CN112947496A - 一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台及其控制方法，包括底盘、胶轮、智能感知***、自主防撞***、智能控制***、执行***和载物平台；载物平台采用平板型设计，取消驾驶室，降低了整车的整备质量，提高了整车车载质量；载物平台采用标准化设计，不仅可以装配标准化的载物容器，还可以装载巡检装置或者救援装置，具有功能多，用途广的特点；采用智能感知***识别路况，并通过智能控制***控制无轨胶轮车的行驶、制动、转向及其他动作，实现了无人驾驶。
Description
技术领域
本发明涉及一种运输平台，具体涉及一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台及其控制方法。
背景技术
煤矿井下辅助运输，是指在矿山开采过程中物料、人员、设备和矿石等的运输。无轨胶轮车是矿井辅助运输***中的一种重要形式，主要用于煤矿井下人员、设备、物料等的运输，与传统辅助运输设备相比具有用途广、运输效率高、牵引力大、机动灵活等优点。矿用无轨胶轮车的普及使用，使得井下运输***变得更加高效稳定的同时，也大大减轻了作业人员的劳动量，但是井下工作环境恶劣、照明不充分、道路条件差、路况复杂，传统采用人员驾驶的无轨胶轮车存在着诸多不确定性因素，导致无轨胶轮车运输事故频发。与此同时，我国的运输装备各式各样，装载容器也是各不相同，没有兼容性，途中搬运耗时费力，倘若实现辅助运输连续化、装载容器标准化，将具有减人、增效、促安等多重经济、社会效益，同时也是煤炭工业技术创新的重要方向和高质量发展的必然要求。
无人驾驶是一种依靠传感器、计算机使车辆能够感知周边环境，根据周边环境规划下一时刻动作且车辆自主完成该动作的技术，其所具有的自动、高效、安全的技术特点正是现今井下运输***所急需的，经过多年发展，无人驾驶技术在路面车辆上的应用已逐渐趋于成熟。目前，井下无轨胶轮车在智能车载***、无人驾驶定位、***调度几个方面已有部分研究。专利申请号为201810095006.X，名称为“无轨胶轮车智能车载***、井下车辆调度***和控制方法”发明专利，该方案在传统的无轨胶轮车上进行智能化改造，保留了驾驶室，并没有带来的空间优势，也无法做到在多种路况下同时运行，具有局限性；专利申请号为202010566242.2，名称为“一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及***”发明专利，仅仅对无轨胶轮客货车的定位方法进行了研究，该方案重点研究了胶轮车在地面时的定位，而在井下利用可识别标签进行定位，此方案具有很大的误差性。专利申请号为202010566243.7，名称为“一种井下无人驾驶运料车控制***”的发明专利，公开了一种包含多个运料车的无人驾驶控制***，该方案在井下设置可识别标签，运料车对标签进行自动识别后行走，该方法与本发明有本质上区别。
总的来看，目前针对井下车辆智能驾驶的解决方案，基本都是基于目前现有车辆的改造或是进行单一用途的车辆无人化设计，而本方案设计的无人驾驶无轨胶轮车标准化运输平台采用标准化装在平台，用于装在标准化容器，本专利将会大大改善目前井下运输存在的问题，进一步减少井下运输人员，提高工作效率，促进矿井辅助运输***智能化乃至无人化，具有重大的应用前景和战略价值。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台及其控制方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台，包括底盘和胶轮，胶轮设置在底盘的前方和后方，两个前轮为转向轮且通过转向拉杆连接，两个后轮为驱动轮且内置轮毂电机；还包括智能感知***、自主防撞***、智能控制***、执行***和载物平台；载物平台设置在底盘上，载物平台上方设有装载容器；
智能控制***包括电控装置和工控机，电控装置和工控机均设置在底盘上且位于载物平台内；电控装置包括整车控制器VCU、制动电机控制器、转向电机控制器和驱动电机控制器，制动电机控制器、转向电机控制器和驱动电机控制器均与整车控制器VCU连接；
智能感知***包括鱼眼摄像头、多线激光雷达、深度相机、毫米波雷达和UWB定位标签，鱼眼摄像头分别设置在底盘的前后左右四个侧面上，多线激光雷达分别设置在底盘左前方和右前方，深度相机分别设置在底盘前侧面和后侧面的中轴线上，毫米波雷达、UWB定位标签均设置在底盘前侧面中轴线上，鱼眼摄像头、多线激光雷达、深度相机、毫米波雷达和UWB定位标签均与工控机相连；
