CN114179803B - 一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统 - Google Patents

一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，旨在解决矿用自卸车在露天矿山中的自动化二维队列行驶问题。利用障碍物信息以及目标行驶路径信息，对二维队列的排布模式进行选择。针对不同的排布模式，分级异构队列通讯系统切换不同的通讯拓扑结构，矿场基站信息同步系统完成地定点通讯信息更新。最终，虚拟弹簧阻尼队列控制系统利用虚拟的弹簧阻尼结构控制车辆间的纵向、横向以及转角的相对位置关系，实现矿用自卸车二维队列的安全稳定行驶。

Description

一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统
技术领域
本发明属于智能网联汽车队列化综合控制领域，涉及矿用车辆队列化行驶控制技术，具体涉及一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，利用传感器实时检测周围车辆或障碍物的运动状态信息，选择合适的二维队列排布模式，利用纵向、横向与转向虚拟弹簧阻尼系统控制矿用自卸车二维队列内车辆避免发生碰撞，提高队列行驶安全性。
背景技术
在道路封闭的露天矿山中运输矿车是一种最常用的运输装备，大量的矿石运输在矿山中有相对固定的运行路线，所以运行过程容易实现标准化的程序使得实现矿车无人驾驶具有一定的客观基础。随着科技的发展与露天采矿业的需要，无人驾驶矿车成为实现数字矿山的一个重要环节。矿用自卸车作为运输矿车中最常用车辆，其行驶路径基本全部在矿场内，是实现车辆队列化行驶的良好实现场景。
矿用自卸车广泛应用于冶金、有色、化工、煤炭等几大行业的土石方运输,是目前大型露天矿山的主要运输工具。在大多数矿山企业中，巨型的矿山机械每天24小时不间断工作。这些巨型采矿设备的操作员,每天上班必须忍受噪音、浮尘、颠簸等恶劣的工作环境,工作环境中的高温、高湿、噪声、振动等对矿山设备操作人员的健康造成极大危害。矿山行业存在着人员招聘困难、人力成本和管理成本持续升高、传统作业模式智能化程度底，缺乏信息化管理手段、无法根据实时生产信息进行智能化的优化调度等问题。所以矿用自卸车自动控制与队列化行驶也是目前车辆领域的热门课题之一。
针对矿用自卸车体积大、整车质量大并且行驶速度较低的特性以及封闭露天矿山内车辆行驶道路不平坦、道路结构多变的问题，本发明提出一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，旨在通过对矿用自卸车二维队列内车辆在行驶平面上进行相对位置变化进而适应道路环境的变化，并且利用车辆间的虚拟弹簧阻尼系统模拟车辆间相对位置变化，维持矿用自卸车二维队列内车辆不发生碰撞，保证队列的安全性与稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，用以实现矿用自卸车在行驶平面上形成的二维队列的安全和稳定，针对露天矿山内道路状况多变的情况，利用二维队列排布模式选择系统选择合适的队列排布模式，利用车辆间的信息通讯完成车辆间的纵向、横向与转向虚拟弹簧阻尼控制，保证二维队列内矿用自卸车的安全稳定行驶。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，包括二维队列排布模式选择系统，领航与跟随矿用自卸车分配系统，分级异构队列通讯系统，矿场基站信息同步系统，虚拟弹簧阻尼队列控制系统。
所述矿用自卸车，其指在封闭式露天矿山采矿时应用的40-200吨级的非公路自卸车。
所述二维队列排布模式选择系统，其根据行驶路段障碍物位置、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域、装卸货物地点信息以及多辆矿用自卸车的目标行驶路径，按照队列排布模式优先级决定矿用自卸车二维队列选择单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式。
所述领航与跟随矿用自卸车分配系统，其用于分配二维队列内部分车辆处于领航模式，二维队列内部分车辆处于跟随模式，处于领航模式的车辆分为第一领航车与兼顾领航车两种，其由二维队列排布模式选择系统所选择的排布模式决定。
所述分级异构队列通讯系统，其利用分级异构通讯拓扑完成矿用自卸车二维队列车辆间的通讯；当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，分级异构队列通讯系统启动前车跟随式通讯拓扑，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树排布模式时，分级异构队列通讯系统启动分级异构通讯拓扑或前车跟随通讯拓扑。
所述矿场基站信息同步系统，其用于定地点更新矿用自卸车的位置信息与车辆状态信息，矿用自卸车二维队列内车辆将在基站正常辐射范围内同时完成信息更新，当处于基站辐射范围内的车辆数达到基站激活更新信息车辆数时，矿场基站定地点同时刻向正常辐射范围内的车辆发送第一领航车与辐射范围内的兼容领航车运动状态信息与道路环境信息，队列内全部车辆无法同时更新信息时，根据基站更新信息频率进行分批次更新信息。
所述虚拟弹簧阻尼队列控制系统，其包含纵向虚拟弹簧阻尼控制、横向虚拟弹簧阻尼控制以及转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用虚拟的弹簧阻尼结构，通过控制弹簧刚度和阻尼系数来控制矿用自卸车二维队列行驶；其中纵向虚拟弹簧阻尼控制一直处于启动状态，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树分布模式后启动横向弹簧阻尼控制，当二维队列内矿用自卸车处于转向工况时启动转向弹簧阻尼控制。
进一步的，所述二维队列排布模式选择系统包括单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式，根据行驶路段障碍物位置、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域、装卸货物地点信息以及多辆矿用自卸车的目标行驶路径确定队列排布模式优先级，根据队列排布模式优先级选择单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式三者之一。
