CN103223960B - 一种巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法，其特征是：将识别摄像机安放于动车组头车的前部，在动车组的每个车体上安装有车载处理器，所有车载处理器与CAN总线系统连接，人工将发光标示物安放于矿井巷道壁上，摄像机对巷道壁上的标示物进行识别，根据人工发光标示物导航作用，通过车载处理器自动寻找最优化轨迹，并将该轨迹信息上传CAN总线系统，后车下载该信息，自动跟进，达到动车组各车间的协调直行，协调转向。本发明既可以实现人工操作，也可采用全自动无人驾驶方式，避免人为驾驶操作失误带来的安全隐患。

Description

一种巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法

技术领域

本发明属于一种基于标示物的图像识别导航技术领域，涉及一种巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法。

背景技术

在矿山开采中，矿井下重型采掘、支护设备常需要由液压载重车运输转移工作面。由于巷道的地形较复杂，空间狭小，在运输设备的过程中对液压载重车的控制较困难。现有的井下巷道液压载重车由人工驾驶，在实际运行的过程中，井下巷道特殊的环境极易对驾驶员产生影响。由于井下巷道空间狭小，驾驶员精神必须保持长时间高度集中，如若操控不当就可能发生载重车与巷道壁或液压支护设备的刮蹭与碰撞，甚至造成巷道塌陷等重大安全事故。因此，现有的井下巷道液压载重车驾驶对人员要求高，风险大，很难保证井下特殊条件下的安全生产。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种分体式的多车组协调转向控制的巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法，本方法能够实现巷道无轨轮式液压载重车多车组的协调直行、转向等作业。

本发明从解决实际问题出发，采用了以下技术方案：

(1)应用图像识别的原理，采用了识别人工标示物的技术，将识别摄像机安放于动车组头车的前部，在动车组的每个车体上安装有车载处理器，所有车载处理器与CAN总线系统连接，人工将发光标示物安放于矿井巷道壁上，摄像机对巷道壁上的标示物进行识别，以达到循迹导航的目的；

(2)整个动车组只在头车设有识别摄像机，头车起到轨迹源的作用，即头车通过图像识别，搜集车体与巷道壁间的距离信息，并根据人工标示物的导向作用，通过车载处理器自动寻找最优化的轨迹，而这一轨迹将为后续车辆所接收并采用；

(3)头车车载处理器收集摄像机对标示物的识别信号以及车体姿态信息并计算出相应的最优化运行轨迹，由头车执行机构处理轨迹信息，并控制头车车体沿着最优轨迹运行，同时轨迹信息延时上传至CAN总线系统，后续车辆的车载处理器从CAN总线系统中下载头车的轨迹信息，并运算跟踪前车运动轨迹所需的几何参数，进而确定本车的运动轨迹，达到后续自动跟踪前车的目的，且在循迹运动的过程中两车的距离保持一定；

(4)动车组中每个车首尾相连构成一个串联系统，头车起提供轨迹源，后续车辆的运行轨迹以头车的运行轨迹为准，头车的轨迹确定后，后续车辆的车载处理器接收轨迹信息，后续车辆处理器处理该信息并控制执行机构执行动作，循迹运行；与此同时，后续车辆处理器经过运行后，以延时信号的方式将轨迹信息传递给下一车的车载处理器，下一车的车载处理器根据此信息进行轨迹调整，以此类推，最终达到动车组各车间协调作业的目的；

(5)为了实现动车组各车直行、转向间的协调作业，软件系统采用模块化设计，即主程序可分为若干块，每个程序块有不同的功能，而程序库中存有更多的扩展程序块，通过不同程序块的组合，可以使动车组完成不同的动作，从而扩大了动车组的工作范围；

(6)本发明可以采用单人驾驶或人工遥控动力源车，后续载重液压车自动跟踪前车轨迹的作业方式，也可以采用全自动无人驾驶方式，避免了因人为驾驶操作失误而带来的安全隐患。

