自动化连续拖运系统的制作方法

专利名称：自动化连续拖运系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及自动化的控制运载工具，且更具体地涉及自动操作使一个或多个用于连续采矿作业的地下采矿运载工具的设备以及方法。
在例如包括若干个移动式跨接载体的连续拖运系统中，若干个移动式跨接载体中的第一个设置在紧邻连续采矿机倾卸端的位置处。移动式跨接载体和连续采矿机协调一致移动，并且用位于其接纳端的料斗接纳采掘得到的物料。可选择地，可在连续采矿机和移动式跨接载体之间设置供料破碎机以粉碎大块矿料。移动式跨接载体的倾卸端枢轴地连接到另一连续拖运系统组件，通常是机载跨接式传送装置(piggyback bridge conveyor)或“pig”。一系列枢轴连接的移动式跨接载体和跨接式传送装置绕过转角链接形成连续拖运系统，并且使其与连续采矿机协调一致移动。传统的MBC具有前、后延伸的传送装置，在操作者的操作下可以提升或降低。在倾斜坡度和高度变化情形下，这些自由度足以保证各个机载传送装置端部距离坑道顶面与坑道底面之间保持有间隙。视特定采掘工作需要，可将成对的履带式运载工具和跨接式传送装置增加到该系统中以延长系统的全长。最后的跨接式传送装置连接或对准一个带式运送机，带式运送机在使用期间固定在地面上。因此连续拖运系统为从开采面上采到的矿料提供了一种快速高效的运送手段。
多个链接的MBC和机载跨接式传送装置可以“Z字型”方式延伸例如几百英尺的距离。这些组件能够在连续采矿机的带动下，导航穿过各个拐弯。部分地为了适应系统的操作，每个MBC都包括有台车(dolly)，位于一端或两端。台车是可在纵向上滑动的，并且设置有连接各个跨接式传送装置的连接点。台车使得前行的MBC前进时，尾随的跨接式传送装置协调一致地跟随前进。尾随的跨接式传送装置还将带动尾随的MBC的台车前行。在前行组件向前行进期间，尾随的MBC可以保持一小段时间静止不动。然后尾随的MBC以相同方式向前行进，再牵引另外一个机载跨接式传送装置和台车。以这种方式，链接的组件可以以不同步方式向前行进，但是MBC操作者一般不能看到在他前面或后面的MBC，并且被与他所在MBC连接的机载传送装置遮挡了视野。MBC操作者只能看到驾驶室两侧的矿壁，而且由于光线条件和他过于接近驾驶室两侧矿壁的原因限制了他对驾驶室两侧矿壁的观察。而且，每个传统的MBC都要求操作者在开采作业期间总是呆在驾驶室内。尤其对于一长串MBC和机载传送装置，许多的人工操作增大了费用成本并且增加了员工受伤的可能。
因此，对连续拖运系统存在这样的要求，要求减少为操作系统所必需的人工数目并且增强对整个运载系统精确定位的能力。
MBC或机载跨接式传送装置可能会碰到需要调整高度以保证距矿道顶面留有间隙。MBC和跨接式传送装置在人工进行高度调整期间必须停下来且保持静止不动。
图2是地下挖掘场地的俯视图，说明了依照本发明的自动化连续拖运系统的通常的定位与组态。
图3是示意说明依照本发明的传感器布置的俯视图。
图4是说明信号输入到电子控制器或自电子控制器输出的方框图。
图5是阐述说明本发明基本控制过程的流程图。
图6是说明典型的对量程数据的递归分离的曲线图。
图7是阐述说明本发明的线性查找算法的流程图。
图8是扫描器坐标框架测量与全局坐标框架测量的比较示图。
图9是本发明典型的计划路径以及相关测量的俯视图。


图10是阐述说明Hooke & Jeeves算法的流程图。
图1中显示了一种典型的移动式跨接载体(MBC)10和机载跨接运输装置成对单元。MBC10通过利用一对履带组件(track assemblies)12而实现移动。因为左、右履带组件12彼此独立工作，所以可借助于两个履带组件间的差速实现转弯。每个MBC都包括有尾部阴轭14和头部阳轭18。阴轭14还具有开孔16，开孔16用于容纳尾随的机载传送装置的阳轭36的连接销38。相应地，阳轭18包含连接销20，连接销20用于连接到前行的机载传送装置的阴轭32的开孔34。在本发明的一个实施方案中，阳轭18和可以滑动方式移动的台车22连接并且是台车22的构成部件，台车22安设在履带(track)28上。可以利用传统已知手段例如液压传动装置24相对于台车22抬升或降低阳轭18，由此升高或降低相应的机载传送装置30。类似地，如有必要，适当装备例如液压传动装置24那样的起抬升或降低作用的装置，则可以抬升或降低阴轭14，由此升高或降低尾随的机载传送装置30(未示出)。显而易见，阳轭18和相应配合的阴轭32的位置可以互换，与图1所示的正相反。例如，可在MBC10上设置阴轭32，而在机载传送装置30上设置阳轭18。
在图2中显示了连续采矿与拖运组合系统的全景视图。连续采矿机40从矿井中挖掘未开采的煤或其它感兴趣的材料42(在图2中用阴影表示)。在图2中用不加阴影的方式表示矿井中已经开采过的部分。连续采矿机40将采得的物料送到第一MBC10A。然后通过连接到MBC10A和MBC10B并且设置在两者之间的第一机载传送装置30A将该物料传送到下一个MBC10B。根据将被占用的距离，举例来讲，可以增设另外的MBC10C、10D与10E和机载传送装置30B、30C、30D与30E，以便扩延该连续采矿与拖运组合系统。固定的且可扩延的运输带50与尾部机载传送装置30E连接，并且将采得矿料输出到适当的往返交通工具、传送带系统、或者矿井外的其它配给装置上。
