自動化連續拖運系統的制作方法

專利名稱:自動化連續拖運系統的制作方法
本申請是于2001年10月9日提交的題為“自動化連續拖運系統”的第01818896.6號專利申請的分案申請。
發明領域本發明通常涉及自動化的控制運載工具，且更具體地涉及自動操作使一個或多個用于連續采礦作業的地下采礦運載工具的設備以及方法。
發明背景當進行象例如采煤作業那樣的地下挖掘作業時，人們期望提高效率使采煤設備連續作業將煤從開采面上剝離下來。為了達到這個目的，意味著就必須能夠快速而連續地將從開采點采得的礦物拖運到遠離開采點的地方。目前可以得到的且用于原煤采掘的一種這樣的連續拖運系統，包括一連串的樞軸連接到一起的傳送裝置機構。這種系統的組件貫穿了連續采礦機形成的礦井坑道。連續采礦機將固體礦藏打碎為尺寸便于運輸的物料，以便將物料運輸到遠離采礦機作業點的地方。組成這樣一種系統的一些組件可以是自驅動的履帶式移動運輸裝置單元，而其它組件可以是橫跨或跨接在移動單元之間的傳送裝置。在連續拖運系統中使用的移動單元往往稱為移動式跨接載體(MBCs)并且通常在鏈接的運輸裝置單元上安裝有履帶，每個單元都由一名采礦工人操作駕駛。
在例如包括若干個移動式跨接載體的連續拖運系統中，若干個移動式跨接載體中的第一個設置在緊鄰連續采礦機傾卸端的位置處。移動式跨接載體和連續采礦機協調一致移動，并且用位于其接納端的料斗接納采掘得到的物料。可選擇地，可在連續采礦機和移動式跨接載體之間設置供料破碎機以粉碎大塊礦料。移動式跨接載體的傾卸端樞軸地連接到另一連續拖運系統組件，通常是機載跨接式傳送裝置(piggyback bridge conveyor)或“pig”。一系列樞軸連接的移動式跨接載體和跨接式傳送裝置繞過轉角鏈接形成連續拖運系統，并且使其與連續采礦機協調一致移動。傳統的MBC具有前、后延伸的傳送裝置，在操作者的操作下可以提升或降低。在傾斜坡度和高度變化情形下，這些自由度足以保證各個機載傳送裝置端部距離坑道頂面與坑道底面之間保持有間隙。視特定采掘工作需要，可將成對的履帶式運載工具和跨接式傳送裝置增加到該系統中以延長系統的全長。最后的跨接式傳送裝置連接或對準一個帶式運送機，帶式運送機在使用期間固定在地而上。因此連續拖運系統為從開采面上采到的礦料提供了一種快速高效的運送手段。
多個鏈接的MBC和機載跨接式傳送裝置可以“Z字型”方式延伸例如幾百英尺的距離。這些組件能夠在連續采礦機的帶動下，導航穿過各個拐彎。部分地為了適應系統的操作，每個MBC都包括有臺車(dolly)，位于一端或兩端。臺車是可在縱向上滑動的，并且設置有連接各個跨接式傳送裝置的連接點。臺車使得前行的MBC前進時，尾隨的跨接式傳送裝置協調一致地跟隨前進。尾隨的跨接式傳送裝置還將帶動尾隨的MBC的臺車前行。在前行組件向前行進期間，尾隨的MBC可以保持一小段時間靜止不動。然后尾隨的MBC以相同方式向前行進，再牽引另外一個機載跨接式傳送裝置和臺車。以這種方式，鏈接的組件可以以不同步方式向前行進，但是MBC操作者一般不能看到在他前面或后面的MBC，并且被與他所在MBC連接的機載傳送裝置遮擋了視野。MBC操作者只能看到駕駛室兩側的礦壁，而且由于光線條件和他過于接近駕駛室兩側礦壁的原因限制了他對駕駛室兩側礦壁的觀察。而且，每個傳統的MBC都要求操作者在開采作業期間總是呆在駕駛室內。尤其對于一長串MBC和機載傳送裝置，許多的人工操作增大了費用成本并且增加了員工受傷的可能。
因此，對連續拖運系統存在這樣的要求，要求減少為操作系統所必需的人工數目并且增強對整個運載系統精確定位的能力。
MBC或機載跨接式傳送裝置可能會碰到需要調整高度以保證距礦道頂面留有間隙。MBC和跨接式傳送裝置在人工進行高度調整期間必須停下來且保持靜止不動。

發明內容因此，本發明的一個目的是提供一種方法以及設備，用于檢測移動式跨接運載裝置的位置。本發明的另一個目的是提供一種方法以及設備，用于根據坑道頂面和地面狀況自動地提升和降低傳送裝置。本發明的另一個目的是提供一種方法以及設備，用于測定機載傳送裝置和至少一個移動式跨接運載裝置之間的角度。本發明的另一個目的是提供一種設備以及方法，用于測定單個移動式跨接運載裝置以及構成連續拖運系統的多個移動式跨接運載裝置與機載傳送裝置的移動。本發明的另一個目的是提供一種方法以及設備，用于對帶有上述目的的整個連續拖運系統實現自動化。
結合下列附圖的詳盡說明描述可以更好地理解本發明，在附圖中相同的附圖標記表示同一部件，其中圖1是根據已公開的設備以及方法改進并使用的傳統移動式跨接載體和機載傳送裝置的側視圖。
