CN116945833B - 基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，属于矿用矿车技术领域。该方法首先利用车载激光雷达对路面进行扫描，结合GPS和IMU定位以及矿车速度，得出矿车在未来时间段的路面特征方程；其次，建立矿车1/2的运动学模型；再次，通过受电弓和车辆质心空间位置间信息，结合簧上质心垂直位移以及矿车俯仰角度，实现簧上质心垂直位移到受电弓基座垂直位移空间转换；建立受电弓主动控制的弓网耦合模型；最后，利用受电弓弓头和上框架间的主动控制器，结合预瞄路面特征，采用MPC控制策略实现受电弓的主动控制。本发明对外部变化抗干扰能力强，受电弓控制策略能有效减小弓头位移，对外界干扰响应及时，快速调整弓网动态耦合接触压力。
Description
技术领域
本发明涉及矿用矿车技术领域，尤其涉及一种基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法。
背景技术
架线式矿用自卸车具有双动力源配置，当矿用自卸车在露天矿山重载爬坡行驶时，矿车从架空电线处获得动力以纯电动模式行驶，以满足矿车对大功率动力的需求；当矿车脱离架空线时，可利用自身车载能源系统在平地行驶，车载能源可以是传统的柴油机-发电机组的模式，也可以是新能源纯电模式；此外，当矿用自卸车下坡行驶时，其制动能量可通过受电弓回馈到电网中。架线式矿用自卸车是实现露天矿山零碳排放的一种有效技术路线。
露天矿山矿山道路受重载矿用自卸车的影响，加之矿山道路辅助设备难以做到及时修复，矿山道路上洒落的物料、坑洼现象较多，难以保证较好的矿山道路不平幅度。因此，架线式矿用自卸车的受电弓易于出现脱离接触线，安装在矿用自卸车上的电气元件可能会被电弧损坏，造成矿车的电力中断。本发明提出一种面向架线式矿用矿车的受电弓主动控制方法，通过对弓网脱离现象的预判，利用受电弓上框架作动器及下框架作动器的协同作用，降低弓网接触力的大幅波动，实现架线式矿用自卸车的安全稳定行驶。
发明内容
本发明提供了一种基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法。
为解决上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，包括步骤如下：
S1、基于车载激光雷达的路面特征识别与拟合：
S11、通过激光雷达扫描矿山道路，得到路面特征点云；通过电子倾角仪，获取激光雷达倾斜角度，通过齐次坐标变换、最小二乘法对所述路面特征点云进行转换和平滑；
S12、基于平滑后的路面特征点云斜率，对矿山道路路面凸起、凹坑典型特征进行识别和分割；
S1 3、通过分割的多段路面特征点云数据构建分段多项式函数，再基于带约束的分段函数拟合方法对路面特征点云数据进行拟合，最终得出基于点云的路面拟合函数z(x)；
S14、建立矿山道路的矿车受电弓网坐标系，根据矿车具体位置距离参数，结合矿车的行驶速度，计算出矿车在某一时刻到达某一位置时矿车的实际振动值z(t)；
S2、建立矿车系统动力学模型：
S21、对矿车系统进行简化，将矿车前后轮轮毂以及矿车簧上质量归算为三个质量块，矿车前后轮轮胎以及矿车前后轮油气悬架归算为阻尼、刚度模块，建立矿车系统垂向动力学模型；
S22、矿车在矿区矿山道路行驶时，矿山道路的不平度会引起矿车振动，同时产生围绕质心的俯仰运动。以车轮在矿山道路的不平振动激励为输入，通过矿车系统动力学模型，得到矿车簧上质心的振动激励以及矿车俯仰角；
S3、进行簧上质心与受电弓底座振动激励的空间转换：
矿车受电弓安装在矿车前端，根据受电弓底座距离矿车簧上质心的横向距离与竖直距离，得到当矿车绕质心俯仰时受电弓底座振动与簧上质心振动的空间转换关系；
S4、建立受电弓主动控制的弓网耦合模型：