所述单列排布模式是指矿用自卸车二维队列内的全部车辆均处于单列状态，即前一辆车车尾在行驶方向上的后一辆车的车体坐标系下，纵向位置上前一辆车车尾大于后一辆车车头，并相距一定距离：
x'i-1-xi＞kl(Li-1)
同时当全部车辆处于直线行驶状态时，在行驶方向上的最左侧车辆的左侧边界和最右侧车辆的右侧边界的距离之差小于一定范围，其范围计算公式：
式中，xi'-1为前一辆车车尾的纵向位置，xi为后一辆车车头纵向位置，Li-1为前一辆车的整车长度，单位为米，kl为纵向位置系数，其取值范围为0.3-0.7，yl为最左侧车辆的左侧边界位置，yr为最右侧车辆的右侧边界位置，Wmax为队列内整车宽度最大的车辆的整车宽度值，Wl为最左侧车辆整车宽度值，Wr为最右侧车辆的整车宽度值，单位为米，kw为横向位置系数，其取值范围为0.6-1。
所述二叉树排布模式为在行驶方向上，三辆矿用自卸车位于三角形的三个顶角位置，其中一辆车的纵向位置大于其他两辆车：
x'i-1-xi,1＞kl(Li-1)
x'i-1-xi,2＞kl(Li-1)
其他两辆车的在行驶方向上的横向位置间距相隔一定距离，其计算公式为：
yi,1,r-yi,2,l＞kwWi-1
式中，x'i-1为前一辆车车尾的纵向位置，xi,1和xi,2分别为后左侧车辆的车头纵向位置与后右侧车辆的车头纵向位置，Li-1为前一辆车的整车长度，单位为米，kl为纵向位置系数，yi,1,r和yi,2,l分别为后左侧车辆的右侧横向位置和后右侧车辆的左侧横向位置，Wi-1为前一辆车的整车宽度，单位为米，kw为横向位置系数，满足以上间距位置关系的三辆矿用自卸车为二叉树排布模式。
所述多叉树排布模式，其在二叉树排布模式的基础上，后方车辆的数量多于两辆矿用自卸车，其后方车辆各车辆间的横向位置间距满足：
yi,1,r-yi,2,l＞kwWi-1
yi,2,r-yi,3,l＞kwWi-1
…
yi,n-1,r-yi,n,l＞kwWi-1
式中，n为后方矿用自卸车的全部数量。
所述队列排布模式优先级是根据目标行驶路段上的障碍物信息、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域以及二维队列内的车辆的目标行驶路径与目标装卸货地点确定的，其中包含最高排布优先级与系数权重排布优先级。
所述最高排布优先级，当领航车前方目标行驶路段、矿用自卸车可行驶与非行驶区域共同决定的可行驶区域的宽度范围为：
λsWmax＜Wroad＜λdWmax
宽度范围小于所规定的双列允许通过值，大于单列允许通过值，此时队列处于最高排布优先级，其中双列允许通过值与单列允许通过值分别为λsWmax，λdWmax，其中Wmax为队列内整车宽度最大的车辆的整车宽度值，单位为米，λs为单列宽度系数，λd为双列宽度系数；队列处于最高排布优先级时，仅能选择单列排布模式。
所述系数权重排布优先级，其根据目标路段行驶宽度与队列内车辆装卸货目标地点共同决定，第二排布优先级的权重系数范围为：
第三排布优先级的权重系数范围为：
式中，w为权重系数，λd为道路宽度系数，kn为树状分布比例系数，ns为参与二叉树或多叉树分布的二维队列内车辆数，n0为矿用自卸车二维队列内全部车辆数。
当队列处于第二排布优先级时，选择二叉树排布模式；当队列处于第三排布优先级时，选择多叉树排布模式；当权重系数不在第二排布优先级的权重系数范围，也不在第三排布优先级的权重系数范围时，此时处于最高排布优先级，选择单列排布模式。
进一步的，所述领航与跟随矿用自卸车分配系统其用于分配队列内的车辆处于领航模式和跟随模式，根据二维队列排布模式选择系统选择排布模式所决定，其中处于领航模式的领航车分为第一领航车与兼顾领航车。
所述领航模式是指矿用自卸车利用自身搭载智能传感器感知外界道路行驶环境，规划出目标行驶路径，与后方跟随车辆进行车辆状态信息与道路环境信息传递。
所述跟随模式是指矿用自卸车根据前方领航车的传递的车辆状态信息与道路环境信息，利用智能传感器感知前方车辆位置信息，完成跟随行驶。
所述第一领航车为，当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，队列仅有一个领航车并且该领航车为第一领航车，领航车的在行驶方向上的纵向位置处于最前方，其他车辆均为队列内的跟随车辆；当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式与多叉树排布模式时，在队列行驶方向上的纵向位置处于最前方的车辆为队列的其中一个领航车并且该领航车为第一领航车。
所述兼顾领航车为，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式与多叉树排布模式时，在队列行驶方向上的纵向位置处于最前方的车辆为队列的其中一个领航车并且该领航车为第一领航车，当队列的其他车辆与后方车辆组成二叉树状或多叉树状，则当前车辆同时处于跟随模式与领航模式，该车辆为兼顾领航车。
所述二叉树状或多叉树状指在队列内车辆与后方两辆车或多辆车的位置关系为，两辆车或多辆车同时跟随一辆车并且后方多辆车之间并无跟对关系，后方多辆车处于并列关系。
进一步的，所述分级异构队列通讯系统利用前车跟随式通讯拓扑和分级异构通讯拓扑完成矿用自卸车二维队列车辆间的通讯，其通讯拓扑结构根据二维队列排布模式选择系统选择的排布模式进行切换。
所述前车跟随通讯拓扑是指在行驶方向上前方车辆向相邻后方车辆单向发送前车自身的车辆运动状态信息以及前车采集的外界道路环境信息，行驶方向上后方车辆仅接受前方车辆发送的信息并不进行信息回复；沿队列行驶方向的反方向信息传递一次进行，一次由前方车辆向相邻后方车辆发送信息。
所述分级异构通讯拓扑是指在二叉树排布模式与多叉树排布模式下，第一领航车向后方跟随车辆发送车辆运动状态信息与第一领航车采集的道路环境信息，跟随第一领航车的跟随车辆接收第一领航车发送的信息但不回复，跟随第一领航车的多辆跟随车之间可以进行车辆运动状态信息交互，多辆跟随车之间进行双向信息交互；在二叉树排布模式与多叉树排布模式下，兼顾领航车向后方跟随车辆发送车辆运动状态信息与兼顾领航车采集的道路环境信息，跟随兼顾领航车的多辆跟随车之间可以进行车辆运动状态信息交互，多辆跟随车之间进行双向信息交互。
队列的通讯拓扑结构根据二维队列排布模式选择系统选择的排布模式进行切换，当队列选择单列排布模式时，队列切换为前车跟对通讯拓扑；当队列选择二叉树或多叉树排布模式时，队列内可以构成二叉树状或多叉树状的车辆切换至分级异构通讯拓扑，当兼顾领航车后方仅一辆跟随车且队列内无法构成二叉树状或多叉树状的车辆启用前车跟随通讯拓扑。
