CN113552885B - 一种矿山电机车无人驾驶***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种矿山电机车无人驾驶***及控制方法，属于矿山机车控制***及控制方法。井上万兆环网交换机通过光缆与井下万兆环网交换机连接；井下巷道无线通信网的基站与无线伺服控制器的车载收发位定装置无线通信连接；无线伺服控制器分别与电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器连接；井上无线指令或本车视觉指令控制电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器，自动控制电机车控制器的前进、倒退或停车以及控制电机车的行进速度，自动控制电机车制动器对电机车实施制动；自动控制电辅助控制器发出声、光警示。优点：本发明安装在原电机车上，原电机车上的手动控制与无人驾驶控制装置的自动控制共存，大大降低电机车实现自动控制的成本，造价低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿山电机车技术领域，特别是一种矿山电机车无人驾驶***及控制方法。
背景技术
目前，矿山井下生产煤炭时，需要将开采出来的煤炭进行运输，将开采煤炭所需要的物资进行输送，或者运送采煤机转场时的物资；在矿山井下实施输送的大多采用轨道运输电机车，所述的电机车的供电方式有架线电机车和电瓶电机车；电机车的调速方式有变频电机车和斩波电机车，均包括有电机车驾驶室、电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器。
所述的电机车制动器包括：刹车手柄和刹车装置；司机手摇转动刹车手柄，驱动刹车装置；刹车装置为手柄旋转驱动蜗杆式刹车装置，人工转动刹车手柄，刹车装置对电机车实施刹车，使用不便。
电辅助控制器包括：手动开关；电机车钥匙***行车锁启动行车锁开关，电机车处于工作状态，关闭行车锁开关，电机车处于停止状态；电机车司机分别控制警示灯的开关以及警铃的开关，打开开关，以声、光方式向井下人员提出警示，关闭开关则关闭警示。
所述的电机车控制器，是安装在电机车驾驶室内的司机控制器，简称司控器，通过司控器控电机车的前进、后退、停车以及电机车的行进速度；司控器包括控制器和执行器。
所述的控制器包括主令控制器的换档手柄和控制速度的调速手柄以及与换档手柄和调速手柄配套的电路放大器。
所述的执行器包括：与电路放大器配套的大功率驱动器，大功率驱动器驱动电机车的动力电动机运转，驱动电机车行进、倒退或加速、减速。
所述的主令控制器的换档手柄有三个档位，旋转换档手柄能够控制电机车的前进档、零位档和后退档。将专用钥匙插到主令控制器的柄端插槽内，即可人工旋转换档手柄，旋转到左端是机车前进档；旋转到右端是机车后退档；旋转到中间是零位档即空档，机车既不前进也不后退。
所述的控制速度的调速手柄，调速手柄通过导线连接在调速控制单元上；当主令控制器的换档手柄旋转到确定的前进档或者是倒退档后，调节控制速度的调速手柄，即能调节电机车的前进或者是后退的速度。
电瓶电机车、变频电机车和斩波电机车的手动调速控制单元各有不同：
电瓶电机车的速度控制单元是主令转鼓，在电机车动力电动机的励磁绕组上串联电阻，通过转动主令转鼓的手柄增大或减小阻值控制流过励磁线包的电流，由此改变电机的转速。
变频电机车的调速控制单元是变频器，与PLC控制器配合使用；PLC控制器输出模拟调速信号，通过AD/DA转换器输出到变频器，变频器调节输出不同的交流频率，改变加载到动力电动机上的频率，动力电动机的转速也相应的跟着改变，实现变频器对电机车的速度调节。
斩波电机车的调速控制单元是IGBT功率控制单元，手动调节IGBT功率控制单元的调节电位器实现控制单元的脉冲宽度，实现动力电动机的速度调节。
综上所述，架线式电机车、电瓶式电机车、变频式电机车、斩波式电机车存在的缺点分别是：架线式电机车是通过架线摩擦获取驱动电源，在瓦斯高突矿井不能使用，而只能使用电瓶驱动电源的电瓶式电机车；斩波式电机车主要是换向也就是主令控制器采用机械接电换向的控制方法，由于主令控制器换向电路是硬连接方式，故故障率相对较高，使用受到限制；变频式电机车控制电路智能化程度较高，换向电路多部分是用干簧继电器换向，自动化程度较高，现在被煤矿大部分推广使用。
根据国家安全标志及煤矿防爆产品的相关规定，无法直接使用不具有“国家安全标志”的构件对现有矿山电机车进行结构或电路上的改造，现有的矿山机车无法通过直接改造实现无人驾驶。
为实现煤矿电机车无人驾驶只能将现有的在用煤矿电机车报废，重新购置具有无人驾驶功能的无人驾驶电机车。报废原有正在使用的煤矿电机车，而购买价格昂贵的无人驾驶电机车，是一种极大的资源浪费；同时因资金问题，用户很难投入大量的资金购买新的无人驾驶电机，致使无人驾驶电机车新技术在短时间内无法广泛使用。
发明内容
本发明的目的是要提供一种矿山电机车无人驾驶***及控制方法，解决矿山电机车因为受到防爆结构限制无法改造而使正在使用的电机车大面积报废的问题。
本发明的目的是这样实现的：矿山电机车无人驾驶***包括无人驾驶***及基于无人驾驶***的控制方法。
所述的无人驾驶***包括：电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器；还包括：机车调度监控***、井下巷道无线通信网和无线伺服控制器；