采矿作业期间当连续采矿机向前移动时，MBC10A-E和机载传送装置30A-E也向前移动。类似地，当连续采矿机由开采区向后退时，这些MBC和机载传送装置向后移动。在传统的连续拖运系统中，MBC10A-E每一个都有驾驶员驾驶，以便驾驶MBC和机载传送装置绕着矿井坑道行进，特别是要避让未开采矿料构成的矿柱60。通常由未开采矿柱60以及其它未开采矿料42限定了坑道壁62，连续拖运系统必须通过导航才能避让坑道壁通过坑道。
图3阐释说明了本发明优选实施方案的传感器的总体布置示意图。图中显示了MBC10B和机载传送装置30B以及部分的机载传送装置30A和MBC10C。本发明自动化的连续拖运系统应用了三种类型的传感器元件，下面将做更加充分的描述。第一种传感器元件是距离测量装置70。距离测量装置70测量MBC和邻近矿壁之间的距离。至少使用一个距离测量装置，但优选使用多个。已经知道将距离测量装置设置在MBC的纵向侧面上是精确测量的最佳位置。在本发明的优选实施方案中，利用红外线激光测距扫描仪SICK(德国的SICK Optik公司)作为距离测量装置。也可以在MBC的纵向侧面上的多个位置上固定可供选择的非接触距离测量装置，诸如美国马萨诸塞州Hingham城的Massa Technologies制造的超声波测距装置。距离定位装置的另一可供选择的实施方案是接触型传感器，用以执行上述同样的测量，诸如被动式或活动式接触传感器，其通过触觉装置或者通过借助接触使局部电路接通来检测坑道壁的存在。在这种电接触实施方案中，当地适用的矿井安全标准必须考虑电压和电流的内在安全问题。本领域普通技术人员知晓，如要区分辨别该接触传感器在空气中的自由移动、间歇或持续不变地与刚度更高的矿壁的接触，活动式或被动式接触传感器就需要具有对作用在这种接触传感器上的相对推力或转矩进行检测的手段。
用于本发明自动化的连续拖运系统中的第二种类型传感器是高度测定装置76，测量连接有机载传送装置30的MBC10和矿道底面或矿道顶面或矿道底面、顶面二者之间的间隙。每个MBC10优选地仅需要一个高度测定装置76，但可以使用多个测定装置76以得到冗余可靠性。根据由高度测定装置获取的测量值，相对于矿道顶面可以对连接的机载传送装置30的高度进行调整，或者通过台车液压传动装置24以液压方式提升或降低台车22，或者通过设置在驱动组件12上的液压传动装置26以液压方式提升或降低MBC10自身的裙高(skirt height)(适意性地显示在图1中)，下面将做更具体的描述。
在本发明优选实施方案中，高度测定装置是诸如由美国马萨诸塞州Hingham城的Massa Technologies制造的超声波测距装置。本领域众所周知，这些装置发射出超声波信号，由诸如矿道顶面或矿道底面那样的感兴趣的表面反射回来，从而计算出该表面与传感器之间间距。该传感器必须时时检测这个距离或间隙，例如检测频率大于每秒钟一次测量。已经知道，以正常车辆行使速率每秒钟一英尺行进，若频率大于100次测量/秒将致使产生远远多于所需的大量数据。
一个用于高度测定与控制的可供选择的实施方案包括连接有一小段柔性钢丝绳的限位开关。钢丝绳的近端刚性地连接到限位开关的操纵杆上。钢丝绳的远端在传送装置下方延伸，并且当运输车辆向前或向后移动时沿着矿道底面拖行。设若该钢丝绳不接触底面时，其相对定向是近似垂直的，而限位开关可以感知这种状况。然后限位开关发信号给运输装置升降机的液压控制阀以降低运输装置的高度。一旦当该钢丝绳拖曳在矿道底面上时，其相对定向将远远偏离垂直方向，而限位开关同样也可以感知这种状态。然后限位开关发信号给运输装置升降机的液压控制阀以升高运输装置的高度。本领域普通技术人员可以知晓，该限位开关优选地具有一个对升降控制“不作用”的死区，此时钢丝绳刚好拖曳触及矿道底面上并且钢丝绳的相对定向近似于垂直。
例如在图1中显示的MBC，其头部阳轭18和尾部阴轭14附接有连接销20或开孔16，连接销20或开孔16与机载传送装置30相应的开孔34或连接销38相连接。这些连接销或开孔具有超过180度的方位角角度运动量、十到二十度的俯仰角度自由度以及若干度的转动角度自由度。如前面所详尽记述的那样，MBC具有滑动台车22，其上设置有与机载传送装置连接的连接销或开孔。如前面在图1中所披露的那样，台车可滑动地安设在履带28上。这个台车的运动行程，典型地在MBC的临出端(out-by end)，给机载传送装置和MBC之间连接提供了一个自由的纵向滑行自由度。再来参看图3，将台车位置测定装置72，例如一个线性电位计，安装到各个MBC10以检测并记录台车22在履带28上的相对移动，因此当达到一个预先设定的测量值时，MBC控制器80可以确定连续拖运系统是向前还是向后移动并且可以确定移动速度有多快。用另一种方式讲，假设第一MBC10A是向前移动的，它将拖动尾部跟随的机载传送装置30A向前移动。机载传送装置30A位于第二MBC10B之前因而将带动第二MBC10B前进，并且机载传送装置30A与MBC10B的台车22相连接。运输装置30A将牵引台车22在履带28上向前移动，通过线性电位计72可测知该移动。然后可将所需的向前移动量作为信号发送给控制器80(图4)。