圖2是地下挖掘場地的俯視圖，說明了依照本發明的自動化連續拖運系統的通常的定位與組態。
圖3是示意說明依照本發明的傳感器布置的俯視圖。
圖4是說明信號輸入到電子控制器或自電子控制器輸出的方框圖。
圖5是闡述說明本發明基本控制過程的流程圖。
圖6是說明典型的對量程數據的遞歸分離的曲線圖。
圖7是闡述說明本發明的線性查找算法的流程圖。
圖8是掃描器坐標框架測量與全局坐標框架測量的比較示圖。
圖9是本發明典型的計劃路徑以及相關測量的俯視圖。
圖10是闡述說明Hooke & Jeeves算法的流程圖。
具體實施方式機械部件在本發明中，連續拖運系統的至少一對移動式跨接載體(MBC)和機載傳送裝置(“Pigs”)單元是如此自動操作的，能夠導航通過地下坑道，只需要很少操作者或者根本不需要操作者介入或干涉。在一個實施方案中，通過使用一系列安設在各個MBC上的傳感器和電子控制器來實現自動化作業，其中電子控制器接收來自各個傳感器的數據，通過一種或多種算法處理數據而后將指令發送到MBC的移動機構和高度調節機構。同時在該優選實施方案中，每個MBC都能夠進行工作(導航)，獨立于在連續采礦裝置中的其它MBC，期望每個MBC控制器都能夠與其它MBC的控制器進行數據交換和協作。
圖1中顯示了一種典型的移動式跨接載體(MBC)10和機載跨接運輸裝置成對單元。MBC10通過利用一對履帶組件(track assemblies)12而實現移動。因為左、右履帶組件12彼此獨立工作，所以可借助于兩個履帶組件間的差速實現轉彎。每個MBC都包括有尾部陰軛14和頭部陽軛18。陰軛14還具有開孔16，開孔16用于容納尾隨的機載傳送裝置的陽軛36的連接銷38。相應地，陽軛18包含連接銷20，連接銷20用于連接到前行的機載傳送裝置的陰軛32的開孔34。在本發明的一個實施方案中，陽軛18和可以滑動方式移動的臺車22連接并且是臺車22的構成部件，臺車22安設在履帶(track)28上。可以利用傳統已知手段例如液壓傳動裝置24相對于臺車22抬升或降低陽軛18，由此升高或降低相應的機載傳送裝置30。類似地，如有必要，適當裝備例如液壓傳動裝置24那樣的起抬升或降低作用的裝置，則可以抬升或降低陰軛14，由此升高或降低尾隨的機載傳送裝置30(未示出)。顯而易見，陽軛18和相應配合的陰軛32的位置可以互換，與圖1所示的正相反。例如，可在MBC10上設置陰軛32，而在機載傳送裝置30上設置陽軛18。
在圖2中顯示了連續采礦與拖運組合系統的全景視圖。連續采礦機40從礦井中挖掘未開采的煤或其它感興趣的材料42(在圖2中用陰影表示)。在圖2中用不加陰影的方式表示礦井中已經開采過的部分。連續采礦機40將采得的物料送到第一MBC10A。然后通過連接到MBC10A和MBC10B并且設置在兩者之間的第一機載傳送裝置30A將該物料傳送到下一個MBC10B。根據將被占用的距離，舉例來講，可以增設另外的MBC10C、10D與10E和機載傳送裝置30B、30C、30D與30E，以便擴延該連續采礦與拖運組合系統。固定的且可擴延的運輸帶50與尾部機載傳送裝置30E連接，并且將采得礦料輸出到適當的往返交通工具、傳送帶系統、或者礦井外的其它配給裝置上。
采礦作業期間當連續采礦機向前移動時，MBC10A-E和機載傳送裝置30A-E也向前移動。類似地，當連續采礦機由開采區向后退時，這些MBC和機載傳送裝置向后移動。在傳統的連續拖運系統中，MBC10A-E每一個都有駕駛員駕駛，以便駕駛MBC和機載傳送裝置繞著礦井坑道行進，特別是要避讓未開采礦料構成的礦柱60。通常由未開采礦柱60以及其它未開采礦料42限定了坑道壁62，連續拖運系統必須通過導航才能避讓坑道壁通過坑道。
圖3闡釋說明了本發明優選實施方案的傳感器的總體布置示意圖。圖中顯示了MBC10B和機載傳送裝置30B以及部分的機載傳送裝置30A和MBC10C。本發明自動化的連續拖運系統應用了三種類型的傳感器元件，下面將做更加充分的描述。第一種傳感器元件是距離測量裝置70。距離測量裝置70測量MBC和鄰近礦壁之間的距離。至少使用一個距離測量裝置，但優選使用多個。已經知道將距離測量裝置設置在MBC的縱向側面上是精確測量的最佳位置。在本發明的優選實施方案中，利用紅外線激光測距掃描儀SICK(德國的SICK Optik公司)作為距離測量裝置。也可以在MBC的縱向側面上的多個位置上固定可供選擇的非接觸距離測量裝置，諸如美國馬薩諸塞州Hingham城的Massa Technologies制造的超聲波測距裝置。距離定位裝置的另一可供選擇的實施方案是接觸型傳感器，用以執行上述同樣的測量，諸如被動式或活動式接觸傳感器，其通過觸覺裝置或者通過借助接觸使局部電路接通來檢測坑道壁的存在。在這種電接觸實施方案中，當地適用的礦井安全標準必須考慮電壓和電流的內在安全問題。本領域普通技術人員知曉，如要區分辨別該接觸傳感器在空氣中的自由移動、間歇或持續不變地與剛度更高的礦壁的接觸，活動式或被動式接觸傳感器就需要具有對作用在這種接觸傳感器上的相對推力或轉矩進行檢測的手段。
