煤矿铰接车辆线控转向技术综述

吉 庆, 王 腾,3, 赵 远

(1.煤炭科学研究总院, 北京 100013; 2.山西天地煤机装备有限公司, 山西 太原 030006;3.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)

引言

铰接式转向因其转向半径小，机动性能好，可在非常狭窄的场地作业[1]，目前广泛应用于煤矿无轨辅助运输领域。众所周知，这类型车辆所处工作环境复杂、工况特殊且不固定，易受到铰接车体结构、重心偏移、载荷变化等因素的影响，使车辆在行驶过程中出现蛇形姿态、侧倾及俯仰波动较大等问题。为了煤矿车辆能在井下安全运行，其转向性能的好坏至关重要，是提高生产效率、减轻驾驶员劳动强度和保证车辆行驶安全的重要保障。线控转向是车辆诸多转向系统中的一种，由于煤矿车辆无人化、自主化的需求，线控转向系统逐步应用于煤矿车辆，该系统能够显著提升煤矿铰接车辆转向系统的性能，有助于车辆在行驶过程中实现主动安全、远程遥控或车辆自主操作，增强车辆对工作环境的适应性。

目前煤矿铰接车辆转向系统仍然基于第四代同轴流量放大转向和先导型流量放大转向原理[2]，其技术研究以及在煤矿井下的应用还处于理论研究和初步试验阶段，仍存在一定的技术难点，譬如：煤矿井下路面起伏不定，车辆在井下行驶时会发生轻微的扭转，使前后车架相对转角的测量存在一定难度；传统的PID控制算法不能够满足线控系统时变和非线性特性的需要，将智能控制算法应用到线控转向系统中存在一定的难度；目前应用在煤矿车辆的电控系统中大部分都是单片机，将PLC控制与智能控制算法相结合应用在煤矿车辆线控转向系统中存在一定的难度等。

综上所述，在煤矿车辆的实际应用过程中还存在着许多难题，向煤矿井下的拓展应用更需深入研究，从而加快煤矿无轨辅助运输的智能化发展。

1 铰接车辆线控转向系统

1.1 国内外研究现状

国外线控转向系统在铰接车辆的应用已经比较成熟，如卡特彼勒公司的950 L装载机，丹佛斯公司应用于重型铰接车辆的电液线控转向系统。我国线控转向技术还未能大量应用于煤矿铰接车辆，但该技术在煤矿车辆的应用，必会为我国煤矿车辆带来技术上质的飞跃。

目前，我国线控转向系统在铰接车辆上的研究主要集中在控制技术、路感、液压子系统、容错性等。王同建[3]首次将线控转向技术应用在装载机上，降低了劳动强度并提高了工作效率，但没有将该系统安装到样车上进行实际工业考核且没有对系统进行可靠性分析。胡静波[4]开发了装载机容错线控转向系统，将线控转向技术与容错控制技术充分结合，使得车辆具有较高的容错能力和可靠性，同时还应用马尔柯夫状态过程理论建立线控转向系统可靠性分析模型，使得装载机容错线控转向系统具有较高的可靠性，可以满足实际应用的需要，但没有对路感装置进行容错研究。周原[5]将模糊控制技术与相平面分区控制方法相结合，设计了模糊相平面五态控制器，并将其与PID控制器、模糊PID控制器同时仿真，结果表明，在不同输入信号作用下，所设计的控制器的性能具有更好的动、静态性能和抗干扰性，可以很好地满足装载机转向过程的控制要求，实现装载机转向过程的智能控制，但没有考虑到线控系统的容错与可靠性。李坤峰[6]对路感反馈装置进行研究，并选择电磁线圈式路感反馈装置作为研究对象，发现电磁线圈体积小、磁力可调范围大，不会出现失磁现象和油液污染，并且节约了成本，但对路感的研究局限于实验台，没有在实车当中应用。王翔宇[7]设计了一种新的流量匹配原理，采用伺服电机驱动的定排量液压泵独立供油，使一个转向过程中的压力波动由原转向系统中的2 MPa降到冗余型开式泵控、闭式泵控转向系统中的1 MPa和 0.3 MPa，转向过程中液压泵的能耗由负荷传感转向系统中的4.3 kJ 降到冗余型开式泵控、闭式泵控转向系统中的3.6 kJ 和1.9 kJ，分别降低能耗约16%，56%，使转向过程更加高效平稳，但也没有转化为实际的工业产品。

