一种井下支架搬运机器人自主纠偏控制方法

本发明属于支架搬运机器人运行纠偏，尤其涉及一种井下支架搬运机器人自主纠偏控制方法。

背景技术：

1、煤矿井下支架搬运机器人，是用于综采工作面顺槽超前支护支架的搬运，是煤矿安全高效运输的关键技术装备，但是存在以下问题：煤矿井下作业环境复杂、危险；传统人工操作井下支架搬运机器人搬运效率低，需要两人协作；距离长、施工程序繁琐。

2、为了解决上述问题，便提出了井下支架搬运机器人的无人化自主运行的方案，但是当井下支架搬运机器人在巷道中自主运行时，会出现偏离预设路线的情况。通过对井下支架搬运机器人跑偏问题的研究发现，主要是由于外界因素对井下支架搬运机器人履带产生影响，继而导致井下支架搬运机器人偏离预先设定的路线。

3、上述引起跑偏现象的外界因素主要有三点：1、当井下巷道路面存在倾斜时，井下支架搬运机器人发生偏载会向履带低侧跑偏。2、当井下巷道路面凹凸不平，存在坑洼时，其两侧履带在行驶过程中受力不一致，导致两侧履带速度存在差异，继而引起井下支架搬运机器人跑偏。3、路面粗糙程度不同，路面附着系数不同也会引起井下支架搬运机器人跑偏。

4、因此基于井下支架搬运机器人履带与地面的相互作用机理，研究井下巷道路面对其跑偏的影响，并实现井下支架搬运机器人的自主纠偏控制，保证其按预设路线行走十分关键，为了解决上述问题，亟待需要一种井下支架搬运机器人自主纠偏控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决当井下支架搬运机器人在巷道中自主运行时，会出现偏离预设路线的情况。通过对井下支架搬运机器人跑偏问题的研究发现，主要是由于外界因素对井下支架搬运机器人履带产生影响，继而导致井下支架搬运机器人偏离预先设定的路线的问题，而提出的一种井下支架搬运机器人自主纠偏控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种井下支架搬运机器人自主纠偏控制方法，包括如下步骤：

3、s1、启动车辆；

4、s2、粗略计算坡度及坑洼度对履带的阻力对速度的影响；

5、s3、利用模糊pid控制器对履带液压系统实现控制，继而控制履带速度差，实现纠偏；

6、s4、判断车身与预设路线的偏离程度；

7、s5、测得实际横摆角速度与期望摆角速度(0rad/s)的差值，继而控制履带的速度差实现纠偏的目的；

8、s6、将上述过程中的各类数据进行加密、保存。

9、作为上述技术方案的进一步描述：

10、所述s1中，启动车辆，获取支架搬运机器人横摆角速度ψ。

11、作为上述技术方案的进一步描述：

12、所述s2中，粗略计算坡度及坑洼度对履带的阻力对速度的影响，利用公式f＝ma，对加速度a积分可以估算出速度影响值。

13、作为上述技术方案的进一步描述：

14、所述s3中，利用模糊pid控制器对履带液压系统实现控制，继而控制履带速度差，实现纠偏，其中模糊pid控制原理是利用模糊语言规则和模糊逻辑计算出p，i，d这3个控制参数，使用这3个参数进行pid控制。

15、作为上述技术方案的进一步描述：

16、所述s3中，模糊pid控制的特点是不需要构建精确的数学模型就可达到精确控制的效果，其具体的过程为：

17、a1、确定模糊语言变量，根据履带行驶速度控制需求选取期望履带速度与实际履带速度之间的偏差e和偏差对时间的变化率ec作为输入变量，pid控制调整量kp，ki和kd作为模糊处理的输出变量，考虑到井下支架搬运机器人的作业工况，本系统e、ec、kp、ki、kd五个变量的模糊论域为{±5，4，3，2，1，0}，模糊集均为{nl，ns，zo，ps，pl}，pid参数整定值kp’＝1，ki’＝4,kd’＝0.001，同时确定kp、ki、kd的比例因子分别为0.1，1，0.001；

