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原文传递露天矿无人驾驶自卸车横-纵向协同控制方法研究

论文题名：	露天矿无人驾驶自卸车横-纵向协同控制方法研究
关键词：	矿用自卸车;无人驾驶;运动控制;动力学模型
摘要：	近年来，我国煤炭行业正在大力推进煤矿智能化建设。矿用自卸车作为露天煤矿运输系统的主要设备之一，无人驾驶是其智能化发展的必然方向。目前，露天矿自卸车无人驾驶技术已取得了一定研发进展，但整体上仍处于试验研发及试运行阶段，距离大面积落地应用仍有较大差距。由于露天矿道路具有坡道占比大、弯道多、垂直落差大等不同于普通道路的特点，矿用自卸车的结构尺寸及运输工况也明显区别于普通车辆，因此针对结构化道路而设计的无人驾驶车辆运动控制方法难以直接应用到露天矿无人驾驶自卸车，使其成为制约无人驾驶技术在露天矿真正落地应用并大面积推广的关键薄弱环节之一。本文针对露天矿无人驾驶自卸车的横向运动与纵向运动协同控制难题进行理论和试验研究，研究结果对于提高无人驾驶自卸车的横-纵向运动控制性能，促进露天矿无人驾驶技术发展具有重要的理论意义和实用价值。　　首先，通过对露天矿自卸车的运输工况进行分析，分别设计了横向控制、纵向控制及横-纵向协同控制策略的验证工况，并建立了自卸车动力学模型，包括轮胎模型、横向动力学模型和纵向动力学模型。其次，针对横向运动控制，在预瞄误差模型的基础上建立LQR横向控制器，同时为减小稳态误差设计了前馈控制器，通过开展基于双移线工况的仿真试验，验证了横向控制器的控制性能；在此基础上对预瞄距离的选取进行分析研究，设计了预瞄距离自适应模糊控制器，通过开展变曲率工况的仿真试验，验证了改进后横向控制器的控制性能更佳。再次，针对纵向速度控制，设计了分层式控制器，其中：在上层控制器中采用模型预测控制求解来获得期望纵向加速度，在下层控制器中设计了PID反馈控制，来减小车辆载重和坡度变化对期望速度跟踪的影响；为了实现下层控制器对不同模式的平稳切换和对驱动与制动系统的直接控制，建立了驱动/制动切换逻辑策略、发动机逆向模型和制动系统逆向模型，并通过开展不同工况下的仿真试验，验证了纵向控制器对期望速度的跟随性能。然后，将基于自适应预瞄距离的横向控制器与基于分层结构的纵向控制器进行耦合，设计了无人驾驶自卸车横-纵向协同控制器，并在露天矿典型工况下进行了仿真对比试验，结果表明：相比于单独的横向控制器，横-纵向协同控制器可以在明显提高车辆路径跟踪精度的同时，还能保证车辆行驶的安全性和操纵稳定性，相对于单独的横向控制器具有明显的优越性。最后，在试验室搭建无人驾驶自卸车模型试验车，并以露天矿回返式道路为原型设计搭建了模拟道路模型，分别开展了不同工况下的横向控制模拟试验，结果表明：本文设计的横向控制器可较为准确地跟踪期望路径，验证了横向控制策略在无人驾驶车辆中应用的可行性与有效性。
作者：	邹学耀
专业：	机械工程
导师：	马驰;鲍久圣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022