机车调度监控***的井上万兆环网交换机通过光缆与井下巷道无线通信网的井下万兆环网交换机连接；井下巷道无线通信网的基站与无线伺服控制器的车载收发位定装置无线通信连接；无线伺服控制器分别与电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器连接；井上无线指令或本车视觉指令控制电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器，自动控制电机车控制器的前进、倒退或停车以及控制电机车的行进速度，自动控制电机车制动器对电机车实施制动；自动控制电辅助控制器发出声、光警示。
所述的机车调度监控***包括：井上万兆环网交换机、调度计算机、调度操作台、核心服务器和显示器；井上万兆环网交换机连接在调度计算机上，调度计算机同时与调度操作台和核心服务器连接，调度操作台同时与显示器和核心服务器连接；
所述的井下巷道无线通信网包括：井下万兆环网交换机和基站；基站为多个，遍布安装在井下巷道内；每一个基站均与井下万兆环网交换机连接；所述的基站是基于5G模块的基站、基于wifi模块的基站和基于zigbee模块的基站，所述的基站与无线伺服控制器的车载收发定位装置所采用的5G模块、wifi模块和zigbee模块相对应匹配；
所述的无线伺服控制器包括：车载收发定位装置、车载终端显示器、车载终端控制器、伺服控制单元和感知控制器；
车载收发定位装置和感知控制器与车载终端控制器连接，在车载终端控制器上连接有车载终端显示器，用于显示感知控制器摄取的影像；车载终端控制器的输出端与伺服控制单元连接，伺服控制单元分别与电机车控制器、灯铃锁和电机车制动器连接，分别控制电机车的前进、倒退、停车，对电机车实施制动，驱动电机车的灯铃锁分别开启或分别关闭。
所述的车载收发定位装置包括：定位模块和通讯模块；所述的定位模块为UWB/模块，实现电机车的定位；所述的通讯模块为zigbee模块、5G模块或WIFI模块，实时收发数据；向下接收矿井无线基站发送来的控制指令，向上发送车载终端控制器的影像数据。
所述的车载终端控制器包括：数据集成控制板卡、AD/DA检测板、车载显示板；
数据集成控制板卡的输入端口分别与定位模块、通讯模块和AD/DA检测板连接；数据集成控制板卡的输出端口与伺服控制单元连接；
数据集成控制板卡的输出端口还与车载显示板连接；车载显示板同时与车载终端显示器和感知控制器连接，所述的感知控制器为AI 摄像机，用于数字AI 摄像机摄取影像；
或者数据集成控制板卡的输出端口还同时与车载显示板和OSD叠加模块，车载显示板同时与车载终端显示器和OSD叠加模块连接，OSD叠加模块与感知控制器连接，所述的感知控制器为AI 摄像机，用于模拟AI 摄像机摄取影像；
或者数据集成控制板卡的输出端口与车载显示板连接；车载显示板同时与车载终端显示器和感知控制器的摄像头连接，所述的感知控制器包括：雷达传感器和摄像头，用于数字摄像头摄取影像；雷达传感器与数据集成控制板卡的输出端口连接；
或者数据集成控制板卡的输出端口还同时与车载显示板和OSD叠加模块，车载显示板同时与车载终端显示器和OSD叠加模块连接，OSD叠加模块与感知控制器的摄像头连接，或者感知控制器包括：雷达传感器和摄像头，用于模拟摄像头摄取影像；雷达传感器与数据集成控制板卡的输出端口连接；
所述的定位模块为UWB/模块，所述的通讯模块为5G模块、WIFI模块或zigbee模块。
所述的伺服控制单元包括：司控器伺服、制动器伺服和电辅助控制器；司控器伺服与电机车控制器连接，实现自动控制电机车的前进、倒退、停车和调速；制动器伺服与电机车制动器连接，实现自动控制电机车刹车；电辅助控制器与警示灯、警铃以及行车锁连接；
所述的电辅助控制器为电器开关量控制器，电器开关量控制器分别与警示灯、警铃以及行车锁串联在电路中，用于接通或关闭警示灯、警铃的电源，以及控制行车锁接通或关闭电源；所述的电器开关量控制器为：电磁铁、继电器、干簧继电器。
所述的司控器伺服和制动器伺服结构相同，均包括伺服电机控制器和伺服电动机；伺服电机控制器与伺服电动机连接，并驱动伺服电动机运转；所述的伺服电动机有三个，通过传动机构分别与主令控制器的换档手柄、控制速度的调速手柄以及刹车器的刹车手柄连接，在换档手柄的轴上连接有永久磁铁，在永久磁铁随换档手柄的转动而转动，在永久磁铁转动轨迹上安装有三个主令控制器，分别执行：前进、停止、后退；
所述的主令控制器控制部分为干簧继电器；或者主令控制器控制部分为固态继电器；
所述的伺服电动机通过传动机构与换档手柄、调速手柄和刹车手柄连接；所述的传动机构为通过轮盘连接的直接连接机构，或者通过齿轮、齿条、链条、皮带连接的间接连接机构。
所述的直接连接结构：伺服电动机转子轴通过连接器与换档手柄、调速手柄或刹车手柄的轴直接连接，分别驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄旋转运行；
所述的间接连接结构：在换档手柄、调速手柄和刹车手柄均连接有与齿轮传动、齿条传动、链条传动、皮带传动相对应的从动轮盘；伺服电动机采用旋转式伺服电动机，在旋转式伺服电动机轴上安装与从动轮盘相对应的主动齿轮、主动链轮或者主动皮带轮，主动轮与从动轮相啮合，驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄转动运行；或者伺服电动机采用直线式伺服电动机，在直线式伺服电动机上安装主动齿条，主动齿条与从动齿轮相啮合，驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄转动运行。
