CN110675016B - 一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度系统及充电方法 - Google Patents

一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度系统及充电方法 Download PDF

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Abstract

本专利公开了一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法，所述方法采用一种服务于矿车无人驾驶运输系统的云智能调度充电系统实现，所述系统基于端边云架构进行构建，包括：智能驾驶终端，智能路侧系统，无线充电系统和智能云平台；其中，“端”架构指的是智能驾驶终端，“边”架构指的是智能路侧系统和无线充电系统，“云”架构指的是智能云平台；通过上述技术方案，降低矿车无人驾驶运输系统中矿车的充电难度，提高了矿车充电效率。

Description

一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度系 统及充电方法
技术领域
本发明属于矿车无人驾驶运输系统、云智能计算以及车辆调度领域，尤其涉及一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法。
背景技术
随着自动驾驶技术、电动汽车以及云智能平台的发展，可充电式自动驾驶车辆已成为一种新型的载运工具，可为新一代的矿区运输作业提供更好的保障。运用于矿区运输的可充电式自动驾驶车辆面临着封闭式的工作环境，车辆行驶路段固定，这为车辆的全自动驾驶提供了条件。矿车无人驾驶运输系统可以实现矿区的全天候自动化矿物运输，在这一背景下，矿车的及时快速充电成为了实现矿车持续运输、矿场全天候生产所需解决的关键问题。
目前市面上最常见的电动汽车充电技术是电动桩充电。然而对于矿车无人驾驶运输系统，充电桩充电不太适用。原因有两点：(1)现有的充电桩充电操作过程繁琐，动作难度大，对于国内目前的自动驾驶技术而言，实现成本较高，难度较大，实用性较差。(2)充电桩充电需要对充电桩的数量，布局等问题进行研究，且需要考虑该充电条件下可能带来的排队问题。使得车辆充电问题复杂化，同时使得矿区改造成本过高。
针对以上一系列问题，本发明提出了一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的技术方案包括：
一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电系统。，其特征在于，所述系统基于端边云架构进行构建，包括：智能驾驶终端，智能路侧系统，无线充电系统和智能云平台；其中，“端”架构指的是智能驾驶终端，“边”架构指的是智能路侧系统和无线充电系统，“云”架构指的是智能云平台；
所述智能驾驶终端由可充电式矿车及执行矿车自动驾驶操作的可拆卸式驾驶机器人两部分组成；所述可充电式矿车包括车载电量管理模块和车载通信模块；所述矿车车载电量管理模块负责对矿车的所处状态进行实时监控，监控内容包括电量管理模块采集矿车实时运行状态、位置信息和路面状况，包括矿车在矿场内的实时位置P，矿车实时电量E，矿车实时车速V，矿车载货状态S，矿车载货重量W，路面状况Q；并将采集的信息及时上传给区域内的智能路侧系统；所述可拆卸式驾驶机器人安装在矿车上，对矿车的行为进行控制，同时与矿车车载通信模块进行实时通信，完成矿车运行指令的下发和矿车行驶状态数据的接收；
所述，矿车车载通信模块通过信息传输联通驾驶机器人与智能路侧系统，负责向驾驶机器人和智能路侧系统中的路侧单元发送信息，同时接收两者传送回来的指令；
所述智能路侧系统由若干的路侧通信设备，包括路侧单元和基站，组成，路侧单元分布在矿场装货区、矿场卸货区、充电区和道路两旁，通过移动通信技术进行通信。负责接收矿车车载通信模块和智能云平台发送的信息和数据，同时也向车载通信模块和云平台上传数据和信息；