用于本發明自動化的連續拖運系統中的第二種類型傳感器是高度測定裝置76，測量連接有機載傳送裝置30的MBC10和礦道底面或礦道頂面或礦道底面、頂面二者之間的間隙。每個MBC10優選地僅需要一個高度測定裝置76，但可以使用多個測定裝置76以得到冗余可靠性。根據由高度測定裝置獲取的測量值，相對于礦道頂面可以對連接的機載傳送裝置30的高度進行調整，或者通過臺車液壓傳動裝置24以液壓方式提升或降低臺車22，或者通過設置在驅動組件12上的液壓傳動裝置26以液壓方式提升或降低MBC10自身的裙高(skirt height)(適意性地顯示在圖1中)，下面將做更具體的描述。
在本發明優選實施方案中，高度測定裝置是諸如由美國馬薩諸塞州Hingham城的Massa Technologies制造的超聲波測距裝置。本領域眾所周知，這些裝置發射出超聲波信號，由諸如礦道頂面或礦道底面那樣的感興趣的表面反射回來，從而計算出該表面與傳感器之間間距。該傳感器必須時時檢測這個距離或間隙，例如檢測頻率大于每秒鐘一次測量。已經知道，以正常車輛行使速率每秒鐘一英尺行進，若頻率大于100次測量/秒將致使產生遠遠多于所需的大量數據。
一個用于高度測定與控制的可供選擇的實施方案包括連接有一小段柔性鋼絲繩的限位開關。鋼絲繩的近端剛性地連接到限位開關的操縱桿上。鋼絲繩的遠端在傳送裝置下方延伸，并且當運輸車輛向前或向后移動時沿著礦道底面拖行。設若該鋼絲繩不接觸底面時，其相對定向是近似垂直的，而限位開關可以感知這種狀況。然后限位開關發信號給運輸裝置升降機的液壓控制閥以降低運輸裝置的高度。一旦當該鋼絲繩拖曳在礦道底面上時，其相對定向將遠遠偏離垂直方向，而限位開關同樣也可以感知這種狀態。然后限位開關發信號給運輸裝置升降機的液壓控制閥以升高運輸裝置的高度。本領域普通技術人員可以知曉，該限位開關優選地具有一個對升降控制“不作用”的死區，此時鋼絲繩剛好拖曳觸及礦道底面上并且鋼絲繩的相對定向近似于垂直。
例如在圖1中顯示的MBC，其頭部陽軛18和尾部陰軛14附接有連接銷20或開孔16，連接銷20或開孔16與機載傳送裝置30相應的開孔34或連接銷38相連接。這些連接銷或開孔具有超過180度的方位角角度運動量、十到二十度的俯仰角度自由度以及若干度的轉動角度自由度。如前面所詳盡記述的那樣，MBC具有滑動臺車22，其上設置有與機載傳送裝置連接的連接銷或開孔。如前面在圖1中所披露的那樣，臺車可滑動地安設在履帶28上。這個臺車的運動行程，典型地在MBC的臨出端(out-by end)，給機載傳送裝置和MBC之間連接提供了一個自由的縱向滑行自由度。再來參看圖3，將臺車位置測定裝置72，例如一個線性電位計，安裝到各個MBC10以檢測并記錄臺車22在履帶28上的相對移動，因此當達到一個預先設定的測量值時，MBC控制器80可以確定連續拖運系統是向前還是向后移動并且可以確定移動速度有多快。用另一種方式講，假設第一MBC10A是向前移動的，它將拖動尾部跟隨的機載傳送裝置30A向前移動。機載傳送裝置30A位于第二MBC10B之前因而將帶動第二MBC10B前進，并且機載傳送裝置30A與MBC10B的臺車22相連接。運輸裝置30A將牽引臺車22在履帶28上向前移動，通過線性電位計72可測知該移動。然后可將所需的向前移動量作為信號發送給控制器80(圖4)。