S41、对矿车受电弓系统进行简化，将车顶受电弓弓头、上框架、下框架归算为由质量、阻尼、刚度组成的三质量块模型，建立三质量块受电弓系统动力学模型；
S42、沿矿区矿山道路坡道布置的架空接触线各处的刚度并不相等，建立架空接触线的刚度随支柱距离变化的接触网跨度各点的刚度模型；
S43、结合接触网跨度各点的刚度模型，以电动作动器产生的力Fac为输入量，弓网耦合力Fpc为输出量，建立弓网系统状态空间方程；
S5、进行基于矿山道路预瞄信息的受电弓主动控制：
S51、将受电弓系统动力学模型离散线性化处理，设计受电弓预测控制模型；
S52、确定受电弓预测控制模型预测控制的目标函数，通过使目标函数最小，结合受电弓预测控制模型计算出电动作动器产生的力Fac，并应用于受电弓头的控制；
S53、通过弓头处安装加速度传感器测量受电弓头加速度实际值，将测量数据反馈给受电弓预测控制模型，实现受电弓的闭环控制。
所述步骤S21中建立矿车系统动力学模型过程如下：
簧上质量块运动方程为：
其中，kfs和krs分别为前轮油气悬架的弹簧刚度和后轮油气悬架的弹簧刚度；cfs和crs分别为前轮油气悬架的阻尼系数和后轮油气悬架的阻尼系数；lf和lr分别为前后车轮轮心在x轴方向上距离簧上质心的距离；zc、θ、zfw、zrw分别为矿车簧上质心的位移、矿车俯仰角度、前轮心位移、后轮心位移； 分别为矿车簧上质心的速度、矿车俯仰变换角速度、前轮心速度、后轮心速度；分别为矿车簧上质心的加速度、矿车俯仰变换角加速度；mc为矿车簧上质量；Ic为矿车簧上质量的转动惯量。
矿车前后轮轮毂质量块的运动方程为：
其中，kft和krt分别为前轮胎的弹簧刚度、后轮胎的弹簧刚度；cft和crt分别为前轮胎的阻尼系数、后轮胎的阻尼系数；mf和mr分别为前轮质量、后轮质量；分别为前轮心加速度、后轮心加速度。
矿车系统状态量
矿车系统输入量
其中，zfg为矿车前轮实际振动值，zrg为矿车后轮实际振动值，为矿车前轮振动速率，为矿车后轮振动速率，
矿车系统输出量y＝[zc θ]T，
将式(1)、式(2)、式(3)和式(4)转变为状态方程式(5)：
展开即为：
其中，P1、P2、P3、P4为自定义矩阵，e为单位矩阵，A1、B1、C1、D1为系数矩阵，
D1＝0；
所述步骤S3中空间转换关系方程为：
其中，xcb和zcb是已知量，xcb为受电弓底座距离矿车簧上质心的横向距离，zcb为受电弓底座距离矿车簧上质心的竖直距离，
θ和zc是悬架系统动力学模型的输出量，θ为矿车俯仰角度，zc为矿车簧上质心的位移，
z4为受电弓底座位移。
所述步骤S41中受电弓系统动力学模型为：
其中，m1、m2和m3分别为受电弓头、上框架和下框架的质量，
和z1分别为受电弓头的加速度、速度和位移，
和z2分别为上框架的加速度、速度和位移，
和z3分别为下框架的加速度、速度和位移，
ki表示等效刚度，ci表示等效阻尼，i＝1，2，3，其中，1，2，3分别代表受电弓头、上框架和下框架；
Fpc为受电弓与接触网间的接触力，Fac为受电弓头与上框架间的电动作动器产生的力。
所述步骤S42中接触网跨度各点的刚度模型为：
其中，K0为架空接触线刚度的平均值；ε为架空接触线跨度中的差分弹性系数；l为架空接触线跨度，即两个架空接触线支撑柱间距离；v为矿车速度；t为矿车运动时间，在矿车到达下一个架空接触线支撑柱时，时间重新开始计算。
受电弓和接触线的接触力Fpc表示为：
Fpc＝k(t)z1 (10)
矿车受电弓系统状态量
其中，z1、z2、z3分别为受电弓弓头、上框架、下框架的位移，
分别为受电弓、上框架、下框架的速度。
所述步骤S43中弓网系统状态空间方程建立过程如下：
矿车受电弓系统输入量u＝Fac，
z4为受电弓底座位移，为受电弓底座的速度，Fac为受电弓头与上框架间的电动作动器产生的力，
矿车受电弓系统输出量y＝Fpc，
Fpc为受电弓与接触网间的接触力，
据式(8)、式(9)和式(10)得到弓网系统状态空间方程：
展开即为：