自主防撞***包括超声波传感器，超声波传感器安装在底盘的前后左右四个侧面上，且超声波传感器与整车控制器VCU通过CAN总线相连；
执行***包括制动电机、转向电机、轮毂电机和蓄电池，制动电机、转向电机和蓄电池均设置在底盘上，转向电机与转向拉杆连接，制动电机与制动阀连接，制动电机、转向电机和轮毂电机分别与制动电机控制器、转向电机控制器和驱动电机控制器电连接。
进一步的，所述装载容器分为标准容器、装载托盘和罐状容器三种，可以根据需要选择合适类型的装载容器，载物平台上开设有卡槽，装载容器底面设有与卡槽相适配的卡块，卡块和卡槽配合，实现装载容器与载物平台的安装和拆卸。
进一步的，还包括照明灯、转向灯和制动灯，照明灯、转向灯和制动灯设置在底盘上且均与整车控制器VCU连接，设置光源，以更好的满足井下环境使用。
一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台控制方法，控制步骤为：
步骤一：智能感知***感知周围环境信息，获取路径信息、障碍物信息并将数据帧信息发送至智能控制***中的工控机；
步骤二：智能感知***利用多线激光雷达达生成的点云信息与井下全局高精地图进行匹配，辅以UWB定位技术，实现车辆自身实时定位；
步骤三：工控机接收上述的图像信息和数据帧信息并进行融合处理，并将处理后的信息发送至整车控制器VCU；
步骤四：整车控制器VCU根据整车状态信息、路况信息以及车载附件状态下达指令，执行机构完成行驶、转向、制动；
步骤五：当车辆出现故障或者遇到障碍物无法避开时，工控机及时向远程控制中心发送警报，工作人员可以通过远程控制平台对车辆进行远程操作。
进一步的，所述步骤一中，左右两侧的多线激光雷达，发出多束激光，探测前方与左右两侧的障碍物，前后的深度相机分别感知周围障碍物的图像信息与距离信息，毫米波雷达用于获取车辆前方动态目标检测，传感器将获取到的数据实时传输给工控机；在步骤二中，多线激光雷达发出的多束激光，可以获取周围环境的点云信息，并与事先生成的井下三维SLAM地图进行匹配，得到车辆的位置信息，同时，车载UWB定位标签发送信号给沿巷道建的UWB基站，利用TOF算法得到定位标签的位置，并结合SLAM定位得到最终车辆的位置信息；在步骤三中，工控机将接收到的各传感器信息进行实时同步处理，当传感器检测到障碍物或者行人时，根据自身定位及时调整局部路径规划，并及时发送至整车控制器VCU；在步骤四中，整车控制器VCU下达控制信息给轮毂电机、转向电机与制动电机，完成车辆的调速、转向与制动；在步骤五中，在远程控制中心建设数字孪生平台，用于特殊情况下由人工进行远程操作，当井下车辆遇到障碍物自身无法避开或者车辆出现故障时，车辆向远程控制中心发出警报，工作人员通过远程操作界面可以直观地看到车辆的情况，并选择远程控制车辆或者去现场处理。
与现有技术相比本发明取消驾驶室，降低了整车的整备质量，提高车载质量，底盘上所有可利用空间，全部布置标准化载物容器，最大程度地提高空间利用率，提高运输的能力，节约成本；采用智能感知***识别路况，并通过智能控制***控制货车的行驶、制动、转向及其他动作，实现了无人驾驶，节省了人力的同时，也避免了司机在井下恶劣环境下操作失误带来的风险；具有冗余的感知传感器，克服单一传感器进行感知的安全性问题，还具有多层安全保护措施，其中包括感知层失效时，自主防撞***能够及时控制住车辆，充分保障了车辆的安全性；在载物平台上开设有标准化集装箱卡槽，用于固定标准化装载容器，标准化装载容器底部设有定位卡块与卡槽匹配，设计煤矿井下运输标准化载物平台和多种标准化集装箱载具，取代传统辅助运输所需的矿车，装载容器可与车身底座分离，相同规格容器底座具备互换性，提高了装卸车效率，减人增效，可有效促进无轨胶轮车运输与井下其他运输方式相结合的连续化运输模式的发展；还可以装载巡检装置或救援装置，真正做到一车多用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明前视图；
图3为本发明结构示意图；
图4为本发明底盘结构示意图；
图5为本发明电控装置结构示意图；
图6为本发明载物平台平面结构示意图；
图7为小型装载容器（装载托盘）结构示意图；
图8为中型装载容器（罐状容器）结构示意图；
图9为大型装载容器（标准容器）结构示意图；
