CN111897321B - 一种井下特种车辆的无人驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人驾驶技术领域，公开了一种井下特种车队的无人驾驶系统，包括全站仪、惯性导航模块和设置在车队中各个特种车辆上的传感模块；特种车队中所有特种车辆内均设置有优先级标签，当标签被触发开启后，车辆被设置为高优先级模式，高优先级车辆发出避让信号，低优先级车辆收到避让信号后，避让高优先级车辆通过；特种车队中，首车内设置有第一控制模块，其它车辆内设置有第二控制模块，所述第一控制模块用于根据所述全站仪和惯性导航模块的测量信息计算得到所在车辆的航向和位置信息，所述第二控制模块用于控制所在车辆在安全距离内跟随首车运行。本发明可以降低车辆的成本及矿井整体成本，可以广泛应用于矿井运输领域。

Description

一种井下特种车辆的无人驾驶系统

技术领域

本发明属于无人驾驶技术领域，涉及一种井下特种车辆的无人驾驶系统。

背景技术

在井下无轨辅助运输车辆与装备中，综采工作面的搬家倒面作业主要通过特种车辆来实现，特种车辆是无轨胶轮化快速搬家成套装备，可以搬运液压支架、移变、泵站、刮板链等设备及其他散装物料，与其他设备配合还可搬运采煤机、皮带机、刮板机、破碎机各部件等，能够实现井下长距离、大坡度的快速搬运设备。特种车辆按照功能可分为框架类、铲版类、多功能类、辅助类四大类型，具体可有支架搬运车、铲板式搬运车、防爆蓄电池铲运机、装载机、移动电站等。特种车辆由特定的操作人员驾驶，由于矿井下条件较差、光线昏暗、粉尘较大，操作人员视线易受障碍物的阻挡、劳动强度大，易发生安全运输事故，属于高危工作环境，工作人员的人身安全难以保障。因此，如何减轻劳动人员的劳动强度和人员数量、减少运输事故的发生、提高工作的安全性、提高井下运输的效率，是井下工作需要面临和解决的重要问题。

据统计，在我国的矿山安全事故中，矿井运输事故占事故总数约三成，而且这个比例随着开矿规模的扩大还在不断增加。目前，从事矿井无轨运输的特种车辆全部由井下劳动工人手动操作控制，操作结果易受到人为主观性因素的影响。近年来，随着对无人驾驶车辆的深入研究，以及地面无人驾驶技术的不断发展、成熟和应用，尝试将地面常用的一些无人驾驶技术及方案应用于矿山领域，能够进一步减少现场工作面工作人员的数量、避免人为主观因素的干扰、提高无轨运输特种车辆的运行效率、提升井下整体的自动化、智能化水平。特种车辆是综采工作面搬家倒面作业的井下无轨辅助运输的主要装备，可搬运液压支架、移变、泵站等设备及其他散装物料，能够实现井下长距离、大坡度、较大质量的设备搬运，运输能力强。借助于无人驾驶系统，可减少人工参与、保障人员安全、提高井下工作的安全性、能有效提高系统的整体运行效率，为实现井下无轨辅助特种车辆及其他无轨辅助运输车辆提供一种技术思路和解决方案。

现有无人驾驶系统从单一车辆布置传感器出发，需在所有井下车辆安装多种类型传感器确定车辆的精确位置检测以实现无人驾驶功能，整车成本高。因此，需要提供一种新的特种车辆无人驾驶系统，以实现特种车辆的车队运行，并且能降低车队成本。

发明内容

本发明旨在提供一种井下特种车辆的无人驾驶系统，将整个矿井组成一个特种车辆无人驾驶系统，除首车安装多种类型传感器外，使其余车辆只需安装少量具有感知功能的传感器，即可拥有无人驾驶功能，且新增车辆经过简单改造进入系统后整体功能易实现，无须再重新安装高成本传感器，本发明可降低车辆成本及矿井整体成本，解决多车辆无人驾驶运行问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种井下特种车队的无人驾驶系统，包括全站仪、惯性导航模块和设置在车队中各个特种车辆上的传感模块，所述全站仪（8）设置在井下的固定轨道上，与之配合的棱镜（7）设置于特种车辆车身外侧；

特种车队中所有特种车辆内均设置有优先级标签，当标签被触发开启后，车辆被设置为高优先级模式，高优先级车辆发出避让信号，低优先级车辆收到避让信号后，避让高优先级车辆通过；