当保持连续拖运系统保持MBC和附接的机载传送装置之间的自由度以绕避矿柱行驶时，MBC和附接的机载传送装置之间的自由度大小，对于将连续拖运系统的各单元链接起来是很重要的，此时该自由度允许不同步的各个MBC的精确速度与位置足以包括在操作者(或者在本发明中，用以驱动MBC的计算机控制器)能力可控的范围。如果MBC和附接的机载传送装置之间的角度太大，就存在整个连续拖运系统折裂或者部分倾翻的危险。通过感测在各个连接销和开孔连接处的MBC10和机载传送装置30之间的角度，间接测定机载传送装置30的位置。因此，如图3中所示，应用于本发明自动化连续拖运系统的第三种类型传感器是测定MBC10和附接的机载传送装置30之间角度的角度测量装置74。因为MBC10通常连接有一个前导的和一个尾随的机载传送装置30，所以每个MBC10将包含两套角度测量装置74。在本发明的优选实施方案中，角度测量装置74是角度电位计或旋转电位计，如本领域所知的那样。在电位计和连接销上连接点之间的传统柔性连接适于平面外的角度运动。这个特征未见诸于就本发明人所知的任何矿用设备。而且，连接这种链接单元的普遍方法中实质上圆柱形连接销和实质上圆锥形开孔之间的间隙很大。用于传统的拖车应用领域的球接头由于没有方便的位置留给电位计因而不适用于本发明的发明目的。本发明优选地将这种电位计安设到球形的接头结构内，用以减小在传统柔性连接方式中常见的侧向运动。
工作方式如下面将详细描述的那样，为了使连续拖运系统的各个元件(MBC10和机载传送装置30)实现自动化，必须对由各个传感器获取的数据进行收集、积分与处理，只有这样该连续拖运系统才能够跟随着前进式连续采矿机40进行移动并且能够根据坑道底面和顶面之间的间距而将机载传送装置降低。图4图示解释了本发明的通常输入/输出配置。
本发明连续拖运系统的操作中心是电子控制器80。因为每个MBC10都可以，并且优选地，独立于拖运链中的其它MBC而进行工作，每个MBC10都包含有它自己的控制器80。当前，优选地将个人计算机用于每个MBC10作为控制器80。MBC控制器是在运行WINDOWS OS(美国华盛顿州雷蒙德市的微软公司的制品)的PC机上实现的，该PC机的最低配置需求是200MHz CPU(美国加利福尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司的制品)和64M字节的RAM。一种图形程序设计语言LABVIEW(美国德克萨斯州Austin的NationalInstruments公司的制品)，用作搜集各个传感器数据的数据获取工具。所有的控制算法都用C语言写成，并且编译为LABVIEW可以方便调用的格式。基于PC的控制器与各个MBC的传感器通过串行电缆或者并行电缆进行通讯。每个MBC还都装备有左、右履带速度或驱动系统控制器82、84，它们是驱动履带组件的一部分。左、右驱动系统控制器82、84还包括有驱动系统控制板。这些控制板接收控制器80发出的速度指令，并且在考虑动力传递损耗以及误差校正的前提下对航迹执行闭环的速度控制，使实际航迹速度保持逼近于所期望的航迹速度。
通常，来自距离测量装置70、高度测定装置76以及角度测量装置74的传感器数据由控制器80接收。传感器和控制器80可以连续监测MBC的位置。另一种方案是，根据接收到的线性电位计72的预先设定的强度信号，控制器80得知前行的机载传送装置30A是向前或是向后移动台车22，且因此MBC在控制之下将向前或向后移动。如在下面描述中进一步详细说明的那样，控制器80对由传感器接收的数据进行处理并且计算MBC在其控制之下的移动路径。而且，控制器根据机载传送装置与矿道底面或顶面之间的间距来确定是前行的机载传送装置需要或是尾随的机载传送装置需要升高或降低，或者两者都需要。然后控制器发信号给一个或两个履带组件12的左、右驱动控制器82、86的驱动控制器插件88、90，使履带组件12移动。如有必要改变顶面间隙，则控制器80还将发信号给台车22以升高或降低台车22。控制器80还可以用便于使用者阅读的格式输出相关测量数据到显示器96。在需要人工介入的情况下将人工用户控制94连通到控制器80。
图5更详尽地给出了前述输入/输出处理步骤的流程图。对所有的通讯端口进行初始化100并且随即对距离测量传感器(SICK激光探测器)进行初始化102。还对角度以及高度传感器进行初始化104并且在步骤106对驱动系统控制器插件进行初始化。初始化步骤100、102、104与106通常由控制器80在采掘操作开始时执行。当开始采掘操作时，控制器发送请求，请求得到激光扫描器和角度的与高度的传感器的距离数据108。激光测距扫描器和传感器响应返回所请求数据并且读回到控制器80。将来自传感器的原始数据存储并转换110为适当格式。将以包含181个元素的数值阵列形式存在的原始距离数据转换为2×181矩阵，其中第一行和第二行分别代表角度和相应的测得距离。将角度的与线性的电位计读数分别转换为角度(度)和长度(英寸/米)。控制器利用直线查找算法(LFA)抽取距离数据中的有效直线(significantlines)112。然后控制器根据LFA结果计算MBC的当前位置114并且将全局坐标框架与LFA结果联系起来116。由控制器生成MBC的依循路径118并且根据MBC相对于该路径的位置和方向的相对偏差来计算两个履带组件的速度120。下面将进一步详细地描述步骤110-120，尤其是直线查找算法。