所述无线充电系统于电磁感应通过无线充电的方式对矿车进行充电，预先将充电设备埋在充电区域的地面下，当矿车到达充电区域后，充电设备产生的电磁波将自动为矿车进行充电，所述无线充电系统的能量来源包括太阳能，利用太阳能对电网进行供电；同时矿场的矿车充电网络与当地的火力发电供电网络相连，发电网络通过整合太阳能与化石能对矿车进行充电；所述无线充电系统包括两个充电区域，在矿车平时停放的车辆维修区域建造一个主充电区，负责常规情况下的矿车充电；在矿车运输路程的中间区域建造辅助充电区，实现矿车的应急充电，来应对恶劣天气带来的矿车行驶过程电量下降过快的情况；
智能云平台，负责接收路侧单元上传的矿车数据信息；同时负责调度矿车到相应的电场进行充电；云平台根据得到的矿车数据对矿车是否需要充电做出判断，并下达充电调度命令，其包括
常规情况下的充电调度，云平台通过车辆的电量、行驶速度、路面状况、载货状态及载货重量，5个参数，根据能量损耗方程计算出车辆实际剩余行驶时间。云平台实时计算各个车辆的空载剩余行驶时间与满载剩余行驶时间；云平台根据充电阈值行驶时间Tt判断是否召回车辆到主充电区进行充电；充电阈值行驶时间Tt包括两个：①从卸货区出发，空车往返时间TtEMPT；②空车从卸货区出发到达装载区，满载后再从装货区返程，再次到达卸货区的行驶时间TtFULL。
以及恶劣天气时的充电调度，当矿车出现需要及时充电的情况，云平台将调度矿车到辅助充电场进行充电。
此外本专利还提供了，一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度充电方法，其特征在于，所述方法采用如上所述的系统完成。
本发明的优点在于：
(1)降低矿车无人驾驶运输系统中矿车的充电难度，提高了矿车充电效率。本发明提出的一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法，依托于端边云架构和无线充电技术对矿区的可充电式自动驾驶矿车进行充电，充电过程简单、操作难度低，适应于当下国内的自动驾驶技术。
(2)提高矿区的货物运输效率，提高矿区生产时长。本发明提出的一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法，通过智能云平台对矿车充电行为进行调度，可保证矿车的正常工作；通过主充电区域和辅助充电区域的设计，满足矿车在常规天气与恶劣天气下的充电需求；进而保证矿区全天候的生产运输需求，增加了生产时长，同时有效避免了人工运输产生的事故，提高了矿区的货物运输效率。
附图说明
图1为本发明中的智能驾驶终端示意图。
图2为本发明提出的一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度系统的架构示意图。
图3为本发明提出的一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法中数据信息在系统各模块间的传递过程图。
具体实施方式
下面将结合具体实例及附图对本发明提出的一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法作进一步说明。
本实施具体实施方式是首先提供一种服务于矿车无人驾驶运输系统的云智能调度充电系统，整个系统基于端边云架构进行构建，包括：智能驾驶终端，智能路侧系统，无线充电系统和智能云平台；“端”架构指的是智能驾驶终端，“边”架构指的是智能路侧系统和无线充电系统，“云”架构指的是智能云平台。其中智能驾驶终端由可充电式矿车及执行矿车自动驾驶操作的可拆卸式驾驶机器人两部分组成；快速充电的实现需要矿车具备如下模块：车载电量管理模块和车载通信模块。
1.矿车车载电量管理模块
矿车车载电量管理模块负责对矿车的所处状态(包括电量)进行实时监控，具体内容如下：
(1)电量管理模块采集矿车实时运行状态、位置信息和路面状况，包括矿车在矿场内的实时位置P，矿车实时电量E，矿车实时车速V，矿车载货状态S，矿车载货重量W，路面状况Q。
(2)电量管理终端将采集的信息及时上传给区域内的智能路侧系统。
2.可拆卸式驾驶机器人
