CN103287491B - 巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统，包括安装在动力源车及各运输车的转向轮组上的转向机构；安装在各转向轮组上的比例换向阀；安装在各转向轮组轴线上的角位移传感器；安装在动力源车前驾驶室内与方向盘连接的动力源车转向传感器；置于动力源车防爆电控箱内的主控制器，在主控制器内安装有根据已建立的整车轮系转向运动学模型编制的控制程序；安装在各运输车连杆上的运输车转向传感器；安装在各运输车防爆盒内的从控制器；主控制器、从控制器、动力源车转向传感器、运输车转向传感器、角位移传感器采用CAN总线联接。其优点是：适用于分体式运输车的控制，在相对宽阔的环境，实现了单人驾驶。

Description

巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统

技术领域

本发明属于特种车辆的转向模式的智能控制技术领域，涉及一种液压重载运输动力车组转向控制系统，具体涉及一种巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统。

背景技术

由于巷道地形复杂，端面窄小及空间狭长，运输车经常需要进行复杂的转向操作。目前国内外无轨井下巷道载重运输车普遍采用前后车铰接转向模式。采用这种模式，动力车牵引运输车，各行走轮胎与地面间滑转和滑移发生几率大，轮胎磨损严重，整车安全可靠性差、系统能耗大；同时，转向机构臃肿和转向结构限制，整车转向半径大，转向灵活性差，在急弯时存在安全隐患。

本申请人已申请的专利CN101498217A，为分体式遥操作超低巷道采煤设备运输平台。该专利动力源车与运输车之间采用铁链柔性连接，运输车前端设置可伸缩的拉杆，实现了动力车与运输车独立转向。这种模式简化了转向机构，轮胎滑转和滑移发生几率大大降低，整车转向半径减小，灵活性增强。运输车的超低设计，使采煤设备的运输更加适应巷道弯曲狭小空间的限制。

分体式运输车先后经过几代车型发展，最新的车型如附图1、图3所示，包括动力源车1、运输车5和连杆2。动力源车上主要有柴油箱9、储气罐10、隔爆柴油机11、后驾驶室12、后驱动轮13、冷却风扇14、油箱15、液压泵16、分动箱17、补水箱18、防爆电控箱19、瓦斯报警仪20、前驾驶室21。运输车主要包括驱动、转向和悬挂装置。动力源车采用前轮转向、后轮驱动的半八字转向模式，平板车采用全轮组八字转向模式和斜行模式。

目前依靠两个驾驶员共同操作分体式运输车，需要两个驾驶员密切配合。煤矿机械搬运设备的高效性和快速性是两个急需解决的方面。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种适用于分体式运输车的控制，在相对宽阔的环境，实现单人驾驶分体式运输车的巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明的巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统包括：安装在动力源车及各运输车的转向轮组上的由与转向轮组连接的齿轮、与齿轮啮合的齿条、安装在齿条内的转向液压缸构成的转向机构；安装在各转向轮组上与各转向液压缸匹配的用于控制液压缸行程的比例换向阀(电磁阀)；安装在各转向轮组轴线上的角位移传感器，角位移传感器实时接收和发送各转向轮组的转角信号；安装在动力源车前驾驶室内与方向盘连接的用于接受来自方向盘的转角信号的动力源车转向传感器；置于动力源车防爆电控箱内的主控制器，在主控制器内安装有根据已建立的整车轮系转向运动学模型编制的控制程序；安装在各运输车连杆上的运输车转向传感器；安装在各运输车防爆盒内的从控制器；主控制器、从控制器、动力源车转向传感器、运输车转向传感器、角位移传感器采用CAN总线联接；方向盘转动角度通过动力源车转向传感器转换成相应的电流信号，通过CAN总线传到主控制器，主控制器根据采集的控制信号，识别转向模式，然后根据已建立的整车轮系转向运动学模型和方向盘输入的角度，解析出转向轮组的期望转角，再通过CAN总线接收角位移传感器采集的最新实际轮组转角，采用变参数PID控制算法求解转向液压缸的控制量输出，并向I/O节点发送相应的控制指令，控制比例换向阀阀芯开口的大小，从而控制进入动力源车转向液压缸的流量；主控制器通过内部信号处理，把电流信号转换成相应流量信号，控制转向的角度从而控制转向液压缸带动转向机构运动，进而带动轮组转动，该角度信号又会通过转向机构上设置的转向传感器转换成相应的电流信号反馈给主控制器，使其和输入的控制信号进行比较，通过偏差信号再次调节比例换向阀阀芯的开口度，从而调节进入液压缸的流量，进而调节转向的角度，实现信号跟踪闭环控制；运输车通过运输车转向传感器转向信号、从控制器和主控制器进行位姿解析，智能控制运输车各转向轮组轴线上的转向液压缸的伸缩量，对各轮组的转角进行控制，自动跟踪动力源车转向轨迹，从而实现动力车组转向协调控制。