當保持連續拖運系統保持MBC和附接的機載傳送裝置之間的自由度以繞避礦柱行駛時，MBC和附接的機載傳送裝置之間的自由度大小，對于將連續拖運系統的各單元鏈接起來是很重要的，此時該自由度允許不同步的各個MBC的精確速度與位置足以包括在操作者(或者在本發明中，用以驅動MBC的計算機控制器)能力可控的范圍。如果MBC和附接的機載傳送裝置之間的角度太大，就存在整個連續拖運系統折裂或者部分傾翻的危險。通過感測在各個連接銷和開孔連接處的MBC10和機載傳送裝置30之間的角度，間接測定機載傳送裝置30的位置。因此，如圖3中所示，應用于本發明自動化連續拖運系統的第三種類型傳感器是測定MBC10和附接的機載傳送裝置30之間角度的角度測量裝置74。因為MBC10通常連接有一個前導的和一個尾隨的機載傳送裝置30，所以每個MBC10將包含兩套角度測量裝置74。在本發明的優選實施方案中，角度測量裝置74是角度電位計或旋轉電位計，如本領域所知的那樣。在電位計和連接銷上連接點之間的傳統柔性連接適于平面外的角度運動。這個特征未見諸于就本發明人所知的任何礦用設備。而且，連接這種鏈接單元的普遍方法中實質上圓柱形連接銷和實質上圓錐形開孔之間的間隙很大。用于傳統的拖車應用領域的球接頭由于沒有方便的位置留給電位計因而不適用于本發明的發明目的。本發明優選地將這種電位計安設到球形的接頭結構內，用以減小在傳統柔性連接方式中常見的側向運動。
工作方式如下面將詳細描述的那樣，為了使連續拖運系統的各個元件(MBC10和機載傳送裝置30)實現自動化，必須對由各個傳感器獲取的數據進行收集、積分與處理，只有這樣該連續拖運系統才能夠跟隨著前進式連續采礦機40進行移動并且能夠根據坑道底面和頂而之間的間距而將機載傳送裝置降低。圖4圖示解釋了本發明的通常輸入/輸出配置。
本發明連續拖運系統的操作中心是電子控制器80。因為每個MBC10都可以，并且優選地，獨立于拖運鏈中的其它MBC而進行工作，每個MBC10都包含有它自己的控制器80。當前，優選地將個人計算機用于每個MBC10作為控制器80。MBC控制器是在運行WINDOWS OS(美國華盛頓州雷蒙德市的微軟公司的制品)的PC機上實現的，該PC機的最低配置需求是200MHz CPU(美國加利福尼亞州圣克拉拉市的英特爾公司的制品)和64M字節的RAM。一種圖形程序設計語言LABVIEW(美國德克薩斯州Austin的NationalInstruments公司的制品)，用作搜集各個傳感器數據的數據獲取工具。所有的控制算法都用C語言寫成，并且編譯為LABVIEW可以方便調用的格式。基于PC的控制器與各個MBC的傳感器通過串行電纜或者并行電纜進行通訊。每個MBC還都裝備有左、右履帶速度或驅動系統控制器82、84，它們是驅動履帶組件的一部分。左、右驅動系統控制器82、84還包括有驅動系統控制板。這些控制板接收控制器80發出的速度指令，并且在考慮動力傳遞損耗以及誤差校正的前提下對航跡執行閉環的速度控制，使實際航跡速度保持逼近于所期望的航跡速度。
通常，來自距離測量裝置70、高度測定裝置76以及角度測量裝置74的傳感器數據由控制器80接收。傳感器和控制器80可以連續監測MBC的位置。另一種方案是，根據接收到的線性電位計72的預先設定的強度信號，控制器80得知前行的機載傳送裝置30A是向前或是向后移動臺車22，且因此MBC在控制之下將向前或向后移動。如在下面描述中進一步詳細說明的那樣，控制器80對由傳感器接收的數據進行處理并且計算MBC在其控制之下的移動路徑。而且，控制器根據機載傳送裝置與礦道底面或頂面之間的間距來確定是前行的機載傳送裝置需要或是尾隨的機載傳送裝置需要升高或降低，或者兩者都需要。然后控制器發信號給一個或兩個履帶組件12的左、右驅動控制器82、86的驅動控制器插件88、90，使履帶組件12移動。如有必要改變頂面間隙，則控制器80還將發信號給臺車22以升高或降低臺車22。控制器80還可以用便于使用者閱讀的格式輸出相關測量數據到顯示器96。在需要人工介入的情況下將人工用戶控制94連通到控制器80。
圖5更詳盡地給出了前述輸入/輸出處理步驟的流程圖。對所有的通訊端口進行初始化100并且隨即對距離測量傳感器(SICK激光探測器)進行初始化102。還對角度以及高度傳感器進行初始化104并且在步驟106對驅動系統控制器插件進行初始化。初始化步驟100、102、104與106通常由控制器80在采掘操作開始時執行。當開始采掘操作時，控制器發送請求，請求得到激光掃描器和角度的與高度的傳感器的距離數據108。激光測距掃描器和傳感器響應返回所請求數據并且讀回到控制器80。將來自傳感器的原始數據存儲并轉換110為適當格式。將以包含181個元素的數值陣列形式存在的原始距離數據轉換為2×181矩陣，其中第一行和第二行分別代表角度和相應的測得距離。將角度的與線性的電位計讀數分別轉換為角度(度)和長度(英寸/米)。控制器利用直線查找算法(LFA)抽取距離數據中的有效直線(significantlines)112。然后控制器根據LFA結果計算MBC的當前位置114并且將全局坐標框架與LFA結果聯系起來116。由控制器生成MBC的依循路徑118并且根據MBC相對于該路徑的位置和方向的相對偏差來計算兩個履帶組件的速度120。下面將進一步詳細地描述步驟110-120，尤其是直線查找算法。
