基于NMPC的地下无人铲运机反应式导航系统

来源期刊：煤炭学报2020年第4期

论文作者：罗维东 马宝全 孟宇 刘立 顾青 白国星 甘鑫

文章页码：1536 - 1546

关键词：铲运机;反应式导航;非线性模型预测控制;分段式策略;

摘    要：针对地下无人铲运机反应式导航存在的转向与回正滞后、对宽度变化的弯道适应性较差等问题,提出了基于非线性模型预测控制（NMPC）的反应式导航系统,其中设计了基于NMPC算法的反应式导航运动控制器,并针对NMPC控制器所需要的局部参考路径,提出了一种分段式局部路径决策策略与之相匹配。NMPC控制器的设计包括采用欧拉法推导地下铰接式铲运机的非线性预测模型,然后设立基于铲运机约束条件的优化目标函数进行最优控制序列求解。分段式局部路径决策策略则是将地下巷道拟合分为多种典型作业环境并分别在不同环境下提出相应的决策策略,在铲运机行驶中根据预测时域内的巷道环境信息实时调整局部参考路径,然后将局部参考路径信息提供给NMPC控制器并进行跟踪。通过仿真实验设置不同仿真环境对本文提出的反应式导航系统进行验证并与基于线性时变模型预测控制（LTV-MPC）的反应式导航系统进行对比,仿真效果表明,本文提出的地下无人铲运机反应式导航系统能够在较窄的巷道内实现自主导航,并且能够适应宽度变化的巷道,在多种仿真巷道环境中铲运机与巷道壁的距离最小值为0.73 m,且航向误差能够在5 s内由0.89 rad收敛至稳定状态,稳态误差趋向于0.001 rad,铰接角输出较为平顺,提高了地下巷道弯道处参考路径的安全通过性和铲运机对宽度变化的巷道的适应性。