图中：0、底盘；1、鱼眼摄像头；2、多线激光雷达；3、深度相机；4、毫米波雷达；5、UWB定位标签；6、超声波传感器；7、车载照明灯；8、转向灯；9、制动灯；10、制动电机；11、转向电机；12、电控装置；1201、整车控制器VCU；1202、制动电机控制器；1203、转向电机控制器；1204、驱动电机控制器；13、轮毂电机；14、工控机；15、蓄电池；16、胶轮；17、载物平台；18、装载容器；19、转向拉杆；20、制动阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，本发明提供一种技术方案：包括底盘0和胶轮16，胶轮16设置在底盘0的前方和后方，两个前轮为转向轮且通过转向拉杆19连接，两个后轮为驱动轮且内置轮毂电机13；还包括智能感知***、自主防撞***、智能控制***、执行***和载物平台17。载物平台17设置在底盘0上，载物平台17上方设有装载容器18。
如图4和图5所示，智能控制***包括电控装置12和工控机14，电控装置12和工控机14均设置在底盘0上且位于载物平台17内；电控装置12包括整车控制器VCU1201、制动电机控制器1202、转向电机控制器1203和驱动电机控制器1204，制动电机控制器1202、转向电机控制器1203和驱动电机控制器1204均与整车控制器VCU1201连接；工控机14中设有DS证据理论融合模块，能够将多线激光雷达2、深度相机3、毫米波雷达4、UWB定位标签5采集到的信息进行组合计算，得到融合结果；
如图1至图3所示，智能感知***包括鱼眼摄像头1、多线激光雷达2、深度相机3、毫米波雷达4和UWB定位标签5；鱼眼摄像头1分别设置在底盘0的前后左右四个侧面上，鱼眼摄像头1具有行车记录功能和云端存储功能；鱼眼摄像头1由360°环视控制器控制，对四个摄像头采集的图像进行拼接，得到车辆四周的环境信息，并上传至远程控制中心，以便工作人员实时观测；多线激光雷达2分别设置在底盘0左前方和右前方，两个多线激光雷达2将各自采集的井下巷道点云数据上传至工控机14，由工控机14通过融合处理的方式建成井下环境三维SLAM地图；深度相机3分别设置在底盘0前侧面和后侧面的中轴线上，毫米波雷达4、UWB定位标签5均设置在底盘0前侧面中轴线上，鱼眼摄像头1、多线激光雷达2、深度相机3、毫米波雷达4和UWB定位标签5均与工控机14相连。
如图1和图3所示，自主防撞***包括超声波传感器6，超声波传感器6安装在底盘0的前后左右四个侧面上，且超声波传感器6与整车控制器VCU1201通过CAN总线相连；提前设定好超声波传感器6的阈值，当超声波传感器6感知到阈值范围内存在障碍物时，整车控制器VCU1201下达紧急制动指令，各执行构件立即停止动作；当超声波阈值范围内障碍物被清理时，规划层重新规划路径，驱动车辆行驶。
如图4所示，执行***包括制动电机10、转向电机11、轮毂电机13和蓄电池15，制动电机10、转向电机11和蓄电池15均设置在底盘0上，转向电机11与转向拉杆19连接，制动电机10与制动阀20连接，制动电机10、转向电机11和轮毂电机13分别与制动电机控制器1202、转向电机控制器1203和驱动电机控制器1204电连接。
如图6所示，在载物平台17上开设标准卡槽用于固定装载容器18，每个容器单元占用3组卡槽实现在载物平台17上的定位。采用三个关键尺寸L、W、d表征载物平台17和装载容器18的规格，其中：L为容器单元的长度,W为容器单元的宽度,d为相邻两个容器单元之间的间距。统一设定容器标准宽度为W，如图7至图9所示，根据占用卡槽组数的不同设置为装载托盘-小型（S）、罐状容器-中型（M）和标准容器-大型（B）三个规格，其中：S型占用1组卡槽，M型占用2组卡槽，B型占用4组卡槽。在此单元基础上，根据实际需求灵活组合，可实现不同规格容器的多种运输组合方式，包括：S、2S、3S、4S；M、2M；B；S+M、2S+M等。
车辆可以在轨道和地面行驶，控制方法为：
步骤一：底盘0左右两侧的多线激光雷达2发出多束激光，探测车辆前方与左右两侧的障碍物，前后的深度相机3分别感知周围障碍物的图像信息与距离信息，毫米波雷达4用于获取车辆前方动态目标检测，传感器将获取到的数据帧信息实时传输给工控机14。
步骤二：多线激光雷达2发出的多束激光，可以获取周围环境的点云信息，并与事先生成的井下三维SLAM地图进行匹配，得到车辆的位置信息，同时，车载UWB定位标签5发送信号给沿巷道建的UWB基站，利用TOF算法得到定位标签的位置，并结合SLAM定位得到最终车辆的位置信息。