本发明的工作原理如图4所示：动力源车转向时，驾驶室执行操作的驾驶员转动方向盘，产生电信号，控制动力源车的转向油缸的控制器按照预先设定的程序及电信号大小对比例换向阀的开口进行控制，从而控制动力源车轮组转向液压缸的伸缩量，进而带动转向机构动作，最终使得轮组转向，其动力源车系统控制框图如图8所示；然后运输车通过运输车转向传感器转向信号、运输车载从控制器和动力源车的转向主控制器对动力源车的轨迹进行位姿解析，动力源车转向后，与运输车之间的位置姿态发生了变化，连杆和动力源车之间产生了一个角度，这个角度通过运输车转向传感器转换把信号发送给运输车从控制器，从控制器再把信号反馈给动力源车主控制器，通过主控制器和第一从控制器之间的通讯，由从控制器发出电信号给比例换向阀，控制转向液压缸推动各个转向机构带动各轮组转动，运输车轮组转动的角度信号又会通过转向机构上设置的转向传感器转换成相应的电流信号反馈给主、从控制器，使其和输入的控制信号进行比较，通过偏差信号再次调节比例换向阀阀芯的开口度，从而调节进入液压缸的流量，进而调节转向的角度，实现信号跟踪闭环控制，使运输车自动跟踪动力源车转向轨迹，从而实现动力车组转向协调控制。图1给出了转向传感器的安装位置；转向轮组上安装有角位移传感器，通过比例换向阀、齿轮、齿条和转向液压缸，可以精确控制轮组摆角，其运输车控制系统框图如图9所示；对原先相关车辆的转向机构进行了优化设计，增加了转向结构的灵活性及精确性。

本发明涉及的巷道无轨轮式液压重载运输动力车组，由动力源车和运输车组所组成，运输车组采用串联形式，各运输车之间由软性连接，即不依靠硬件固结，而是通过控制系统的协调控制达到车与车之间的软性连接，使得车体之间保持一定安全距离，并能保证车体之间的协调运动、协调作业，由于运输车采用液压驱动，因此车与车的连接部有胶管伸出，为了固定胶管，可以在两车间架以刚性连杆，需要注意的是，理论上刚性连杆或铁链在实际的运行过程中不受力，即在车体间协调作业控制时，刚性连杆不起牵引或制动等作用，而只是当车体间有相对偏角时起到参考系作用。若运输车转向传感器可用其它非接触式传感器代替，如激光、超声波、视觉等传感器，此时刚性连杆即可撤去，此时为了固定胶管，可用铁链予以连接，这样胶管即可附着于铁链上。通过车体间胶管的连接，实现了车体间能源的传递。

采用上述方案后，本发明有以下优点：

(1)此动车组的组成形式为1+2式：1供应车，2个运输车。还可以组成动车组的多车形式，如1+1，1+2，1+3，······+n；2+2,2+3······动力源车可以在头、尾或者整车的中间某位置。

(2)提出灵活的转向机械结构，每个动力源车和运输车均采用机械连杆转向控制整车转向，转角范围大，可以达到360°。

(3)具有多种转向模式。本发明所涉及的转向结构形式，可以在工作空间狭小，运输动车组体积庞大的情况下工作时，实现车身平稳，转向灵活准确以及单节运输车纵、横行驶。转向系统涉及的转向形式包括：动车组整体转向要求的直行、斜行、横行、八字转向、半八字转向、头尾摆动及原地回转等。如图5所示；动车组各运输车独立转向要求的直行+八字转向、直行+半八字转向、直行+原地回转、直行+头尾摆动等。如图6所示。

