[发明专利]地下铲运机自主行驶和避障运动控制及目标路径规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自主行驶和避障控制技术，尤其涉及一种地下铲运机自主行驶和避障运动控制及目标路径规划方法。

背景技术

随着现有矿产资源逐步全面转入地下开采，并向深部和难采矿体发展，开采规模逐渐增大，采矿条件愈来愈恶劣，对人的安全威胁也愈来愈大，遥控采矿技术应运而生。地下铲运机是地下无轨采矿的关键设备，实现地下铲运机在井下巷道内无人操纵、自主行驶，可使操作人员远离井下恶劣、危险的工作环境，保护铲运机司机人员安全、提高采矿作业效率并降低采矿成本。地下铲运机自主行驶首先要解决自身在巷道内的自主行驶及避障运动控制问题及目标路径规划问题。

地下铲运机自主行驶研究在国内刚刚起步，国外在此方面已有较多的研究。如澳大利亚彼得里德利对铲运机运动轨迹和轨迹控制进行了研究，构建了自主铲运机自主行驶控制模型，该自主行驶控制模型在小曲率路径跟踪时误差较小，但在目标路径曲率较大时，跟踪误差较大，不能满足控制精度要求。美国丰约翰对轮式机器人路径跟踪问题进行了研究，但将目标路径局限于直线段和圆弧段，让轮式机器人跟踪每一个直线段或圆弧段，给出跟踪直线段或圆弧段的计算办法，该方法不能对其他形状曲线路径进行跟踪计算，同时该研究也未涉及铰接车辆情况，故无法应用于地下铲运机。北京矿冶研究总院发明了一种基于车辆轨迹精确推算模型的地下铲运机自主行驶控制方法，可较精确计算出铲运机的跟踪轨迹与目标路径之间存在的偏差值，构成综合偏差来控制铲运机转向并跟踪目标路径，该方法没有考虑避障运动控制问题，另外，当跟踪偏差较大时，控制系统的稳定性和控制精度会受到较大影响。所以，需要进一步研究解决地下铲运机在较大偏差情况下，自主行驶控制器的稳定性问题，并提高自主行驶控制精度。

避障运动控制是地下智能铲运机一项必不可少的功能。现有避障技术是用几段圆弧线组成的局部避障目标路径，并与其他目标路径相连接，形成一条连续的目标路径，这样做在理论上是可行的，但在实际应用时会很复杂，比如事先要存储大量的目标路径曲率，不同弧线段可能对应几种不同的曲率需要存储，同时还需要存储不同弧线的切换点位置数据，这些情况带来自主行驶避障控制系统数据管理难度大，而且避障目标路径的规划也很复杂，需要大量计算工作，实际避障控制时需要准确找到不同弧线的切换点，否则会严重影响避障控制效果，所以该方法应用时也很不方便；

另外，在铲运机铲装矿石出矿过程中，除了在巷道中心线位置铲装料堆中部的矿石外，铲运机还需要偏左或偏右不断变换位置去铲装料堆左右两边的矿石，通常每铲运一次，换一个铲取位置，这样铲取效率才高。要规划出每一条偏离巷道主目标路径的路径数据量较大，也比较麻烦；

为了降低井下巷道开拓成本，井下巷道的形状和尺寸一般允许有一定程度的不规则情况存在，这给井下巷道目标路径规划带来困难，并使自主行驶控制器存储目标路径数据量增多，目前也没有解决这一问题的较好方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种方便、灵活、可靠的地下铲运机自主行驶和避障运动控制及目标路径规划方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的地下铲运机自主行驶和避障运动控制及目标路径规划方法，用来控制地下铲运机跟踪规划出的主目标路径和局部避障目标路径，其特征在于，该方法包括以下主要步骤：

A、根据地下巷道情况进行地下铲运机主目标路径和局部避障目标路径规划，在地下铲运机主目标路径和局部避障目标路径规划完成后，沿主目标路径曲线弧长s_m(k)存储主目标路径曲率K_m(k)系列值，沿主目标路径曲线弧长s_m(k)存储局部避障目标路径的起始点s_mbb(i)和终止点s_mbe(i)及局部避障目标路径相对于主目标路径的横向偏离位移δ_b0(i)，主目标路径和局部避障目标路径保存在自主行驶控制器的存储介质中；

上式中：k＝1，2，3，…；i为局部避障目标路径数量，i＝1，2，3，…；

B、用采样周期T作为测量和控制间隔，当车辆沿主目标路径行驶时，用车辆的定位参考点相对于主目标路径的位置P(s_m(k)，δ(k))和航向角偏差β(k)，及车辆转向角α(k)，来表示车辆的位姿；当车辆沿局部避障目标路径行驶时，仍然使用车辆的定位参考点相对于主目标路径的位置P(s_m(k)，δ(k))和航向角偏差β(k)，及车辆转向角α(k)，来表示车辆的位姿；