假设启用人工超驰122，则控制程序终止124。此外，连续采矿机40和各个MBC10包含有紧急安全停止机构。控制器询问是否实施紧急停止126，并且如果实施了紧急停止，则将导向速度指令设定为零128。控制器最后将导向速度指令发送给驱动控制器插件130。然后除非实施了紧急停止(其将致使移动距离为零)，MBC将沿着适当方向移动。然后控制序列经由循环132返回到步骤108。
使附设有机载传送装置的MBC的移动实现自动化，必须考虑这样几个物理因素。例如，MBC和机载传送装置之间枢轴的位置确定了在连续拖运系统中它的几何结构，且由于不存在其它力的作用因此它是引导各个MBC/机载传送装置片段所必需的。当处于可达到的最高速度时为保持容限内的组态制导就有必要利用补偿控制，利用有效力与MBC相作用。虽然不可直接测量重力和销传递力(pin-transmittedforces)的作用效应，但是MBC驱动系统的性能表现却依赖它们。对MBC进行自动控制还需要了解当前速度(由驱动轮测得)和期望速度估算值，期望速度估算值是部分地根据当前的与预测的偏离计划路径的偏差而得到的。利用假设是适当的计划路径，新的控制规则将对该MBC附近的系统组态的近期历史进行采样，应用一个预测滑移的内部模型，从而补偿期望速度以克服这种滑移。该系统组态历史(在车辆系统中各个链环的位置和角度)对所需补偿的影响很大，因为它可以提供两块信息第一，自上一时间帧以来地面状况是如何变化的，以及归因于当前组态的对地面状况的灵敏度。例如，当所有的机载传送装置角度近似为零度时，横向滑移只与重力、局部倾斜和表面切应力有关。但是，当机载角(pig angle)都为90°时，相邻的MBC施加一个力矩和一个横向切应力，作用在对象MBC上，易于导致对象MBC倾斜。就这一点而论，控制器必须考虑这些因素，和其它因素，以及对它们的补偿问题。
A)MBC/机载传送装置的移动因为连续拖运系统具有很多独特特性，所以为连续拖运系统设计一个导航系统是很复杂的。例如，连续拖运系统的移动是通过完整约束和不完整约束而控制的。另外，该系统自由度大小根据系统的组态而变化、而且系统中履带车辆模型非常复杂。这些特性对导航问题造成许多困难，并且产生的问题非常具有挑战性。
在地下坑道环境中导航连续拖运系统的基本思路是在任何时候都能对每个MBC进行准确的适当定位。为了达到这个目的，系统中的每个MBC都必须紧紧依循在坑道底面上的一个虚拟路径。这种虚拟路径是由路径计划者根据例如由激光测距仪感测得到的环境数据而生成的。通过利用这样一个事实每个MBC都能在台车的移动限制范围内独立运动，在确定了每个MBC的当前位置之后，该系统可以控制每个MBC紧紧依循计划路径而运动，并且同时不会突破台车限制。因为MBC可以彼此独立运动，更有效地是为每个MBC设置局部控制器，而不是为所有MBC只提供一个中心控制器。
一个至关重要的信息是，所有的自动机车系统都需要知道它的当前位置和方向(即POSE)。因此，系统必须能够在其工作环境中对其自身进行定位。在本发明中，来自激光扫描器的距离数据能够用于计算MBC的当前POSE。通过利用“直线查找算法”(LFA)，利用递归直线分裂技术从距离数据中抽取出两个最长的直线。直线查找算法每次只对一个激光扫描器的距离数据进行处理。参看图7，在步骤202，LFA接收由LABVIEW收集的2×181矩阵形式的距离数据，其中第一行和第二行分别代表角度和相应测得的距离。因为激光扫描器的角分辨率设定为1°，所以我们可以得到从0°到180°的181个距离值。一旦收集到距离数据，该算法在步骤204通过经由角电位计检查前、后机载传送装置角度并且将相应于那些角度的开始片段和结尾片段切除掉，将坏的或不需要的距离数据滤除。这可避免该算法将来自矿壁和连续拖运系统两者的距离数据混淆到一起。同时，该算法还忽略了相应测得距离大于特定限值的所有距离数据，以避免错误判断距离数据。然后在步骤206，通过检测相邻测得距离值的差而将距离数据分组。只要当测得距离值的差大于一个预先设定的阈值时，就在该点处划分距离数据。这有助于我们区分彼此妨碍的不同矿壁的轮廓。在将距离数据分组之后，选择包含最长直线的最大的组供进一步分析用。
在步骤208，该算法利用递归直线分裂技术将距离数据的选定组分裂为小组。这种技术通过参看图6可以得到清楚的解释。由该视图可见，给出了一组数据点。如图6中虚线所示，该技术首先在同属该组的第一点和最后一点之间进行连线。然后，计算该组中每一点到那条直线的距离。如果最大距离超出了指定限值，则该算法在距该直线最大距离的点处分裂该组。现在该组已分为了两个小组，并且对所有分裂后残余的组进一步实施同样步骤(在每个小组中第一点和最后一点之间进行连线，计算每个点的距离等等)。继续执行该步骤直至所有小组都满足该指定限值。结果是分成了四组，在图6中以实线区别表示。在距离数据分裂为小组之后，在步骤210选择出表征为两条最长直线的两个最大小组。在该实施方案中，选定从左边数第一组和第三组以匹配直线穿过。这两条直线近似地表示出了通过激光扫描器在任意时刻获取的矿壁的整个轮廓，并且它们可用于确定MBC在所有控制周期中的当前POSE。