线控转向在铰接车辆的应用经过近20年的发展，越来越多的设计及理论被提出，也有更多应用方案，使车辆更加节能且路感更加准确。

1.2 铰接车辆线控转向系统原理分析

道路型车辆的线控转向系统，采用变速电机驱动的齿轮齿条式电动助力转向系统[8]，该系统提高了车辆转向系统的能量效率。然而，该方式提供的转矩有限，不能满足重型非道路车辆在大扭矩工况和恶劣工作环境下的转向要求，所以线控转向系统仍需液压系统作为动力来源，所以在原有的线控系统中增加了电液比例控制阀形成电液线控转向系统。电液比例控制阀可以通过输入的电流信号控制液压系统工作，是现代工业和航空航天领域的关键元件。随着自动化、数字化、通信技术的发展，电液比例控制阀正朝着数字化、集成化、智能化方向发展[9]。此外，电液比例控制阀目前正与多种通信技术相结合，为重型大扭矩车辆的远程控制和自动驾驶提供了可能。

电液线控转向系统与传统转向系统相比，取消了方向盘与液压系统之间的机械连接，使用电信号输入并命令相应的输出。电液线控转向系统由转向输入装置(方向盘、操纵杆、自动驾驶模式下为整车控制器)、转向执行装置、转向反馈装置、控制器ECU(Electronic Control Unit)等组成。转向输入装置和转向执行装置分别将传感器的转角信息和压力信息输入ECU，ECU对输入的数据进行分析计算，控制电液比例控制阀中的主阀左右移动，控制油液进入转向油缸的流量大小，使左右转向油缸以相对应的速度伸缩，致使前后车架发生偏转，如图1所示。同时ECU将前后车体铰接点处角度传感器输出的信息与方向盘的输入信息进行比较，协调铰接车架结构、液压系统、电控系统之间的配合，使车辆按照规定完成转向。

1.前车架 2.铰接点角度传感器 3.后车架 4.转向油缸 5.压力传感器 6.溢流阀 7.单向阀 8.电液比例控制阀 9.过滤器 10.油泵 11.油箱 12.转角传感器 13.ECU

铰接车辆线控转向与传统的转向系统相比，主要优点有：线控转向系统可以根据需要调节工作模式；传统的液压转向系统车辆转向时，铰接车架从一个极限位置到另一个极限位置时，方向盘需要的转动圈数固定，而线控转向则可以根据工作状态自由设置转向装置的驱动比，既减轻了驾驶者的劳动负荷，又提高了驾驶舒适性和转向灵活性[10]。传统转向系统通过液压或机械装置连接，当地面情况较差时，操作人员会感受到方向盘较为强烈的反馈力，而线控系统的路感反馈是通过传感器采集模拟路面信息反馈到路感电机，可模拟出较为舒适的路感。线控系统使得车辆的液压和机械装置与驾驶室隔离开，减少了驾驶室内的噪音。线控转向系统减少了原有转向系统中的液压元件，因此降低了液压系统对驾驶室和外界污染的概率。

2 线控技术在铰接车辆中应用

电液线控转向系统在铰接车辆的应用及研究过程中，对电液控以及执行元件等在节能性和控制精确性等方面做了大量的试验验证，逐步形成了电液阀控和电液泵控两大主流技术[11]。

