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分 类 号TP273 学 号 20172120587 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （（ 全全 日日 制制 研研 究究 生）生） 智能铲运机自主行驶的控制研究 作者 孙钦鹏 指导教师 程 金、李 猛 合作导师 姜建军 学科名称 控制工程 学位类别 工程硕士 答辩时间 2020 年 5 月 29 日 万方数据 万方数据 Research on the Control of Autonomous Driving of Intelligent Scraper By SUN Qin Peng Under the Supervision of CHENG Jin A Thesis ted to the University of Jinan In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering University of Jinan Jinan, Shandong, P. R. China May , 2020 万方数据 原 创 性 声 明原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 日 期 关于学位论文使用授权的声明关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学 位论文。 □公开 □保密（____年，解密后应遵守此规定） 论文作者签名 导师签名 日期 万方数据 济南大学硕士学位论文 I 目 录 第一章 绪 论 ............................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景和意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 2 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................................ 2 1.2.2 国内研究现状 ........................................................................................................ 3 1.3 智能铲运机自主行驶关键技术 ..................................................................................... 4 1.3.1 路径规划方法概述................................................................................................ 4 1.3.2 路径跟踪方法概述................................................................................................ 5 1.4 本文的内容与结构 .......................................................................................................... 6 第二章 基于改进 RRT 算法的智能铲运机全局路径规划 .................................................... 9 2.1 智能铲运机全局路径规划问题建模 ............................................................................. 9 2.2 RRT 算法原理 ................................................................................................................. 10 2.3 RRT 算法改进策略......................................................................................................... 12 2.3.1 自适应步长策略 .................................................................................................. 12 2.3.2 采样点选取策略 .................................................................................................. 12 2.3.3 最小安全距离约束.............................................................................................. 13 2.3.4 最小转弯半径约束.............................................................................................. 14 2.3.5 路径平滑策略 ...................................................................................................... 14 2.3.6 改进 RRT 算法步骤 ............................................................................................ 15 2.4 收敛性分析..................................................................................................................... 16 2.5 仿真试验与分析 ............................................................................................................ 18 2.5.1 宽敞环境试验 ...................................................................................................... 19 2.5.2 狭窄环境试验 ...................................................................................................... 21 2.5.3 数据分析 .............................................................................................................. 22 2.6 小结 ................................................................................................................................. 23 第三章 基于环境感知的智能铲运机局部路径调整方法 .................................................... 25 3.1 任务需求 ......................................................................................................................... 25 万方数据 智能铲运机自主行驶的控制研究 II 3.2 环境感知方法分析 ........................................................................................................ 25 3.2.1 环境感知方法原理.............................................................................................. 25 3.2.2 环境感知方法的特点分析 ................................................................................. 28 3.2.3 基于激光雷达的环境感知实验 ......................................................................... 28 3.3 局部路径调整方法 ........................................................................................................ 31 3.3.1 超前测距策略 ...................................................................................................... 31 3.3.2 双边居中策略 ...................................................................................................... 32 3.3.3 单边沿墙策略 ...................................................................................................... 33 3.3.4 局部路径调整方法步骤 ..................................................................................... 