量裝置的角度位移傳感器檢測輔運車輛的實際轉(zhuǎn)角信號,并通過模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊將轉(zhuǎn)換信號發(fā)送給微控制器,形成閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號,控制器進行目標(biāo)轉(zhuǎn)角r(θ)和實際轉(zhuǎn)角y(θ)偏差運算得出轉(zhuǎn)角偏差e(θ)信號值[17]。PID控制算法根據(jù)偏差信號值計算得到轉(zhuǎn)向電機控制脈沖信號,轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器根據(jù)信號控制轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)速,進而驅(qū)動液壓轉(zhuǎn)向器動作,實現(xiàn)輔運車輛轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向方向、速度及角度控制。偏差信號的正負決定了轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)動方向,偏差信號大小決定轉(zhuǎn)向角度和速度大小,通過偏差信號控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速來減小偏差值,不斷重復(fù)上述糾偏過程,最終使得偏差值小于系統(tǒng)控制精度誤差設(shè)定值,完成輔運車輛平穩(wěn)、快速地跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)角,實現(xiàn)輔運車輛自動駕駛精準轉(zhuǎn)向控制。

圖4 SWAD控制系統(tǒng)框架Fig.4 Framework of SWAD control system

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理,輔運車輛同軸內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角一定不相等[18],因此輔運車輛轉(zhuǎn)向油缸采用雙作用單桿形式,利用轉(zhuǎn)向油缸有桿腔和無桿腔有效作用面積的差異,實現(xiàn)在相同供油量情況下,轉(zhuǎn)向油缸活塞桿不同的運動速度和運動位移輸出。輔運車輛實際轉(zhuǎn)向時,一側(cè)轉(zhuǎn)向油缸有桿腔進油而另一側(cè)轉(zhuǎn)向油缸無桿腔進油。在相同偏差信號輸入情況下,確保兩側(cè)轉(zhuǎn)向油缸不同的輸出來滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理,防止輔運車輛兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)向時發(fā)生既有滾動,又有滑動,增加轉(zhuǎn)向阻力,導(dǎo)致轉(zhuǎn)向困難,輪胎磨損嚴重。由以上分析可推導(dǎo)出系統(tǒng)PID控制算法的數(shù)學(xué)表達式為

式中,u(t)為脈沖頻率,Hz;Kp為比例系數(shù),Hz/(°);Ti為積分系數(shù),s;Td為微分系數(shù),s;e(t)為t時刻目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差,(°)。

結(jié)合全液壓轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向電機參數(shù),將上式計算所得的脈沖頻率轉(zhuǎn)化為周期信號,從而對轉(zhuǎn)向電機進行控制。

2.3 PID控制程序流程

PID控制器分為比例、積分、微分3個環(huán)節(jié),實際操作中通過調(diào)節(jié)Kp、Ti、Td這3個系數(shù)來實現(xiàn)被控對象的最優(yōu)控制[19]。SSAD系統(tǒng)的PID控制程序的運行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)PID控制程序流程Fig.5 Operation flow of the PID control program of the system

3 SWAD系統(tǒng)臺架試驗

3.1 PID轉(zhuǎn)角偏差控制系統(tǒng)

礦用輔運車輛SWAD系統(tǒng)是針對煤礦井下輔運設(shè)備設(shè)計研發(fā),是基于某礦用重型支架輔運車輛為模型進行搭建。根據(jù)輔運車輛實際參數(shù)按比例縮放的裝配實體如圖6所示。該型車輛采用多輪多軸轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)直行、斜行、多角度轉(zhuǎn)向、原地掉頭等多種行駛模式。

圖6 輔運車輛比例縮放實體Fig.6 Assisted robot scaling entity

系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用四油缸連桿機構(gòu)(圖7),每根轉(zhuǎn)向油缸單獨控制1個車輪進行轉(zhuǎn)向,通過控制器(圖8)實現(xiàn)各個轉(zhuǎn)向油缸不同的輸入,從而控制單個車輪偏轉(zhuǎn)不同的轉(zhuǎn)向角度,實現(xiàn)輔運車輛多模式行駛。

圖7 轉(zhuǎn)向連桿機構(gòu)Fig.7 Steering link mechanism

圖8 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器Fig.8 Controller of steering system

試驗時選擇在良好的水泥硬化路面進行理想工況下的轉(zhuǎn)向模擬試驗。根據(jù)臨界比例度法計算初選PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)為Kp=72 Hz/(°)、Ti=60 s、Td=15 s,設(shè)定轉(zhuǎn)向區(qū)間角度為5°～30°,測得如圖9所示的SWAD系統(tǒng)跟蹤正弦信號轉(zhuǎn)向曲線。