步骤三：工控机14将接收到的各传感器信息进行实时同步处理，当传感器检测到障碍物或者行人时，根据自身定位及时调整局部路径规划，并及时发送至整车控制器VCU1201。
步骤四：整车控制器VCU1201下达控制信息给轮毂电机13、转向电机11与制动电机10，完成车辆的行驶、转向与制动。
在工控机14中设定车辆与障碍物之间安全距离：行驶方向前方安全距离为d1；行驶方向左侧安全距离为d2；行驶方向右侧安全距离为d3。多线激光雷达2、深度相机3和毫米波雷达4实时检测的前方障碍物距离为D1；多线激光雷达2和超声波传感器6实时检测的行驶方向左、右侧障碍物距离分别为D2、D3。
多线激光雷达2、深度相机3、毫米波雷达4与超声波传感器6将实时检测结果发送至工控机14，工控机14将各个传感器传输的数据经过融合处理并得到最终的结果与设定的安全距离进行数据比较。
情况一：当D1>d1，D2>d2且D3>d3时，车辆正常行驶，具体过程为：工控机14将控制信号传送给整车控制器VCU1201，整车控制器VCU1201解析信号并将信号传输给驱动电机控制器1204，驱动电机控制器1204解析驱动指令并控制轮毂电机13的输出扭矩及转速，完成车辆的驱动与调速。
情况二：当D1、D2、D3中有一个数据不大于相应安全距离时，且不能绕行避开时，车辆停止行驶，具体过程为：第一方面，工控机14通过CAN线向整车控制器VCU1201下达指令，整车控制器VCU1201将信号发送至驱动电机控制器1204与制动电机控制器1202，驱动电机控制器1204解析指令并控制轮毂电机13输出反向扭矩，制动电机控制器1202解析指令并控制制动电机10输出不同扭矩，进而控制刹车阀门的开度，实现减速制动。第三方面，工控机14将通过无线信号收发单元向控制中心发出警报，工作人员通过远程操作界面可以直观地看到车辆的情况，并选择远程控制车辆或者去现场处理。
情况三：当D1、D2、D3中有一个数据不大于相应安全距离时，但车辆能绕行避开时，具体过程为：第一方面，工控机14通过CAN线向整车控制器VCU1201下达指令，整车控制器VCU1201将信号发送至驱动电机控制器1204、制动电机控制器1202与转向电机控制器1203，驱动电机控制器1204解析指令并控制轮毂电机13输出反向扭矩，制动电机控制器1202解析指令并控制制动电机10输出不同扭矩，进而控制制动阀门的开度，实现减速；当D2<d2且D3>d3时，转向电机控制器1203解析右转向指令并控制转向电机11右转，转向电机11通过转向泵带动转向拉杆19动作，转向拉杆19带动转向轮右转，完成右转绕行；当D2>d2且D3<d3时，转向电机控制器1203解析左转向指令并控制转向电机11左转，转向电机11通过转向泵带动转向拉杆19动作，转向拉杆19带动转向轮左转，完成左转绕行。
步骤五：在远程控制中心建设数字孪生平台，用于特殊情况下由人工进行远程操作，当井下车辆遇到障碍物自身无法避开或者车辆出现故障时，车辆向远程控制中心发出警报，工作人员通过远程操作界面可以直观地看到车辆的情况，并选择远程控制车辆或者去现场处理。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台，包括底盘（0）和胶轮（16），两个前轮为转向轮且通过转向拉杆（19）连接，两个后轮为驱动轮且内置轮毂电机（13）；其特征在于：还包括智能感知***、自主防撞***、智能控制***、执行***和载物平台（17）；
载物平台（17）设置在底盘（0）上，载物平台（17）上方设有装载容器（18）；
智能控制***包括电控装置（12）和工控机（14），电控装置（12）和工控机（14）均设置在底盘（0）上且位于载物平台（17）内；电控装置（12）包括整车控制器VCU（1201）、制动电机控制器（1202）、转向电机控制器（1203）和驱动电机控制器（1204），制动电机控制器（1202）、转向电机控制器（1203）和驱动电机控制器（1204）均与整车控制器VCU（1201）连接；
智能感知***包括鱼眼摄像头（1）、多线激光雷达（2）、深度相机（3）、毫米波雷达（4）和UWB定位标签（5），鱼眼摄像头（1）分别设置在底盘（0）的前后左右四个侧面上，多线激光雷达（2）分别设置在底盘（0）左前方和右前方，深度相机（3）分别设置在底盘（0）前侧面和后侧面的中轴线上，毫米波雷达（4）、UWB定位标签（5）均设置在底盘（0）前侧面中轴线上，鱼眼摄像头（1）、多线激光雷达（2）、深度相机（3）、毫米波雷达（4）和UWB定位标签（5）均与工控机（14）相连；