基于控制装置的控制方法：有手动控制挡和自动控制挡；
置于手动控制挡时，执行原电机车的手动控制方法，自动控制停止工作；
置于自动控制挡时，工人仍然能够手动干预控制；
自动控制方法：在电机车的前端和后端分别安装前感知控制器和后感知控制器，感知控制器与车载终端控制器的数据集成控制板卡和车载显示板构成机器视觉控制器，机器视觉控制器通过通讯模块与机车调度监控***无线通讯，将摄取的实时影像和定位模块的定位信息上传至机车调度监控***；所述的通讯模块为无线通讯模块，包括：5G模块、WIFI或zigbee模块，所述的定位模块为UWB/模块；依据实时影像信息，电机车实施无人驾驶。
所述的电机车无人驾驶包括：机车调度监控***1指令控制驾驶和机器视觉控制器控制驾驶；
所述的机车调度监控***1指令控制驾驶：
感知控制器实时将井下电机车行进时的路况、运行状况以及停车状况通过车载终端控制器和车载收发定位装置发送到机车调度监控***，并在机车调度监控***上实时显示井下机车前方的路况、运行状况以及停车状况；机车调度监控***上通过井下巷道无线通信网与电机车实现无线通信，对电机车下达控制指令；
所述的机器视觉控制器控制驾：
机器视觉控制器具有独立核心驾驶计算和判断功能；机器视觉控制器的感知控制器获取实时影像，机器视觉控制器对实时影像进行分析、判断；
将实时影像分析、判断的结果通过通讯模块上传至机车调度监控***；在规定的时间内，机车调度监控***对电机车下达控制指令，机器视觉控制器则不发出对电机车的控制指令；
在规定时间内，机车调度监控***没有下达对电机车的控制指令，机器视觉控制器判断为与机车调度监控***失去通讯，机器视觉控制器根据感知控制器获取实时影像，自动判断电机车当前状态，对电机车发出控制指令，控制电机车正常行驶、减速或停车；
所述的机车调度监控***下达的控制指令以及机器视觉控制器发出的控制指令，均传送给伺服控制单元，伺服控制单元的司控器伺服，即控制主令控制器的换档手柄和控制速度的调速手柄，控制机车的前进、后退或停车以及机车运行的速度；制动器伺服，即控制电机车制动器对机车实施刹车；电辅助控制器，即控制警示灯、警铃的开启或关闭。
控制机车速度的自动调速方法：
电瓶电机车的调速方法：在电机车动力电动机的励磁绕组上串联电阻，伺服电动机与主令换向轴或加速旋转轴通过轮盘连接直接传动、链条或齿轮传动，自动配合转动机构；
判断下发的命令是前进或是后退，伺服电动机旋转一个角度，伺服电动机传动轮带动换向轴旋转一个角度，使其正反转触点正好与其接触或断开；当到达合适的位置时，传感器发出信号，伺服电动机停止旋转，这时换向轴被闭锁，加速鼓轴电机开始旋转，使其第一个凸轮正好顶开触点将串在动力电动机励磁线包中的一个电阻二端短接，主令转鼓的手柄在伺服电动机的驱动下转动，增大或减小阻值控制流过励磁线包的电流，其电阻阻值为零。由此改变电机的转速。动力电动机转速提高，电机车实现加速；不断重复上述过程，电机车实现一步一步加速，直到达到所需的速度；
变频电机车的调速方法：伺服电机控制调速电位器旋转输出模拟信号，通过AD/DA转换器输出到变频器，变频器调节输出不同的交流频率，改变加载到动力电动机上的频率，动力电动机的转速也相应的跟着改变，实现变频器对电机车的速度调节；
斩波电机车的调速的方法：伺服电机与调速电位器连接，伺服电机控制调速电位器旋转，电位器控制脉宽使IGBT导通的时间长短，调节IGBT功率控制单元的调节电位器实现控制单元的脉冲宽度，实现动力电动机的速度调节。
有益效果，由于采用了上述方案，本发明的无人驾驶控制装置通过煤矿防爆产品的相关规定，具有“国家安全标志”，具有与现有矿山机车配套的资格。
感知控制器安装在机车的前端，实时将井下机车前方的路况、运行状况以及停车状况通过无线车载收发装置发送到机车调度监控***，并在机车调度监控***上实时显示井下机车前方的路况、运行状况以及停车状况，机车调度监控***依据井下机车的实时状态，通过安装在运行在井下机车上的车载收发定位装置接收机车调度监控***向井下巷道无线通讯网远程发送控制指令，井下巷道无线通讯网的无线基站遍布井下巷道；车载收发定位装置通过巷道无线通讯网与机车调度监控***之间实现无线通讯；车载收发定位装置接收到机车调度监控***控制指令后传送给车载终端控制器，车载终端控制器的司控器伺服、制动器伺服和电辅助控制器分别控制电机车控制器、调速器、电机车制动器和警示灯、警铃。
在换档手柄、调速手柄和刹车手柄上安装伺服电机，依据感知控制器的影像，机车调度监控***或车载终端控制器控制安装在换档手柄、调速手柄和刹车手柄上的伺服电机对换档手柄、调速手柄和刹车手柄实施换档调节、速度调节以及刹车的自动控制，实现了矿山机车在矿井中的无人驾驶运行，矿山机车的运行状态、运行速度以及刹车和停车直接通过机车调度监控***实施控制；当机车调度监控***不参与控制时，电机车依据机器视觉控制器感知控制器获取的影像，对影像进行分析、判断，输出控制信号传送给车载终端控制器，车载终端控制器实现对电机车的自动行驶控制。
原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄能够实施对电机车的手动控制；在原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄上安装伺服电机，实现自动驾驶控制，原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄仍然可以对电机车实施干预控制。保留原有的矿山机车，与原有的矿山机车配套使用，节省了大量的不必要的开支。