进一步的，所述矿场基站信息同步系统用于定地点更新矿用自卸车的位置信息与车辆状态信息，矿用自卸车二维队列内车辆将在基站正常辐射范围内同时完成信息更新，当处于基站辐射范围内的车辆数达到基站激活更新信息车辆数时，矿场基站定地点同时刻向正常辐射范围内的车辆发送第一领航车与辐射范围内的兼容领航车运动状态信息与道路环境信息，以及基站正常辐射范围内全部队列车辆在高精度地图的相对位置，队列内全部车辆无法同时更新信息时，根据基站更新信息频率进行分批次更新信息。
所述矿场基站实时接收矿用自卸车二维队列中的第一领航车与兼容领航车的车辆运动状态信息、第一领航车与兼容领航车搭载智能传感器采集的道路环境信息，同时矿场基站实时更新高精度地图上队列内各车辆的相对位置。
所述基站正常辐射范围是指，基站向队列内车辆发送更新信息时信息发送的丢包率小于万分之五时，车辆所处的位置属于基站正常辐射范围。
所述基站激活更新信息车辆数为基站激活更新信息的指标，当基站正常辐射范围内的车辆数大于等于基站激活更新信息车辆数时，矿场基站定地点同时刻向正常辐射范围内的车辆发送第一领航车与辐射范围内的兼容领航车运动状态信息与道路环境信息，以及基站正常辐射范围内全部队列车辆在高精度地图的相对位置，其中基站激活更新信息车辆数计算公式为：
式中，nr为基站激活更新信息车辆数，为矿用自卸车二维队列内车辆的平均行驶速度，单位为m/s，vmax为矿场内矿用自卸车的最高限速，n0为矿用自卸车二维队列内全部车辆数，nmax为基站正常辐射范围内的最大车辆数，为道路环境影响因子。
所述基站更新信息频率其用于分批次对队列内车辆进行信息更新，当矿用自卸车二维队列内车辆数量超过基站正常辐射范围内最大车辆数时，矿车基站在基站更新信息频率下分批次对队列内车辆进行信息更新，基站更新信息频率根据整个矿用自卸车二维队列行驶速度计算得到：
式中，fr为基站更新信息频率，kv为队列速度影响系数，ka为队列加速度影响系数，为矿用自卸车二维队列内车辆的平均行驶速度，单位为m/s，为矿用自卸车二维队列内车辆的平均行驶加速度，单位为m/s2，T为矿用自卸车以矿车内最高速度值vmax驶入基站正常辐射范围到驶出基站正常辐射范围所用时间，单位为秒，r为基站正常辐射范围半径，d为基站正常辐射范围内车辆与基站间的最小间距，单位为米。
进一步的，所述虚拟弹簧阻尼队列控制系统包括纵向虚拟弹簧阻尼控制、横向虚拟弹簧阻尼控制以及转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用虚拟的弹簧阻尼结构，通过控制弹簧刚度和阻尼系数来控制矿用自卸车二维队列行驶；其中纵向虚拟弹簧阻尼控制一直处于启动状态，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树分布模式后启动横向弹簧阻尼控制，当二维队列内矿用自卸车处于转向工况时启动转向弹簧阻尼控制。
所述纵向虚拟弹簧阻尼控制，其用于控制矿用自卸车二维队列内车辆在纵向上跟随前车同时不发生追尾碰撞；当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，队列内车辆的车头与行驶方向上前车的车尾之间的间距关系利用虚拟弹簧阻尼来控制，利用后车车头与前车车尾之间的纵向位置差和后车车速与前车车速之差来计算后车车辆的期望纵向加速度值：
Δxi-1,i(t)＝xi-1(t)-xi(t)-λv(vi-1(t)-vi(t))-λa(ai-1(t)-ai(t))-lmin
式中，ai,des(t)为队列内第i辆车的期望纵向加速度，单位为m/s2，Δxi-1,i(t)为队列内第i辆车车头与第i-1辆车车尾之间纵向位置间距，单位为m，Δvi-1,i(t)为队列内第i辆车车头与第i-1辆车车尾之间纵向速度之差，单位为m/s，xi-1(t)和xi(t)分别为第i辆车车头纵向位置与第i-1辆车车尾的纵向位置，单位为m，vi-1(t)和vi(t)分别为队列内第i辆车和第i-1辆车的纵向速度，单位为m/s，ai-1(t)和ai(t)分别为队列内第i辆车和第i-1辆车的纵向加速度，单位为m/s2，lmin为队列内整车长度最小的矿用自卸车长度的百分之七十，单位为m，ki-1,i为队列内第i辆车和第i-1辆车之间虚拟弹簧的刚度系数，ci-1,i第i辆车和第i-1辆车之间虚拟阻尼的阻尼系数，λv和λa分别为车辆间距影响因子。
所述横向虚拟弹簧阻尼控制用于控制矿用自卸车二维队列内车辆与侧方同行车辆之间保持一定安全横向间距并不发生横向碰撞；当二维队列排布模式选择系统选择二叉树或多叉树排布模式时，启用横向虚拟弹簧阻尼控制，此外当队列行驶过程中遇到侧方障碍物时，也启用横向虚拟弹簧阻尼控制；利用同向行驶的左右侧车辆的横向位置之差与横向速度之差来计算车辆的横向加速度值：
Δyl,r(t)＝yr(t)-yl(t)-λv(vl(t)-vr(t))-λa(al(t)-ar(t))-dmin
式中，al,des(t)为同行左侧辆车的期望侧向加速度，单位为m/s2，vl(t)为同行左侧车辆的横向速度，单位为m/s，Δyl,r(t)为同行左右侧车辆的横向位置差，单位为m，Δvl,r(t)为同行左右侧车辆的横向速度差，单位为m/s，yr(t)和yl(t)分别为同行左右侧车辆的横向位置，单位为m，vl(t)和vr(t)分别为同行左右侧车辆的横向速度，单位为m/s，al(t)和ar(t)分别为同行左右侧车辆的横向加速度，单位为m/s2，dmin为队列内整车宽度最小的矿用自卸车宽度的百分之七十，单位为米，kl,r为同行左右侧车辆之间虚拟弹簧的刚度系数，cl,r同行左右侧车辆之间虚拟阻尼的阻尼系数，λv和λa分别为车辆间距影响因子。
当二维队列行驶方向侧方遇到障碍物时，车辆启动横向虚拟弹簧阻尼控制，车辆侧边与距离障碍物最近的点之间形成虚拟弹簧阻尼结构；当障碍物为静态障碍物时，障碍物侧向速度与加速度均为零，利用队列内车辆与静态障碍物的横向位置之差与横向速度之差来计算车辆的横向加速度值：
Δyveh,bar(t)＝ybar(t)-yveh(t)-λvvveh(t)-λaaveh(t)-dmin
式中，aveh,des(t)为队列内车辆的期望侧向加速度，单位为m/s2，vveh(t)为队列内车辆的横向速度，单位为m/s，aveh(t)为队列内车辆的横向加速度，单位为m/s2，ybar(t)为障碍物横向位置，yveh(t)为队列内车辆横向位置，Δyveh,bar(t)为障碍物和队列内车辆横向相对位置之差，单位为m。
