基于轮廓模型的铲运机转向控制方法、装置及铲运机

技术领域

本发明涉及铲运机控制领域，尤其涉及一种基于轮廓模型的铲运机转向控制方法、装置及铲运机。

背景技术

地下金属矿山无轨装备按工况可大致分为二类，一类以行驶功能为主要工况的装备，如铲运机、地下汽车，另一类以固定机位与未知作业对象交互为主要工况的装备，如凿岩台车、潜孔钻机、掘进台车、装药台车、湿喷台车、锚网台车等。两类设备因其工况条件、作业对象的差异性，其智能化方向有其一致性，也存在研究重心上的差异。

因地下金属矿山无轨装备结构形式基本一致，以铰接式车体为主。与常见民用一体式车体从模型上、控制理论上存在本质差异，此类模型存在转向驱动时不规律滑移、装备姿态不同时其运动模型时变性强、基于安全因素受限空间对驾驶策略影响比重因子大等问题。目前常见民用领域自动驾驶技术与露天矿山装备自动驾驶具有高度一致性，都属于通讯定位条件好、开放空间、一体式驱动模型类控制问题，但在本领域无法适用。

由于铲运机本身结构特点，其动态控制模型为模糊模型，控制过程中存在滑移、转向起始端与负载关联性多变具有较大不确定性、同时对坡度/地面情况有非线性关联性等因素，直接对装备运动模型进行精确控制存在较大不确定性和不可靠性。

因此，如何实现安全、精确控制铲运车的行驶成为了亟待解决的技术问题。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于实现安全、精确控制铲运车的行驶的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于轮廓模型的铲运机转向控制方法，所述基于轮廓模型的铲运机转向控制方法包括以下步骤：

获取铲运机的轮廓信息和行走信息；

根据所述轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差；

若所述位置偏差大于第一预设阈值同时所述方向偏差大于第二预设阈值时，根据所述行走信息判断车体运动方向是否为偏离路径方向；

若判定所述车体运动方向为偏离路径方向时，以预设变大策略调整换向阀开口；

若判定所述车体运动方向为靠近路径方向时，以预设变小策略调整换向阀开口；

若所述位置偏差大于所述第一预设阈值同时所述方向偏差小于或等于所述第二预设阈值或所述位置偏差小于或等于第一预设阈值同时所述方向偏差大于所述第二预设阈值时，以所述预设变小策略调整换向阀开口。

可选的，所述获取铲运机的轮廓信息和行走信息的步骤，包括：

通过读取预存的铲运机基础数据获取铲运机基本信息；

在所述基本信息中确定铲运机轮廓信息；

通过所述铲运机对应的行车记录设备获取行走信息。

可选的，所述根据所述轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差的步骤，包括：

通过预设雷达设备确定所述铲运机的周边距离信息；

根据所述轮廓信息和所述周边距离信息确定位置偏差；

通过预设激光设备信息确定所述铲运机前后信息；

根据所述行走信息和所述铲运机前后信息确定方向偏差。

可选的，所述预设变大策略包括：负角度大或正角度大策略。

可选的，所述预设变小策略包括：负角度中等调节策略、负角度变小策略、正角度变小策略以及正角度变小策略。

可选的，所述以所述预设变小策略调整换向阀开口的步骤之后，还包括：

若所述位置偏差等于所述第一预设阈值同时所述方向等于大于所述第二预设阈值时，保持当前换向阀开口不变。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种基于轮廓模型的铲运机转向控制装置，所述基于轮廓模型的铲运机转向控制装置包括：

信息获取模块，用于获取铲运机的轮廓信息和行走信息；

偏差获取模块，用于根据所述轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差；

第一判断模块，用于若所述位置偏差大于第一预设阈值同时所述方向偏差大于第二预设阈值时，根据所述行走信息判断车体运动方向是否为偏离路径方向；

变大策略模块，用于若判定所述车体运动方向为偏离路径方向时，以预设变大策略调整换向阀开口；

变小策略模块，用于若判定所述车体运动方向为靠近路径方向时，以预设变小策略调整换向阀开口；

第二判断模块，用于若所述位置偏差大于所述第一预设阈值同时所述方向偏差小于或等于所述第二预设阈值或所述位置偏差小于或等于第一预设阈值同时所述方向偏差大于所述第二预设阈值时，以所述预设变小策略调整换向阀开口。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种铲运机，所述铲运机包括：存储器、处理器，所述处理器在运行所述存储器存储的计算机指令时，执行如上文所述的方法。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种介质，包括指令，当所述指令在铲运机上运行时，使得铲运机执行如上文所述的方法。