假設啟用人工超馳122，則控制程序終止124。此外，連續采礦機40和各個MBC10包含有緊急安全停止機構。控制器詢問是否實施緊急停止126，并且如果實施了緊急停止，則將導向速度指令設定為零128。控制器最后將導向速度指令發送給驅動控制器插件130。然后除非實施了緊急停止(其將致使移動距離為零)，MBC將沿著適當方向移動。然后控制序列經由循環132返回到步驟108。
使附設有機載傳送裝置的MBC的移動實現自動化，必須考慮這樣幾個物理因素。例如，MBC和機載傳送裝置之間樞軸的位置確定了在連續拖運系統中它的幾何結構，且由于不存在其它力的作用因此它是引導各個MBC/機載傳送裝置片段所必需的。當處于可達到的最高速度時為保持容限內的組態制導就有必要利用補償控制，利用有效力與MBC相作用。雖然不可直接測量重力和銷傳遞力(pin-transmittedforces)的作用效應，但是MBC驅動系統的性能表現卻依賴它們。對MBC進行自動控制還需要了解當前速度(由驅動輪測得)和期望速度估算值，期望速度估算值是部分地根據當前的與預測的偏離計劃路徑的偏差而得到的。利用假設是適當的計劃路徑，新的控制規則將對該MBC附近的系統組態的近期歷史進行采樣，應用一個預測滑移的內部模型，從而補償期望速度以克服這種滑移。該系統組態歷史(在車輛系統中各個鏈環的位置和角度)對所需補償的影響很大，因為它可以提供兩塊信息第一，自上一時間幀以來地面狀況是如何變化的，以及歸因于當前組態的對地面狀況的靈敏度。例如，當所有的機載傳送裝置角度近似為零度時，橫向滑移只與重力、局部傾斜和表面切應力有關。但是，當機載角(pig angle)都為90°時，相鄰的MBC施加一個力矩和一個橫向切應力，作用在對象MBC上，易于導致對象MBC傾斜。就這一點而論，控制器必須考慮這些因素，和其它因素，以及對它們的補償問題。
A)MBC/機載傳送裝置的移動因為連續拖運系統具有很多獨特特性，所以為連續拖運系統設計一個導航系統是很復雜的。例如，連續拖運系統的移動是通過完整約束和不完整約束而控制的。另外，該系統自由度大小根據系統的組態而變化、而且系統中履帶車輛模型非常復雜。這些特性對導航問題造成許多困難，并且產生的問題非常具有挑戰性。
在地下坑道環境中導航連續拖運系統的基本思路是在任何時候都能對每個MBC進行準確的適當定位。為了達到這個目的，系統中的每個MBC都必須緊緊依循在坑道底面上的一個虛擬路徑。這種虛擬路徑是由路徑計劃者根據例如由激光測距儀感測得到的環境數據而生成的。通過利用這樣一個事實每個MBC都能在臺車的移動限制范圍內獨立運動，在確定了每個MBC的當前位置之后，該系統可以控制每個MBC緊緊依循計劃路徑而運動，并且同時不會突破臺車限制。因為MBC可以彼此獨立運動，更有效地是為每個MBC設置局部控制器，而不是為所有MBC只提供一個中心控制器。
一個至關重要的信息是，所有的自動機車系統都需要知道它的當前位置和方向(即POSE)。因此，系統必須能夠在其工作環境中對其自身進行定位。在本發明中，來自激光掃描器的距離數據能夠用于計算MBC的當前POSE。通過利用“直線查找算法”(LFA)，利用遞歸直線分裂技術從距離數據中抽取出兩個最長的直線。直線查找算法每次只對一個激光掃描器的距離數據進行處理。參看圖7，在步驟202，LFA接收由LABVIEW收集的2×181矩陣形式的距離數據，其中第一行和第二行分別代表角度和相應測得的距離。因為激光掃描器的角分辨率設定為1°，所以我們可以得到從0°到180°的181個距離值。一旦收集到距離數據，該算法在步驟204通過經由角電位計檢查前、后機載傳送裝置角度并且將相應于那些角度的開始片段和結尾片段切除掉，將壞的或不需要的距離數據濾除。這可避免該算法將來自礦壁和連續拖運系統兩者的距離數據混淆到一起。同時，該算法還忽略了相應測得距離大于特定限值的所有距離數據，以避免錯誤判斷距離數據。然后在步驟206，通過檢測相鄰測得距離值的差而將距離數據分組。只要當測得距離值的差大于一個預先設定的閾值時，就在該點處劃分距離數據。這有助于我們區分彼此妨礙的不同礦壁的輪廓。在將距離數據分組之后，選擇包含最長直線的最大的組供進一步分析用。