(4)采用分段多模式的控制策略。本发明应用柔性连接多运输车空间协调位姿解析法，可采取传统PID控制、模糊控制、自适应控制等控制策略，解决了由于井下特殊工况下对诸多性能优良控制及传感元件难以获得使用许可而造成的转向不灵活、转向半径大、侧翻和操纵稳定性差等问题。

(5)采用智能化监控系统，终端结构简单、运行可靠。提出了转向控制系统压力、流量、转角、速度和位移等多信息融合，多机构同步的智能化协同监控系统。

(6)通过增加运输车的数量，组成运输动力车组，可实现同时装载多件或多种煤矿设备，提高了设备转场的运输效率。

附图说明

图1是动力车组整体图；

图2是运输车轮组及其机械结构示意图；

图3是动力源车整体分布示意图；

图4是转向系统流程图；

图5a是整体转向组合模式直行示意图；

图5b是整体转向组合模式斜行示意图；

图5c是整体转向组合模式横行示意图；

图5d是整体转向组合模式八字转向示意图；

图5e是整体转向组合模式半八字转向示意图；

图5f是整体转向组合模式原地回转示意图；

图5g是整体转向组合模式头尾摆动示意图；

图6h是独立转向组合模式直行+八字转向示意图；

图6i是独立转向组合模式直行+半八字转向示意图；

图6j是独立转向组合模式直行+原地回转示意图；

图6k是独立转向组合模式直行+头尾摆动示意图；

图7是1+2式巷道无轨轮胎式液压重载运输动力车组示意图；

图8是动力源车转向位置控制框图；

图9是运输车转向位置控制框图；

图中:1-动力源车、2-连杆、3-转向传感器、4-运输车轮组轴线、5-运输车、6-轮组、7-齿条、8-齿轮、9-柴油箱、10-储气罐、11-隔爆柴油机、12-后驾驶室、13-后驱动轮、14-冷却风扇、15-油箱、16-液压泵、17-分动箱、18-补水箱、19-防爆电控箱、20-瓦斯报警仪、21前驾驶室、22-油管、23-第一运输车前多通阀块输入端快换接头、24-第一运输车前多通阀块、25-第一运输车前多通阀输出端快换接头、26-第一运输车、27-第一运输车防爆盒、28--第一运输车后多通阀块输入端快换接头、29-第一运输车后多通阀块、30-第一运输车后多通阀块输出端快换接头、31-油管、32-第二运输车前多通阀块输入端快换接头、33-第二运输车前多通阀、34-第二运输车。

具体实施方式

本发明基于井下巷道重载无轨胶轮运输车的转向柔性连接方式及其转向协调控制技术，以1+2式巷道无轨轮式液压重载运输动力车组为例进行详细说明，图6给出了该运输动力车组的整体结构示意图。

各运输车分别安装前多通阀块和后多通阀块，前、后多通阀块上安装输入端快换接头和输出端快换接头。动力源车1的油管22与第一运输车前多通阀块输入端快换接头23相连。第一运输车26的前多通阀块24的输出端快换接头25通过胶管与第一运输车26的后多通阀块30的输入端快换接头29连接；第一运输车26的后多通阀块29的输出端快换接头30通过油管31与第二运输车34的前多通阀块33的输入端快换接头32连接。来自动力源车的液压油通过多通阀块进入各个液压泵。至此，实现了能源在运输动力车组上的传递。

动力源车的转向传感器位于前驾驶室21内，用于接受来自方向盘的转角信号。主控制器置于动力源车防爆电控箱19内，第一从控制器置于第一运输车防爆盒27内，依此类推。动力源车采用前轮转向后轮驱动的转向模式，通过齿轮齿条缸机构实现转向。各运输车均采用齿轮齿条缸配合转向机构的转向模式，各轴线均配有角位移传感器，实时接收和发送各轮组的转角信号。动力源车与第一运输车之间、运输车组之间的转向控制方法一样，在此仅以动力源车与第一运输车之间的转向控制进行说明。