其中，P5、P6为自定义矩阵，e为单位矩阵，A2、B2、C2、D2、E2为系数矩阵，
C2＝[k(t) 0 0 0 0 0]，D2＝0。
所述步骤S51中受电弓预测控制模型为：
其中，
所述步骤S52中的目标函数为：
其中，p1和p2为权重矩阵，通过调整权重矩阵p1和p2，实现对矿车的不同性能控制。
上述，矿车具体位置及与相邻接触网支柱间的距离等参数通过矿车安装的GPS和IMU获取。
受电弓模型主动控制的扰动量为所述基于车载激光雷达的矿山道路预瞄信息转换求解得到。
本发明尽量减小弓网接触力大小的波动来维持受电弓头的稳定性，以避免矿车受电弓脱离接触网现象的出现。通过使目标函数最小，得到相应参数值，带入到式(13)，可以计算出控制输入并应用于受电弓头的控制。通过在弓头处安装加速度传感器测量弓头实际的加速度值将其带入到受电弓系统动力学方程中，以对输出值进行修正，反馈给模型预测控制器实现受电弓的闭环控制。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明通过激光雷达预瞄前方矿山道路信息，考虑实际路面变化，提出一种基于矿山道路预瞄信息的架线式矿用自卸车受电弓主动控制技术，该方法通过对弓网脱离现象的预判，利用受电弓上框架主动作动器，降低弓网接触力的大幅波动，实现架线式矿用矿车的安全稳定行驶。
(2)本发明提出受电弓系统适用于露天矿山重载矿用自卸车，架线式矿用自卸车具有双动力源配置，当矿用自卸车在露天矿山重载爬坡行驶时，矿车从架空电线处获得动力以纯电动模式行驶，以满足矿车对大功率动力的需求；当矿车脱离架空线时，可利用自身车载能源系统在平地行驶，车载能源可以是传统的柴油机-发电机组的模式，也可以是新能源纯电模式；此外，当矿用自卸车下坡行驶时，其制动能量可通过受电弓回馈到电网中，架线式矿用自卸车是实现露天矿山零碳排放的一种有效技术路线。
(3)本发明通过建立矿车车体质心与受电弓转换精确控制系统，耦合车身自身姿态，提高矿车主动控制的控制精度，对外部变化有较强的抗干扰能力。
(4)本发明通过GPS、IMU与激光雷达结合方式，能够实时确定矿车具体方位以及前方具体位置的路面状况，使得受电弓主动控制器可以准确对路面的干扰做出回应，提高受电弓主动控制的控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法技术流程图；
图2为本发明路面特征拟合过程图；
图3为本发明矿车受电弓网坐标系；
图4为本发明矿车-受电弓网系统分析过程图；
图5为本发明矿车-受电弓网系统简化动力学模型图；
图6为本发明矿车系统简化动力学模型图；
图7为本发明矿车-受电弓网系统空间转换图；
图8为本发明受电弓网系统简化动力学模型图；
图9为本发明MPC控制过程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过车载激光雷达预瞄前方矿山道路信息，考虑实际路面变化，提供了一种基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，该方法通过对弓网脱离现象的预判，利用受电弓上框架主动作动器，降低弓网接触力的大幅波动，实现架线式矿用矿车的安全稳定行驶。
如图1，该方法包括步骤如下：
S1、基于车载激光雷达的路面特征识别与拟合：
S11、通过激光雷达扫描矿山道路，得到路面特征点云；通过电子倾角仪，获取激光雷达倾斜角度，通过齐次坐标变换、最小二乘法对所述路面特征点云进行转换和平滑；
S12、基于平滑后的路面特征点云斜率，对矿山道路路面凸起、凹坑典型特征进行识别和分割；
S13、通过分割的多段路面特征点云数据构建分段多项式函数，再基于带约束的分段函数拟合方法对路面特征点云数据进行拟合，最终得出基于点云的路面拟合函数z(x)；