2.1 电液阀控转向系统

如图2所示，电液阀控转向系统，主要元件是控制阀，电液比例控制阀也称为电液比例方向流量阀，不仅可以通过控制电流的正负来控制液压油的流动方向，还可以通过控制电流的大小来控制流经电液比例控制阀流量的大小。由于电液阀控转向系统中转向与工作的液压系统使用同一个压力源，造成工作所需功率远高于转向所需功率，所以当车辆转向时该液压系统存在大量的溢流与节流损失[12],导致系统运行不平稳、响应慢、且能耗较高，因此降低能耗成为系统发展当中的关键问题。为了降低能耗同时提高稳定性，有学者对液压系统中的控制阀进行设计与研发[13]；也有学者设计新的控制策略和控制理论[14]；还有学者对转向器进行模拟仿真进而得到更加优化的关键参数[15]，但是电液阀控转向系统仍然不如电液泵控线控转向系统节能[16-17]。

1.转向油缸 2、5.卸荷阀 3.电液比例控制阀 4.油泵 6.油箱

2.2 电液泵控转向系统

随着液压技术的发展及机电液一体化技术的成熟，为增强转向系统的能耗效率及响应特性，设计出了电液泵控转向系统[18]，如图3所示。该转向系统去掉了传统转向回路中的液压转向阀，由恒速或变速电机驱动变量泵，通过调整泵的速度或排量控制转向油缸的伸缩速度。电液泵控转向系统采用变量液压泵来减少电液阀控转向系统中溢流、节流损失，但电液泵控转向系统中仍有能耗损失的问题。为了降低能耗、提高稳定性，对电液泵控转向系统中变排量泵的控制原理与控制方式进行了优化[19-20]，也可以通过阀和泵复合控制来降低电液阀控转向系统的能耗[21]，试验结果表明，通过泵阀复合控制来实现转向系统的转向，与电液阀控转向系统相比，在重载及空载工况下可分别降低能耗 19.2%和23.3%[22-24]。

1.转向油缸 2.卸荷阀 3.单向阀 4.油泵 5.单极比例控制阀 6.电机

电液阀控转向系统比电液泵控转向系统的结构简单，且电液阀控转向系统中液压油的循环方式是从油箱中来回油箱中去，因此回油在油箱中能够和存油充分的混合，当油泵再从油箱中吸出油时，得到的基本是温度不高的存油，所以电液阀控转向系统温度低。而电液泵控系统更加稳定节能，实验证明电液泵控转向系统比电液阀控线控转向系统大约节能20%[25-28]。电液泵阀相结合的混合液压转向系统实验已成功，若在设备当中得以应用，液压系统将更加平稳且绿色环保。

3 铰接车辆线控转向关键技术

铰接车辆线控转向技术是多学科与技术的交叉融合，包括液压传动、智能控制、机械理论等。要使线控转向技术更好的应用于煤矿车辆，使煤矿车辆真正能够实现高精度的转向或无人驾驶，必须结合各个学科领域前沿性的研究。煤矿车辆运行环境有以下特点：路面湿滑，坡度起伏明显，光线差，噪声大且车辆空满载运行时整备质量变化幅度较大。为应对井下环境的特点，车辆线控转向系统应用的关键为五大技术：防爆技术、传感技术、复杂容错技术、路感的形成与反馈、智能控制技术。

3.1 防爆技术

井下路面起伏不平，线控转向系统中的电气设备在承受车辆发生颠簸的同时还要耐受井下温度的变化，同时电气设备可能产生电火花或电弧，在一定条件下容易引爆矿井下的煤尘、瓦斯等气体。一旦发生爆炸，不仅会妨碍煤矿的生产，还对井下的工作人员造成威胁，所以在煤矿铰接车辆的应用中线控转向的防爆技术至关重要，基于此才能保证煤矿井下作业和生产顺利进行。