在步驟208，該算法利用遞歸直線分裂技術將距離數據的選定組分裂為小組。這種技術通過參看圖6可以得到清楚的解釋。由該視圖可見，給出了一組數據點。如圖6中虛線所示，該技術首先在同屬該組的第一點和最后一點之間進行連線。然后，計算該組中每一點到那條直線的距離。如果最大距離超出了指定限值，則該算法在距該直線最大距離的點處分裂該組。現在該組已分為了兩個小組，并且對所有分裂后殘余的組進一步實施同樣步驟(在每個小組中第一點和最后一點之間進行連線，計算每個點的距離等等)。繼續執行該步驟直至所有小組都滿足該指定限值。結果是分成了四組，在圖6中以實線區別表示。在距離數據分裂為小組之后，在步驟210選擇出表征為兩條最長直線的兩個最大小組。在該實施方案中，選定從左邊數第一組和第三組以匹配直線穿過。這兩條直線近似地表示出了通過激光掃描器在任意時刻獲取的礦壁的整個輪廓，并且它們可用于確定MBC在所有控制周期中的當前POSE。
一旦執行直線查找算法，控制器就執行一個定位算法，計算并且因此確定MBC的POSE。該算法首先要確立全局坐標框架，如在圖8中所示的那樣。兩條在前獲得的直線之間的角度確定了坐標框架的位置以及方向。如果該角度值大于指定閾值，比方說160°，則這兩條直線看起來就構成了一條直線。此時，算法可將坐標框架原點設定在我們所期望的在這兩條直線之一上的任意位置；但是，在本發明優選實施方案中，為了簡便的緣故，將原點設定為在這兩條直線上的最接近激光掃描器的一點。坐標框架的方向是通過將角度平分線方向設定為Y軸來確定的。另一方面，如果角度值小于指定閾值，則將原點位置設定為這兩條線的交點，而可依照前述方法確定方向。
由于距離數據是在激光掃描器坐標框架中測得的，因此必須將點坐標從激光掃描器坐標框架中轉換到全局坐標框架中。參看圖8，假設一個物體的POSE的在全局坐標框架中為(x，y，θ)，而假設(dx，dy，dθ)是全局坐標框架的POSE在掃描器坐標框架中表示形式。該坐標框架的x-軸方向dθ由dθ＝γ-(π/2)弧度來確定。因為人們知道激光掃描器安裝在MBC上的什么地方，所以人們知道MBC相對于各個傳感器的幾何中心的位置。通過下列公式可以實現物體的POSE的從掃描器坐標框架到全局坐標框架的坐標變換(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)＝以掃描器坐標框架形式表達的POSE由于激光掃描器在MBC上的確切位置是已知的，所以在掃描器坐標框架中的MBC幾何中心POSE也是已知的。前述計算中的(dx，dy，dθ)值也是已知的。因此，利用上面的公式(1)和(2)可以確定MBC相對于全局坐標框架的位置。
一旦確定了位置，該自動MBC然后需要確定它想要到哪里去。路徑規劃是可移動機器人技術領域：
最難的問題之一。解決路徑計劃問題的方法基于這樣一個思路，構形空間使機載傳送裝置和礦壁之間的間隙最大，將此作為最佳判則。但是，下面將要詳細描述的本發明中應用的方法考慮了多個最佳判則。
現在參看圖9，礦道中典型的轉折角(γ)分別是是90、120和135度。由于用于連續采礦機40的導向系統的誤差，這些角度通常會發生細小變化。礦道的平均寬度U一般是20英尺。根據γ和U的值，可以限定描述出一個特定類型的轉折過程。路徑計劃策略的一個作用是，對于任意給定尺寸的CHS，路徑計劃策略能夠生成CHS中每個MBC都必須依循的最安全路徑，如虛線300所示。已經有人提出了可完成這種任務的路徑計劃算法。這種算法的輸入是礦道和CHS的尺寸(γ和U)、路徑的兩端端點、以及兩端端點處的坡度。基于這些輸入量，搜索算法生成一系列MBC路徑的四元多項式曲線，滿足端點條件，并且對每個生成的多項式曲線進行價值函數值估算。價值函數J定義如下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和機載傳送裝置之間的角度β＝后面的MBC和機載傳送裝置之間的角度
d＝機載傳送裝置和礦壁之間的最小間隙。
verr＝導向速度的最大允許誤差。
s＝路徑弧長。
L＝路徑總長度。