圖9 系統(tǒng)正弦跟蹤曲線Fig.9 System sinusoidal tracking curves

由圖9可知:在上述初步確定的調(diào)節(jié)參數(shù)下,系統(tǒng)轉(zhuǎn)向過程中動態(tài)性能較好,能夠?qū)χ噶钚盘栕龀隹焖夙憫?yīng);系統(tǒng)幅值出現(xiàn)一定程度失調(diào),系統(tǒng)穩(wěn)定性有所偏差。

3.2 PI轉(zhuǎn)角偏差控制系統(tǒng)

PID控制系統(tǒng)中比例參數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。積分作用參數(shù)Ti的最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,Ti過小,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度;Ti越大,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快。微分作用參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,其主要作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向變化,對偏差變化進行提前預(yù)報,Td過大,會使響應(yīng)過程提前制動,延長調(diào)節(jié)時間,從而降低系統(tǒng)快速響應(yīng)性能。

從煤礦井下實際運行工況出發(fā)對系統(tǒng)進行分析可知:①由于煤礦井下地形復(fù)雜、障礙多、輔運車輛的實際運行狀況具有多變性,轉(zhuǎn)向角度、方向、轉(zhuǎn)向時間等因素都是不確定的,因此偏差信號也是毫無規(guī)律地隨機變化?？刂破髦形⒎汁h(huán)節(jié)是根據(jù)偏差信號變化趨勢進行超前調(diào)節(jié),因此微分控制對于礦用輔運車輛SSAD轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制作用有限,可考慮去除微分環(huán)節(jié)控制。②為確保安全性,煤礦井下重型輔運車輛在運輸過程中行駛速度較低,因此SWAD系統(tǒng)的響應(yīng)性遠比精確性重要,可在允許誤差范圍內(nèi),確保系統(tǒng)響應(yīng)性能的同時適當(dāng)降低系統(tǒng)精準性能。

根據(jù)上述分析對調(diào)節(jié)參數(shù)取值進行重新設(shè)定,根據(jù)系統(tǒng)曲線圖增大控制系統(tǒng)比例系數(shù)取值,設(shè)定Kp=80 Hz/(°)、Ti=142 s,去除微分環(huán)節(jié),重新進行場地試驗,得到如圖10所示的改進系統(tǒng)正弦信號跟蹤曲線圖。

圖10 改進系統(tǒng)正弦跟蹤曲線Fig.10 Improved system sinusoidal tracking curves

由圖10可知:改進后的PI控制系統(tǒng)在響應(yīng)速度、系統(tǒng)幅值失調(diào)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性偏差等方面都得到了改善,系統(tǒng)輸出性能滿足設(shè)計要求。

搭載改進控制系統(tǒng)的輔運車輛分別在進行左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)試驗過程中,轉(zhuǎn)向油缸行程與轉(zhuǎn)向電機測試數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)向測試曲線Fig.11 Steering test curves

SWAD轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺架試驗證明:參數(shù)改進后,系統(tǒng)消除了震蕩,同時系統(tǒng)響應(yīng)性也得到一定程度的提升,系統(tǒng)轉(zhuǎn)角偏差由3.8°降低至2°,達到預(yù)期目標(biāo),可滿足礦用輔運車輛的實際工況需求。

4 結(jié) 論

(1)研制了一套基于雙液壓缸轉(zhuǎn)向的電液線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),采用了大積分增益的PI控制系統(tǒng),提高了控制系統(tǒng)的魯棒性,系統(tǒng)抗干擾能力強、響應(yīng)快速、超調(diào)量小。

(2)對于礦用重型支架輔運車輛而言,車輛運行路徑相對固定,運行環(huán)境單一,車輛行駛速度緩慢,但路況較差,采用該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單、故障率低,而且系統(tǒng)的大積分增益環(huán)節(jié)可消除坑洼復(fù)雜路況造成的車輛偏差影響,抗干擾強,可為煤礦同類型車輛實現(xiàn)自動駕駛提供技術(shù)參考。

(3)對于行駛速度較慢的礦用重型支架輔運車輛而言,采用PI控制可提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性;但對于車速快、慣性大的設(shè)備,該控制系統(tǒng)存在震蕩環(huán)節(jié)長的局限性,需考慮前饋控制、大滯后控制等其他控制方案。