国家安监局联合相关部门推行煤矿无人值守，无人驾驶电机车被纳入煤矿机器人行列，现在的无人驾驶电机车新车，仅限于具备控制功能，造价高昂，由于造价高，很难在煤矿推广应用；本发明的无人驾驶控制装置安装在原电机车上，原电机车上的手动控制与无人驾驶控制装置的自动控制共存，大大降低电机车实现自动控制的成本，造价低廉，解决了矿山电机车因为受到防爆结构限制无法改造而使正在使用的电机车大面积报废的问题，达到了本发明的目的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明无线伺服控制器3的结构示意图。
图3为本发明的车载终端控制器与模拟AI摄像机配合的结构示意图。
图4是本发明的车载终端控制器与数字AI摄像机配合的结构示意图。
图5为本发明的车载终端控制器与雷达和模拟摄像头配合的结构示意图。
图6是本发明的车载终端控制器与雷达和数字摄像头配合的结构示意图。
图中，1、机车调度监控***；2、井下巷道无线通信网；3、无线伺服控制器3。
1-1、井上万兆环网交换机；1-2、调度计算机；1-3、调度操作台；1-4、核心服务器；1-5、显示器。
2-1、井下万兆环网交换机；2-2、基站。
3-1、车载收发定位装置、3-2、车载终端显示器；3-3、车载终端控制器；3-4、伺服控制单元；3-5、电机车控制器；3-6、灯铃锁；3-7、电机车制动器；3-8、感知控制器。
3-1-1、定位模块；3-1-2、通讯模块。
3-3-1、数据集成控制板卡；3-3-2、AD/DA检测板；3-3-3、车载显示板；3-3-4、OSD叠加模块。
4-1、电辅助控制器；4-2、司控器伺服；4-3、制动器伺服。
5-1、控制器；5-2、执行器。
8-1、前AI摄像机；8-2、后AI摄像机；8-3、前雷达传感器；8-4、后雷达传感器；8-5、前摄像头；8-6、后摄像头。
具体实施方式
实施例1：矿山电机车无人驾驶***包括无人驾驶***及基于无人驾驶***的控制方法。
所述的无人驾驶***包括：电机车控制器3-5、电机车制动器3-7和电辅助控制器4-1；还包括：机车调度监控***1、井下巷道无线通信网2和无线伺服控制器3；
机车调度监控***1的井上万兆环网交换机1-1通过光缆与井下巷道无线通信网2的井下万兆环网交换机2-1连接；井下巷道无线通信网2的基站与无线伺服控制器3的车载收发位定装置无线通信连接；无线伺服控制器3分别与电机车控制器3-5、电机车制动器3-7和电辅助控制器4-1连接；井上无线指令或本车视觉指令控制电机车控制器3-5、电机车制动器3-7和电辅助控制器4-1，自动控制电机车控制器3-5的前进、倒退或停车以及控制电机车的行进速度，自动控制电机车制动器3-7对电机车实施制动；自动控制电辅助控制器4-1发出声、光警示。
所述的机车调度监控***1包括：井上万兆环网交换机1-1、调度计算机1-2、调度操作台1-3、核心服务器1-4和显示器1-5；井上万兆环网交换机1-1连接在调度计算机1-2上，调度计算机1-2同时与调度操作台1-3和核心服务器1-4连接，调度操作台1-3同时与显示器1-5和核心服务器1-4连接。
所述的井下巷道无线通信网2包括：井下万兆环网交换机2-1和基站2-2；基站2-2为多个，遍布安装在井下巷道内；每一个基站2-2均与井下万兆环网交换机2-1连接；所述的基站是基于5G模块的基站、基于wifi模块的基站和基于zigbee模块的基站，所述的基站2-2与无线伺服控制器3的车载收发定位装置3-1所采用的5G模块、wifi模块和zigbee模块相对应匹配。
所述的电机车制动器3-7包括：刹车手柄和刹车装置；刹车装置为手柄旋转驱动蜗杆式刹车装置。
所述的电机车控制器3-5，俗称司控器，是安装在电机车驾驶室内的司机控制器，简称司控器，通过司控器控电机车的前进、后退、停车以及电机车的行进速度；司控器包括控制器和执行器。
所述的控制器包括主令控制器的换档手柄和控制速度的调速手柄以及与换档手柄和调速手柄配套的电路放大器。
所述的执行器包括：与电路放大器配套的大功率驱动器，大功率驱动器驱动电机车的动力电动机运转，驱动电机车行进、倒退或加速、减速。
所述的主令控制器的换档手柄有三个档位，旋转换档手柄能够控制电机车的前进档、零位档和后退档。将专用钥匙插到主令控制器的柄端插槽内，即可人工旋转换档手柄，旋转到左端是机车前进档；旋转到右端是机车后退档；旋转到中间是零位档即空档，电机车既不前进也不后退。
所述的控制速度的调速手柄，调速手柄通过导线连接在调速控制单元上；当主令控制器的换档手柄旋转到确定的前进档或者是倒退档后，调节控制速度的调速手柄，调节电机车的前进或者是后退的速度。
电瓶电机车、变频电机车和斩波电机车的手动调速控制单元各有不同：
电瓶电机车的速度控制单元是主令转鼓，在电机车动力电动机的励磁绕组上串联电阻，通过转动主令转鼓的手柄增大或减小阻值控制流过励磁线包的电流，由此改变电机的转速。
变频电机车的调速控制单元是变频器，与PLC控制器配合使用，PLC控制器输出模拟调速信号，通过AD/DA转换器输出到变频器，变频器调节输出不同的交流频率，改变加载到动力电动机上的频率，动力电动机的转速也相应的跟着改变，实现变频器对电机车的速度调节。
斩波电机车的调速控制单元是IGBT功率控制单元，手动调节IGBT功率控制单元的调节电位器实现控制单元的脉冲宽度，实现动力电动机的速度调节。