所述转向虚拟弹簧阻尼控制用于控制跟随车辆按照目标行驶路径跟随领航车进行转弯行驶；当矿用自卸车二维队列处于转向行驶状态时，启用转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用跟随车辆与领航车辆的偏航角之差与偏航角变化率之差来计算方向盘转动扭矩的期望值：
式中，Mi,des(t)二维队列内第i辆车的期望方向盘扭矩，单位为Nm，θi-1(t)为队列内第i-1辆车的行驶偏航角，θi(t)为队列内第i辆车的行驶偏航角，Δθi-1,i(t)为队列内第i-1辆车和第i辆车的行驶偏航角差值，单位为rad，为队列内第i-1辆车的行驶偏航角变化率，为队列内第i辆车的行驶偏航角变化率，为队列内第i-1辆车和第i辆车的行驶偏航角变化率差值，单位为rad/s，kI为转动惯量系数，I0为参与车辆转向的刚体转动惯量，单位为kg·m2，λω为角速度影响因子。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明考虑到在露天矿山采矿过程中，矿用自卸车的行驶道路环境以及车辆周围障碍物多变的情况，设计二维队列排布模式选择系统。当前行驶道路只适合矿用自卸车单列行驶时，二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式；当前方行驶道路足够宽阔并且部分矿用自卸车有相同或相近的目的地时，二维队列排布模式选择系统选择二叉树或多叉树排布模式，保证矿用自卸车可以快速高效的行驶到相应的目的地。
2.在矿用自卸车二维队列行驶时，针对选择的不同的排布模式进而启动不同的车辆间的通讯拓扑结构。选择单列排布模式时，仅启动前车跟随通讯拓扑；选择二叉树或多叉树排布模式时，领航车与跟随车启动不同的通讯拓扑，包括跟随通讯拓扑与分级异构通讯拓扑。该方法提高车间信息通讯的高效性。
3.针对矿用自卸车本身体积大、整车质量大以及行驶速度较慢的特点，提出二维队列车辆间利用虚拟弹簧阻尼系统维持车辆间的正常间距，保证车辆行驶时的安全稳定并避免发生碰撞交通事故。在二维队列转向行驶利用前后车辆的偏航角设计偏航角之间的转向虚拟弹簧阻尼控制系统，保证后车跟随前车安全稳定地完成转向操作。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统组成图；
图2矿用自卸车二维队列排布优先级选择流程图；
图3虚拟弹簧阻尼队列控制系统组成图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的解释。
如图1所示，基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统包括二维队列排布模式选择系统，领航与跟随矿用自卸车分配系统，分级异构队列通讯系统，矿场基站信息同步系统，虚拟弹簧阻尼队列控制系统。其中矿用自卸车，其指在封闭式露天矿山采矿时应用的40-200吨级的非公路自卸车；
其中二维队列排布模式选择系统包括单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式，其根据行驶路段障碍物位置、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域、装卸货物地点信息以及多辆矿用自卸车的目标行驶路径确定队列排布模式优先级，根据队列排布模式优先级选择单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式三者之一。
其中领航与跟随矿用自卸车分配系统是用于分配二维队列内部分车辆处于领航模式，二维队列内部分车辆处于跟随模式，处于领航模式的车辆分为第一领航车与兼顾领航车两种，其由二维队列排布模式选择系统所选择的排布模式决定。第一领航车是指，当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，队列仅有一个领航车并且该领航车为第一领航车，领航车的在行驶方向上的纵向位置处于最前方，其他车辆均为队列内的跟随车辆；当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式与多叉树排布模式时，在队列行驶方向上的纵向位置处于最前方的车辆为队列的其中一个领航车并且该领航车为第一领航车、兼顾领航车是指，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式与多叉树排布模式时，在队列行驶方向上的纵向位置处于最前方的车辆为队列的其中一个领航车并且该领航车为第一领航车，当队列的其他车辆与后方车辆组成二叉树状或多叉树状，则当前车辆同时处于跟随模式与领航模式，该车辆为兼顾领航车。
其中分级异构队列通讯系统，其利用分级异构通讯拓扑完成矿用自卸车二维队列车辆间的通讯；当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，分级异构队列通讯系统启动前车跟随式通讯拓扑，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树排布模式时，分级异构队列通讯系统启动分级异构通讯拓扑或前车跟随通讯拓扑。
其中虚拟弹簧阻尼队列控制系统，其包含纵向虚拟弹簧阻尼控制、横向虚拟弹簧阻尼控制以及转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用虚拟的弹簧阻尼结构，通过控制弹簧刚度和阻尼系数来控制矿用自卸车二维队列行驶；其中纵向虚拟弹簧阻尼控制一直处于启动状态，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树分布模式后启动横向弹簧阻尼控制，当二维队列内矿用自卸车处于转向工况时启动转向弹簧阻尼控制。
其中矿场基站信息同步系统，其用于定地点更新矿用自卸车的位置信息与车辆状态信息，矿用自卸车二维队列内车辆将在基站正常辐射范围内同时完成信息更新，当处于基站辐射范围内的车辆数达到基站激活更新信息车辆数时，矿场基站定地点同时刻向正常辐射范围内的车辆发送第一领航车与辐射范围内的兼容领航车运动状态信息与道路环境信息，队列内全部车辆无法同时更新信息时，根据基站更新信息频率进行分批次更新信息。