防爆技术的优劣，影响到线控系统的可靠性和精确性，也是目前亟需解决的技术瓶颈。煤矿常用的防爆技术有冷磷化工艺、热管技术、隔爆外壳等，目前防爆处理技术已经比较成熟[29]。但在线控转向系统的实际应用中还存在以下问题：井下工作环境恶劣，防爆涂层仍然容易出现裂纹，并且电路的接口处由于密封不到位或者涂层太厚会导致信息传输不稳定；车辆电气设备在使用隔爆外壳防爆后极大提升了车身质量；线控转向系统的关键元件电液比例控制阀，在防爆处理后须仍保持良好的线性度与恒力特性，且动态响应时间需缩短至毫秒级。

3.2 传感技术

电液线控转向系统需要传感器测量转向角度、转向压力等信息，向车辆的ECU传递反馈，从而保证ECU正确控制电液比例阀组，进而形成闭环反馈控制，且ECU通过传感器所获取煤矿车辆信息的实时性和准确性决定了车辆线控转向系统的效果。煤矿车辆所需的传感器主要有转向角度传感器、行车速度传感器、压力传感器等，如图4所示。

1.压力传感器 2.铰接角角度传感器 3.方向盘转角传感器 4.转向油缸位移传感器

为了保证线控转向系统稳定、可靠地运行，煤矿车辆上传感器的精度、信息传输速度是关键要素。提高传感器精度的主要措施有：提高控制系统的鲁棒性，提高传感器分辨率，尽量消除污染物的影响，降低阻尼，消除温度误差等。为了适应煤矿井下煤尘大且光线不足的特殊环境，也应加快多传感器信息融合与集成技术的发展，这样不仅能描述相同环境的多个冗余信息，还能描述不同的环境特征，提高线控转向系统的性能。目前传感器在井下的应用过程中还存在以下问题：井下环境潮湿且易有煤尘，使得传感器在井下的测量精度差；煤矿铰接车辆的前后两节车体长，在井下不平坦的路面行驶时，前后两节车体更易发生扭转，使得车辆实际转向角度与传感器测量角度不符。

3.3 复杂容错技术

线控转向系统取消了传感器与液压元件之间的机械连接，又增加了许多电气设备，在井下日复一日的工作当中，线控转向系统中的电子元件会受到不同程度的损耗。井下环境潮湿，电气设备又经常运转在高负荷的状态中，一系列问题交织在一起加速了电气件的老化，使电气设备容易发生故障，而线控转向系统对由电子部件引起的各种故障非常敏感[30]，同时井下巷道狭窄，车辆若在井下抛锚，既不便维修还影响煤矿的正常生产。为了保证不发生意外，煤矿车辆线控转向系统需具有冗余性，当线控转向系统发生故障后，可将线控转向回路切换到原有的转向系统，继续完成转向过程，从而提高线控转向系统的容错性。

容错是指所研究的对象能容许系统发生故障，不会因故障而发生失控或者崩溃。目前提高煤矿铰接车辆线控转向系统的容错性可从两个方面考虑，依靠硬件备份的冗余技术或依靠软件的容错算法技术[31]，两类容错技术的对比如表1所示。硬件冗余是针对车辆线控转向系统中的传感器、控制器、液压系统等装置进行备份；容错控制算法技术是指在传感器、控制器、执行器或系统其他元部件发生故障时，通过线控转向系统控制器中的故障诊断和容错模块及时检测车辆故障，同时还拥有处理故障的手段，使得线控转向闭环控制系统稳定，提高驾驶员的安全性，防止人员伤亡。

表1 软硬件容错技术对比

容错控制分为主动容错控制和被动容错控制。主动容错的目的是设计一种提高被控系统性能的控制算法，使系统有效检测故障且传递故障的信息并重新配置闭环控制方案，来提高系统的稳定性，如图5所示。被动容错方法的本质只是一种在特定情况下有效的鲁棒控制技术，如图6所示。王翔宇[7]验证了铰接车辆液压转向系统的冗余功能的可叠加性，可将原有转向系统与任一改进的液压转向系统并联，以提高转向系统的容错性。