特种车队中，首车内设置有第一控制模块，其它车辆内设置有第二控制模块，所述第一控制模块用于根据所述全站仪（8）和惯性导航模块的测量信息计算得到所在车辆的航向和位置信息，所述第二控制模块用于控制所在车辆在安全距离内跟随首车运行。

所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，还包括设置在井下固定位置的固定位置标签；所述传感模块包括超声波雷达（1）、毫米波雷达（2）、激光雷达（4）、红外传感器（3）和视觉传感器（6），所述超声波雷达（1）设置于特种车辆前后中下及车身四周位置，用于在短距离内探测车辆周围环境的障碍物信息，测量范围0.3至2米；

所述毫米波雷达安装于井下运输车辆前后中下部位置，用于在中长距离感知车辆周围道路信息，测量范围为12~18米；所述激光雷达安装于特种车辆顶部且可旋转，用于感知车辆四周的道路信息及障碍物信息；

所述红外传感器安装于车辆四周，用于感知车辆四周的生物信息，判断测量范围内是否有人；

所述视觉传感器安装于车辆正前方及正后方中间位置及左右两侧，用于记录车辆前后方及两侧的目标信息，还用于扫描标于井下固定的位置标签；所述第一控制模块和第二控制模块还用于根据所述视觉传感器采集到的固定位置标签图像，确定车辆精确位置。

所述特种车队中，所述特种车辆上均设置有无线通信模块，所述第一控制模块和第二控制模块用于通过所在车辆的无线通信模块实现车队中各个车辆之间的相互通信，交互车辆之间的速度、距离信息，并根据接收到的其它车辆的速度、距离信息，控制所在车辆的运行速度。

所述无线通信模块包括数据存储单元、无线发送单元和无线接收单元，首车内的第一控制模块和尾车内的第二控制模块用于将自身车队的车队数据汇总打包后通过所在车辆的无线通信模块发送至周围的车队外车辆，还用于通过所述无线通信模块实时采集接收周围环境内的车辆数据，并根据接收到的周围环境内的车辆数据控制所在车队的车辆的运行速度；

车队内其它车辆内的第二控制模块用于通过所述无线通信模块将当前车辆的车辆信息发送至与车辆相邻近的前后两辆车。

所述车队数据包括类型、数量、编号、速度和位置，所述车辆数据包括车辆的类型、编号、速度和位置。

每隔一段固定时间，车队的首车和尾车发送车队数据并接收周围车辆数据，若接收到的周围车辆数据的发送时间较原有存储数据的时间晚，则通过数据存储单元将原有信息更新并保存，直至下一次发送的数据信息将其覆盖；若接收到的周围车辆数据的发送时间较原有存储数据的时间早，则将接收到的通信数据将舍弃。

所述第一控制模块和第二控制模块还用于通过接收信息计算车辆距周围其他车辆的距离，判断周围车辆的运行状态及是否存在障碍物，为当前车辆的后续决策提供信息依据；当存在障碍物时，提前发送障碍物信息和一定距离内的车辆运行状态信息，当前车队的控制系统发出控制指令对执行机构进行减速或刹车，避免危险发生。

所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，还包括井下控制中心，所述井下控制中心设置在井下，通过无线通信方式与车队通信连接，用于接收车队数据并转发至井上控制中心。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种井下特种车辆的无人驾驶系统，通过在井下特种车辆之间安装无线通信模块进行通讯连接，同时借助固定位置标签，以及安装在首车上全站仪、惯性导航模块，和安装在所有车辆上的感知传感器，将井下特种车辆车队布置成一个具有感知功能的智能网络，在车队运行时，只需在特种车辆首车上安装全部类型的传感器，其余车辆安装少量类型的传感器，即可在矿井下组成一个特种车辆的无人驾驶系统，使整体具有无人驾驶功能。从整体来看，组成无人驾驶网络的矿井，与将每个车辆都改造为无人驾驶车辆相比，降低车辆的成本及矿井整体成本，除首车外，使其余车辆只需安装少量具有感知功能的传感器，并以一定速度及安全距离内跟随首车参与到网络中，具有无人驾驶功能。此外，通过设置车辆的优先权标签，使得该车队可以与井下其他无轨运输车辆、采掘设备或各类机器人等配合，共同组成井下无人驾驶及矿井无人化工作的网络。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种井下特种车辆的无人驾驶系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中车辆的综合判断流程图；