S14、建立矿山道路的矿车受电弓网坐标系，根据矿车具体位置距离参数，结合矿车的行驶速度，计算出矿车在某一时刻到达某一位置时矿车的实际振动值z(t)；
S2、建立矿车系统动力学模型：
S21、对矿车系统进行简化，将矿车前后轮轮毂以及矿车簧上质量归算为三个质量块，矿车前后轮轮胎以及矿车前后轮油气悬架归算为阻尼、刚度模块，建立矿车系统垂向动力学模型；
S22、矿车在矿区矿山道路行驶时，矿山道路的不平度会引起矿车振动，同时产生围绕质心的俯仰运动。以车轮在矿山道路的不平振动激励为输入，通过矿车系统动力学模型，得到矿车簧上质心的振动激励以及矿车俯仰角；
S3、进行簧上质心与受电弓底座振动激励的空间转换：
矿车受电弓安装在矿车前端，根据受电弓底座距离矿车簧上质心的横向距离与竖直距离，得到当矿车绕质心俯仰时受电弓底座振动与簧上质心振动的空间转换关系；
S4、建立受电弓主动控制的弓网耦合模型：
S41、对矿车受电弓系统进行简化，将车顶受电弓弓头、上框架、下框架归算为由质量、阻尼、刚度组成的三质量块模型，建立三质量块受电弓系统动力学模型；
S42、沿矿区矿山道路坡道布置的架空接触线各处的刚度并不相等，建立架空接触线的刚度随支柱距离变化的接触网跨度各点的刚度模型；
S43、结合接触网跨度各点的刚度模型，以主动控制器为输入量，弓网耦合力为输出量，建立弓网系统状态空间方程；
S5、进行基于矿山道路预瞄信息的受电弓主动控制：
S51、将受电弓系统动力学模型离散线性化处理，设计受电弓预测控制模型；
S52、确定受电弓预测控制模型预测控制的目标函数，通过使目标函数最小，结合受电弓预测控制模型计算出控制输入，并应用于受电弓头的控制；
S53、通过弓头处安装加速度传感器测量实际值，将测量数据反馈给模型预测控制器实现受电弓的闭环控制。
下面结合具体实施过程予以说明。
首先，如图2，进行基于激光雷达的路面特征识别和拟合。
自主行驶的矿用矿车均配备了相机以及激光雷达，将其作为矿山道路预览系统的传感器，提前感知与识别矿山道路的坑洼、凸起等现象。
由于矿用自卸车的车身高度较高，考虑到激光雷达对矿山道路前方点云数据的收集密度，将激光雷达倾斜装配到车前端，以采集更密集的点云数据，通过三维刚体的齐次坐标变换方法，将实际测试的点云坐标转换至激光雷达水平状态下的坐标系，以获取在矿车坐标系下的点云坐标；
应用激光雷达进行矿车行驶前方矿山道路的扫描，为避免矿车振动及环境干扰造成的点云数据粗糙，对路面点云数据进行直通滤波、平滑等处理，保留扫描矿山道路范围内的点云，从而提高点云数据的质量；
针对所获取的激光点云，对典型不平矿山道路各特征的扫描线进行分析，利用点云扫描线的斜率ki变化进行矿山道路凸起、坑洼现象的识别，对一定斜率阈值范围内的斜率，即Kmin≤ki≤Kmax，认为路面属于正常路面，Kmin和Kmax的具体数值根据实际情况确定；当检测到斜率大于斜率阈值范围的检测点，即ki≥Kmax，认为检测点是凸起起点，即xi＝xmin(xi为当前检测点位置，xmin为一个凸起特征点云范围的最小值，xmax为一个凸起特征点云范围的最大值)，从检索到凸起起点开始，对于凸起终点判定，当检索到斜率小于斜率阈值范围，即ki≤Kmin时，终点更新至当前检索位置，即xi＝xmax；当检测到斜率小于斜率阈值范围的检测点，即ki≤Kmin，认为检测点是凹坑起点，即xi＝x′min(x′min为一个凹坑特征点云范围的最小值，x′max为一个凹坑特征点云范围的最大值)，从检索到凹坑起点开始，对于凹坑终点判定，当检索到斜率小于斜率阈值范围，即ki≥Kmax时，终点更新至当前检索位置，即xi＝x′max。当检测至终点更新判定，从检索到特征终点开始，终点停止更新判定开始运行，重新判定凹坑或凸起起点，同时计数器值加1，直至扫描范围末端，确定最终的凸起或凹坑起点位置，即xi＝xmin或者xi＝x′min，以及终点位置，即xi＝xmax或者xi＝x′max，并得到凸起或凹坑特征点云范围([xmin，xmax]或[x′min，x′max])。