一旦执行直线查找算法，控制器就执行一个定位算法，计算并且因此确定MBC的POSE。该算法首先要确立全局坐标框架，如在图8中所示的那样。两条在前获得的直线之间的角度确定了坐标框架的位置以及方向。如果该角度值大于指定阈值，比方说160°，则这两条直线看起来就构成了一条直线。此时，算法可将坐标框架原点设定在我们所期望的在这两条直线之一上的任意位置；但是，在本发明优选实施方案中，为了简便的缘故，将原点设定为在这两条直线上的最接近激光扫描器的一点。坐标框架的方向是通过将角度平分线方向设定为Y轴来确定的。另一方面，如果角度值小于指定阈值，则将原点位置设定为这两条线的交点，而可依照前述方法确定方向。
由于距离数据是在激光扫描器坐标框架中测得的，因此必须将点坐标从激光扫描器坐标框架中转换到全局坐标框架中。参看图8，假设一个物体的POSE的在全局坐标框架中为(x，y，θ)，而假设(dx，dy，dθ)是全局坐标框架的POSE在扫描器坐标框架中表示形式。该坐标框架的x-轴方向dθ由dθ＝γ-(π/2)弧度来确定。因为人们知道激光扫描器安装在MBC上的什么地方，所以人们知道MBC相对于各个传感器的几何中心的位置。通过下列公式可以实现物体的POSE的从扫描器坐标框架到全局坐标框架的坐标变换(1)---xy1=R′-R′Porg001XY1]]>和(2)θ＝φ-dθ其中R=cos(dθ)-sin(dθ)sin(dθ)cos(dθ)]]>Porg＝[dx dy]T
(X，Y，φ)＝以扫描器坐标框架形式表达的POSE由于激光扫描器在MBC上的确切位置是已知的，所以在扫描器坐标框架中的MBC几何中心POSE也是已知的。前述计算中的(dx，dy，dθ)值也是已知的。因此，利用上面的公式(1)和(2)可以确定MBC相对于全局坐标框架的位置。
一旦确定了位置，该自动MBC然后需要确定它想要到哪里去。路径规划是可移动机器人技术领域最难的问题之一。解决路径计划问题的方法基于这样一个思路，构形空间使机载传送装置和矿壁之间的间隙最大，将此作为最佳判则。但是，下面将要详细描述的本发明中应用的方法考虑了多个最佳判则。
现在参看图9，矿道中典型的转折角(γ)分别是是90、120和135度。由于用于连续采矿机40的导向系统的误差，这些角度通常会发生细小变化。矿道的平均宽度U一般是20英尺。根据γ和U的值，可以限定描述出一个特定类型的转折过程。路径计划策略的一个作用是，对于任意给定尺寸的CHS，路径计划策略能够生成CHS中每个MBC都必须依循的最安全路径，如虚线300所示。已经有人提出了可完成这种任务的路径计划算法。这种算法的输入是矿道和CHS的尺寸(γ和U)、路径的两端端点、以及两端端点处的坡度。基于这些输入量，搜索算法生成一系列MBC路径的四元多项式曲线，满足端点条件，并且对每个生成的多项式曲线进行价值函数值估算。价值函数J定义如下J=∫0L(w1α2(s)+w2β2(s)-w3d2(s)-w4verr(s))ds]]>其中w1，w2，w3，w4＝重力因子。
α＝前面的MBC和机载传送装置之间的角度β＝后面的MBC和机载传送装置之间的角度d＝机载传送装置和矿壁之间的最小间隙。
verr＝导向速度的最大允许误差。
s＝路径弧长。
L＝路径总长度。
搜索的目的是寻找使价值函数值为最小的路径。搜索算法应用了称为“Hooke & Jeeves”方法的优化方法。其对搜索范围进行探索，并且保存在每次迭代中得到价值函数最小值的搜索方向。当当前迭代的价值函数值和前次迭代的价值函数值的差值小于指定数值时，或者当迭代次数超过一个限定值时，终止搜索。Hooke & Jeeves方法的流程图显示在图10中，其中x0，x1，…xn表示路径系数，在下文将进一步描述说明。对价值函数的判读是，CHS的各个片段之间的角度必须最小化；换言之，CHS的配置应当尽可能地直一些，避免CHS折曲。反过来，当机载传送装置拐弯时其间隙应当最大化以避免发生碰撞。同时，计划路径应当为每个导向的MBC提供很高的误差容限，或者我们可以讲该路径允许MBC在导向速度控制过程中具有很大误差以便完成这个拐弯操作。在这里，单词“完成”意味着该系统拐弯时不会碰撞矿壁。
在估算每个多项式曲线选项的价值时，由机载传送装置长度分隔的一对MBC精确地沿着生成路径运动。整个路径长度分为许多小段。MBC运动的每一段，α、β、与d的值简单地由几何方法确定，但是每个MBC的verr只能通过计算机模拟获取。这种模拟在搜索算法的主程序内进行。首先计算在MBC当前组态下的下一个控制周期的MBC导向速度。这些速度称为标称速度，MBC必须精确维持该速度以保证MBC在经过一个控制周期之后达到位于该路径上的下一个组态。但是，MBC不可能精确地执行所接收指令给出的标称速度。诸如动力传递损耗和控制误差等若干因素导致与标称速度的偏差。将这种速度误差格式化定义为标称速度的百分数。下列公式用于计算MBC在一个控制周期内执行的实际速度vr，actual＝(1±verr)←→vr，normvl，actual＝(1±verr)←→vl，norm做两个假设，假设两个导向verr相等，而且假设vr，actual和vl，actual在一个控制周期中是恒定不变的。verr的值总为正值且没有上限。该模拟开始时verr的值是零，并且计算MBC在一个控制周期内的净移动。然后，该模拟检查MBC是否与矿壁有碰撞。假设没有碰撞，该模拟持续增大verr的值并且在发生碰撞时终止。导致碰撞的verr的值是在该MBC组态下速度控制过程中的最大可容许误差。累积所有的加权取平方的沿整个选项路径的αs、βs、ds和verrs，就可以获得每条路径的价值估算。