图3为本发明实施例中特种车辆的两种优先级及转化流程图；

图4为本发明实施例中特种车辆的车队运行方式的流程图；

图5为本发明实施例中特种车辆的传感器配置示意图；

图6为本发明实施例中特种车辆的传感器配置俯视图；

图7为本发明实施例中特种车辆的车队运行方式。

图中：1为超声波雷达，2为毫米波雷达，3为红外传感器，4为激光雷达，5为惯性导航模块，6为视觉传感器，7为棱镜，8为全站仪，9为首车，10为其它车辆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种井下特种车队的无人驾驶系统，包括全站仪、惯性导航模块和设置在车队中各个特种车辆上的传感模块，所述全站仪8设置在井下的固定轨道上，与之配合的棱镜7安装于特种车辆车身外侧。特种车队中，首车内设置有第一控制模块，其它车辆内设置有第二控制模块，所述第一控制模块用于根据所述全站仪8和惯性导航模块5的测量信息计算得到所在车辆的航向和位置信息，所述第二控制模块用于控制所在车辆在安全距离内跟随首车运行。

本实施例中，特种车辆的高精度导航定位主要借助全站仪和惯性导航模块，全站仪具有很高的定位精度，能够精确且稳定的对井下车辆进行定位。由于惯性导航模块会随时间产生误差累积，且在井下无GPS信号，需要车辆在计算之前先由全站仪为惯性导航模块提供定位计算的初始值。同时还需要全站仪每隔一定时间为特种车辆的位置进行纠偏校准，保持特种车辆的高精确航向和定位信息。全站仪设置一个，安装在井下的固定轨道上，位置可随需要移动，与之配合的棱镜7安装于特种车辆首车车身外侧，棱镜贴放三个，两者配合实时测量车辆精确的位置信息。惯性导航模块与车身固连，惯性导航模块通过内部的加速度计及陀螺仪实时推算车辆位置，用于确定特种车辆运行时的航向和位置信息。

如图2所示，特种车辆在下井工作之前，首先应判断行驶车辆的综合状态。对特种车辆从两个方面进行判断：（1）特种车辆的优先级。按照运输车辆的实际工作状态和工作需要，将车辆的优先级分为低优先级和高优先级，本发明中特种车辆的两种优先级可以相互转化。（2）特种车辆的精度等级。本发明设定特种车辆的精度等级为高精度。（3）特种车辆的运行方式。本实施例设定特种车辆的运行方式为车队运行。

对于车辆的优先级别，是指车辆的不同工作状态。如图3所示，按照车辆实际工作的紧急程度，将井下特种车辆的优先级别分为正常工作状态和紧急工作状态。正常工作状态为车辆的一般状态，为非紧急状态，优先级较低，紧急工作状态表明车辆优先级较高。当前特种车辆处于正常工作状态时，如遇到周围有紧急工作状态的车辆通过，且两车存在冲突时，紧急工作状态的车辆有优先通过权，正常工作状态车辆需要为紧急工作状态车辆让出道路，待紧急工作状态车辆通过后正常工作状态车辆再行通过。两种优先级状态可依据实际工作情况进行转化。当特种车辆遇到紧急工作任务时，由低优先级转化为高优先级，可优先通过，待特种车辆通过后其他低优先级的车辆再行通过。特种车辆完成工作后，优先级降为低级。

本实施例中，特种车队中所有特种车辆内均设置有优先级标签，当标签被触发开启后，车辆被设置为高优先级模式，高优先级车辆发出避让信号，低优先级车辆收到避让信号后，避让高优先级车辆通过。

如图4所示，对于车辆的精度等级，按照不同精度等级要求分为高精度、中精度和低精度，根据不同精度要求在特种车辆上布置不同类型的传感器来实现环境感知。高精度要求有精确的航向信息和位置信息，中精度要求有较为精确的航向信息和位置信息，低精度不要求航向信息只要求大致位置信息。由于特种车辆质量较大、装载质量大，一旦发生危险后果严重，本发明将特种车辆的精度等级规定为高精度，建立井下高精度的特种车辆定位系统。

具体地，如图5和图6所示，所述传感模块包括超声波雷达1、毫米波雷达2、激光雷达4、红外传感器3和视觉传感器6，所述超声波雷达1设置于特种车辆前后中下及车身四周位置，用于在短距离内探测车辆周围环境的障碍物信息，所述短距离是指测量范围为0.3至2米；所述毫米波雷达安装于井下运输车辆前后中下部位置，用于在中长距离感知车辆周围道路信息，测量范围为12~18米；所述激光雷达安装于特种车辆顶部且可旋转，用于感知车辆四周的道路信息及障碍物信息；所述红外传感器安装于车辆四周，用于感知车辆四周的生物信息，判断测量范围内是否有人；所述视觉传感器安装于车辆正前方及正后方中间位置及左右两侧，用于记录车辆前后方及两侧的目标信息，同时用于扫描标于井下固定的位置标签，在巷道的固定位置且视觉传感器能检测的高度处，设有可检测且有高精度位置信息的标签，视觉传感器通过识别固定位置的标签，确定特种车辆的精确位置，在有视觉传感器可识别标签的位置，特种车辆可通过识别固定标签来确定车辆位置，无标签的位置特种车辆可通过全站仪和棱镜配合确定车辆位置。

具体地，如图6所示，本实施例中，超声波雷达1设置六个，分别安装于井下特种车辆前左角、前右角、后左角、后右角、前方正中、后方正中位置，能够在短距离内（0.3~2m）感知车辆周围环境的障碍物信息。毫米波雷达2设置四个，分别安装于井下特种车辆前左角、前右角、后左角、后右角位置，能够在中长距离（12~18m）感知车辆周围道路信息。激光雷达4设置一个，安装于车辆顶部且可旋转，能够感知车辆四周的道路信息及障碍物信息。红外传感器设置3四个，安装位置同毫米波雷达，能够短距离360度环视，并感知车辆四周的生物信息，判断测量范围内是否有人。视觉传感器6设置四个，分别安装于车辆正前方中间、正后方中间、左侧中间、右侧中间位置，用于记录车辆前后方及两侧的目标信息，同时可扫描表示井下固定的位置标签。

对于车辆的运行方式，参照图7，本发明设定特种车辆的运行方式为车队方式。以车队方式运行时，车队组成一个网络，除首车和尾车与周围车辆通信外，车队间还需相互通信，交互车辆之间的速度、距离等信息，控制车辆的整体运行。

当特种车辆以车队方式运行时，一次下井多个车辆，在下井前对车辆进行编号，按照固定编号顺序排成一列，两车之间相隔一定的安全距离，车辆安装有无线通信模块，与周围其他车辆和环境内传感器通信，判断周围环境内是否有人员及障碍物。

进一步地，如图1所示，所述特种车队中，所述特种车辆上均设置有无线通信模块，所述第一控制模块和第二控制模块用于通过所在车辆的无线通信模块实现车队中各个车辆之间的相互通信，交互车辆之间的速度、距离信息，并根据接收到的其它车辆的速度、距离信息，控制所在车辆的运行速度。对于车辆的运行方式，参照图4，本实施例中特种车辆的运行方式为车队方式。以车队方式运行时，车队组成一个网络，除首车和尾车与周围车辆通信外，车队间还需相互通信，交互车辆之间的速度、距离等信息，控制车辆的整体运行。

本实施例中，当特种车辆以车队方式运行时，一次下井多个车辆，在下井前对车辆进行编号，按照固定编号顺序排成一列，两车之间相隔一定的安全距离，车辆安装有无线通信模块，与周围其他车辆和环境内传感器通信，判断周围环境内是否有人员及障碍物。

进一步地，本实施例中，所述无线通信模块包括数据存储单元、无线发送单元和无线接收单元，首车内的第一控制模块和尾车内的第二控制模块用于将自身车队的车队数据汇总打包后通过所在车辆的无线通信模块发送至周围的车队外车辆，还用于通过所述无线通信模块实时采集接收周围环境内的车辆数据，并根据接收到的周围环境内的车辆数据控制所在车队的车辆的运行速度；车队内其它车辆内的第二控制模块用于通过所述无线通信模块将当前车辆的车辆信息发送至与车辆相邻近的前后两辆车。

具体地，所述车队数据包括类型、数量、编号、速度和位置，所述车辆数据包括车辆的类型、编号、速度和位置。

进一步地，每隔一段固定时间，车队的首车和尾车发送车队数据并接收周围车辆数据，若接收到的周围车辆数据的发送时间较原有存储数据的时间晚，则通过数据存储单元将原有信息更新并保存，直至下一次发送的数据信息将其覆盖；若接收到的周围车辆数据的发送时间较原有存储数据的时间早，则将接收到的通信数据将舍弃。

进一步地，车队内的控制单元通过接收信息计算车辆距周围其他车辆的距离，判断周围车辆的运行状态及是否存在障碍物，为当前车辆的后续决策提供信息依据；当存在障碍物时，提前发送障碍物信息和一定距离内的车辆运行状态信息，当前车队的控制系统发出控制指令对执行机构进行减速或刹车，避免危险发生。

进一步地，如图1所示，本实施例的一种井下特种车队的无人驾驶系统，还包括井下控制中心，所述井下控制中心用于接收车队的车队数据，并转发至井上控制中心，具体地，本实施例中，特种车辆在井下行驶时，可以采用无线方式将车队信息传输至井下控制中心，再由井下控制中心将特种车辆数据通过有线方式发送至井上控制中心，使井上人员能够时刻了解井下特种车辆的位置和行驶状态。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种井下特种车队的无人驾驶系统，其特征在于，包括全站仪、惯性导航模块和设置在车队中各个特种车辆上的传感模块，还包括设置在井下固定位置的固定位置标签；所述全站仪（8）设置在井下的固定轨道上，与之配合的棱镜（7）设置于特种车辆车身外侧；所述传感模块包括视觉传感器（6）；

特种车队中所有特种车辆内均设置有优先级标签，当标签被触发开启后，车辆被设置为高优先级模式，高优先级车辆发出避让信号，低优先级车辆收到避让信号后，避让高优先级车辆通过；

特种车队中，首车内设置有第一控制模块，其它车辆内设置有第二控制模块，所述第一控制模块用于根据所述全站仪（8）和惯性导航模块的测量信息计算得到所在车辆的航向和位置信息，所述第二控制模块用于控制所在车辆在安全距离内跟随首车运行；

所述特种车队中，所述特种车辆上均设置有无线通信模块，所述第一控制模块和第二控制模块用于通过所在车辆的无线通信模块实现车队中各个车辆之间的相互通信，交互车辆之间的速度、距离信息，并根据接收到的其它车辆的速度、距离信息，控制所在车辆的运行速度；

所述视觉传感器用于记录车辆前后方及两侧的目标信息，还用于扫描标于井下固定的位置标签；所述第一控制模块和第二控制模块还用于根据所述视觉传感器采集到的固定位置标签图像，确定车辆精确位置。

2.根据权利要求1所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，其特征在于，所述传感模块包括超声波雷达（1）、毫米波雷达（2）、激光雷达（4）、红外传感器（3）和视觉传感器（6），所述超声波雷达（1）设置于特种车辆前后中下及车身四周位置，用于在短距离内探测车辆周围环境的障碍物信息，测量范围0.3至2米；

所述毫米波雷达安装于井下运输车辆前后中下部位置，用于在中长距离感知车辆周围道路信息，测量范围为12~18米；所述激光雷达安装于特种车辆顶部且可旋转，用于感知车辆四周的道路信息及障碍物信息；

所述红外传感器安装于车辆四周，用于感知车辆四周的生物信息，判断测量范围内是否有人；

所述视觉传感器安装于车辆正前方及正后方中间位置及左右两侧。

3.根据权利要求1所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，其特征在于，所述无线通信模块包括数据存储单元、无线发送单元和无线接收单元，首车内的第一控制模块和尾车内的第二控制模块用于将自身车队的车队数据汇总打包后通过所在车辆的无线通信模块发送至周围的车队外车辆，还用于通过所述无线通信模块实时采集接收周围环境内的车辆数据，并根据接收到的周围环境内的车辆数据控制所在车队的车辆的运行速度；

车队内其它车辆内的第二控制模块用于通过所述无线通信模块将当前车辆的车辆信息发送至与车辆相邻近的前后两辆车。

4.根据权利要求3所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，其特征在于，所述车队数据包括类型、数量、编号、速度和位置，所述车辆数据包括车辆的类型、编号、速度和位置。

5.根据权利要求1所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，其特征在于，每隔一段固定时间，车队的首车和尾车发送车队数据并接收周围车辆数据，若接收到的周围车辆数据的发送时间较原有存储数据的时间晚，则通过数据存储单元将原有信息更新并保存，直至下一次发送的数据信息将其覆盖；若接收到的周围车辆数据的发送时间较原有存储数据的时间早，则将接收到的通信数据将舍弃。

6.根据权利要求1所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，其特征在于，所述第一控制模块和第二控制模块还用于通过接收信息计算车辆距周围其他车辆的距离，判断周围车辆的运行状态及是否存在障碍物，为当前车辆的后续决策提供信息依据；当存在障碍物时，提前发送障碍物信息，当前车队的控制系统发出控制指令对执行机构进行减速或刹车，避免危险发生。

7.根据权利要求1所述的一种井下特种车队的无人驾驶系统，其特征在于，还包括井下控制中心，所述井下控制中心设置在井下，通过无线通信方式与车队通信连接，用于接收车队数据并转发至井上控制中心。