所述人工发光标示物使用了自发光原理，所发射的光线为固定频率及波长的光线，该光线不受井下的环境光及其它光源光线的影响；

所述摄像机只能识别人工发光标示物发出的固定频率及波长的光线。

根据GB50419—2007《煤矿巷道断面和交岔点设计规范》第3.1.2条规定，巷道断面形状可分为矩形、梯形、拱形、马蹄形及圆形等；根据该设计规范第4.1.3条规定，运输巷道的净断面，应按巷道内运行的运输设备及需要运送的最大件的尺寸设计，并应按偶尔运送的最大件尺寸和通风能力校核。由于液压载重车的宽度与矿井内大型设备的宽度相当，因此在液压载重车可以在符合国标规范的矿井巷道内作业。根据该设计规范第4.3.2条规定，无轨运输设备与巷道侧帮的支护、管线、设施的安全间隙最小值为600mm，而超声波测距系统的检测范围包含了600mm。同时，该设计规范第4.1.1条规定，主要运输巷和主要风巷，无轨巷道不得低于2m，采区准备巷道和大、中型矿井采煤工作面运输巷、回风巷，中厚煤层、厚煤层不得低于2m，薄煤层不得低于1.8m。由于所述控制系统硬件组成体积较小，对液压载重车的高度无影响。综上所述，应用了所述动车组协调作业控制系统的无轨轮式液压载重动车组可以在井下巷道内很好的实施各车间的转向、直行的协调作业，并可以实现遥控驾驶或无人自动驾驶。

图像识别导航属于非接触式距离测量技术，故在井下巷道内有很好的可操作性；考虑到井下环境复杂、光线较暗、污染较大等因素，本发明设置的人工标示物使用了自发光原理，所发射的光线为固定频率及波长的光线，该光线不受井下的环境光及其它光源光线的影响，摄像机只能识别该固定频率及波长的光线，从而达到识别标示物、定位车体姿态的目的；接收到的图像需经过处理，并由处理器识别图像，通过相应的设定程序，经过分析和计算后确定本车姿态，并计算出最优轨迹，执行系统接收轨迹信息后控制电控部分，使得比例阀达到相应的开度，进而控制转向油缸动作，最终控制车轮转过一定角度，达到车体循迹运行的目的；整个车组只头车设置摄像机即可，头车摄像机识别标示物信息，确定车体的姿态，而其它后续车不设置摄像机；动车组采用了CAN现场总线技术，各车的姿态信息可以经由总线系统畅通的实时传输；针对动车组协调作业的形式，设计了动车组各车间串连的控制模式，使得动车组成为一个可控的有机整体，而通过程序设定，可以讲轨迹信息在车体间延时传递；控制思想的软件实现采用了模块化的程序设计，不同模块实现相应的功能，而不同模块的组合就可以实现多种功能，拓宽了该控制策略的应用范围；控制器的控制算法可以采用模糊控制、自适应控制、H∞控制、神经网络控制等算法。

本发明的优点是：实现了井下巷道内无轨轮式液压载重车组的协调直行、转向等作业，并可拓展为人工遥控驾驶或无人自动驾驶，很好的解决了巷道内人员不能精确操控液压运输车辆的问题，避免了人工操作液压载重车作业带来的安全风险，使多车组协调转向等高难度作业成为可能，提高了井下采掘、支护等重型设备运输的效率，极大的增加了运输时的可靠性。

附图说明

图1人工标示物摆放示意图；

图2车载摄像机安装位置示意图；

图3为车载摄像机获取的识别图像；

图4头车信息流程图；

图5车体轨迹信息在各车间传递示意图；

图6车体控制框图；

图7a车组直线行走时的协调作业示意图；

图7b车组转直角弯时的协调作业示意图；

图8单车转弯轨迹示意图。

图中：1-巷道顶2-巷道底3-巷道壁4-标示物5-车载摄像机6-车载处理器7-车体

具体实施方式

1.图像识别导航系统

如图1所示，在巷道壁内两侧每隔一段固定的距离设立一个人工标示物，该标示物可以为车载摄像机识别，并从其它环境区别开来。而图2为车载摄像机安装位置示意图，该摄像机设置在头车的前部，可以很好的捕获环境的实时图像。车体的位姿确定由图像识别系统测定，如图3所示，车体处于不同的位姿时，车体的识别图像是不同的，此时，图中所示的红色中心线的相对位置就会发生变化，车载摄像机捕获环境中的图像信息，识别图像中的人工标示物，同时该识别图像信息通过总线系统传递给车载处理器，处理器经过程序计算出最优的行车轨迹。

2.动车组协调作业控制策略

如图4所示，为头车接收识别图像及传递的流程图。将车载处理器、执行机构合称为车载控制器，头车作为整个车组的轨迹源，在车体前部搭载了摄像机，摄像机实时捕获周围环境的识别图像，并将图像信息传递给车载处理器，处理器经过计算得出行车的最优轨迹，进而确定了各执行元件的动作顺序、动作幅度等信息，经过信号的变换，将数字信号转变为电信号，进而控制各阀的开度，最终控制车体阀控缸的伸缩量，也就控制了车体的行走姿态。此时，头车的行走轨迹就确定了，在不断执行行走轨迹的同时，将各执行机构的执行情况，即车体实际的行走轨迹反馈给车载处理器，这样就构成了一个闭环系统，提高了车体的控制精度。