由于矿用矿车轮胎直径较大，对影响矿车行驶稳定性的不平路面进行识别，各特征的扫描线斜率进行分类，特征聚类，结合视觉信息，识别出坑洼、凸起的几何特征判断。采用基于斜率阈值分割的矿山道路特征识别，进行矿山道路的几何重建。
根据激光雷达扫描的宽度，利用分段函数方法，进行各扫描线点云数据的曲线拟合，或者基于扫描区域的点云数据进行曲面的拟合，获得不平路面坑洼或凸起的大小，以及深度的识别，从而得到基于点云的路面拟合函数z(x)。
建立如图3所示的矿车受电弓网坐标系，x轴和z轴分别为矿车沿与地面平行方向以及与地面垂直方向的移动距离，基于GPS和IMU，可以实时得到矿车具体位置距离等参数，结合矿车的行驶速度，可以计算出矿车前后轮到达前方具体位置所需时间。基于激光预瞄可以获得前方矿山道路的路面拟合函数z(x)，以受电弓接触弓网时间为0时刻，根据矿车前后轮具体某一时间t到达的具体位置xfg和xrg，带入到路面拟合函数z(x)中，可以得到这一时刻矿车前轮实际振动值zfg以及后轮实际振动值zrg，根据矿车在不同时刻所处位置的实际振动值，以此可以得到不同时刻矿车前轮实际振动值zfg(t)及后轮实际振动值zrg(t)。
其次，基于矿车行驶路径，将其中在轮胎行驶路径上的不平路面的垂向时域序列，作为矿山道路激励，求得矿车的振动特性，并转换为受电弓底座的激励。矿山道路不平顺信息的预览被用作控制策略的前馈分量，而受电弓系统的状态变量作为控制方案的反馈部分提供基础。
具体的，建立基于路面特征的矿车受电弓网模型。
如图4为矿车系统及受电弓网系统整体分析过程，图5为矿车-受电弓网系统整体简化动力学模型，参考图4及图5对各个系统进行详细论述。
(1)建立如图6所示的矿车1/2简化模型，矿车前后轮轮毂以及矿车簧上质量归算为三个质量块，矿车前后轮轮胎以及矿车前后轮油气悬架归算为阻尼、刚度模块。
假设所有静态力都被考虑在内，因为悬架中的弹簧已经压缩(预加载)以将其偏移在初始位置。同样，可以忽略法向力的静态部分，只考虑动态(变化)部件。接下来可以继续检查每个刚体并写下其运动方程，建立矿车1/2模型的动力学方程：
簧上质量块运动方程为：
其中，kfs和krs分别为前轮油气悬架的弹簧刚度和后轮油气悬架的弹簧刚度；cfs和crs分别为前轮油气悬架的阻尼系数和后轮油气悬架的阻尼系数；lf和lr分别为前后车轮轮心在x轴方向上距离簧上质心的距离；zc、θ、zfw、zrw分别为矿车簧上质心的位移、矿车俯仰角度、前轮心位移、后轮心位移； 分别为矿车簧上质心的速度、矿车俯仰变换角速度、前轮心速度、后轮心速度；分别为矿车簧上质心的加速度、矿车俯仰变换角加速度、前轮心加速度、后轮心加速度；mc为矿车簧上质量；Ic为矿车簧上质量的转动惯量。
矿车前后轮轮毂质量块的运动方程为：
其中，kft和krt分别为前后轮胎的弹簧刚度；cft和crt分别为前后轮胎的阻尼系数；mf和mr分别为前后轮质量。
令矿车系统状态量其中，zc、θ、zfw、zrw分别为矿车簧上质心的位移、矿车俯仰角度、前后轮心的位移，分别为矿车簧上质心的速度、矿车俯仰变换角速度、前后轮心的速度，底盘悬架系统输入量zfg为矿车前轮实际振动值，zrg为矿车后轮实际振动值，为矿车前轮振动速率，为矿车后轮振动速率，输出量y＝[zc θ]T，
将式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可转变为状态方程式(5)：
展开即为：
其中，P1、P2、P3、P4为自定义矩阵，e为单位矩阵，A1、B1、C1、D1为系数矩阵，
D1＝0。
矿车在矿区矿山道路行驶时，矿山道路的不平度会引起矿车振动，同时产生围绕质心的俯仰运动。通过雷达预瞄求取矿车前后轮在不平路面的实际振动值zfg(t)和zrg(t)，以车轮在矿山道路的不平振动激励为输入，通过矿车系统动力学模型，得到矿车簧上质心的振动激励zc(t)以及矿车俯仰角θ。