搜索的目的是尋找使價值函數值為最小的路徑。搜索算法應用了稱為“Hooke & Jeeves”方法的優化方法。其對搜索范圍進行探索，并且保存在每次迭代中得到價值函數最小值的搜索方向。當當前迭代的價值函數值和前次迭代的價值函數值的差值小于指定數值時，或者當迭代次數超過一個限定值時，終止搜索。Hooke & Jeeves方法的流程圖顯示在圖10中，其中x0，x1，…xn表示路徑系數，在下文將進一步描述說明。對價值函數的判讀是，CHS的各個片段之間的角度必須最小化；換言之，CHS的配置應當盡可能地直一些，避免CHS折曲。反過來，當機載傳送裝置拐彎時其間隙應當最大化以避免發生碰撞。同時，計劃路徑應當為每個導向的MBC提供很高的誤差容限，或者我們可以講該路徑允許MBC在導向速度控制過程中具有很大誤差以便完成這個拐彎操作。在這里，單詞“完成”意味著該系統拐彎時不會碰撞礦壁。
在估算每個多項式曲線選項的價值時，由機載傳送裝置長度分隔的一對MBC精確地沿著生成路徑運動。整個路徑長度分為許多小段。MBC運動的每一段，α、β、與d的值簡單地由幾何方法確定，但是每個MBC的verr只能通過計算機模擬獲取。這種模擬在搜索算法的主程序內進行。首先計算在MBC當前組態下的下一個控制周期的MBC導向速度。這些速度稱為標稱速度，MBC必須精確維持該速度以保證MBC在經過一個控制周期之后達到位于該路徑上的下一個組態。但是，MBC不可能精確地執行所接收指令給出的標稱速度。諸如動力傳遞損耗和控制誤差等若干因素導致與標稱速度的偏差。將這種速度誤差格式化定義為標稱速度的百分數。下列公式用于計算MBC在一個控制周期內執行的實際速度vr，actual＝(1±verr)←→vr，normvl，actual＝(1±verr)←→vl，norm做兩個假設，假設兩個導向verr相等，而且假設vr，actual和vl，actual在一個控制周期中是恒定不變的。verr的值總為正值且沒有上限。該模擬開始時verr的值是零，并且計算MBC在一個控制周期內的凈移動。然后，該模擬檢查MBC是否與礦壁有碰撞。假設沒有碰撞，該模擬持續增大verr的值并且在發生碰撞時終止。導致碰撞的verr的值是在該MBC組態下速度控制過程中的最大可容許誤差。累積所有的加權取平方的沿整個選項路徑的αs、βs、ds和verrs，就可以獲得每條路徑的價值估算。
對于90度拐彎，路徑起始于一段通道當中而到達另一段通道當中。這使得該路徑在兩邊都連接為直線路徑。這條路徑具有的坑道寬度為20英尺和22英尺，其公式系數表列于下面的表1中，同時列入表中的還有拐彎為120度和135度的情形。
表1
其中y＝ax2+bx+c本領域普通技術人員應能知曉，上面給出的二次方程式是用于求解路徑系數的。這個公式無疑足以得到適當路徑計劃，引入的系數越多，則路徑計劃越精確。但是，顯而易見，使用的系數數目越多，則所需的計算時間就越長。因此最優選的是使用四階多項式方程，例如采用下列形式y＝c0x4+c1x3+c2x2+c3x+c4根據MBC在礦井中所處位置，每個MBC的全路徑都包括一系列交替的拐彎和直線路段；但是，存在一種稱為“S-拐彎”的特定類型拐彎的例外，“S-拐彎”被公認為最困難的情形。S-拐彎路徑由兩個相互連接的拐彎組成。因為S-拐彎的兩端都不位于通道當中，所以S-拐彎的兩端必須連接為直線路徑。因此，直接在一個S-拐彎之后進行另一個S-拐彎是不可能的。然而，這種情形只發生在90度坑道內，120度和135度坑道沒有足夠空間允許S-拐彎起止于礦井通道當中。
因為，為得到最佳路徑搜索算法花費很多時間，所以執行在線路徑計劃是不可能的。這個問題的解決方法是，通過以離線方式對可能的拐彎類型進行路徑計劃，并且建立一個包含相應于每個特定拐彎的路徑系數的查找表(例如表1)。一旦MBC控制器確定拐彎是何種類型，則控制器立即就能由查找表通過內插法計算出適當的路徑系數。盡管這種方法生成的路徑與現場在線計算相比未達最佳標準，但是試運行的結果表明將自身導航通過模擬坑道的系統性能的劣化因素降低了。
基于這些，MBC知道了它當前的POSE以及它應當依循的路徑，接下來MBC必須確定它如何達到所期望的目的地。路徑循跡算法計算MBC的兩個引導組件速度，使得MBC可以精確依循路徑。而在對兩輪機器人(在運動學上等同于履帶車輛)的路徑循跡控制方面已經有了很多相關文獻資料，本發明使用的路徑循跡算法是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)。
在任何時候為了實現路徑循跡都需要將γe與θe這兩個參數輸入導MBC控制器。γe是MBC中心到路徑之間的最短距離，而θe是由路徑切線測得的方向偏差。給定一個向前或向后的速度v，則可以通過下式計算出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，通過對它的調整來接收所期望的MBC的循跡響應。