图5 主动容错控制框图

图6 被动容错控制框图

目前有关线控转向系统的容错性已有许多学者做过研究，但在煤矿车辆的实际应用过程中还存在许多设计难点。如煤矿井下路面起伏不平，车辆质量和轮胎转弯刚度等参数随时间变化无法精确的测量计算，导致数学模型与实际情况不符；防爆技术、CAN、FlexRay通信协议，可能导致信息传输延迟，因而不可避免地降低了线控系统的可靠性；煤矿井下环境差且驾驶人员高强度工作，导致驾驶员做出的不安全行为。煤矿车辆线控转向系统的容错性，不仅有关煤矿的生产作业，更关乎井下作业人员的生命安全，应将线控转向技术与容错控制技术充分结合，使车辆既具有转向传动比可调、转向灵敏准确、路感清晰、便于整机布置等优点，同时又具有较高的可靠性和安全性。

3.4 路感的形成与反馈

路感是在转向过程中，转向系统把车辆运动状态和井下路面状态信息反馈给驾驶员的一种现象，是保证安全的必要前提。获得真实的路感也是线控转向在煤矿铰接车辆中应用的关键技术之一。与井上工程机械运行环境相比，煤矿井下路况更为复杂，又因线控转向系统取消了方向盘和转向轮之间的机械连接，驾驶员不能够通过刚性机构直接获得真实的路感；同时井下煤尘大且视野狭窄，使煤矿车辆运行中驾驶员获得路感尤为重要。

线控转向系统中路感的形成与反馈原理主要有：特征函数法，此种方法通过集合车速、行驶状态建立相关的动力学模型，此方法适用与道路型车辆的线控转向系统，由于井下路面情况复杂且不同煤矿的井下路面特征无规律可循，难以建立真实的数学模型，不易获得真实的路感；数学计算法，此种方法精度较低，通常与特征函数法相结合；传感器测量法是铰接车辆中比较常用的方法，也是较适用于煤矿铰接车辆的方法，其原理是比较左右转向油缸压力传感器的输出，并将压力差值输入ECU，ECU控制方向盘处的电磁线圈产生大小可调的电磁引力，电磁引力最终作用到阻尼盘上产生阻转力矩，阻转力矩对方向盘轴起到阻尼作用，使驾驶员获得路感，该方法具有响应速度快，无冲击振动、噪声污染，能源利用高的优点，且自动控制性能优越。

现有越来越多的学者在获得真实的路感方面进行探索，以便驾驶者能够掌握路面的基本情况。但在煤矿车辆的应用还存在问题，煤矿车辆由于车体长且路况复杂容易发生扭转，导致传感器难以测量、路感难以模拟；同时井下路面起伏大，路感反馈增强造成的可操作性与驾驶舒适性之间的矛盾难以调节。

针对路感难以模拟的问题，学者应结合3种路感反馈原理的优缺点进行研究。首先研究路感的产生机理，然后以人-车-路闭环控制研究进行参数拟合，同时考虑不同路况、不同车速和行驶状态等其他因素来制定路感控制策略，进而得到更加准确的路感，实现车速高时车辆稳定，车速低时轻便灵活[32]。结合井上的路感技术看，煤矿车辆的行车路线同井上相比相对单一，所以可在传感器测量法的基础上，结合数学计算法和特征函数法，再使用自适应算法控制路感，使车辆可以应对井下相对较为单一的路线。

3.5 智能控制技术

线控转向系统采用电子控制系统，控制方式直接影响控制系统的性能。煤矿车辆使用线控转向的主要优点就在于智能控制技术。智能控制技术可以根据工作状态自由设置转向装置的驱动比，还可以加入各种电气元件起到辅助驾驶的作用。同时车辆的稳定性、容错性、路感的形成都是基于车辆的智能控制技术，智能控制技术也是车辆转向精度的关键。所以智能控制技术是线控系统的重中之重，并且也为工矿自动化提供先决条件。