如图2所示，该图为矿用自卸车二维队列排布优先级选择流程图，队列排布模式优先级是根据目标行驶路段上的障碍物信息、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域以及二维队列内的车辆的目标行驶路径与目标装卸货地点确定的，其中包含最高排布优先级与系数权重排布优先级；
其中最高排布优先级，当领航车前方目标行驶路段、矿用自卸车可行驶与非行驶区域共同决定的可行驶区域的宽度范围为：
λsWmax＜Wroad＜λdWmax
宽度范围小于所规定的双列允许通过值，大于单列允许通过值，此时队列处于最高排布优先级，其中双列允许通过值与单列允许通过值分别为λsWmax，λdWmax，其中Wmax为队列内整车宽度最大的车辆的整车宽度值，单位为米，λs为单列宽度系数，λd为双列宽度系数；队列处于最高排布优先级时，仅能选择单列排布模式。
系数权重排布优先级是根据目标路段行驶宽度与队列内车辆装卸货目标地点共同决定，第二排布优先级的权重系数范围为：
第三排布优先级的权重系数范围为：
式中，w为权重系数，λd为道路宽度系数，kn为树状分布比例系数，ns为参与二叉树或多叉树分布的二维队列内车辆数，n0为矿用自卸车二维队列内全部车辆数。
当队列处于第二排布优先级时，选择二叉树排布模式；当队列处于第三排布优先级时，选择多叉树排布模式；当权重系数不在第二排布优先级的权重系数范围，也不在第三排布优先级的权重系数范围时，此时处于最高排布优先级，选择单列排布模式。
单列排布模式是指矿用自卸车二维队列内的全部车辆均处于单列状态，即前一辆车车尾在行驶方向上的后一辆车的车体坐标系下，纵向位置上前一辆车车尾大于后一辆车车头，并相距一定距离：
x'i-1-xi＞kl(Li-1)
同时当全部车辆处于直线行驶状态时，在行驶方向上的最左侧车辆的左侧边界和最右侧车辆的右侧边界的距离之差小于一定范围，其范围计算公式：
式中，x'i-1为前一辆车车尾的纵向位置，xi为后一辆车车头纵向位置，Li-1为前一辆车的整车长度，单位为米，kl为纵向位置系数，其取值范围为0.3-0.7，yl为最左侧车辆的左侧边界位置，yr为最右侧车辆的右侧边界位置，Wmax为队列内整车宽度最大的车辆的整车宽度值，Wl为最左侧车辆整车宽度值，Wr为最右侧车辆的整车宽度值，单位为米，kw为横向位置系数，其取值范围为0.6-1；
二叉树排布模式为在行驶方向上，三辆矿用自卸车位于三角形的三个顶角位置，其中一辆车的纵向位置大于其他两辆车：
x'i-1-xi,1＞kl(Li-1)
x'i-1-xi,2＞kl(Li-1)
其他两辆车的在行驶方向上的横向位置间距相隔一定距离，其计算公式为：
yi,1,r-yi,2,l＞kwWi-1
式中，xi'-1为前一辆车车尾的纵向位置，xi,1和xi,2分别为后左侧车辆的车头纵向位置与后右侧车辆的车头纵向位置，Li-1为前一辆车的整车长度，单位为米，kl为纵向位置系数，yi,1,r和yi,2,l分别为后左侧车辆的右侧横向位置和后右侧车辆的左侧横向位置，Wi-1为前一辆车的整车宽度，单位为米，kw为横向位置系数，满足以上间距位置关系的三辆矿用自卸车为二叉树排布模式；
多叉树排布模式是在二叉树排布模式的基础上，后方车辆的数量多于两辆矿用自卸车，其后方车辆各车辆间的横向位置间距满足：
yi,1,r-yi,2,l＞kwWi-1
yi,2,r-yi,3,l＞kwWi-1
…
yi,n-1,r-yi,n,l＞kwWi-1
式中，n为后方矿用自卸车的全部数量。
如图3所示，虚拟弹簧阻尼队列控制系统包括纵向虚拟弹簧阻尼控制、横向虚拟弹簧阻尼控制以及转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用虚拟的弹簧阻尼结构，通过控制弹簧刚度和阻尼系数来控制矿用自卸车二维队列行驶；其中纵向虚拟弹簧阻尼控制一直处于启动状态，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树分布模式后启动横向弹簧阻尼控制，当二维队列内矿用自卸车处于转向工况时启动转向弹簧阻尼控制；
所述纵向虚拟弹簧阻尼控制，其用于控制矿用自卸车二维队列内车辆在纵向上跟随前车同时不发生追尾碰撞；当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，队列内车辆的车头与行驶方向上前车的车尾之间的间距关系利用虚拟弹簧阻尼来控制，利用后车车头与前车车尾之间的纵向位置差和后车车速与前车车速之差来计算后车车辆的期望纵向加速度值：
Δxi-1,i(t)＝xi-1(t)-xi(t)-λv(vi-1(t)-vi(t))-λa(ai-1(t)-ai(t))-lmin
式中，ai,des(t)为队列内第i辆车的期望纵向加速度，单位为m/s2，Δxi-1,i(t)为队列内第i辆车车头与第i-1辆车车尾之间纵向位置间距，单位为m，Δvi-1,i(t)为队列内第i辆车车头与第i-1辆车车尾之间纵向速度之差，单位为m/s，xi-1(t)和xi(t)分别为第i辆车车头纵向位置与第i-1辆车车尾的纵向位置，单位为m，vi-1(t)和vi(t)分别为队列内第i辆车和第i-1辆车的纵向速度，单位为m/s，ai-1(t)和ai(t)分别为队列内第i辆车和第i-1辆车的纵向加速度，单位为m/s2，lmin为队列内整车长度最小的矿用自卸车长度的百分之七十，单位为m，ki-1,i为队列内第i辆车和第i-1辆车之间虚拟弹簧的刚度系数，ci-1,i第i辆车和第i-1辆车之间虚拟阻尼的阻尼系数，λv和λa分别为车辆间距影响因子；
所述横向虚拟弹簧阻尼控制用于控制矿用自卸车二维队列内车辆与侧方同行车辆之间保持一定安全横向间距并不发生横向碰撞；当二维队列排布模式选择系统选择二叉树或多叉树排布模式时，启用横向虚拟弹簧阻尼控制，此外当队列行驶过程中遇到侧方障碍物时，也启用横向虚拟弹簧阻尼控制；利用同向行驶的左右侧车辆的横向位置之差与横向速度之差来计算车辆的横向加速度值：
Δyl,r(t)＝yr(t)-yl(t)-λv(vl(t)-vr(t))-λa(al(t)-ar(t))-dmin
式中，al,des(t)为同行左侧辆车的期望侧向加速度，单位为m/s2，vl(t)为同行左侧车辆的横向速度，单位为m/s，Δyl,r(t)为同行左右侧车辆的横向位置差，单位为m，Δvl,r(t)为同行左右侧车辆的横向速度差，单位为m/s，yr(t)和yl(t)分别为同行左右侧车辆的横向位置，单位为m，vl(t)和vr(t)分别为同行左右侧车辆的横向速度，单位为m/s，al(t)和ar(t)分别为同行左右侧车辆的横向加速度，单位为m/s2，dmin为队列内整车宽度最小的矿用自卸车宽度的百分之七十，单位为米，kl,r为同行左右侧车辆之间虚拟弹簧的刚度系数，cl,r同行左右侧车辆之间虚拟阻尼的阻尼系数，λv和λa分别为车辆间距影响因子；