对于90度拐弯，路径起始于一段通道当中而到达另一段通道当中。这使得该路径在两边都连接为直线路径。这条路径具有的坑道宽度为20英尺和22英尺，其公式系数表列于下面的表1中，同时列入表中的还有拐弯为120度和135度的情形。
表1
其中y＝ax2+bx+c本领域普通技术人员应能知晓，上面给出的二次方程式是用于求解路径系数的。这个公式无疑足以得到适当路径计划，引入的系数越多，则路径计划越精确。但是，显而易见，使用的系数数目越多，则所需的计算时间就越长。因此最优选的是使用四阶多项式方程，例如采用下列形式y＝c0x4+c1x3+c2x2+c3x+c4根据MBC在矿井中所处位置，每个MBC的全路径都包括一系列交替的拐弯和直线路段；但是，存在一种称为“S-拐弯”的特定类型拐弯的例外，“S-拐弯”被公认为最困难的情形。S-拐弯路径由两个相互连接的拐弯组成。因为S-拐弯的两端都不位于通道当中，所以S-拐弯的两端必须连接为直线路径。因此，直接在一个S-拐弯之后进行另一个S-拐弯是不可能的。然而，这种情形只发生在90度坑道内，120度和135度坑道没有足够空间允许S-拐弯起止于矿井通道当中。
因为，为得到最佳路径搜索算法花费很多时间，所以执行在线路径计划是不可能的。这个问题的解决方法是，通过以离线方式对可能的拐弯类型进行路径计划，并且建立一个包含相应于每个特定拐弯的路径系数的查找表(例如表1)。一旦MBC控制器确定拐弯是何种类型，则控制器立即就能由查找表通过内插法计算出适当的路径系数。尽管这种方法生成的路径与现场在线计算相比未达最佳标准，但是试运行的结果表明将自身导航通过模拟坑道的系统性能的劣化因素降低了。
基于这些，MBC知道了它当前的POSE以及它应当依循的路径，接下来MBC必须确定它如何达到所期望的目的地。路径循迹算法计算MBC的两个引导组件速度，使得MBC可以精确依循路径。而在对两轮机器人(在运动学上等同于履带车辆)的路径循迹控制方面已经有了很多相关文献资料，本发明使用的路径循迹算法是Aguilar等人提出的(“Robust Path-Following Control with Exponential Stability for MobileRobots”，Proc.of the 1998 IEEE Int.Conf.On Robotics and Automation，Leuven，Belgium，May 1998)。
在任何时候为了实现路径循迹都需要将γe与θe这两个参数输入导MBC控制器。γe是MBC中心到路径之间的最短距离，而θe是由路径切线测得的方向偏差。给定一个向前或向后的速度v，则可以通过下式计算出MBC的角速度ω=-4v[(α1α2)γe+(α1+α2)sin(θe2)sign(v)]]]>其中α1和α2是恒定的控制器增益，通过对它的调整来接收所期望的MBC的循迹响应。
速度v与MBC的台车的、以及在运动方向上紧邻在后的MBC的台车的容许移动距离(allowable traverse distance)直接相关。比较两个台车的移动距离，并且选择具有较小值的一个。这个距离标称为“滑动量”。
因此可以由下式计算出在前与在后的速度v=±dollyT]]>其中v当向前/向后移动时其分别表现为正值/负值。
T＝控制循环周期，秒。
±dolly＝由线性电位计得到的台车的速率然后，可以由下式确定左、右履带速度Vr=v+ωB2]]>Vl=v-ωB2]]>其中B＝履带之间的距离。
路径循迹算法，包含路径计划算法，优选地采用例如C语言之类的通用计算机语言实现。再有优选地将两种算法组合在一个程序中，因为它们两者利用了大量的公用信息。
B)机载传送装置的高度在本发明中，对前行或尾随的机载传送装置的高度伸缩控制是通过如下连续过程实现对由高度测定传感器测得的距离测量执行连续处理步骤，计算到给定的设定点的差值，并且应用该差值的比例值去操控液压控制阀24的开口(参见图1)。处理步骤包括将距离测量值和多个在先测量值进行比较，计算许多个周期的移动平均值，忽略远离中心的数据点，而后计算较少周期的平均值。因此可以排除潜在干扰数据而获取可靠的间隙测量值，而且减小了使传统的低通滤波方法经常遭遇的时间延迟。本领域普通技术人员明白，有大量模拟的或数字的滤波技术可以替代刚刚描述的优选实施方案。
高度控制的设定点优选地由开采操作者确定，并且用作测量值信息处理器的输入量。当进行单向距离测量时，例如，只测量距底面的距离时，这个设定点确定了在假定高度提升的情形下与在假定高度下降的情形下的目标距离值。当进行双向距离测量时，例如，测量距底面距离和距顶面距离时，这些设定点确定了高度控制的一个“不作用”区以及在假定高度提升的情形下与在假定高度下降的情形下的目标距离值。优点还在于应用了冗余双重测量，通过测量值信息处理器进行选择以确定哪一种测量信号或者两种测量信号是有效的。本领域普通技术人员知晓，对距设定点的测得距离的比例值进行选择以便得到近于临界的衰减响应。这种PID-控制技术是本领域公知技术。