还包括电辅助控制器的开关，分别控制警示灯、警铃以及行车锁；电机车钥匙启动行车锁，电机车司机打开或关闭警示灯的开关以及警铃的开关，以声、光方式向井下人员提出警示。
所述的无线伺服控制器3包括：车载收发定位装置3-1、车载终端显示器3-2、车载终端控制器3-3、伺服控制单元3-4和感知控制器3-8；
车载收发定位装置3-1和感知控制器3-8与车载终端控制器3-3连接，在车载终端控制器3-3上连接有车载终端显示器3-2，用于显示感知控制器3-8摄取的影像；车载终端控制器3-3的输出端与伺服控制单元3-4连接，伺服控制单元3-4分别与电机车控制器3-5、灯铃锁3-6和电机车制动器3-7连接，分别控制电机车的前进、倒退、停车，对电机车实施制动，驱动电机车的灯铃锁3-6分别开启或分别关闭。
所述的车载收发定位装置3-1包括：定位模块3-1-1和通讯模块3-1-2；所述的定位模块3-1-1为UWB/模块，实现电机车的定位；所述的通讯模块3-1-2为zigbee模块、5G模块或WIFI模块，实时收发数据；向下接收矿井无线基站发送来的控制指令，向上发送车载终端控制器3-3的影像数据。
所述的车载终端控制器3-3包括：数据集成控制板卡3-3-1、AD/DA检测板3-3-2、车载显示板3-3-3；
数据集成控制板卡3-3-1的输入端口分别与定位模块3-1-1、通讯模块3-1-2和AD/DA检测板3-3-2连接；数据集成控制板卡3-3-1的输出端口与伺服控制单元3-4连接；
数据集成控制板卡3-3-1的输出端口还与车载显示板3-3-3连接；车载显示板3-3-3同时与车载终端显示器3-2和感知控制器3-8连接，所述的感知控制器3-8为AI 摄像机，用于数字AI 摄像机摄取影像；
或者数据集成控制板卡3-3-1的输出端口还同时与车载显示板3-3-3和OSD叠加模块3-3-4，车载显示板3-3-3同时与车载终端显示器3-2和OSD叠加模块3-3-4连接，OSD叠加模块3-3-4与感知控制器3-8连接，所述的感知控制器3-8为AI 摄像机，用于模拟AI 摄像机摄取影像。
所述的感知控制器3-8包括：前感知控制器和后感知控制器，分别安装在电机车的前端和后端；所述的前感知控制器和后感知控制器结构相同均为AI 摄像机，AI 摄像机分别为前AI 摄像机8-1和后AI 摄像机8-2。
所述的定位模块3-1-1为UWB/模块，所述的通讯模块3-1-2为5G模块、WIFI模块或zigbee模块。在数据集成控制板卡3-3-1上有UWB/模块接口、5G模块接口、WIFI模块接口、zigbee模块接口、AI 摄像机接口、摄像头接口和雷达传感器接口；还预留有232/485/CAN总线/RJ45接器、USB接口。
所述的伺服控制单元3-4包括：司控器伺服4-2、制动器伺服4-3和电辅助控制器4-1；司控器伺服4-2与电机车控制器3-5连接，实现自动控制电机车的前进、倒退、停车和调速；制动器伺服4-3与电机车制动器3-7连接，实现自动控制电机车刹车；电辅助控制器4-1与警示灯、警铃以及行车锁连接。
所述的电辅助控制器4-1为电器开关量控制器，电器开关量控制器分别与警示灯、警铃以及行车锁串联在电路中，与原电辅助控制器的开关并联；用于接通或关闭警示灯、警铃的电源，以及控制行车锁接通或关闭电源；所述的电器开关量控制器为：电磁铁、继电器、干簧继电器。
所述的司控器伺服4-2和制动器伺服4-3结构相同，均包括伺服电机控制器和伺服电动机；伺服电机控制器与伺服电动机连接，并驱动伺服电动机运转；所述的伺服电动机有三个，通过传动机构分别与主令控制器的换档手柄、控制速度的调速手柄以及刹车器的刹车手柄连接，在换档手柄的轴上连接有永久磁铁，在永久磁铁随换档手柄的转动而转动，在永久磁铁转动轨迹上安装有三个主令控制器，分别执行：前进、停止、后退。
所述的主令控制器控制部分为干簧继电器；或者主令控制器控制部分为固态继电器。
所述的伺服电动机通过传动机构与换档手柄、调速手柄和刹车手柄连接；所述的传动机构为通过轮盘连接的直接连接机构，或者通过齿轮、齿条、链条、皮带连接的间接连接机构。
所述的直接连接结构：伺服电动机转子轴通过连接器与换档手柄、调速手柄或刹车手柄的轴直接连接，驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄旋转运行。
所述的间接连接结构：在换档手柄、调速手柄和刹车手柄均连接有与齿轮传动、齿条传动、链条传动、皮带传动相对应的从动轮盘；伺服电动机采用旋转式伺服电动机，在旋转式伺服电动机轴上安装与从动轮盘相对应的主动齿轮、主动链轮或者主动皮带轮，主动轮与从动轮相啮合，驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄转动运行；或者伺服电动机采用直线式伺服电动机，在直线式伺服电动机上安装主动齿条，主动齿条与从动齿轮相啮合，驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄转动运行。
基于控制装置的控制方法：有手动控制挡和自动控制挡；
置于手动控制挡时，执行原电机车的手动控制方法，自动控制停止工作；
置于自动控制挡时，工人仍然能够手动干预控制；
自动控制方法：在电机车的前端和后端分别安装前感知控制器和后感知控制器，感知控制器3-8与车载终端控制器的数据集成控制板卡3-3-1和车载显示板3-3-3构成机器视觉控制器，机器视觉控制器通过通讯模块3-1-2与机车调度监控***1无线通讯，将摄取的实时影像和定位模块3-1-1的定位信息上传至机车调度监控***1；所述的通讯模块3-1-2为无线通讯模块3-1-2，包括：5G模块、WIFI或zigbee模块，所述的定位模块3-1-1为UWB/模块；依据实时影像信息，电机车实施无人驾驶；