(2)为了求解路面不平度对受电弓头产生的振动激励，需要将矿车簧上质心的振动激励以及矿车俯仰角的变化转变为受电弓底座振动。通过图7矿车簧上质心与受电弓底座空间转换图，根据受电弓底座距离矿车簧上质心的横向距离与竖直距离值，可以计算出受电弓底座的振动激励为：
r0＝Rcbθ (8)
z4＝r0cosβ+zc (9)
综合式(7)、式(8)、式(9)和式(10)可以得到：
其中，xcb和zcb是已知量，xcb为受电弓底座距离矿车簧上质心的横向距离，zcb为受电弓底座距离矿车簧上质心的竖直距离，Rcb为受电弓底座与矿车簧上质心连线长度，θ和zc是悬架系统动力学模型的输出量，θ为矿车的俯仰角度，zc为矿车簧上质心的位移，z4为受电弓底座位移，r0为受电弓底座移动距离，β为矿车俯仰θ角后受电弓底座与矿车簧上质心连线与横轴夹角。
(3)受电弓的装置包括：底座、下框架通过铰接连接到底座、以及通过连接轴连接到下框架的上框架、安装在上框架顶端部分的弓头集流器、安装在底框架用于受电弓升弓及降弓的液压作动器、以及安装在上框处的电动作动器，该电动作动器用于对受电弓弓头位移进行控制，以实现受电弓的主动控制。
针对受电弓数学建模，将车顶受电弓弓头、上框架、下框架归算为由质量、阻尼、刚度组成的三质量块模型，建立如图8所示三质量块受电弓模型。
对三个质量块进行动力学分析可得：
其中，m1、m2和m3分别为受电弓头、上框架和下框架的质量，和z1分别为受电弓头的加速度、速度和位移，和z2分别为上框架的加速度、速度和位移，和z3分别为下框架的加速度、速度和位移，ki表示等效刚度，ci表示等效阻尼，i＝1，2，3，Fpc为受电弓与接触网间的接触力，Fac为电动作动器产生的力。
针对接触网模型构建，接触网普遍采用简单链型油气悬架接触网，因此，本发明将接触网看作一个刚度时变的弹簧系统。该接触网模型在考虑接触线刚度在吊弦处变化的同时，也会计及接触线由于重力作用在跨距内的分布规律。当受电弓以速度v向前运动时，接触网跨度各点的刚度表达式为：
其中，K0为架空接触线刚度的平均值；ε为架空接触线跨度中的差分弹性系数；l为架空接触线跨度，即两个架空接触线支撑柱间距离；v为矿车速度；t为矿车运动时间，在矿车到达下一个架空接触线支撑柱时，时间重新开始计算。
用于耦合受电弓和接触线的接触力Fpc可以表示为：
Fpc＝k(t)z1 (14)
令矿车受电弓系统状态量其中，z1 z2 z3分别为受电弓弓头、上框架、下框架的位移，分别为受电弓三质量块的速度，受电弓系统输入量u＝Fac，z4为受电弓基座的位移，为受电弓基座的速度，z4为电动作动器产生的力，输出量y＝Fpc，Fpc为受电弓与接触网间的接触力，据式(12)、式(13)和式(14)可以得到弓网系统状态空间方程：
展开即为：
其中，P5、P6为自定义矩阵，e为单位矩阵，A2、B2、C2、D2、E2为系数矩阵，
C2＝[k(t) 0 0 0 0 0]，D2＝0。
通过受电弓主动控制的弓网耦合模型对弓网接触压力进行仿真，得到弓网接触压力，然后分析接触压力的幅频特性，确定接触压力的主频分量，得到接触压力分布规律，并结合接触网分布规律对受电弓弓头位移进行主动控制，预先设定理想弓头垂向位移轨迹。
最后，进行基于矿山道路预瞄信息的受电弓主动控制。
基于预瞄矿山道路信息，以接触力波动最小为优化控制目标，实现受电弓主动控制器的优化控制。
考虑了未知矿山道路干扰的影响。估计控制器在预测步骤中加入矿山道路干扰信息。然后，通过最小化二次成本函数计算具有矿山道路估计的MPC控制进行权衡，具体过程如图9所示。
将弓网模型进行离散化：
其中，ym＝Fpc
为了设计模型预测控制器，式(17)需要一阶泰勒展开：
根据式(19)可以得到：
其中，
将式(20)线性化可得：
由式(21)可以得到：
其中，
根据式(22)，系统状态预测可由式(23)给出：
由式(17)和(23)可得：