本发明通过获取铲运机的轮廓信息和行走信息；根据轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差；若所述位置偏差大于第一预设阈值同时所述方向偏差大于第二预设阈值时，根据行走信息判断车体运动方向是否为偏离路径方向；若是，以预设变大策略调整换向阀开口；若否，以预设变小策略调整换向阀开口；若位置偏差大于第一预设阈值同时方向偏差小于或等于第二预设阈值或位置偏差小于或等于第一预设阈值同时方向偏差大于第二预设阈值时，以预设变小策略调整换向阀开口。采用铲运机轮廓模型，通过设定基于装备外形尺寸和防碰撞原则的类模糊模型，可以在保障装备安全的前提下，利用转向PID控制算法与装备运行速度匹配，达到安全驾驶的目的。

附图说明

图1是本申请实施例方案涉及的硬件运行环境的铲运机结构示意图；

图2是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的流程示意图；

图3是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的铲运机轮廓模型示意图；

图4是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的位置偏差隶属度函数示意图；

图5是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的角度偏差隶属度函数示意图；

图6是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的输出变量隶属度函数示意图；

图7是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的模糊控制器非线性控制曲面示意图；

图8是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的角度偏差(di)图；

图9是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的位置偏差(dis)图；

图10是本申请基于轮廓模型的铲运机转向控制装置第一实施例的结构框图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的铲运机结构示意图。

如图1所示，铲运机可以包括：处理器1001，例如中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(Wireless-Fidelity，Wi-Fi)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以是稳定的非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对铲运机的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及基于轮廓模型的铲运机转向控制程序。

在图1所示的铲运机中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明铲运机中的处理器1001、存储器1005可以设置铲运机中，所述铲运机通过处理器1001调用存储器1005中存储的基于轮廓模型的铲运机转向控制程序，并执行本发明实施例提供的基于轮廓模型的铲运机转向控制方法。

本发明实施例提供了一种基于轮廓模型的铲运机转向控制方法，参照图2，图2为本发明基于轮廓模型的铲运机转向控制方法第一实施例的流程示意图。

本实施例中，所述基于轮廓模型的铲运机转向控制方法包括以下步骤：

步骤S10：获取铲运机的轮廓信息和行走信息。

需要说明的是，铰接车的动力学方程比较复杂，而且方程中的许多参数比较难以获得。因此，采用传统的控制系统的设计方法难以设计出铰接车自动行走控制系统。且该模型控制难度和控制精度因装备一致性而有一定差异性，利用该模型对铲运机动态进行精确控制存在较大不确定性。因此需要调整对铲运机动态模型控制方式转变。结合铲运机运行特点和实际生产需求，采用铲运机轮廓模型，通过设定基于装备外形尺寸和防碰撞原则的类模糊模型，同样可以在保障装备安全的前提下，利用转向PID控制算法与装备运行速度匹配，达到安全驾驶的目的。

进一步的，为了实现轮廓信息和行走信息的获取，获取铲运机的轮廓信息和行走信息的步骤，包括：通过读取预存的铲运机基础数据获取铲运机基本信息；在基本信息中确定铲运机轮廓信息；通过铲运机对应的行车记录设备获取行走信息。

步骤S20：根据轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差。

进一步的，为了获取位置偏差和方向偏差，根据所述轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差的步骤，包括：通过预设雷达设备确定铲运机的周边距离信息；根据轮廓信息和所述周边距离信息确定位置偏差；通过预设激光设备信息确定所述铲运机前后信息；根据行走信息和所述铲运机前后信息确定方向偏差。