当二维队列行驶方向侧方遇到障碍物时，车辆启动横向虚拟弹簧阻尼控制，车辆侧边与距离障碍物最近的点之间形成虚拟弹簧阻尼结构；当障碍物为静态障碍物时，障碍物侧向速度与加速度均为零，利用队列内车辆与静态障碍物的横向位置之差与横向速度之差来计算车辆的横向加速度值：
Δyveh,bar(t)＝ybar(t)-yveh(t)-λvvveh(t)-λaaveh(t)-dmin
式中，aveh,des(t)为队列内车辆的期望侧向加速度，单位为m/s2，vveh(t)为队列内车辆的横向速度，单位为m/s，aveh(t)为队列内车辆的横向加速度，单位为m/s2，ybar(t)为障碍物横向位置，yveh(t)为队列内车辆横向位置，Δyveh,bar(t)为障碍物和队列内车辆横向相对位置之差，单位为m；
所述转向虚拟弹簧阻尼控制用于控制跟随车辆按照目标行驶路径跟随领航车进行转弯行驶；当矿用自卸车二维队列处于转向行驶状态时，启用转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用跟随车辆与领航车辆的偏航角之差与偏航角变化率之差来计算方向盘转动扭矩的期望值：
式中，Mi,des(t)二维队列内第i辆车的期望方向盘扭矩，单位为Nm，θi-1(t)为队列内第i-1辆车的行驶偏航角，θi(t)为队列内第i辆车的行驶偏航角，Δθi-1,i(t)为队列内第i-1辆车和第i辆车的行驶偏航角差值，单位为rad，为队列内第i-1辆车的行驶偏航角变化率，为队列内第i辆车的行驶偏航角变化率，为队列内第i-1辆车和第i辆车的行驶偏航角变化率差值，单位为rad/s，kI为转动惯量系数，I0为参与车辆转向的刚体转动惯量，单位为kg·m2，λω为角速度影响因子。

Claims (6)

1.一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，其特征在于：包括二维队列排布模式选择系统，领航与跟随矿用自卸车分配系统，分级异构队列通讯系统，矿场基站信息同步系统，虚拟弹簧阻尼队列控制系统；
所述矿用自卸车，其指在封闭式露天矿山采矿时应用的40-200吨级的非公路自卸车；
所述二维队列排布模式选择系统，其根据行驶路段障碍物位置、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域、装卸货物地点信息以及多辆矿用自卸车的目标行驶路径，按照队列排布模式优先级决定矿用自卸车二维队列选择单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式；
所述领航与跟随矿用自卸车分配系统，其用于分配二维队列内部分车辆处于领航模式，二维队列内部分车辆处于跟随模式，处于领航模式的车辆分为第一领航车与兼顾领航车两种，其由二维队列排布模式选择系统所选择的排布模式决定；
所述分级异构队列通讯系统，其利用分级异构通讯拓扑完成矿用自卸车二维队列车辆间的通讯；当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，分级异构队列通讯系统启动前车跟随式通讯拓扑，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树排布模式时，分级异构队列通讯系统启动分级异构通讯拓扑或前车跟随通讯拓扑；
所述矿场基站信息同步系统，其用于定地点更新矿用自卸车的位置信息与车辆状态信息，矿用自卸车二维队列内车辆将在基站正常辐射范围内同时完成信息更新，当处于基站辐射范围内的车辆数达到基站激活更新信息车辆数时，矿场基站定地点同时刻向正常辐射范围内的车辆发送第一领航车与辐射范围内的兼容领航车运动状态信息与道路环境信息，队列内全部车辆无法同时更新信息时，根据基站更新信息频率进行分批次更新信息；
所述虚拟弹簧阻尼队列控制系统，其包含纵向虚拟弹簧阻尼控制、横向虚拟弹簧阻尼控制以及转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用虚拟的弹簧阻尼结构，通过控制弹簧刚度和阻尼系数来控制矿用自卸车二维队列行驶；其中纵向虚拟弹簧阻尼控制一直处于启动状态，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树分布模式后启动横向弹簧阻尼控制，当二维队列内矿用自卸车处于转向工况时启动转向弹簧阻尼控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，其特征在于，所述二维队列排布模式选择系统包括单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式，根据行驶路段障碍物位置、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域、装卸货物地点信息以及多辆矿用自卸车的目标行驶路径确定队列排布模式优先级，根据队列排布模式优先级选择单列排布模式、二叉树排布模式以及多叉树排布模式三者之一；
所述单列排布模式是指矿用自卸车二维队列内的全部车辆均处于单列状态，即前一辆车车尾在行驶方向上的后一辆车的车体坐标系下，纵向位置上前一辆车车尾大于后一辆车车头，并相距一定距离：
x′i-1-xi＞kl(Li-1)
同时当全部车辆处于直线行驶状态时，在行驶方向上的最左侧车辆的左侧边界和最右侧车辆的右侧边界的距离之差小于一定范围，其范围计算公式：
式中，x′i-1为前一辆车车尾的纵向位置，xi为后一辆车车头纵向位置，Li-1为前一辆车的整车长度，单位为米，kl为纵向位置系数，其取值范围为0.3-0.7，yl为最左侧车辆的左侧边界位置，yr为最右侧车辆的右侧边界位置，Wmax为队列内整车宽度最大的车辆的整车宽度值，Wl为最左侧车辆整车宽度值，Wr为最右侧车辆的整车宽度值，单位为米，kw为横向位置系数，其取值范围为0.6-1；
所述二叉树排布模式为在行驶方向上，三辆矿用自卸车位于三角形的三个顶角位置，其中一辆车的纵向位置大于其他两辆车：
x′i-1-xi,1＞kl(Li-1)
x′i-1-xi,2＞kl(Li-1)
其他两辆车的在行驶方向上的横向位置间距相隔一定距离，其计算公式为：
yi,1,r-yi,2,l＞kwWi-1