所述的电机车无人驾驶包括：机车调度监控***1指令控制驾驶和机器视觉控制器控制驾驶；
所述的机车调度监控***1指令控制驾驶：
感知控制器3-8实时将井下电机车行进时的路况、运行状况以及停车状况通过车载终端控制器3-3和车载收发定位装置3-1发送到机车调度监控***1，并在机车调度监控***1上实时显示井下机车前方的路况、运行状况以及停车状况；机车调度监控***1上通过井下巷道无线通信网与电机车实现无线通信，对电机车下达控制指令；
所述的机器视觉控制器控制：
机器视觉控制器具有独立核心驾驶计算和判断功能；机器视觉控制器的感知控制器3-8获取实时影像，机器视觉控制器对实时影像进行分析、判断；
将实时影像分析、判断的结果通过通讯模块3-1-2上传至机车调度监控***1；在规定的时间内，机车调度监控***1对电机车下达控制指令，机器视觉控制器则不发出对电机车的控制指令；
在规定时间内，机车调度监控***1没有下达对电机车的控制指令，机器视觉控制器判断为与机车调度监控***1失去通讯，机器视觉控制器根据感知控制器3-8获取实时影像，自动判断电机车当前状态，对电机车发出控制指令，控制电机车正常行驶、减速或停车。
所述的机车调度监控***1下达的控制指令以及机器视觉控制器发出的控制指令，均传送给伺服控制单元3-4，伺服控制单元3-4的司控器伺服4-2，即控制主令控制器的换档手柄和控制速度的调速手柄，控制机车的前进、后退或停车以及机车运行的速度；制动器伺服4-3，即控制电机车制动器3-7对机车实施刹车；电辅助控制器4-1，即控制警示灯、警铃的开启或关闭。
控制电机车速度的自动调速方法：
电瓶电机车的调速方法：在电机车动力电动机的励磁绕组上串联电阻，伺服电动机与主令换向轴或加速旋转轴通过轮盘连接直接传动、链条或齿轮传动，自动配合转动机构。
判断下发的命令是前进或是后退，伺服电动机旋转一个角度，伺服电动机传动轮带动换向轴旋转一个角度，使其正反转触点正好与其接触或断开；当到达合适的位置时，传感器发出信号，伺服电动机停止旋转，这时换向轴被闭锁，加速鼓轴电机开始旋转，使其第一个凸轮正好顶开触点将串在动力电动机励磁线包中的一个电阻二端短接，主令转鼓的手柄在伺服电动机的驱动下转动，增大或减小阻值控制流过励磁线包的电流，其电阻阻值为零。由此改变电机的转速。动力电动机转速提高，电机车实现加速；不断重复上述过程，电机车实现一步一步加速，直到达到所需的速度。
变频电机车的调速方法：伺服电机控制调速电位器旋转输出模拟信号，通过AD/DA转换器输出到变频器，变频器调节输出不同的交流频率，改变加载到动力电动机上的频率，动力电动机的转速也相应的跟着改变，实现变频器对电机车的速度调节。
斩波电机车的调速的方法：伺服电机与调速电位器连接，伺服电机控制调速电位器旋转，电位器控制脉宽（pwm）使IGBT导通的时间长短，调节IGBT功率控制单元的调节电位器实现控制单元的脉冲宽度，实现动力电动机的速度调节。
所述的电机车行进时前方分别为电机车向前运行时的前方或电机车倒退时的前方。
所述的数据集成控制板卡的型号为：XHJW-ZN-BK-001。
所述的车载显示板型号 XHJW-CZ-XS-002 。
所述的AD/DA检测板的型号为： XHJW-AD/AD-CS-003。
所述的OSD叠加模块的型号为：XHJW-OSD-DJ-004。
所述的AI摄像机的型号为：XHJW-AI-XSJ-005。
所述的雷达传感器的型号为：XHJW-LD-CGQ-006。
上述构件均为市售产品。
实施例2：所述的车载终端控制器3-3包括：数据集成控制板卡3-3-1、AD/DA检测板、车载显示板3-3-3；
数据集成控制板卡3-3-1的输入端口分别与定位模块3-1-1、通讯模块3-1-2和AD/DA检测板连接；数据集成控制板卡3-3-1的输出端口与伺服控制单元3-4连接；
数据集成控制板卡3-3-1的输出端口与车载显示板3-3-3连接；车载显示板3-3-3同时与车载终端显示器3-2和感知控制器3-8的摄像头连接，所述的感知控制器3-8包括：雷达传感器和摄像头，用于数字摄像头摄取影像；雷达传感器与数据集成控制板卡3-3-1的输出端口连接；
或者数据集成控制板卡3-3-1的输出端口还同时与车载显示板3-3-3和OSD叠加模块3-3-4，车载显示板3-3-3同时与车载终端显示器3-2和OSD叠加模块3-3-4连接，OSD叠加模块3-3-4与感知控制器3-8的摄像头连接，或者感知控制器3-8包括：雷达传感器和摄像头，用于模拟摄像头摄取影像；雷达传感器与数据集成控制板卡3-3-1的输出端口连接。
所述的感知控制器3-8包括：前感知控制器和后感知控制器，分别安装在电机车的前端和后端；或者前感知控制器和后感知控制器结构相同均包括：雷达传感器和摄像头，雷达传感器和摄像头有前雷达传感器8-3和前摄像头8-5以及后雷达传感器8-4和后摄像头8-6，雷达传感器和摄像头成对使用，分别安装在电机车的前端和后端。
感知控制器3-8的雷达传感器安装在电机车的下前端，用于探测电机车行进前方的障碍物，当雷达传感器探知前方有障碍物，将探知有障碍物的信号发送至数据集成控制板卡3-3-1，数据集成控制板卡3-3-1通过运算向伺服控制单元3-4发出控制指令，控制电机车减速或停车。
感知控制器3-8的摄像头用于摄取电机车行进前方的路况影像信息，并通过数据集成控制板卡3-3-1运算后，再通过通讯模块3-1-2传送至机车调度监控***1，机车调度监控***1依据路况影像信息向电机车发出控制指令，控制电机车的正常行驶、减速或停车。
