[发明专利]一种铲运机工作机构的控制方法

说明书

本发明提供一种铲运机工作机构的控制方法，属于矿山铲运作业技术领域。所述方法包括：对铲运机工作机构模型进行简化，建立简化后的铲运机工作机构模型的运动学模型；通过建立的运动学模型，确定预测时域内铲运机工作机构的位姿信息；以最小化控制过程中的路径跟踪偏差和控制输出变化量之和为目标，确定非线性模型预测控制的优化函数，得到铲运机工作机构的最优控制序列，以实现铲运机工作机构的轨迹跟踪控制。采用本发明，能够使得铲运机工作机构准确跟踪给定的铲掘参考轨迹。

技术领域

本发明涉及矿山铲运作业技术领域，特别涉及是指一种铲运机工作机构的控制方法。

背景技术

采矿装备自动化和智能化是地下开采的发展趋势。铲运机是地下采矿的主要设备之一，其作业对象复杂、作业环境多变，使得其工作效率与操作人员的经验、技能水平和工作状态关系密切。其工作机构工况主要有铲掘物料、重载运输和卸料等。目前国内矿山基本还是以传统人工驾驶为主，遥控驾驶为辅。国内矿山自动化建设程度最高的企业中国有色非洲矿业有限责任公司，其位于赞比亚铜带省的东南矿体投入生产所用的铲运机已经能够实现自主运输和卸料，但是铲掘还需人工操作，故自主铲掘为铲运机自动化的发展趋势，对于实现其自动化具有重要的现实和研究意义。而实现自动铲掘关键技术之一是控制铲运机工作机构以高精度来跟踪规划给出目标铲掘轨迹。

现有技术方案中对于工作机构的控制的方法有PID控制法、计算力矩法、滑模控制法和迭代学习控制法等。根据控制变量的不同，可分为直接控制和间接控制，直接控制是对驱动部件的控制，控制液压油杆推杆行程；间接控制是控制零部件上驱动力矩的控制，主要表现为大臂和铲斗驱动力矩的控制。这些方法控制精度低。

发明内容

本发明实施例提供了铲运机工作机构的控制方法，能够使得铲运机工作机构准确跟踪给定的铲掘参考轨迹。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种铲运机工作机构的控制方法，该方法包括：

对铲运机工作机构模型进行简化，建立简化后的铲运机工作机构模型的运动学模型；

通过建立的运动学模型，确定预测时域内铲运机工作机构的位姿信息；

以最小化控制过程中的路径跟踪偏差和控制输出变化量之和为目标，确定非线性模型预测控制的优化函数，得到铲运机工作机构的最优控制序列，以实现铲运机工作机构的轨迹跟踪控制。

进一步地，简化后的铲运机工作机构模型的运动学模型为：

其中，表示铲斗末端沿着x方向的速度；表示铲斗末端沿着y方向的速度；表示铲斗末端的朝向角速度；l₀表示大臂的有效长度；l₁表示铲斗的有效长度；θ₁表示大臂与水平线之间的夹角；θ₂表示铲斗与大臂延长线之间的夹角；表示大臂的角加速度；表示铲斗的角加速度。

进一步地，所述通过建立的运动学模型，确定预测时域内铲运机工作机构的位姿信息包括：

确定所述运动学模型的状态量ξ与控制量u，其中，状态量ξ＝[x y θ_z]^T，x表示铲斗末端x方向的坐标，y表示铲斗末端y方向的坐标，θ_z表示铲斗末端的朝向角，状态量ξ用于体现位姿信息，即：所述位姿信息包括：x、y和θ_z；控制量u用于体现驱动关节角速度信息，即：所述驱动关节角速度信息包括：和上标T表示矩阵转置；

将状态量ξ与控制量u之间的关系描述为其中，表示状态量ξ的微分，表示ξ、u与之间的函数关系；