18、a2、进行变量模糊化，确定隶属函数能够有效解决模糊控制问题，广泛使用的隶属函数为高斯型和三角形型，针对井下支架搬运机器人履带行走受阻力的作用，实际速度不断变化的特点，更适合选用三角形隶属函数；

19、a3、通过建立的模糊控制规则，生成模糊控制规则曲面；

20、a4、解模糊化，解模糊是通过特定方法对模糊化后的结果求出具体的数值，常用的方法有重心法、最大隶属度法和加权平均法，本次使用重心法求解出模糊后的具体数值，经过重心法解模糊化输出的是各参数的修正值kp,ki,kd还要经过pid控制器对预整定的参数进行调整，最终输出的控制参数，通过测量偏差和偏差变化率数值经求解后得到pid控制参数kp,ki,kd。

21、作为上述技术方案的进一步描述：

22、所述s4中，判断车身与预设路线的偏离程度，即利用陀螺仪传感器测量车身的横摆角速度。

23、作为上述技术方案的进一步描述：

24、所述s4中，横摆角速度是指支架搬运机器人绕垂直轴的偏转程度，可以用来衡量支架搬运机器人运动姿态的变化，当支架搬运机器人左右履带行驶速度在实现期望速度的同步控制中存在偏差时就会产生横摆，支架搬运机器人则会发生跑偏，通过引入横摆角速度控制量来实现纠偏，速度修正控制模块中采用主从控制结构，以右履带的行驶速度为基准，对模糊pid控制器输入期望横摆角速度与实际横摆角速度的偏差与偏差率，将获得的速度修正调节量输入到右履带的液压驱动系统，实现对车辆姿态的及时纠正，支架搬运机器人的期望横摆角速度为0rad/s。

25、作为上述技术方案的进一步描述：

26、所述s5中，测得实际横摆角速度与期望摆角速度(0rad/s)的差值后通过一种控制器实现对履带液压系统的控制，继而控制履带的速度差实现纠偏的目的，整体控制结构上采用并行控制与主从控制相结合，由于两侧液压系统独立驱动履带，互不影响，应用并行控制能更好的实现同步精度，以右侧履带速度为基准，左侧履带引入速度控制器，其工作原理是将期望履带行驶速度值、速度误差估算以及履带实际行驶速度值作比较，通过控制算法确定左右两侧履带速度调节量ve，将其对应的电信号传递到液压系统，进而实现履带行驶速度对期望履带行驶速度的跟随，保证两侧履带速度同步。

27、作为上述技术方案的进一步描述：

28、所述s5中，针对于控制元件等性能无法保证完全一致，以及左右履带液压系统受到作业路面负载力矩干扰不同，造成两侧速度存在一些差别的问题；采用并行控制实现速度跟随的同步过程产生的履带行驶速度差异，采用主从控制，引入速度修正模块，将右履带的行驶速度作为理想输出，而左履带的行驶速度与右履带的行驶速度差产生的横摆角速度作为控制量，当车辆横摆角速度不为0rad/s时，速度修正控制模块开始起作用，通过控制算法确定速度修正量δv修，并作用到左履带的液压系统，使得车辆能及时摆正姿态；两种控制模块用各自的控制方式将输出的控制量协调分配给液压阀控马达调速控制系统，以适应左右履带行驶速度受到作业路面的干扰，从而能准确的控制车辆运动状态，实现支架搬运机器人行走快速纠偏控制。

29、作为上述技术方案的进一步描述：

30、所述s6中，将上述过程中的各类数据进行加密、保存，加密算法采用md5、改进型rsa算法中的一种或多种。

31、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

32、本发明中，该方法采用主从控制的结构，当井下支架搬运机器人发生跑偏时，通过控制井下支架搬运机器人两侧履带的液压系统，实现对井下支架搬运机器人两侧履带的速度差的控制，继而达到纠偏的目的，其中，采用模糊pid控制方法，有效解决了pid控制器在非线性系统中存在抗干扰性差、跟踪速度慢等问题，该模糊pid控制更适用于井下支架搬运机器人行驶速度控制系统，可使其在规定的时间内准确、可靠、稳定地按照期望履带速度行驶。