关于线控转向智能控制方法，已有大量研究，如DU Heng等[33]设计了积分滑模控制，并基于粒子群算法和积分时间绝对误差准则，提出了电液伺服加载系统的比例-积分-微分自校正控制器，能够有效的抑制外载荷的干扰。蔺素宏等[34]设计了一种基于负载力观测器的前馈和最优状态反馈控制复合控制策略，具有较高的跟踪精度和抗负载干扰能力。还有学者结合模糊PID[35]、模糊自适应PID[36]、神经网络自适应PID[37]、积分滑模自适应控制[38]等先进的控制理论，提高了线控系统的控制精度。

目前智能控制技术在煤矿车辆应用过程中还存在以下问题：煤矿铰接车辆在空满载不同情况下通过崎岖不平的道路时，车辆的重心变化快、非线性严重，导致车辆的转向系统阻力和液压输入输出流量变化范围大，而井下隧道狭窄需要智能控制技术十分精确才能避免发生意外。井上的铰接车辆线控转向大多采用PID控制，但在井下采用PID控制不能够精确稳定快速地控制转向系统，针对以上问题，煤矿车辆的智能控制系统应具有自适应或者根据空满载调节不同模式的功能，并且将智能控制技术与煤矿车辆整体进行更加深入融合已经成为必然趋势。

4 发展趋势

(1) 节能是无轨辅助运输车辆的长远发展方向。目前，线控转向系统的节能研究较少，可在设计线控转向系统算法时考虑到节能问题，也可以对电液阀控、电液泵控转向系统的能耗损失进行节能分析。此外线控转向系统应深入研究，提高元件工作效率和降低液压系统的能耗，同时也需要新的理论技术方法，开发升级新型节能元件，进行科学合理的整机动力匹配，进一步降低工程机械能量消耗，所以节能性是线控转向系统的发展趋势；

(2) 线控转向系统为煤矿车辆自主化的核心技术，其性能对车辆运行产生直接的影响。因此在线控转向系统中，各个元件运行的可靠与安全性显得尤为重要。未来的铰接车辆线控转向系统应高度集成硬件备份和容错算法智能系统，相比于目前的系统能够大幅提高车辆行驶的稳定性与安全性，保证无人驾驶技术的安全发展，所以提高车辆的容错性是线控转向的发展趋势；

(3) 煤矿车辆实现自主化驾驶，对车辆的响应时间、路径的选取、行动决策等提出了更高的要求，这些都与车辆的控制精度息息相关。控制精度是铰接车辆线控转向发展的关键。随着机器学习理论和无人驾驶车辆计算能力的并行发展，将机器学习应用到控制领域是重要的发展方向；同时结合自适应控制、粒子群算法、卡尔曼滤波、神经网络控制等理论，以达到提高控制精度的目的

5 结论

线控转向技术不仅可以提高铰接车辆在煤矿井下复杂地质环境下的转向性能，还是煤矿无轨辅助运输车辆实现自主行走的关键。通过对铰接车辆线控转向技术的工作原理、发展现状以及关键技术的分析研究，得出以下结论：

(1) 针对目前铰接车辆两大主流技术，对比分析了其工作原理及优缺点。电液阀控转向系统存在大量溢流与节流损失的问题，但系统发热少、成本低；电液泵控转向系统节能且稳定性高,但系统复杂、故障率高。

(2) 聚焦铰接车辆线控转向的关键技术，分析了其目前的发展现状并指出未来发展趋势。电液比例阀在防爆处理后仍能保持良好的线性度与恒力特性，且动态响应时间短；传感器将更加智能化、集成化、网络化；容错技术将是软件容错技术和硬件容错技术的更好结合；路感将通过更新型的路感反馈原理和方式变得更加精确；智能控制技术将融合更加先进的控制理论。

(3) 从铰接车辆线控转向系统的节能性、容错性以及控制精度等方面出发，提出了铰接车辆线控转向系统的发展趋势，期望相关工作能推动煤矿车辆自主化理论、方法、技术的研究与发展，为铰接车辆线控转向技术的进一步应用和研究提供参考。