速度v與MBC的臺車的、以及在運動方向上緊鄰在后的MBC的臺車的容許移動距離(allowable traverse distance)直接相關。比較兩個臺車的移動距離，并且選擇具有較小值的一個。這個距離標稱為“滑動量”。
因此可以由下式計算出在前與在后的速度v=±dollyT]]>其中v當向前/向后移動時其分別表現為正值/負值。
T＝控制循環周期，秒。
±dolly＝由線性電位計得到的臺車的速率然后，可以由下式確定左、右履帶速度Vr=v+ωB2]]>Vl=v-ωB2]]>其中B＝履帶之間的距離。
路徑循跡算法，包含路徑計劃算法，優選地采用例如C語言之類的通用計算機語言實現。再有優選地將兩種算法組合在一個程序中，因為它們兩者利用了大量的公用信息。
B)機載傳送裝置的高度在本發明中，對前行或尾隨的機載傳送裝置的高度伸縮控制是通過如下連續過程實現對由高度測定傳感器測得的距離測量執行連續處理步驟，計算到給定的設定點的差值，并且應用該差值的比例值去操控液壓控制閥24的開口(參見圖1)。處理步驟包括將距離測量值和多個在先測量值進行比較，計算許多個周期的移動平均值，忽略遠離中心的數據點，而后計算較少周期的平均值。因此可以排除潛在干擾數據而獲取可靠的間隙測量值，而且減小了使傳統的低通濾波方法經常遭遇的時間延遲。本領域普通技術人員明白，有大量模擬的或數字的濾波技術可以替代剛剛描述的優選實施方案。
高度控制的設定點優選地由開采操作者確定，并且用作測量值信息處理器的輸入量。當進行單向距離測量時，例如，只測量距底面的距離時，這個設定點確定了在假定高度提升的情形下與在假定高度下降的情形下的目標距離值。當進行雙向距離測量時，例如，測量距底面距離和距頂面距離時，這些設定點確定了高度控制的一個“不作用”區以及在假定高度提升的情形下與在假定高度下降的情形下的目標距離值。優點還在于應用了冗余雙重測量，通過測量值信息處理器進行選擇以確定哪一種測量信號或者兩種測量信號是有效的。本領域普通技術人員知曉，對距設定點的測得距離的比例值進行選擇以便得到近于臨界的衰減響應。這種PID-控制技術是本領域公知技術。
除了上述應用之外，本領域普通技術人員明白，只要不背離本發明的范圍、精神或教導，可以對本發明方法進行改動或變化。因此，本發明的意圖是，說明書的描述說明用于幫助理解，而本發明的請求保護范圍僅由權利要求
書及其等價物所劃定。
權利要求
1.一種用于具有兩個履帶或兩個車輪的運載工具的路徑跟蹤方法，其中該運載工具包含有具有控制周期的履帶或車輪控制器，該運載工具經由臺車至少連接一個結構，該臺車在任意給定時間點都提供了最小化的在該運載工具和該結構之間的可移動距離，其中已知該運載工具在全局坐標框架中的位置與方向，并且已知在全局坐標框架中標示出的多項式路徑的系數，該方法包括確定在該多項式路徑上與該運載工具中心具有最短距離的點；確定由最近點處切線測得的該運載工具縱軸之間的角度；確定移動距離；確定為該運載工具在控制周期內移動所述移動距離所需的移動速度；根據移動速度，確定該運載工具逼近該最近點的角速度；根據移動速度和角速度確定左、右履帶或車輪速度；以及根據該左、右速度，通過控制器對該運載工具加速，由此該運載工具直接逼近多項式路徑上的最近點。
專利摘要
本發明涉及一種設計用于地下環境的自動化連續拖運設備以及方法。每個移動式跨接載體(10)都包含有距離測量裝置(70)和角度測量裝置(74)，用于測定移動式跨接載體(10)的位置以及相連的機載傳送裝置(30)的角度位置。應用測定頂面高度的裝置(76)調整機載傳送裝置(30)的高度。對每個移動式跨接載體(10)，通過電子控制器(80)接收來自各個傳感器的輸入信號，計算移動式跨接載體(10)以及相連的機載傳送裝置(30)的位置和方向。然后控制器規劃移動式跨接載體(10)的最佳移動路徑，并且計算跨接載體上各自獨立運作的履帶組件的移動速率，使得跨接載體(10)和機載傳送裝置(30)能夠盡可能地依循規劃路徑。
文檔編號E21F13/08GK1991653SQ200710001372
公開日2007年7月4日 申請日期2001年10月9日
發明者R·H·斯特吉斯, M·特維格, A·卡那拉特 申請人:Dbt美洲有限公司, 弗吉尼亞知識產權技術有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan