巷道掘进机循迹定向航行控制研究

doi:10.3901/JME.2025.12.356

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (12): 356-366.doi: 10.3901/JME.2025.12.356

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巷道掘进机循迹定向航行控制研究

刘送永¹, 张德义², 孟德远¹, 江红祥¹, 宋明江³

1. 中国矿业大学机电工程学院徐州 221116;
2. 苏州科技大学机械工程学院苏州 215009;
3. 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司太原 030006

收稿日期:2024-06-16 修回日期:2025-01-20 发布日期:2025-08-07
作者简介:刘送永，男，1981年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为矿山智能化采掘技术与装备、矿体高效破碎机理与技术、地下空间快速掘进技术及装备等。E-mail：lsycumt@163.com;张德义(通信作者)，男，1989年出生，博士，硕士研究生导师。主要研究方向为特种环境作业机器人、智能机电系统、地下空间掘进装备与技术。E-mail：deyi1108@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(52304147)、江苏省杰出青年基金(BK20211531)和江苏省高等学校自然科学研究(23KJB440002)资助项目。

Directional Traveling Trajectory Tracking Control of Roadheader

LIU Songyong¹, ZHANG Deyi², MENG Deyuan¹, JIANG Hongxiang¹, SONG Mingjiang³

1. School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116;
2. School of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009;
3. China Coal Science and Industry Group Taiyuan Research Institute Co., Ltd., Taiyuan 030006

Received:2024-06-16 Revised:2025-01-20 Published:2025-08-07

摘要/Abstract

摘要： 受恶劣的巷道环境及复杂的底板条件的影响，巷道掘进机航行轨迹极易偏离设计轨迹，进而产生航向位姿偏差。传统仅单一航行速度控制或航行轨迹控制的控制方案，无法有效实现巷道掘进机循迹定向航行。为实现巷道掘进机航行轨迹精确控制，进行理想与打滑条件下巷道掘进机航行运动分析，融合巷道掘进机定向航行轨迹控制器与航行速度控制器，构建巷道掘进机定向航行双环控制方案，研究理想及不同打滑条件下巷道掘进机航行轨迹跟踪控制，获取打滑对航行轨迹及速度影响规律，并基于巷道掘进机定向航行试验系统进行了巷道掘进机轨迹跟踪控制试验。试验结果发现圆弧段航行轨迹跟踪误差远大于直线段，最大轨迹跟踪误差出现在圆弧段，可控制在圆弧段轨迹弧长的1.5%以内，航行轨迹跟踪控制过程中航行速度与控制信号变化平稳，表明所提出的巷道掘进机定向航行轨迹跟踪控制方案可有效地实现巷道掘进机定向掘进控制。

关键词: 巷道掘进机, 定向航行, 航行速度控制, 航行轨迹控制

Abstract: Influenced by the bad roadway environment and complex floor conditions, the trajectory of roadheader is prone to deviate from the design trajectory, resulting in yaw position and pose deviation. The traditional control scheme that only considers the travelling velocity control or trajectory control cannot effectively realize the directional travelling trajectory tracking of roadheader. To realize the accurate control of the travelling trajectory, the traveling motion of roadheader under ideal and slip conditions are analyzed. Integrating the directional traveling trajectory controller and the traveling velocity controller, the double loop control scheme of directional traveling is constructed. The traveling trajectory tracking control under different conditions are studied and the influence of slip on traveling trajectory and velocity is obtained. Then, the trajectory tracking control experiment was carried on based on the directional traveling experiment system of roadheader. Results show that the trajectory tracking error in the arc segment is far greater than that in the straight segment. The maximum trajectory tracking error occurs in the arc segment and can be controlled within 1.5% of the arc length. The traveling velocity and control signal vary stably in the traveling process, illustrating that the proposed directional traveling trajectory tracking control scheme can effectively realize the directional traveling of roadheader.

Key words: roadheader, directional traveling, traveling velocity control, traveling trajectory control

中图分类号:

TH39

刘送永, 张德义, 孟德远, 江红祥, 宋明江. 巷道掘进机循迹定向航行控制研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(12): 356-366.

LIU Songyong, ZHANG Deyi, MENG Deyuan, JIANG Hongxiang, SONG Mingjiang. Directional Traveling Trajectory Tracking Control of Roadheader[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(12): 356-366.

参考文献

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