其中，
通用模型预测控制器找到控制输入的最优序列以使目标函数JMPC最小：
其中p1和p2为权重矩阵，通过调整权重矩阵的参数，可以实现对矿车的不同性能控制。
在本发明中，尽量减小弓网接触力大小的波动来维持受电弓头的稳定性。通过使目标函数最小，得到相应参数值，带入到式(24)，可以计算出控制输入并应用于受电弓头的控制。通过在弓头处安装加速度传感器测量实际弓头的加速度将其带入到受电弓系统动力学方程中，以对输出值进行修正，反馈给模型预测控制器实现受电弓的闭环控制。
本发明的控制方法可以减少受电弓在定位点处对接触网的冲击，防止矿车在上坡过程中由于受电弓与接触网脱离造成电力不足的问题，对接触线刚度变化有较好的自调整能力，可有效抑制接触网刚度变化、车体引起的弓头振动，提高了弓网系统稳定性。同时在控制中加入对矿山道路不平度的预瞄，可以有效抵抗由于矿山道路凹凸不平对弓网接触造成的外部干扰。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1、基于车载激光雷达的路面特征识别与拟合：
S11、通过激光雷达扫描矿山道路，得到路面特征点云；通过电子倾角仪，获取激光雷达倾斜角度，通过齐次坐标变换、最小二乘法对所述路面特征点云进行转换和平滑；
S12、基于平滑后的路面特征点云斜率，对矿山道路路面凸起、凹坑典型特征进行识别和分割；
S13、通过分割的多段路面特征点云数据构建分段多项式函数，再基于带约束的分段函数拟合方法对路面特征点云数据进行拟合，最终得出基于点云的路面拟合函数z(x)；
S14、建立矿山道路的矿车受电弓网坐标系，根据矿车具体位置距离参数，结合矿车的行驶速度，计算出矿车在某一时刻到达某一位置时矿车的实际振动值z(t)；
S2、建立矿车系统动力学模型：
S21、对矿车系统进行简化，将矿车前后轮轮毂以及矿车簧上质量归算为三个质量块，矿车前后轮轮胎以及矿车前后轮油气悬架归算为阻尼和刚度模块，建立矿车系统动力学模型；
S22、以车轮在矿山道路的不平振动激励为输入，通过矿车系统动力学模型，得到矿车簧上质心的振动激励以及矿车俯仰角；
S3、进行簧上质心与受电弓底座振动激励的空间转换：
矿车受电弓安装在矿车前端，根据受电弓底座距离矿车簧上质心的横向距离与竖直距离，得到当矿车绕质心俯仰时受电弓底座振动与簧上质心振动的空间转换关系；
S4、建立受电弓主动控制的弓网耦合模型：
S41、对矿车受电弓系统进行简化，将车顶受电弓弓头、上框架、下框架归算为由质量、阻尼、刚度组成的三质量块模型，建立三质量块受电弓系统动力学模型；
S42、沿矿区矿山道路坡道布置的架空接触线各处的刚度并不相等，建立架空接触线的刚度随支柱距离变化的接触网跨度各点的刚度模型；
S43、结合接触网跨度各点的刚度模型，以电动作动器产生的力Fac为输入量，弓网耦合力Fpc为输出量，建立弓网系统状态空间方程；
S5、进行基于矿山道路预瞄信息的受电弓主动控制：
S51、将受电弓系统动力学模型离散线性化处理，设计受电弓预测控制模型；
S52、确定受电弓预测控制模型预测控制的目标函数，通过使目标函数最小，结合受电弓预测控制模型计算出电动作动器产生的力Fac，并应用于受电弓头的控制；
S53、通过弓头处安装加速度传感器测量受电弓头加速度实际值，将测量数据反馈给受电弓预测控制模型，实现受电弓的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，所述步骤S21中建立矿车系统动力学模型过程如下：
簧上质量块运动方程为：
其中，kfs和krs分别为前轮油气悬架的弹簧刚度和后轮油气悬架的弹簧刚度；cfs和crs分别为前轮油气悬架的阻尼系数和后轮油气悬架的阻尼系数；lf和lr分别为前后车轮轮心在x轴方向上距离簧上质心的距离；zc、θ、zfw、zrw分别为矿车簧上质心的位移、矿车俯仰角度、前轮心位移、后轮心位移； 分别为矿车簧上质心的速度、矿车俯仰变换角速度、前轮心速度、后轮心速度；分别为矿车簧上质心的加速度、矿车俯仰变换角加速度；mc为矿车簧上质量；Ic为矿车簧上质量的转动惯量；