式中，x′i-1为前一辆车车尾的纵向位置，xi,1和xi,2分别为后左侧车辆的车头纵向位置与后右侧车辆的车头纵向位置，Li-1为前一辆车的整车长度，单位为米，kl为纵向位置系数，yi,1,r和yi,2,l分别为后左侧车辆的右侧横向位置和后右侧车辆的左侧横向位置，Wi-1为前一辆车的整车宽度，单位为米，kw为横向位置系数，满足以上间距位置关系的三辆矿用自卸车为二叉树排布模式；
所述多叉树排布模式，其在二叉树排布模式的基础上，后方车辆的数量多于两辆矿用自卸车，其后方车辆各车辆间的横向位置间距满足：
yi,1,r-yi,2,l＞kwWi-1
yi,2,r-yi,3,l＞kwWi-1
…
yi,n-1,r-yi,n,l＞kwWi-1
式中，n为后方矿用自卸车的全部数量；
所述队列排布模式优先级是根据目标行驶路段上的障碍物信息、矿用自卸车的可行驶与非行驶区域以及二维队列内的车辆的目标行驶路径与目标装卸货地点确定的，其中包含最高排布优先级与系数权重排布优先级；
所述最高排布优先级，当领航车前方目标行驶路段、矿用自卸车可行驶与非行驶区域共同决定的可行驶区域的宽度范围为：
λsWmax＜Wroad＜λdWmax
宽度范围小于所规定的双列允许通过值，大于单列允许通过值，此时队列处于最高排布优先级，其中双列允许通过值与单列允许通过值分别为λsWmax，λdWmax，其中Wmax为队列内整车宽度最大的车辆的整车宽度值，单位为米，λs为单列宽度系数，λd为双列宽度系数；队列处于最高排布优先级时，仅能选择单列排布模式；
所述系数权重排布优先级，其根据目标路段行驶宽度与队列内车辆装卸货目标地点共同决定，第二排布优先级的权重系数范围为：
第三排布优先级的权重系数范围为：
式中，w为权重系数，λd为道路宽度系数，kn为树状分布比例系数，ns为参与二叉树或多叉树分布的二维队列内车辆数，n0为矿用自卸车二维队列内全部车辆数；
当队列处于第二排布优先级时，选择二叉树排布模式；当队列处于第三排布优先级时，选择多叉树排布模式；当权重系数不在第二排布优先级的权重系数范围，也不在第三排布优先级的权重系数范围时，此时处于最高排布优先级，选择单列排布模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，其特征在于，所述领航与跟随矿用自卸车分配系统其用于分配队列内的车辆处于领航模式和跟随模式，根据二维队列排布模式选择系统选择排布模式所决定，其中处于领航模式的领航车分为第一领航车与兼顾领航车；
所述领航模式是指矿用自卸车利用自身搭载智能传感器感知外界道路行驶环境，规划出目标行驶路径，与后方跟随车辆进行车辆状态信息与道路环境信息传递；
所述跟随模式是指矿用自卸车根据前方领航车的传递的车辆状态信息与道路环境信息，利用智能传感器感知前方车辆位置信息，完成跟随行驶；
所述第一领航车为，当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，队列仅有一个领航车并且该领航车为第一领航车，领航车的在行驶方向上的纵向位置处于最前方，其他车辆均为队列内的跟随车辆；当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式与多叉树排布模式时，在队列行驶方向上的纵向位置处于最前方的车辆为队列的其中一个领航车并且该领航车为第一领航车；
所述兼顾领航车为，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式与多叉树排布模式时，在队列行驶方向上的纵向位置处于最前方的车辆为队列的其中一个领航车并且该领航车为第一领航车，当队列的其他车辆与后方车辆组成二叉树状或多叉树状，则当前车辆同时处于跟随模式与领航模式，该车辆为兼顾领航车；
所述二叉树状或多叉树状指在队列内车辆与后方两辆车或多辆车的位置关系为，两辆车或多辆车同时跟随一辆车并且后方多辆车之间并无跟对关系，后方多辆车处于并列关系。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，其特征在于，所述分级异构队列通讯系统利用前车跟随式通讯拓扑和分级异构通讯拓扑完成矿用自卸车二维队列车辆间的通讯，其通讯拓扑结构根据二维队列排布模式选择系统选择的排布模式进行切换；
所述前车跟随通讯拓扑是指在行驶方向上前方车辆向相邻后方车辆单向发送前车自身的车辆运动状态信息以及前车采集的外界道路环境信息，行驶方向上后方车辆仅接受前方车辆发送的信息并不进行信息回复；沿队列行驶方向的反方向信息传递一次进行，一次由前方车辆向相邻后方车辆发送信息；
所述分级异构通讯拓扑是指在二叉树排布模式与多叉树排布模式下，第一领航车向后方跟随车辆发送车辆运动状态信息与第一领航车采集的道路环境信息，跟随第一领航车的跟随车辆接收第一领航车发送的信息但不回复，跟随第一领航车的多辆跟随车之间可以进行车辆运动状态信息交互，多辆跟随车之间进行双向信息交互；在二叉树排布模式与多叉树排布模式下，兼顾领航车向后方跟随车辆发送车辆运动状态信息与兼顾领航车采集的道路环境信息，跟随兼顾领航车的多辆跟随车之间可以进行车辆运动状态信息交互，多辆跟随车之间进行双向信息交互；
队列的通讯拓扑结构根据二维队列排布模式选择系统选择的排布模式进行切换，当队列选择单列排布模式时，队列切换为前车跟对通讯拓扑；当队列选择二叉树或多叉树排布模式时，队列内可以构成二叉树状或多叉树状的车辆切换至分级异构通讯拓扑，当兼顾领航车后方仅一辆跟随车且队列内无法构成二叉树状或多叉树状的车辆启用前车跟随通讯拓扑。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，其特征在于，所述矿场基站信息同步系统用于定地点更新矿用自卸车的位置信息与车辆状态信息，矿用自卸车二维队列内车辆将在基站正常辐射范围内同时完成信息更新，当处于基站辐射范围内的车辆数达到基站激活更新信息车辆数时，矿场基站定地点同时刻向正常辐射范围内的车辆发送第一领航车与辐射范围内的兼容领航车运动状态信息与道路环境信息，以及基站正常辐射范围内全部队列车辆在高精度地图的相对位置，队列内全部车辆无法同时更新信息时，根据基站更新信息频率进行分批次更新信息；
所述矿场基站实时接收矿用自卸车二维队列中的第一领航车与兼容领航车的车辆运动状态信息、第一领航车与兼容领航车搭载智能传感器采集的道路环境信息，同时矿场基站实时更新高精度地图上队列内各车辆的相对位置；
所述基站正常辐射范围是指，基站向队列内车辆发送更新信息时信息发送的丢包率小于万分之五时，车辆所处的位置属于基站正常辐射范围；