34 3.4 仿真试验 ......................................................................................................................... 35 3.5 小结 ................................................................................................................................. 36 第四章 智能铲运机路径跟踪控制方法研究 ......................................................................... 39 4.1 误差模型 ......................................................................................................................... 39 4.2 Pure Pursuit 算法原理 .................................................................................................... 40 4.3 Pure Pursuit 算法改进策略 ............................................................................................ 42 4.3.1 自适应预瞄距离策略 ......................................................................................... 42 4.3.2 跟踪调整策略 ...................................................................................................... 43 4.3.3 改进 Pure Pursuit 算法步骤 ............................................................................... 45 4.4 仿真试验与分析 ............................................................................................................ 47 4.4.1 直线路径跟踪 ...................................................................................................... 47 4.4.2 曲线路径跟踪 ...................................................................................................... 49 4.4.3 数据分析 .............................................................................................................. 51 4.5 小结 ................................................................................................................................. 53 第五章 智能铲运机自主行驶的控制系统实现..................................................................... 55 5.1 智能铲运机控制系统改造............................................................................................ 55 5.1.1 车载控制模块 ...................................................................................................... 56 5.1.2 环境感知模块 ...................................................................................................... 57 5.1.3 状态感知模块 ...................................................................................................... 57 5.2 通信网络设计 ................................................................................................................ 58 5.3 智能铲运机的自主行驶测试 ....................................................................................... 59 万方数据 济南大学硕士学位论文 III 5.4 小结 ................................................................................................................................. 60 第六章 结论与展望 .................................................................................................................. 61 6.1 小结 ................................................................................................................................. 61 6.2 展望 ................................................................................................................................. 62 参考文献 ....................................................................................................................................... 63 致 谢 ........................................................................................................................................... 67 附 录 ........................................................................................................................................... 69 万方数据 济南大学硕士学位论文 V 摘 要 矿产资源是发展国民经济、保障国家安全的重要物质基础。随着对矿产资源需求的 不断增加，采矿工作逐渐转向深层地下，采矿条件愈来愈恶劣，对矿工的健康威胁也愈 来愈大。铲运机因具有高效、灵活、机动、多用途等突出优点，成为地下高效开采的首 选装备。 随着近年来智慧矿山技术进展迅猛， 技术的推广应用带动了智能铲运机的发展。 自主行驶技术是智能铲运机的核心技术之一， 而路径规划和路径跟踪则是智能铲运机自 主行驶技术的两个重要领域，也是需要重点研究解决的问题。 本文通过查阅大量的相关文献和资料， 了解智能铲运机的背景意义以及国内外现状， 总结和归纳了智能铲运机自主行驶的实现方式和相关算法， 深入研究了智能铲运机的自 主行驶技术，主要内容如下 首先，研究基于改进 RRT 算法的智能铲运机全局路径规划。针对传统 RRT 算法的 缺点以及智能铲运机的自身约束，提出了改进的 RRT 算法，设计了自适应步长策略、 采样点选取策略、最小转弯半径约束、最小安全距离约束、路径平滑策略，从理论层面 对改进 RRT 算法进行收敛性分析。在宽敞环境和狭窄环境分别进行仿真试验，仿真试 验结果表明改进的 RRT 算法能够有效规划智能铲运机的可行路径，避开已知障碍物， 与同类算法比较，改进 RRT 算法规划出的路径更加适用于智能铲运机的实际行驶，在 降低路径长度和避免路径曲折方面具有先进性。 其次，研究基于环境感知的智能铲运机局部路径调整方法。研究分析环境感知的方 法， 激光雷达能够实现铲运机工作区域的环境感知， 获取障碍物或巷道墙壁的距离信息。 基于环境感知，设计了超前测距策略、双边居中策略和单边沿墙策略的局部路径调整方 法，仿真试验表明本文设计的方法可以实现智能铲运机的局部路径调整。 再次， 研究基于改进 Pure Pursuit 算法的智能铲运机路径跟踪。 针对传统 Pure Pursuit 算法的缺点，提出了改进的 Pure Pursuit 算法，设计了自适应预瞄距离策略，选取一个 临时预瞄点，计算出当前的航向转角和航向偏角，根据航向转角和航向偏角自适应调整 预瞄距离。设计了路径跟踪调整策略，通过构造两个相切圆进行跟踪调整。分别进行直 线期望路径跟踪和曲线期望路径跟踪的仿真试验，试验结果表明改进的 Pure Pursuit 算 法能够实现路径跟踪，与同类算法相比，降低了位移误差和航向误差，具有较高的跟踪 精度。 万方数据 智能铲运机自主行驶的控制研究 VI 最后，智能铲运机自主行驶的控制系统实现。对传统铲运机进行改装，安装环境感 知模块、状态感知模块、核心控制模块，并设计了网络通信系统，在招金矿业大尹格庄 金矿进行智能铲运机自主行驶的测试，取得了良好的效果。 