将可拆卸式驾驶机器人安装在矿车上，实现矿车的自动驾驶。可拆卸式驾驶机器人技术不在本发明的技术范围内。可拆卸式驾驶机器人完成的具体内容如下：
可拆卸式驾驶机器人负责对矿车的行为进行控制，保证矿车可以在矿区正常行驶。同时与矿车车载通信模块进行实时通信，完成矿车运行指令的下发和矿车行驶状态数据的接收。
3.矿车车载通信模块
矿车车载通信模块通过信息传输联通驾驶机器人与智能路侧系统，负责向驾驶机器人和智能路侧系统中的路侧单元发送信息，同时接收两者传送回来的指令。
4.智能路侧系统
智能路侧系统基于车辆自动驾驶控制系统的路基辅助系统，路基辅助系统不在本发明的技术范围内。智能路侧系统具体内容如下：
智能路侧系统由若干的路侧通信设备(包括路侧单元和基站)组成，路侧单元分布在矿场装货区、矿场卸货区、充电区和道路两旁，通过移动通信技术进行通信。负责接收矿车车载通信模块和智能云平台发送的信息和数据，同时也向车载通信模块和云平台上传数据和信息。
5.无线充电系统
无线充电系统基于电磁感应通过无线充电的方式对矿车进行充电，预先将充电设备埋在充电区域的地面下，当矿车到达充电区域后，充电设备产生的电磁波将自动为矿车进行充电。
无线充电系统的组成：
无线充电系统的能量来源有两种：太阳能和化石能源。矿场一般位于高山空旷地域，同时具有空气稀薄的环境特点。根据矿场的地域和环境特点在矿场周边可以布置相应的太阳能发电装置，利用太阳能对电网进行供电。同时矿场的矿车充电网络与当地的火力发电供电网络相连，发电网络通过整合太阳能与化石能对矿车进行充电。
无线充电系统包括两个充电区域。在矿车平时停放的车辆维修区域，建造一个主充电区，负责常规情况下的矿车充电。在矿车运输路程的中间区域建造辅助充电区，实现矿车的应急充电，来应对恶劣天气带来的矿车行驶过程电量下降过快的情况。
6.智能云平台
智能云平台负责接收路侧单元上传的矿车数据信息，包括矿车的位置P，矿车实时电量E，矿车实时车速V，矿车载货状态S，矿车载货重量W，路面状况Q。同时云平台负责调度矿车到相应的电场进行充电。具体内容包括，云平台根据得到的矿车数据对矿车是否需要充电做出判断，并下达充电调度命令。
(1)常规情况下的充电调度
云平台通过车辆的电量、行驶速度、路面状况、载货状态及载货重量，5个参数，根据能量损耗方程计算出车辆实际剩余行驶时间。云平台实时计算各个车辆的空载剩余行驶时间与满载剩余行驶时间。云平台根据充电阈值行驶时间Tt判断是否召回车辆到主充电区进行充电。充电阈值行驶时间Tt包括两个：①从卸货区出发，空车往返时间TtEMPT；②空车从卸货区出发到达装载区，满载后再从装货区返程，再次到达卸货区的行驶时间TtFULL。
(2)恶劣天气时的充电调度
恶劣天气会对大大降低矿车的电量使用时间。如在低温、下过雨后路面泥泞的情况下，行驶相同的路程矿车的耗能和耗时增加；在这种情况下，充电阈值时间难以准确计算。此时常规的矿车充电调度有时不能满足矿车的充电的需求。当矿车出现需要及时充电的情况，云平台将调度矿车到辅助充电场进行充电。
如图2所示，本发明提出的种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度与充电方法中的系统架构包括：智能驾驶终端，智能路侧系统，无线充电系统和智能云平台。对各个部分的组成进行详细介绍：①智能驾驶终端包括可拆卸式驾驶机器人和矿车，如图1所示；其中，每个矿车上装载有车载电量管理模块和车载通信模块。②智能路侧系统由路侧通信单元(简称路侧单元)和基站组成。③无线充电系统由一个主充电区和两个辅助充电区组成。④智能云平台包括计算中心和数据中心。图3展示了系统中数据与信息在系统各模块间的传递过程。实现该系统的具体操作方法如下：
1.矿车车载电量管理模块和车载通信模块采集并传送数据
矿车车载电量管理模块负责对矿车所处的状态进行实时监控，并将监控得到的数据发送车载通信模块，再由通信模块将数据传送给周围的路侧单元。具体过程为：矿车车载电量管理模块采集自己所属矿车在矿场内的实时位置Pi，矿车实时电量Ei，矿车实时车速Vi，矿车载货状态Si，矿车载货重量Wi，路面状况Q。其中i代表矿车的编号。随后，矿车车载电量管理模块对采集的数据进行整理，再通过矿车内部网络将数据发送给车载通信模块，最后通信模块通过移动网络将整理后的数据传送给周围的路侧通信单元。