矿车前后轮轮毂质量块的运动方程为：
其中，kft和krt分别为前轮胎的弹簧刚度、后轮胎的弹簧刚度；cft和crt分别为前轮胎的阻尼系数、后轮胎的阻尼系数；mf和mr分别为前轮质量、后轮质量；分别为前轮心加速度、后轮心加速度；
矿车系统状态量
矿车系统输入量
其中，zfg为矿车前轮实际振动值，zrg为矿车后轮实际振动值，为矿车前轮振动速率，为矿车后轮振动速率，
矿车系统输出量y＝[zc θ]T，
将式(1)、式(2)、式(3)和式(4)转变为状态方程式(5)：
展开即为：
其中，P1、P2、P3、P4为自定义矩阵，e为单位矩阵，A1、B1、C1、D1为系数矩阵，
3.根据权利要求1所述的基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，所述步骤S3中空间转换关系方程为：
其中，xcb和zcb是已知量，xcb为受电弓底座距离矿车簧上质心的横向距离，zcb为受电弓底座距离矿车簧上质心的竖直距离，
θ和zc是悬架系统动力学模型的输出量，θ为矿车俯仰角度，zc为矿车簧上质心的位移，
z4为受电弓底座位移。
4.根据权利要求1所述的基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，所述步骤S41中受电弓系统动力学模型为：
其中，m1、m2和m3分别为受电弓头、上框架和下框架的质量，
和z1分别为受电弓头的加速度、速度和位移，
和z2分别为上框架的加速度、速度和位移，
和z3分别为下框架的加速度、速度和位移，
ki表示等效刚度，ci表示等效阻尼，i＝1,2,3；其中，1,2,3分别代表受电弓头、上框架和下框架；
Fpc为受电弓与接触网间的接触力，Fac为受电弓头与上框架间的电动作动器产生的力。
5.根据权利要求4所述的基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，所述步骤S42中接触网跨度各点的刚度模型为：
其中，K0为架空接触线刚度的平均值；ε为架空接触线跨度中的差分弹性系数；l为架空接触线跨度，即两个架空接触线支撑柱间距离；v为矿车速度；t为矿车运动时间，在矿车到达下一个架空接触线支撑柱时，时间重新开始计算；
受电弓和接触线的接触力Fpc表示为：
Fpc＝k(t)z1 (10)
矿车受电弓系统状态量
其中，z1、z2、z3分别为受电弓弓头、上框架、下框架的位移，
分别为受电弓、上框架、下框架的速度。
6.根据权利要求5所述的基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，所述步骤S43中弓网系统状态空间方程建立过程如下：
矿车受电弓系统输入量u＝Fac,
z4为受电弓底座位移，为受电弓底座的速度，Fac为受电弓头与上框架间的电动作动器产生的力，
矿车受电弓系统输出量y＝Fpc，
Fpc为受电弓与接触网间的接触力，
据式(8)、式(9)和式(10)得到弓网系统状态空间方程：
展开即为：
其中，P5、P6为自定义矩阵，e为单位矩阵，A2、B2、C2、D2、E2为系数矩阵，
7.根据权利要求1所述的基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，所述步骤S51中受电弓预测控制模型为：
其中，
8.根据权利要求1所述的基于矿山道路信息的架线式矿用自卸车受电弓控制方法，其特征在于，所述步骤S52中的目标函数为：
其中，p1和p2为权重矩阵，通过调整权重矩阵p1和p2，实现对矿车的不同性能控制。
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