除了上述应用之外，本领域普通技术人员明白，只要不背离本发明的范围、精神或教导，可以对本发明方法进行改动或变化。因此，本发明的意图是，说明书的描述说明用于帮助理解，而本发明的请求保护范围仅由权利要求书及其等价物所划定。
权利要求
1.一种对自动化的具有两个履带或车轮的运载工具进行控制以穿行曲径的方法，其中该运载工具包含有具有控制周期的导向控制器，该运载工具具有前端部分和后端部分，所述前端部分经由第一台车枢轴地连接到邻接的细长前端结构，而所述后端部分枢轴地连接到邻接的细长后端结构，细长的后端结构连接第二台车，每个台车在任意给定时间点都提供了最小化的在该运载工具和相应结构之间的可移动距离，由壁限定出的曲径具有交叉路口，每个交叉路口都具有基本相同度数的角度，其中该度数是已知的，该方法包括由定位在该运载工具左侧的传感器得到第一组距离数据；由定位在该运载工具右侧的传感器得到第二组距离数据；对每一组距离数据，确定由相邻距离差值小于设定阈限的连续的距离值限定形成的最大的组；对每一组距离数据，利用递归直线分裂技术将最大组切分为小组，每个小组限定一条直线；对每一组距离数据，选择出限定了两条最长直线的两个小组，由此该运载工具两侧的壁都相应表达为各个选定的小组；基于这两条最长直线建立全局坐标框架；确定与该运载工具相邻近的壁之间的曲径宽度；从基于宽度和度数的表中选择能使价值函数值最小化的多项式曲线，由此选定的多项式曲线表示能为该运载工具以及前端与后端结构将不碰撞曲径壁提供最大保险系数的路径；确定在该多项式路径上与该运载工具中心具有最短距离的点；确定由最近点处切线测得的与该运载工具纵轴之间的角度；确定两个移动距离中的最短者；确定为该运载工具在控制周期内移动该最短移动距离所需的移动速度；根据移动速度，确定该运载工具逼近该最近点的角速度；根据移动速度和角速度确定左、右履带或车轮速度；以及根据该左、右速度，通过控制器对该运载工具加速，由此该运载工具直接逼近多项式路径上的最近点。
2.一种对自动化的具有两个履带或车轮的运载工具进行控制以穿行曲径的控制系统，该运载工具具有前端部分和后端部分，所述前端部分经由第一台车枢轴地连接到邻接的细长前端结构，而所述后端部分枢轴地连接到邻接的细长后端结构，细长的后端结构连接第二台车，每个台车在任意给定时间点都提供了最小化的在该运载工具和相应结构之间的可移动距离，由壁限定出的曲径具有交叉路口，每个交叉路口都具有基本相同度数的角度，其中该度数是已知的，该系统包括具有控制周期的履带或车轮控制器；定位在该运载工具左侧用以获取第一组距离数据的第一传感器；定位在该运载工具右侧用以获取第二组距离数据的第二传感器，第一与第二传感器用于测定与该运载工具相邻近的壁之间的曲径宽度；用于对每一组距离数据，确定由相邻距离差值小于设定阈限的连续的距离值限定形成最大的组的装置；用于对每一组距离数据，利用递归直线分裂技术将最大组切分为小组的装置，每个小组限定一条直线；用于对每一组距离数据，选择出限定最长直线的小组的装置，由此该运载工具每一侧的壁都相应表达为选定的小组；用于从基于宽度和度数的表中选择能使价值函数值最小化的多项式曲线的装置，由此选定的多项式曲线表示能为该运载工具以及前端与后端结构将不碰撞曲径壁提供最大保险系数的路径；用于确定在该多项式路径上与该运载工具中心具有的最短距离点的装置；用于确定由最近点处切线测得的与该运载工具纵轴之间角度的装置；用于确定两个移动距离中的最短者的装置；用于确定为该运载工具在控制周期内移动该最短移动距离所需的移动速度的装置；用于根据移动速度，确定该运载工具逼近该最近点的角速度的装置；用于根据移动速度和角速度确定左、右履带或车轮速度的装置；以及用于启动控制器根据该左、右速度对该运载工具加速的装置，由此该运载工具直接逼近多项式路径上的最近点。
3.权利要求2的控制系统，其中运载工具是具有左履带和右履带的可移动的跨接式运载工具，前端部分具有可滑动的第一台车，第一台车枢轴地连接到前端结构，前端结构是第一跨接式传送装置，而后端结构是枢轴连接到具有第二台车的另一可移动的跨接式运载工具的第二跨接式传送装置，该系统还包括连接到左、右履带的两个PIC伺服控制板；均为近红外激光扫描器的第一与第二传感器；用于将来自第一与第二传感器的表征邻近的跨接式传送装置的距离数据过滤的装置，其中不会将邻近的跨接式传送装置解读为曲径壁的一部分，该过滤装置包含连接在可移动的跨接式运载工具和邻近的跨接式传送装置之间的角度电位计；以及用于确定两个移动距离中最短者的装置，包含有连接在第一台车和可移动的跨接式运载工具之间的第一线性电位计，以及连接在后端结构和第二台车之间的第二线性电位计。
4.一种测定自动化的运载工具相对于其邻近壁的位置与方向的方法，该方法包括下列步骤由该运载工具上的传感器获取距离数据；确定由相邻距离差值小于设定阈限的连续的距离值限定形成的最大的组；利用递归直线分裂技术将最大组切分为小组，每个小组限定一条直线；以及选择出限定最长直线的小组，所述壁表征为选定的小组。
5.权利要求4的方法，在确定步骤之前，还包括滤除潜在的错误数据的步骤。