可以理解的是，铲运机轮廓模型示意图如图3所示。基于铲运机外形尺寸和铲运机行走路线转弯半径设计原则，铲运机根据毫米波雷达检测与双侧巷道壁距离，由车载边缘计算器根据车辆轮廓进行车辆转向角度调整，使之满足装备直行/转弯需求。由激光扫描仪对前后双向巷道探测，指导入弯角度姿态调整。

步骤S30：若位置偏差大于第一预设阈值同时方向偏差大于第二预设阈值时，根据行走信息判断车体运动方向是否为偏离路径方向。

步骤S40：若判定车体运动方向为偏离路径方向时，以预设变大策略调整换向阀开口。

需要说明的是，所述预设变大策略包括：负角度大或正角度大策略。

在具体实施中，初始论域模糊控制规则如下：若位置偏差和方向偏差均较大，且车体运动方向为偏离路径方向，则换向阀开口很大，以使车体快速转向返回预定路径；若位置偏差和方向偏差均较大，且车体运动方向为靠近路径方向，则换向阀开口较小，以使车体较快转向返回预定路径；若位置偏差较小而方向偏差均较大，或者，位置偏差较大而方向偏差均较小，则换向阀开口较小或中等大小；换向阀的正负由位置偏差与方向偏差符号决定。

步骤S50：若判定车体运动方向为靠近路径方向时，以预设变小策略调整换向阀开口。

需要说明的是，所述预设变小策略包括：负角度中等调节策略、负角度变小策略、正角度变小策略以及正角度变小策略。

步骤S60：若位置偏差大于所述第一预设阈值同时方向偏差小于或等于第二预设阈值或位置偏差小于或等于第一预设阈值同时方向偏差大于第二预设阈值时，以预设变小策略调整换向阀开口。

在具体实施中，根据轮廓模型和铲运机行走特点，本方案对基于轮廓模型的行走间转向PID控制算法进行了仿真，用于指导应用测试过程中的PID参数调整策略。

1.转向液压系统仿真模型

采用simulink/simHydraulic模块建立液压转向系统的仿真模型：

2.联合仿真模型的建立

基于simulink平台，将LMS Virtual Lab motion文件以cosim形式导入simulink，进行联合仿真。从Motion中输出左、右液压油缸活塞的运动速度Ldistd，Rdistd给液压系统。从液压系统中输出左、右液压油缸活塞的力给motion动力学模型。从motion中输出小车最前端中点和铰接点的即时坐标给误差计算子程序。偏差计算子程序计算出角度偏差di和距离偏差dis。

将角度偏差di和距离偏差dis输出给模糊逻辑控制器进行计算，计算出即时的比例换向液压阀的控制参数xv，再将xv导入PID控制器，经PID控制器调节后的xv值导入液压仿真系统，从而实现铰接车转向的闭环控制。仿真计算中PID取P＝1，I＝0，D＝1，实验时PID控制器的参数需要现场调节。换向阀开口X值与位置偏差和角度偏差的控制规则见表1所示：

表1换向阀开口X值模糊规则推理表

表中，NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

在具体实施中，设初始论域模糊控制方位角偏差的初始论域为[-90,90]，单位为度。位置偏差的初始论域为[-5000,5000]，单位为毫米。比例换向阀阀芯位置的初始论域为[-1,1]，1表示阀芯移动至最左端，-1表示阀芯移动至最右端，0表示阀芯处于中位。隶属函数在左右两端采用trapmf函数形式，其余的采用gaussmf函数形式。位置偏差的初始量化因子为200，角度偏差的初始量化因子为5，得到各个变量的隶属度函数如图4位置偏差隶属度函数、图5角度偏差隶属度函数、图6输出变量隶属度函数以及图7模糊控制器非线性控制曲面。

进一步的，为了实现方案的完整性，以预设变小策略调整换向阀开口的步骤之后，还包括：若位置偏差等于所述第一预设阈值同时方向等于大于所述第二预设阈值时，保持当前换向阀开口不变。

在具体实施中，由于是采用模糊PID控制算法，所以控制效果不能用经典的控制标准来判断。可通过角度偏差di和位置偏差dis的即时曲线进行判定。如图8所示的角度偏差(di)图和图9所示的位置偏差(dis)图。

