礦用液壓式履帶底盤糾偏系統研究與應用

殷世鋒，鈔希林，劉 偉，劉云飛，劉小飛，楊 濤，劉 磐，王 琦

(1.國能榆林能源有限責任公司青龍寺煤礦分公司，陜西省榆林市，719400；2.中煤科工機器人科技有限公司，廣東省深圳市，518057)

0 引言

礦用液壓式履帶底盤(以下簡稱“履帶底盤”)是煤礦重型移動裝備的重要組成部分[1-3]，因具有結構緊湊、地面通過性良好、便于操作、防爆設計簡單等優點，在煤礦重型裝備中得到了廣泛應用[4-6]。

煤礦井下作業工況復雜，低照度、空間狹窄、地面凹凸不平等非結構化場景特征，以及履帶鏈磨損、行走機構安裝偏斜等重載履帶底盤自身原因，極易出現跑偏現象，因此現有液壓式履帶移動裝備通常采用人工直接作業。然而，隨著近年來國家智慧礦山建設的飛速發展，輔助作業類煤礦機器人已逐漸成為煤礦智能化建設的重點，這必然要求承載機器人本體的重載履帶底盤具有較高的行駛穩定性及行駛方向的正確性[7-10]。

基于此，為踐行國家政策和行業需求，結合履帶底盤在巷道中的行駛工況，針對現有液壓式履帶底盤普遍存在的跑偏問題，筆者提出一種實時糾偏控制系統，采用超聲波測距方式自動糾正其行駛方向，避免由于履帶底盤跑偏造成的作業失誤甚至碰壁事故，實現作業設備的智能化。

1 履帶底盤跑偏原因分析

跑偏是履帶底盤行駛作業中常見的故障，即由于各種原因，履帶底盤的運行偏離了目標方向[11-13]。跑偏會使履帶底盤所搭載的作業執行機構在作業過程中出現作業偏差，從而影響作業質量，尤其對于在狹窄巷道中的作業裝備，其履帶底盤跑偏極易造成車體與巷道墻壁發生碰撞，造成巷道安全隱患，甚至引發安全事故。

履帶底盤的跑偏量反映了其控制系統的技術水平，履帶底盤出現跑偏主要有以下幾種原因。

(1)左右兩側履帶驅動輪轉速不能保持完全一致，導致履帶兩側傳動速度不等，繼而出現跑偏。

(2)液壓式履帶底盤行駛或作業時，兩側履帶板接觸的地面狀態不同，造成兩側滑轉率不同，繼而出現跑偏。

(3)液壓式履帶底盤左右驅動馬達的內泄超過電氣系統的可調量，左右驅動馬達的供油量不同導致履帶底盤跑偏。

(4)履帶底盤長時間使用的磨損，使得零部件變形、調整間隙變大，兩側履帶不再嚴格保證平行狀態，導致履帶底盤跑偏。

2 履帶底盤糾偏系統設計

2.1 糾偏系統搭建

為驗證履帶糾偏系統的可行性與使用效果，模擬作業類煤礦機器人通用重載履帶底盤，搭建了相關試驗平臺。該平臺由液壓履帶、承載車架、電控系統、液壓系統等部分組成，左右側履帶驅動輪各由一個液壓馬達驅動，每個馬達由2個比例閥控制其轉速與轉向，基于差速工作原理獨立調整履帶行走機構的總成轉速，實現履帶底盤的直行、轉彎、后退等基本行走功能；電控系統采用全防爆設計，內部安裝主控制器、多傳感器數據采集卡、供電單元等；液壓系統內部安裝比例電磁閥、節流閥、減壓閥等多路液壓閥組，用于實現履帶底盤的液壓伺服控制。履帶底盤試驗平臺結構如圖1所示。

1-防爆電控箱；2-液壓閥組；3-液壓油箱；4-液壓動力源；5-超聲波測距傳感器；6-承載車架；7-執行機構；8-液壓履帶。

作為平臺結構框架，承載車架采用Q235A材質的冷彎空心鋼J80 mm×40 mm(GB/T 6728-2002)，型鋼上焊接各個模塊安裝板，并制作全螺紋螺栓通孔，用于固定安裝。為保證承載車架的結構強度及可靠性，利用Solid Works軟件中的Simulation技術，建立履帶底盤參數化模型，并對承載車架進行受力分析。筆者設計履帶底盤平臺的自身重量為200 kg，防爆電控箱、液壓系統、執行機構等其余模塊的重量見表1。

表1 承載車架上各模塊重量

將上述載荷加載到承載車架上，由于承載車架采用大平面式結構，且所受載荷遠遠小于型鋼的屈服應力，仿真重點在于分析車架承載平臺的變形情況，承載車架變形和位移分布如圖2所示。