6.权利要求5的方法，其中运载工具枢轴连接到邻接结构，其中滤除步骤包括确定邻接结构的位置，并且将相应于邻接结构所在区域位置的数据删除。
7.权利要求6的方法，其中通过确定邻接结构相对于运载工具的角度而获取另一运载工具的位置。
8.权利要求4的方法，在切分步骤之前，还包括步骤滤除潜在的错误数据，包括将测得距离大于指定限值的数据忽略掉。
9.权利要求4的方法，其中获取距离数据的步骤包括测量从该运载工具上一点到邻近该运载工具的任意物体之间的处于基本水平面内的距离，这个测量步骤包括测量位于自该点起的一个弧度范围内且位于基本水平面内的多个距离值，由此距离数据由介于运载工具上的该点和处于实质水平面内的任意物体之间的多个连续测得的距离组成。
10.权利要求9的方法，其中确定步骤包括确定相邻测量之间的测得距离的差值，确定该差值是否大于设定阈值，并且当两次相邻测量之间的差值大于设定阈值时，在两次相邻测量之间切分距离数据。
11.权利要求4的方法，其中选择步骤包括选择出限定了两条最长直线的两个小组，由此所述壁表征为这选定的两个小组。
12.权利要求11的方法，在选择步骤之后还包括如下步骤基于这两条最长直线建立全局坐标框架。
13.权利要求4的方法，其中自动化运载工具是位于矿井内的采掘运载工具，而该方法用于确定自动化采掘运载工具相对于该运载工具两侧的邻壁的位置与方向，该方法包括步骤由定位在该运载工具第一侧的传感器得到第一组距离数据；由定位在该运载工具第二侧的传感器得到第二组距离数据；对每一组距离数据，确定由相邻距离差值小于设定阈限的连续的距离值限定形成的最大的组；对每一组距离数据，利用递归直线分裂技术将最大组切分为小组，每个小组限定一条直线；以及对每一组距离数据，选择出限定了最长直线的小组，由此矿井坑道环境表征为第一组与第二组距离数据的选定小组。
14.一种自动化运载工具穿行曲径的路径计划方法，该运载工具具有前端部分和后端部分，所述前端部分枢轴地连接到邻接的细长前端结构，而所述后端部分枢轴地连接到邻接的细长后端结构，由壁限定出的曲径具有交叉路口，每个交叉路口都具有基本相同度数的角度，其中该度数是已知的，并且该运载工具相对于曲径的位置与方向是已知的，该方法包括确定与该运载工具相邻近的壁之间的曲径宽度；以及从基于宽度和度数的表中选择能使价值函数值最小化的多项式曲线，由此选定的多项式曲线表示能为该运载工具以及前端与后端结构将不碰撞曲径壁提供最大保险系数的路径。
15.权利要求14的方法，其中该表是离线生成的，该方法进一步包括步骤基于表示该运载工具和后端结构、前端结构的可允许的位置与方向的参数，且基于一组随机系数，针对具有第一宽度和第一角度的曲径，生成多项式曲线；重复上述步骤多次，每次都利用不同的一组随机系数；确定使价值函数最小化的多项式曲线的系数；将表示最小化的价值函数的曲线的系数，以及相应的第一宽度和角度存储到所述表中；以及针对其它宽度和角度重复上述步骤，由此建立的表具有表示针对给定宽度与角度的最小化价值函数的系数。
16.权利要求14的方法，进一步包括步骤假设运载工具和邻接性结构之间的角度是最小化的则当使价值函数最小化时进行加权处理；假设通过拐弯时结构和曲径之间的间隙是最大化的则当使价值函数最小化时进行加权处理；以及假设运载工具依循曲线的误差容限是最大化的则当使价值函数最小化时进行加权处理。
17.一种用于具有两个履带或两个车轮的运载工具的路径跟踪方法，其中该运载工具包含有具有控制周期的履带或车轮控制器，该运载工具经由台车至少连接一个结构，该台车在任意给定时间点都提供了最小化的在该运载工具和该结构之间的可移动距离，其中已知该运载工具在全局坐标框架中的位置与方向，并且已知在全局坐标框架中标示出的多项式路径的系数，该方法包括确定在该多项式路径上与该运载工具中心具有最短距离的点；确定由最近点处切线测得的该运载工具纵轴之间的角度；确定移动距离；确定为该运载工具在控制周期内移动所述移动距离所需的移动速度；根据移动速度，确定该运载工具逼近该最近点的角速度；根据移动速度和角速度确定左、右履带或车轮速度；以及根据该左、右速度，通过控制器对该运载工具加速，由此该运载工具直接逼近多项式路径上的最近点。
全文摘要
本发明涉及一种设计用于地下环境的自动化连续拖运设备以及方法。每个移动式跨接载体(10)都包含有距离测量装置(70)和角度测量装置(74)，用于测定移动式跨接载体(10)的位置以及相连的机载传送装置(30)的角度位置。应用测定顶面高度的装置(76)调整机载传送装置(30)的高度。对每个移动式跨接载体(10)，通过电子控制器(80)接收来自各个传感器的输入信号，计算移动式跨接载体(10)以及相连的机载传送装置(30)的位置和方向。然后控制器规划移动式跨接载体(10)的最佳移动路径，并且计算跨接载体上各自独立运作的履带组件的移动速率，使得跨接载体(10)和机载传送装置(30)能够尽可能地依循规划路径。
文档编号E21F13/08GK1474764SQ01818896
公开日2004年2月11日 申请日期2001年10月9日 优先权日2000年10月10日
发明者R·H·斯特吉斯, M·特维格, A·卡那拉特, R H 斯特吉斯, 抢 申请人:Dbt美洲有限公司, 弗吉尼亚知识产权技术有限公司