由仿真结果可以看出，该模糊PID控制系统运行稳定，角度稳态误差控制在(-0.5,0.5)度，位置稳态误差控制在(-50,50)mm。图8中较大稳态误差出现在拐角处。这是因为程序中路径转角处的坐标仅仅只给一个坐标点，而实际车辆行走是以弧线形式行走的，可以将拐角处的路径离散成多个坐标点，仿真结果的误差就会减小至正常范围。

基于仿真结果和前期项目研究PID控制效果，本方案采用基于轮廓模型的动态PID调整方式，由低速PID入弯参数逐步过度到高速PID入弯参数调整，保障装备安全的前提下，尽可能提高无人驾驶运行速度。

基于超前探测和安全避障原则的铲运机姿态调整算法。根据前述研究成果，在升级前序项目研究成果硬件基础上，将超声测距雷达升级为响应速度更快的毫米波雷达，提高激光扫描仪数据利用深度，由避障测量升级为平差测距。利用激光扫描仪测距长的特点，由激光扫描仪通过对行进方向超前探测，进行入弯判别。利用由毫米波雷达对对象不平度不敏感的特质，对装备轮廓与巷道间距进行探测，指导转向角度。

本实施例通过获取铲运机的轮廓信息和行走信息；根据轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差；若所述位置偏差大于第一预设阈值同时所述方向偏差大于第二预设阈值时，根据行走信息判断车体运动方向是否为偏离路径方向；若是，以预设变大策略调整换向阀开口；若否，以预设变小策略调整换向阀开口；若位置偏差大于第一预设阈值同时方向偏差小于或等于第二预设阈值或位置偏差小于或等于第一预设阈值同时方向偏差大于第二预设阈值时，以预设变小策略调整换向阀开口。采用铲运机轮廓模型，通过设定基于装备外形尺寸和防碰撞原则的类模糊模型，可以在保障装备安全的前提下，利用转向PID控制算法与装备运行速度匹配，达到安全驾驶的目的。

此外，本发明实施例还提出一种介质，所述存储介质上存储有基于轮廓模型的铲运机转向控制的程序，所述基于轮廓模型的铲运机转向控制的程序被处理器执行时实现如上文所述的基于轮廓模型的铲运机转向控制的方法的步骤。

参照图10，图10为本发明基于轮廓模型的铲运机转向控制装置第一实施例的结构框图。

如图10所示，本发明实施例提出的基于轮廓模型的铲运机转向控制装置包括：

信息获取模块10，用于获取铲运机的轮廓信息和行走信息；

偏差获取模块20，用于根据所述轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差；

第一判断模块30，用于若所述位置偏差大于第一预设阈值同时所述方向偏差大于第二预设阈值时，根据所述行走信息判断车体运动方向是否为偏离路径方向；

变大策略模块40，用于若判定所述车体运动方向为偏离路径方向时，以预设变大策略调整换向阀开口；

变小策略模块50，用于若判定所述车体运动方向为靠近路径方向时，以预设变小策略调整换向阀开口；

第二判断模块60，用于若所述位置偏差大于所述第一预设阈值同时所述方向偏差小于或等于所述第二预设阈值或所述位置偏差小于或等于第一预设阈值同时所述方向偏差大于所述第二预设阈值时，以所述预设变小策略调整换向阀开口。

本实施例通过获取铲运机的轮廓信息和行走信息；根据轮廓信息和行走信息确定位置偏差和方向偏差；若所述位置偏差大于第一预设阈值同时所述方向偏差大于第二预设阈值时，根据行走信息判断车体运动方向是否为偏离路径方向；若是，以预设变大策略调整换向阀开口；若否，以预设变小策略调整换向阀开口；若位置偏差大于第一预设阈值同时方向偏差小于或等于第二预设阈值或位置偏差小于或等于第一预设阈值同时方向偏差大于第二预设阈值时，以预设变小策略调整换向阀开口。采用铲运机轮廓模型，通过设定基于装备外形尺寸和防碰撞原则的类模糊模型，可以在保障装备安全的前提下，利用转向PID控制算法与装备运行速度匹配，达到安全驾驶的目的。

应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。

另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的基于轮廓模型的铲运机转向控制方法，此处不再赘述。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器(Read Only Memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。