圖2 承載車架變形和位移分布

仿真結果顯示，車架變形最大處位于車架尾部2個角點，此處距離中心力矩最大，符合理論力學經驗判斷，最大變形位移值為1.7 mm，滿足剛度需求。

超聲波測距傳感器是糾偏系統的重要感知單元，通過在承載車架平臺上安裝超聲波測距傳感器對巷道兩側墻壁進行實時測距，并獲取實時偏移角度，從而為糾偏控制提供感知信息輸入。超聲波傳感器具體布置以履帶底盤中心線為基準，左右對稱放置，總計6個傳感器，并進行統一編號，方便后續算法原理描述。超聲波測距傳感器主要技術參數如下：探測范圍為0.01～3 m、接口形式可選RS485/I2C/TTL、工作溫度為-30～85 ℃、輸出信號為數字量距離信號、工作電壓為3～5.5 V、通信速率為50～100 kbit/s。超聲波傳感器布置位置如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器布置位置

2.2 履帶糾偏控制原理及實現方法

為滿足糾偏系統的功能需求，采用西門子公司的S7-1200PLC為控制核心。上位機界面采用遠程無線通訊方式，將控制指令發送給主控制單元，PLC控制器依據當前運行狀態及傳感器反饋的信號，調整PWM占空比輸出給液壓閥組，從而實現2個驅動馬達的轉向、轉速控制。糾偏系統控制原理如圖4所示。

圖4 糾偏系統控制原理

由圖4可以看出，超聲波測距傳感器采用RS485通訊，將傳感器信息實時上傳至PLC控制器。PLC控制器將采集數據進行處理后，得到履帶底盤的實時偏移量，當偏移量滿足糾偏系統觸發值時，將觸發糾偏控制，完成糾偏操作。

糾偏原理及實現方法為：超聲波傳感器1～6實時采集到其距離巷道墻面的距離為L1、L2、L3、L4、L5、L6，履帶底盤實時偏移量采集原理如圖5所示。

圖5 履帶底盤實時偏移量采集原理

比較L1和L2 、L2和L3、L4和L5、L5和L6 這4組距離數據，當L1>L2、L2>L3、L4L5、L5>L6這4個判斷條件滿足其中3條時，判定履帶底盤行駛方向左偏移。

根據三角函數關系，計算獲得α1、α2、α3、α4、α5、α6這6個偏移角度見式(1)～式(6)：

圖6 糾偏系統實現流程

3 驗證測試與結果分析

搭建模擬巷道環境對液壓式履帶底盤糾偏系統的糾偏效果進行驗證。實驗采用的平直巷道寬度為6 m、墻壁高度為1.5 m、長度為35 m，巷道地面平整。人工遙控履帶底盤在模擬巷道中沿巷道中線直線行駛，每前進1 m測試1次履帶底盤的偏移角度和偏移距離，一共行駛30 m，測得30組數據，將數據繪制成折線圖，記錄履帶底盤行駛過程中的每米偏移角度和每米偏移距離。履帶底盤偏移角度記錄如圖7所示，履帶底盤偏移距離記錄如圖8所示。

圖7 履帶底盤偏移角度

圖8 履帶底盤偏移距離

由實驗結果可知，履帶底盤在偏移角度達到5 °時糾偏程序開始啟動，保證履帶底盤沿巷道中線小幅度蛇形前進。整個行駛過程履帶底盤偏移角度范圍為-5.5 °～6 °，偏移距離最大值為23.5 cm，糾偏控制效果良好，能夠滿足實際需求。

2023年12月，基于礦用液壓式履帶底盤糾偏系統在國能榆林能源有限責任公司青龍寺煤礦分公司智能化建設中得到了實際應用，采用該糾偏控制方法，使得噴漿機器人的自主移動定位精度最大偏差在25 cm，自主運行穩定可靠；同時，與噴漿機械臂聯動協同控制，實現了隨走隨噴的作業工藝流程，保證了噴漿一致性，降低了噴漿回彈率。

4 結論

(1)針對礦用液壓式履帶底盤在煤礦井下狹窄巷道中行駛存在的跑偏現象，提出了一種糾偏控制系統及方法，可糾正履帶底盤在遠程遙控直行過程中的跑偏故障。

(2)研制通用液壓履帶底盤硬件系統，作為糾偏控制系統的實驗裝置，能遠程接受遙控指令自動完成啟/停、前進/后退、轉彎等基本動作。

(3)經平整地面的平直巷道環境模擬實驗證明，糾偏控制系統可控制液壓式履帶底盤的偏移角度范圍為-5.5 °～6 °，偏移距離最大不超過23.5 cm。