如图5所示，为车体轨迹信息在各车间传递示意图。该示意图体现了整个车组的协调作业控制思想。当前车的轨迹确定后，前车控制器会实时控制本车的姿态，并将本车构成一个相对独立的闭环控制系统，对车体实际行进轨迹进行微调。所述的轨迹信息包括车体与巷道壁之间的距离、车体的行进速度等。进过一定时间Δt后，前车的轨迹信息将延时传递给后车，即后车接收的信号是经过特定时间延时后的滞后信号，该滞后时间保证了两车间保持这相对固定的距离，这样，前后车的连接不必使用刚性连接，使用软性连接即可。同时，车体间相对距离固定，有助于及时进行车体间的调节，可以在一定程度上减小车体碰撞的风险。

图7为车组多车协调作业示意图。在直线行进时，多车组的行走轨迹如图中虚线所示，因设定的人工标示物为左右巷道壁对称布置，故采取中线最优轨迹的行走方式有利于车体在巷道内的作业及姿态调整，同时也有利于摄像机对人工标示物的识别。图7.a为车组直线行走时的示意图，头车沿着进过计算产生的最优轨迹，即中线轨迹行进，轨迹信息上传至总线系统，并经过Δt的延时后，被后车车载处理器下载，经过处理后传化为相应的信号，执行机构接收信号，进而控制车体沿着制定的轨迹运动，从而达到协调作业的目的；而图7.b为车组转弯时的协调行走示意图，如图中所示，当转直角弯时，车体的转弯轨迹为一个与直行轨迹相切的圆弧，转弯半径为R，单车的转向方式可以为分段转向方式或全路段八字转向方式，前车分段转向，为半八字转向、八字转向及中心回转的组合式转向方式，而后者则只采用八字转向方式，采用八字转向时转向中心与转弯半径中心的关系如图8所示，当车体的转弯半径与转向半径满足特定关系后，车体才能顺利过弯，而车体转弯半径的轨迹是有头车经过图像识别处理后，处理器计算而来的精确最优轨迹，各车体接收这一轨迹后经过处理并分析，控制各车体的转向，同时也达到了多车组协调转向的目的。

所述多车组协调作业的控制思想，可以应用于单人驾驶动力原车、无人遥控驾驶动力原车及无人自动驾驶等。通过改变车载控制器的控制策略，可以完成多种任务。由于所述发明的控制思想是基于车载控制器间的信息传输，而不是利用单车之间的固定连接而定位的，故所述发明在实际应该中可以只在车体间进行软连接，即不需要使用刚性杆件等物体连接车体，车体的位姿控制完全通过轨迹信息来决定，这样不仅使得整个车组的控制性更加可靠，而且也增加了车组的单车个数，从而进一步提高了设备的转场效率。

该发明可以实现井下无轨轮式液压载重车的多车组协调运行，应用该发明可以很好的在煤矿等矿井下实施液压载重车的运输作业。该发明可以根据现场实际工作情况，灵活的调整人工标示物的摆放位置，从而增加了该发明的适用范围。开放式的设计可以将多车组串联为整体，根据系统本身的程序实现多车组的协同作业，因此该发明有很好的实用价值。而所述控制策略可以根据实际工况，在改动系统程序后应用于普通液压平板车多车组协同作业，亦可以实现普通平板车多车组有人驾驶、人工遥控驾驶乃至无人驾驶，从而提高设备的利用率。因此，该发明在工业领域有很广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法，其特征是：将识别摄像机安放于动车组头车的前部，在动车组的每个车体上安装有车载处理器，所有车载处理器与CAN总线系统连接，人工将发光标示物安放于矿井巷道壁上，摄像机对巷道壁上的标示物进行识别；头车车载处理器收集摄像机对标示物的识别信号以及车体姿态信息并计算出相应的最优化运行轨迹，由头车执行机构处理轨迹信息，并控制头车车体沿着最优轨迹运行，同时轨迹信息延时上传至CAN总线系统，后续车辆的车载处理器从CAN总线系统中下载头车的轨迹信息，并运算跟踪前车运动轨迹所需的几何参数，进而确定本车的运动轨迹，且在循迹运动的过程中两车的距离保持一定；后续车辆处理器处理该信息并控制执行机构执行动作，循迹运行；与此同时，后续车辆处理器经过运行后，以延时信号的方式将轨迹信息传递给下一车的车载处理器，下一车的车载处理器根据此信息进行轨迹调整，以此类推，最终达到动车组各车间协调作业的目的。

2.根据权利要求1所述的巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法，其特征是：所述人工发光标示物所发射的光线为固定频率及波长的光线。

3.根据权利要求2所述的巷道无轨式液压载重车的协调直行、转向控制方法，其特征是：所述摄像机只能识别人工发光标示物发出的固定频率及波长的光线。