其他与实施例1同。
Claims (7)
1.一种矿山电机车无人驾驶***，包括：电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器；其特征是：还包括：机车调度监控***、井下巷道无线通信网和无线伺服控制器；
机车调度监控***的井上万兆环网交换机通过光缆与井下巷道无线通信网的井下万兆环网交换机连接；井下巷道无线通信网的基站与无线伺服控制器的车载收发位定装置无线通信连接；无线伺服控制器分别与电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器连接；井上无线指令或本车视觉指令控制电机车控制器、电机车制动器和电辅助控制器，自动控制电机车控制器的前进、倒退或停车以及控制电机车的行进速度，自动控制电机车制动器对电机车实施制动；自动控制电辅助控制器发出声、光警示；
所述的机车调度监控***包括：井上万兆环网交换机、调度计算机、调度操作台、核心服务器和显示器；井上万兆环网交换机连接在调度计算机上，调度计算机同时与调度操作台和核心服务器连接，调度操作台同时与显示器和核心服务器连接；
所述的井下巷道无线通信网包括：井下万兆环网交换机和基站；基站为多个，遍布安装在井下巷道内；每一个基站均与井下万兆环网交换机连接；所述的基站是基于5G模块的基站、基于wifi模块的基站和基于zigbee模块的基站，所述的基站与无线伺服控制器的车载收发定位装置所采用的5G模块、wifi模块和zigbee模块相对应匹配；
所述的无线伺服控制器包括：车载收发定位装置、车载终端显示器、车载终端控制器、伺服控制单元和感知控制器；
车载收发定位装置和感知控制器与车载终端控制器连接，在车载终端控制器上连接有车载终端显示器，用于显示感知控制器摄取的影像；车载终端控制器的输出端与伺服控制单元连接，伺服控制单元分别与电机车控制器、灯铃锁和电机车制动器连接，分别控制电机车的前进、倒退、停车，对电机车实施制动，驱动电机车的灯铃锁分别开启或分别关闭；
所述的伺服控制单元包括：司控器伺服、制动器伺服和电辅助控制器；司控器伺服与电机车控制器连接，实现自动控制电机车的前进、倒退、停车和调速；制动器伺服与电机车制动器连接，实现自动控制电机车刹车；电辅助控制器与警示灯、警铃以及行车锁连接；
所述的电辅助控制器为电器开关量控制器，电器开关量控制器分别与警示灯、警铃以及行车锁串联在电路中，用于接通或关闭警示灯、警铃的电源，以及控制行车锁接通或关闭电源；所述的电器开关量控制器为：电磁铁、继电器、干簧继电器；
所述的司控器伺服和制动器伺服结构相同，均包括伺服电机控制器和伺服电动机；伺服电机控制器与伺服电动机连接，并驱动伺服电动机运转；所述的伺服电动机有三个，通过传动机构分别与主令控制器的换档手柄、控制速度的调速手柄以及刹车器的刹车手柄连接，在换档手柄的轴上连接有永久磁铁，在永久磁铁随换档手柄的转动而转动，在永久磁铁转动轨迹上安装有三个主令控制器，分别执行：前进、停止、后退；
所述的主令控制器控制部分为干簧继电器；或者主令控制器控制部分为固态继电器；
所述的伺服电动机通过传动机构与换档手柄、调速手柄和刹车手柄连接；所述的传动机构为通过轮盘连接的直接连接机构，或者通过齿轮、齿条、链条、皮带连接的间接连接机构；
原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄能够实施对电机车的手动控制；在原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄上安装伺服电机，实现自动驾驶控制，原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄仍然可以对电机车实施干预控制；保留原有的矿山机车，与原有的矿山机车配套使用。
2.根据权利要求1所述的一种矿山电机车无人驾驶***，其特征是：
所述的车载收发定位装置包括：定位模块和通讯模块；所述的定位模块为UWB/模块，实现电机车的定位；所述的通讯模块为zigbee模块、5G模块或WIFI模块，实时收发数据；向下接收矿井无线基站发送来的控制指令，向上发送车载终端控制器的影像数据。
3.根据权利要求1所述的一种矿山电机车无人驾驶***，其特征是：
所述的车载终端控制器包括：数据集成控制板卡、AD/DA检测板、车载显示板；
数据集成控制板卡的输入端口分别与定位模块、通讯模块和AD/DA检测板连接；数据集成控制板卡的输出端口与伺服控制单元连接；
数据集成控制板卡的输出端口还与车载显示板连接；车载显示板同时与车载终端显示器和感知控制器连接，所述的感知控制器为AI 摄像机，用于数字AI 摄像机摄取影像；
或者数据集成控制板卡的输出端口还同时与车载显示板和OSD叠加模块，车载显示板同时与车载终端显示器和OSD叠加模块连接，OSD叠加模块与感知控制器连接，所述的感知控制器为AI 摄像机，用于模拟AI 摄像机摄取影像；
或者数据集成控制板卡的输出端口与车载显示板连接；车载显示板同时与车载终端显示器和感知控制器的摄像头连接，所述的感知控制器包括：雷达传感器和摄像头，用于数字摄像头摄取影像；雷达传感器与数据集成控制板卡的输出端口连接；
或者数据集成控制板卡的输出端口还同时与车载显示板和OSD叠加模块，车载显示板同时与车载终端显示器和OSD叠加模块连接，OSD叠加模块与感知控制器的摄像头连接，或者感知控制器包括：雷达传感器和摄像头，用于模拟摄像头摄取影像；雷达传感器与数据集成控制板卡的输出端口连接；