本发明涉及的转向系统基于多种控制方式，运输车组在转向时自动跟随动力源车，实现转向协调控制。车辆转向过程位置控制如图8和图9所示，驾驶员根据路面的情况使方向盘转动某个角度，该角度通过转向传感器转换成相应的电流信号，通过CAN总线传到主控制器。控制器根据采集的控制信号，识别转向模式，然后根据已建立的整车轮系转向运动学模型和方向盘输入的角度，解析出各轮组的期望转角，再通过CAN总线接收角位移传感器采集的最新实际轮组转角，采用变参数PID控制算法求解各转向缸的控制量输出，并向各I/O节点发送相应的控制指令，控制比例换向阀阀芯开口的大小，从而控制进入动力源车转向油缸的流量。控制器通过内部信号处理，把电流信号转换成相应流量信号，控制转向的角度从而控制转向液压缸带动转向机构运动，进而带动轮组转动，该角度信号又会通过转向机构上设置的角位移传感器转换成相应的电流信号反馈给控制器，使其和输入的控制信号进行比较，通过偏差信号再次调节比例换向阀阀芯的开口度，从而调节进入转向液压缸的流量，进而调节转向的角度，实现了信号跟踪闭环控制。动力源车转向后使动力源车和第一运输车之间的姿态发生了变化，连杆和动力源车之间产生了一个角度，这个角度通过运输车转向传感器转换把信号发送给第一从控制器，第一从控制再把信号反馈给主控制器，通过主控制器和第一从控制器之间的通讯，由第一从控制器发出电信号给比例换向阀，控制转向油缸推动各个转向机构带动各轮组转动。

Claims (1)

1.一种巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统，其特征是：巷道无轨轮式液压动力车组柔性转向控制系统包括：安装在动力源车及各运输车的转向轮组上的由与转向轮组连接的齿轮、与齿轮啮合的齿条、安装在齿条内的转向液压缸构成的转向机构；安装在各转向轮组上与各转向液压缸匹配的用于控制液压缸行程的比例换向阀；安装在各转向轮组轴线上的角位移传感器，角位移传感器实时接收和发送各转向轮组的转角信号；安装在动力源车前驾驶室内与方向盘连接的用于接受来自方向盘的转角信号的动力源车转向传感器；置于动力源车防爆电控箱内的主控制器，在主控制器内安装有根据已建立的整车轮系转向运动学模型编制的控制程序；安装在各运输车连杆上的运输车转向传感器；安装在各运输车防爆盒内的从控制器；主控制器、从控制器、动力源车转向传感器、运输车转向传感器、角位移传感器采用CAN总线联接；方向盘转动角度通过动力源车转向传感器转换成相应的电流信号，通过CAN总线传到主控制器，主控制器根据采集的控制信号，识别转向模式，然后根据已建立的整车轮系转向运动学模型和方向盘输入的角度，解析出转向轮组的期望转角，再通过CAN总线接收角位移传感器采集的最新实际轮组转角，采用变参数PID控制算法求解转向液压缸的控制量输出，并向I/O节点发送相应的控制指令，控制比例换向阀阀芯开口的大小，从而控制进入动力源车转向液压缸的流量；主控制器通过内部信号处理，把电流信号转换成相应流量信号，控制转向的角度从而控制转向液压缸带动转向机构运动，进而带动轮组转动，该角度信号又会通过转向机构上设置的转向传感器转换成相应的电流信号反馈给主控制器，使其和输入的控制信号进行比较，通过偏差信号再次调节比例换向阀阀芯的开口度，从而调节进入液压缸的流量，进而调节转向的角度，实现信号跟踪闭环控制；运输车通过运输车转向传感器转向信号、从控制器和主控制器进行位姿解析，智能控制运输车各轮组轴线液压缸的伸缩量，对各轮组的转角进行控制，自动跟踪动力源车转向轨迹，从而实现动力车组转向协调控制。