自主防撞***包括超声波传感器（6），超声波传感器（6）安装在底盘（0）的前后左右四个侧面上，且超声波传感器（6）与整车控制器VCU（1201）通过CAN总线相连；
执行***包括制动电机（10）、转向电机（11）、轮毂电机（13）和蓄电池（15），制动电机（10）、转向电机（11）和蓄电池（15）均设置在底盘（0）上，转向电机（11）与转向拉杆（19）连接，制动电机（10）与制动阀（20）连接，制动电机（10）、转向电机（11）和轮毂电机（13）分别与制动电机控制器（1202）、转向电机控制器（1203）和驱动电机控制器（1204）电连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台，其特征在于，所述装载容器（18）分为标准容器、装载托盘和罐状容器三种。
3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台，其特征在于，还包括照明灯（7）、转向灯（8）和制动灯（9），照明灯（7）、转向灯（8）和制动灯（9）设置在底盘（0）上且均与整车控制器VCU（1201）连接。
4.根据权利要求1所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台，其特征在于，所述的载物平台（17）上开设有卡槽。
5.根据权利要求4所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台，其特征在于，所述装载容器（18）底面设有与卡槽相适配的卡块。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台控制方法，其特征在于：
步骤一：智能感知***感知周围环境信息，获取路径信息、障碍物信息并将数据帧信息发送至智能控制***中的工控机（14）；
步骤二：智能感知***利用多线激光雷达（2）达生成的点云信息与井下全局高精地图进行匹配，辅以UWB定位技术，实现车辆自身实时定位；
步骤三：工控机（14）接收上述的图像信息和数据帧信息并进行融合处理，并将处理后的信息发送至整车控制器VCU（1201）；
步骤四：整车控制器VCU（1201）根据整车状态信息、路况信息以及车载附件状态下达指令，执行机构完成行驶、转向、制动；
步骤五：当车辆出现故障或者遇到障碍物无法避开时，工控机（14）及时向远程控制中心发送警报，工作人员可以通过远程控制平台对车辆进行远程操作。
7.根据权利要求6所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台控制方法，其特征在于，所述步骤一中，左右两侧的多线激光雷达（2），发出多束激光，探测前方与左右两侧的障碍物，前后的深度相机（3）分别感知周围障碍物的图像信息与距离信息，毫米波雷达（4）用于获取车辆前方动态目标检测，传感器将获取到的数据实时传输给工控机（14）；在步骤二中，多线激光雷达（2）发出的多束激光，可以获取周围环境的点云信息，并与事先生成的井下三维SLAM地图进行匹配，得到车辆的位置信息，同时，车载UWB定位标签（5）发送信号给沿巷道建的UWB基站，利用TOF算法得到定位标签的位置，并结合SLAM定位得到最终车辆的位置信息。
8.根据权利要求7所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台控制方法，其特征在于，所述步骤三中，工控机（14）将接收到的各传感器信息进行实时同步处理，当传感器检测到障碍物或者行人时，根据自身定位及时调整局部路径规划，并及时发送至整车控制器VCU（1201）。
9.根据权利要求7所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台控制方法，其特征在于，所述步骤四中，整车控制器VCU（1201）下达控制信息给轮毂电机（13）、转向电机（11）与制动电机（10），完成车辆的调速、转向与制动。
10.根据权利要求7所述的一种无人驾驶的无轨胶轮车标准化运输平台控制方法，其特征在于，所述步骤五中，在远程控制中心建设数字孪生平台，用于特殊情况下由人工进行远程操作，当井下车辆遇到障碍物自身无法避开或者车辆出现故障时，车辆向远程控制中心发出警报，工作人员通过远程操作界面可以直观地看到车辆的情况，并选择远程控制车辆或者去现场处理。
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