所述的定位模块为UWB/模块，所述的通讯模块为5G模块、WIFI模块或zigbee模块。
4.根据权利要求1所述的一种矿山电机车无人驾驶***，其特征是：所述的直接连接结构：伺服电动机转子轴通过连接器与换档手柄、调速手柄或刹车手柄的轴直接连接，分别驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄旋转运行；
所述的间接连接结构：在换档手柄、调速手柄和刹车手柄均连接有与齿轮传动、齿条传动、链条传动、皮带传动相对应的从动轮盘；伺服电动机采用旋转式伺服电动机，在旋转式伺服电动机轴上安装与从动轮盘相对应的主动齿轮、主动链轮或者主动皮带轮，主动轮与从动轮相啮合，驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄转动运行；或者伺服电动机采用直线式伺服电动机，在直线式伺服电动机上安装主动齿条，主动齿条与从动齿轮相啮合，驱动换档手柄、调速手柄或刹车手柄转动运行。
5.基于权利要求1所述的一种矿山电机车无人驾驶***的控制方法，其特征是：
基于控制装置的控制方法：保留原有的矿山机车，与原有的矿山机车配套使用，在原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄上安装伺服电机，实现自动驾驶控制；原有的换档手柄、调速手柄和刹车手柄仍然可以对电机车实施干预控制；有手动控制挡和自动控制挡；
置于手动控制挡时，执行原电机车的手动控制方法，自动控制停止工作；
置于自动控制挡时，工人仍然能够手动干预控制；
自动控制方法：在电机车的前端和后端分别安装前感知控制器和后感知控制器，感知控制器与车载终端控制器的数据集成控制板卡和车载显示板构成机器视觉控制器，机器视觉控制器通过通讯模块与机车调度监控***无线通讯，将摄取的实时影像和定位模块的定位信息上传至机车调度监控***；所述的通讯模块为无线通讯模块，包括：5G模块、WIFI或zigbee模块，所述的定位模块为UWB/模块；依据实时影像信息，电机车实施无人驾驶。
6.根据权利要求5所述的一种矿山电机车无人驾驶***的控制方法，其特征是：
所述的电机车无人驾驶包括：机车调度监控***指令控制驾驶和机器视觉控制器控制驾驶；
所述的机车调度监控***指令控制驾驶：
感知控制器实时将井下电机车行进时的路况、运行状况以及停车状况通过车载终端控制器和车载收发定位装置发送到机车调度监控***，并在机车调度监控***上实时显示井下机车前方的路况、运行状况以及停车状况；机车调度监控***上通过井下巷道无线通信网与电机车实现无线通信，对电机车下达控制指令；
所述的机器视觉控制器控制驾：
机器视觉控制器具有独立核心驾驶计算和判断功能；机器视觉控制器的感知控制器获取实时影像，机器视觉控制器对实时影像进行分析、判断；
将实时影像分析、判断的结果通过通讯模块上传至机车调度监控***；在规定的时间内，机车调度监控***对电机车下达控制指令，机器视觉控制器则不发出对电机车的控制指令；
在规定时间内，机车调度监控***没有下达对电机车的控制指令，机器视觉控制器判断为与机车调度监控***失去通讯，机器视觉控制器根据感知控制器获取实时影像，自动判断电机车当前状态，对电机车发出控制指令，控制电机车正常行驶、减速或停车；
所述的机车调度监控***下达的控制指令以及机器视觉控制器发出的控制指令，均传送给伺服控制单元，伺服控制单元的司控器伺服，即控制主令控制器的换档手柄和控制速度的调速手柄，控制机车的前进、后退或停车以及机车运行的速度；制动器伺服，即控制电机车制动器对机车实施刹车；电辅助控制器，即控制警示灯、警铃的开启或关闭。
7.根据权利要求6述的一种矿山电机车无人驾驶***的控制方法，其特征是：
控制机车速度的自动调速方法：
电瓶电机车的调速方法：在电机车动力电动机的励磁绕组上串联电阻，伺服电动机与主令换向轴或加速旋转轴通过轮盘连接直接传动、链条或齿轮传动，自动配合转动机构；
判断下发的命令是前进或是后退，伺服电动机旋转一个角度，伺服电动机传动轮带动换向轴旋转一个角度，使其正反转触点正好与其接触或断开；当到达合适的位置时，传感器发出信号，伺服电动机停止旋转，这时换向轴被闭锁，加速鼓轴电机开始旋转，使其第一个凸轮正好顶开触点将串在动力电动机励磁线包中的一个电阻二端短接，主令转鼓的手柄在伺服电动机的驱动下转动，增大或减小阻值控制流过励磁线包的电流，其电阻阻值为零；由此改变电机的转速，动力电动机转速提高，电机车实现加速；不断重复上述过程，电机车实现一步一步加速，直到达到所需的速度；
变频电机车的调速方法：伺服电机控制调速电位器旋转输出模拟信号，通过AD/DA转换器输出到变频器，变频器调节输出不同的交流频率，改变加载到动力电动机上的频率，动力电动机的转速也相应的跟着改变，实现变频器对电机车的速度调节；
斩波电机车的调速的方法：伺服电机与调速电位器连接，伺服电机控制调速电位器旋转，电位器控制脉宽使IGBT导通的时间长短，调节IGBT功率控制单元的调节电位器实现控制单元的脉冲宽度，实现动力电动机的速度调节。
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| CN113552885A (zh) | 2021-10-26 |
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