所述基站激活更新信息车辆数为基站激活更新信息的指标，当基站正常辐射范围内的车辆数大于等于基站激活更新信息车辆数时，矿场基站定地点同时刻向正常辐射范围内的车辆发送第一领航车与辐射范围内的兼容领航车运动状态信息与道路环境信息，以及基站正常辐射范围内全部队列车辆在高精度地图的相对位置，其中基站激活更新信息车辆数计算公式为：
式中，nr为基站激活更新信息车辆数，为矿用自卸车二维队列内车辆的平均行驶速度，单位为m/s，vmax为矿场内矿用自卸车的最高限速，n0为矿用自卸车二维队列内全部车辆数，nmax为基站正常辐射范围内的最大车辆数，为道路环境影响因子；
所述基站更新信息频率其用于分批次对队列内车辆进行信息更新，当矿用自卸车二维队列内车辆数量超过基站正常辐射范围内最大车辆数时，矿车基站在基站更新信息频率下分批次对队列内车辆进行信息更新，基站更新信息频率根据整个矿用自卸车二维队列行驶速度计算得到：
式中，fr为基站更新信息频率，kv为队列速度影响系数，ka为队列加速度影响系数，为矿用自卸车二维队列内车辆的平均行驶速度，单位为m/s，为矿用自卸车二维队列内车辆的平均行驶加速度，单位为m/s2，T为矿用自卸车以矿车内最高速度值vmax驶入基站正常辐射范围到驶出基站正常辐射范围所用时间，单位为秒，r为基站正常辐射范围半径，d为基站正常辐射范围内车辆与基站间的最小间距，单位为米。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟弹簧阻尼的矿用自卸车二维队列控制系统，其特征在于，所述虚拟弹簧阻尼队列控制系统包括纵向虚拟弹簧阻尼控制、横向虚拟弹簧阻尼控制以及转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用虚拟的弹簧阻尼结构，通过控制弹簧刚度和阻尼系数来控制矿用自卸车二维队列行驶；其中纵向虚拟弹簧阻尼控制一直处于启动状态，当二维队列排布模式选择系统选择二叉树排布模式或多叉树分布模式后启动横向弹簧阻尼控制，当二维队列内矿用自卸车处于转向工况时启动转向弹簧阻尼控制；
所述纵向虚拟弹簧阻尼控制，其用于控制矿用自卸车二维队列内车辆在纵向上跟随前车同时不发生追尾碰撞；当二维队列排布模式选择系统选择单列排布模式时，队列内车辆的车头与行驶方向上前车的车尾之间的间距关系利用虚拟弹簧阻尼来控制，利用后车车头与前车车尾之间的纵向位置差和后车车速与前车车速之差来计算后车车辆的期望纵向加速度值：
Δxi-1,i(t)＝xi-1(t)-xi(t)-λv(vi-1(t)-vi(t))-λa(ai-1(t)-ai(t))-lmin
式中，ai,des(t)为队列内第i辆车的期望纵向加速度，单位为m/s2，Δxi-1,i(t)为队列内第i辆车车头与第i-1辆车车尾之间纵向位置间距，单位为m，Δvi-1,i(t)为队列内第i辆车车头与第i-1辆车车尾之间纵向速度之差，单位为m/s，xi-1(t)和xi(t)分别为第i辆车车头纵向位置与第i-1辆车车尾的纵向位置，单位为m，vi-1(t)和vi(t)分别为队列内第i辆车和第i-1辆车的纵向速度，单位为m/s，ai-1(t)和ai(t)分别为队列内第i辆车和第i-1辆车的纵向加速度，单位为m/s2，lmin为队列内整车长度最小的矿用自卸车长度的百分之七十，单位为m，ki-1,i为队列内第i辆车和第i-1辆车之间虚拟弹簧的刚度系数，ci-1,i第i辆车和第i-1辆车之间虚拟阻尼的阻尼系数，λv和λa分别为车辆间距影响因子；
所述横向虚拟弹簧阻尼控制用于控制矿用自卸车二维队列内车辆与侧方同行车辆之间保持一定安全横向间距并不发生横向碰撞；当二维队列排布模式选择系统选择二叉树或多叉树排布模式时，启用横向虚拟弹簧阻尼控制，此外当队列行驶过程中遇到侧方障碍物时，也启用横向虚拟弹簧阻尼控制；利用同向行驶的左右侧车辆的横向位置之差与横向速度之差来计算车辆的横向加速度值：
Δyl,r(t)＝yr(t)-yl(t)-λv(vl(t)-vr(t))-λa(al(t)-ar(t))-dmin
式中，al,des(t)为同行左侧辆车的期望侧向加速度，单位为m/s2，vl(t)为同行左侧车辆的横向速度，单位为m/s，Δyl,r(t)为同行左右侧车辆的横向位置差，单位为m，Δvl,r(t)为同行左右侧车辆的横向速度差，单位为m/s，yr(t)和yl(t)分别为同行左右侧车辆的横向位置，单位为m，vl(t)和vr(t)分别为同行左右侧车辆的横向速度，单位为m/s，al(t)和ar(t)分别为同行左右侧车辆的横向加速度，单位为m/s2，dmin为队列内整车宽度最小的矿用自卸车宽度的百分之七十，单位为米，kl,r为同行左右侧车辆之间虚拟弹簧的刚度系数，cl,r同行左右侧车辆之间虚拟阻尼的阻尼系数，λv和λa分别为车辆间距影响因子；
当二维队列行驶方向侧方遇到障碍物时，车辆启动横向虚拟弹簧阻尼控制，车辆侧边与距离障碍物最近的点之间形成虚拟弹簧阻尼结构；当障碍物为静态障碍物时，障碍物侧向速度与加速度均为零，利用队列内车辆与静态障碍物的横向位置之差与横向速度之差来计算车辆的横向加速度值：
Δyveh,bar(t)＝ybar(t)-yveh(t)-λvvveh(t)-λaaveh(t)-dmin
式中，aveh,des(t)为队列内车辆的期望侧向加速度，单位为m/s2，vveh(t)为队列内车辆的横向速度，单位为m/s，aveh(t)为队列内车辆的横向加速度，单位为m/s2，ybar(t)为障碍物横向位置，yveh(t)为队列内车辆横向位置，Δyveh,bar(t)为障碍物和队列内车辆横向相对位置之差，单位为m；
所述转向虚拟弹簧阻尼控制用于控制跟随车辆按照目标行驶路径跟随领航车进行转弯行驶；当矿用自卸车二维队列处于转向行驶状态时，启用转向虚拟弹簧阻尼控制，其利用跟随车辆与领航车辆的偏航角之差与偏航角变化率之差来计算方向盘转动扭矩的期望值：
式中，Mi,des(t)二维队列内第i辆车的期望方向盘扭矩，单位为Nm，θi-1(t)为队列内第i-1辆车的行驶偏航角，θi(t)为队列内第i辆车的行驶偏航角，Δθi-1,i(t)为队列内第i-1辆车和第i辆车的行驶偏航角差值，单位为rad，为队列内第i-1辆车的行驶偏航角变化率，为队列内第i辆车的行驶偏航角变化率，为队列内第i-1辆车和第i辆车的行驶偏航角变化率差值，单位为rad/s，kI为转动惯量系数，I0为参与车辆转向的刚体转动惯量，单位为kg·m2，λω为角速度影响因子。
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