关键词智能铲运机；自主行驶；路径规划；路径跟踪 万方数据 济南大学硕士学位论文 VII Abstract Mineral resources are important material basis for developing national economy and safeguarding national security. With the increasing demand for mineral resources, the mining work gradually turns to the deep underground. Harsh mining conditions have also increased the threat to miners safety. Because of its outstanding advantages of high efficiency, flexibility, maneuverability and multi-purpose, the scraper has become the preferred equipment for underground efficient mining. With the rapid development of intelligent mine technology in recent years, the scraper is gradually moving towards intelligent development. Autonomous driving technology is one of the core technologies of intelligent scraper. Path planning and path tracking are two important areas in the autonomous driving technology of the intelligent scraper, which also need to be studied and solved. By referring to a large number of relevant literature and materials, this paper understands the background significance and research status of intelligent scraper. The realization s and related algorithms of autonomous driving of intelligent scraper are summarized. In this paper, the autonomous driving technology of intelligent scraper is deeply studied. The main contents are as follows Firstly, the global path planning of the intelligent scraper based on the improved RRT algorithm is researched. Aiming at the shortcomings of traditional RRT algorithm and the self-constraint of intelligent scraper, an improved RRT algorithm is proposed. The adaptive step size strategy, sampling point selection strategy, minimum turning radius constraint, minimum safe distance constraint and path smoothing strategy are designed. The simulation results show that the improved RRT algorithm can effectively plan the feasible path of the intelligent scraper. Compared with the similar algorithm, the path planned by the improved RRT algorithm is more suitable for the actual operation of the intelligent scraper, and it is advanced in reducing the path length and avoiding the path twists. Secondly, the local path adjustment of intelligent scraper based on environment perception is researched. By studying and analyzing the of environment perception, the laser radar can realize the environment perception of the working area of the scraper and obtain the distance ination of obstacles or tunnel walls. Based on the environment perception, the 万方数据 智能铲运机自主行驶的控制研究 VIII local path planning s of advanced ranging strategy, bilateral center strategy and single edge wall strategy are designed. Simulation results show that the proposed can realize local path adjustment of the intelligent scraper. Thirdly, the path tracking of intelligent scraper based on improved Pure Pursuit algorithm is studied. Aiming at the shortcomings of traditional Pure Pursuit algorithm, an improved Pure Pursuit algorithm was proposed. An adaptive preview distance strategy is designed. A temporary preview point is selected to calculate the current course Angle and course deviation Angle, and the preview distance is adaptively adjusted according to the course Angle and course deviation Angle. The tracing path is adjusted by constructing two tangent circles. The simulation experiments of straight expected path tracking and curve expected path tracking were carried out respectively. The experimental results show that the improved Pure Pursuit algorithm can achieve path tracking. Compared with the similar algorithm, the displacement error and heading error are reduced, and the tracking accuracy is higher. Finally, the control system of the intelligent scraper is realized. The traditional scraper was refit, the environment sensing module, the state sensing module and the core control module were installed, and the network communication system was designed. The autonomous driving test of the intelligent scraper was carried out in Dayingezhuang gold mine and good results were obtained. Key Words intelligent scraper; autonomous driving; path planning; path tracking 万方数据 济南大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景和意义 矿产资源为国民经济、国家安全提供了重要的物质基础[1]。国家高度重视对矿山资 源的整合，我国现存矿山总数达到了 10 万余座，其中包含金属矿山 19600 多座，大型 矿山 4700 多座 [2]。经济经历了长时间的飞速发展，矿产资源的需求也不断增长，地表 矿产资源难以满足发展的需求，因此人们的开采工作逐渐转向深部地下开采[3]。深层地 下采矿存在许多不安全因素，比如高湿、高温、塌方、涌水等，对采矿工人的身体健康 与生命安全产生了巨大的威胁 [4]。同时，人工成本在采矿成本中占据了较大的比例，现 有传统的采矿装备自动化程度不高，且生产效率低下，成为限制地下采矿业进一步发展 的瓶颈 [5]。自动化和智能化成为地下采矿装备的发展趋势，这也对采矿工作的自动化、 无人化、智能化提出了更高的要求。 图 1.1 铲运机示意图 铲运机因具有灵活、 高效、 机动等突出优点， 在众多地下无轨采矿装备中脱颖而出， 成为了地下采矿不可或缺的一部分[6]。第一代铲运机为人工驾驶铲运机，需要有工人在 驾驶室内实时驾驶，虽然一定程度上提高了采矿效率，但难以保障铲运机驾驶员的人身 安全。第二代铲运机为视距遥控铲运机，驾驶员可以站在安全的视距范围内，通过无线 电对铲运机进行遥控行驶，但由于光线和灰尘等因素，铲运机的操控性能难以保证。第 三代铲运机为超视距遥控铲运机， 驾驶员可在地面的调度室进行超视距的远程遥控驾驶， 这样驾驶员能够远离危险采矿区，更好地保障了其人身安全，但对低延时数据传输要求 较高，且驾驶员稍有疏忽，便可能导致意外事故的发生。为了提高采矿的效率，保障工 万方数据 智能铲运机自主行驶的控制研究 2 作人员的安全，第四代智能铲运机应运而生，即智能铲运机可以实现自主行驶[7]。近年 来，随