2.矿场路侧通信系统实现数据交互
矿场路侧通信系统由若干的路侧通信设备(路侧单元和基站)组成，路侧通信设备分布在矿场装货区、矿场卸货区、充电区和道路两旁，通过移动网络进行通信。路侧通信系统负责接收矿车车载通信模块和智能云平台发送的信息，同时也向车载通信模块和智能云平台发送信息。
当路侧单元接收到矿车i发送过来的数据(与矿车i有关的Pi、Ei、Vi、Si、Wi、Q)后，将数据发送给基站，然后数据经由基站传送给云平台；云平台对数据进行处理，从而判断矿车i是否需要充电。若需要充电，云平台将生成相应的调度指令，然后将指令经由基站下发给路侧单元，路侧单元再将指令传送给矿车i的车载通信模块；最终车载通信模块将指令发送给可拆卸式驾驶机器人，完成下一步矿车i充电调度行为的数据传输的工作。3.智能云平台生成矿车的充电调度指令
云平台负责接收矿场路侧通信系统上传的矿车状态数据，包括每个矿车的位置Pi，矿车实时电量Ei，矿车实时车速Vi，矿车载货状态Si，矿车载货重量Wi，路面状况Q。云平台的数据中心对收集到的数据进行存储，同时计算中心对数据进行计算处理，从而生成每辆矿车的充电调度指令。云平台对矿车的充电调度分为常规天气情况下调度和恶劣天气情况下调度两种。
(1)常规情况下的充电调度
1)计算车辆的剩余里程和剩余行驶时间
云平台由车辆i的电量Ei、行驶速度Vi、载货状态Si、载货重量Wi、路面状况Q，5个参数，根据能量损耗方程计算出车辆剩余里程和剩余行驶时间。能量损耗方程如下：
Figure GDA0002294690550000051
如上所示，能量损耗方程是一个组合方程。式中，Srange代表剩余里程(单位:km)；Ebat代表电池在未来工况下的剩余可用能量(单位:kWh)；eavg代表电动汽车未来一段路程的平均能耗(单位：kWh/100km)；W0代表矿车自身重量；Wi代表矿车上装载货物的重量；tleft代表矿车剩余行驶时间。在本发明中，Ebat等于Ei；eavg通过经验方程F(Vi,Si,W0+Wi,Q)得到，该经验方程与车辆行驶速度Vi、载货状态Si及车重(W0+Wi)、路面状况Q有关，根据仿真实验得到(仿真实验的设计不在本发明中)。其中Si有两种值，Si＝0，表示矿车没有载货；Si＝1，表示矿车载货。
假设实际运行时eavg的经验方程F(Vi,Si,W0+Wi,Q)已通过仿真实验得到，将车辆行驶速度Vi、载货状态Si及车重(W0+Wi)、路面状况Q的数值带入经验方程F(Vi,Si,W0+Wi,Q)中，可得到eavg的数值；将Ebat(或Ei)和eavg带入
Figure GDA0002294690550000061
将得到Srange的数值；将Srange带入tleft＝Srange/Vi中，可得到矿车剩余行驶时间tleft的数值。
2)计算车辆阈值行驶时间
车辆阈值行驶时间Tt包括两个，分别为空载阈值行驶时间TtEMPT和满载阈值行驶时间TtFULL：①从卸货区出发，空车往返(从卸货区到装载区，再由装载区到卸货区)时间TtEMPT；②空车从卸货区出发，满载后从装货区返程，最终到达卸货区的行驶时间TtFULL。TtEMPT和TtFULL通过经验得到，同一型号的矿车在不同剩余电量Ei的情况下，对应的TtEMPT与TtFULL不同。在实际矿车运输作业中，可以得到Ei与TtEMPT和TtFULL的对应关系，因而只需知道Ei就能得到TtEMPT和TtFULL的经验值。根据上面可知，TtEMPT与TtFULL不是唯一的值，而是一组值。
3)判断是否需要对车辆i进行充电调度
对车辆i充电调度的判断通过下面的算法实现：
当车辆到达卸货区时，对车辆的剩余行驶时间tleft与满载阈值行驶时间TtFULL进行比较。
①IF:tleft＝TtFULL；
②THEN:生成车辆i前往主充电区进行充电的调度指令；
③ELSE IF:tleft>TtFULL；
④THEN:不会生成车辆i前往主充电区充电的调度指令，车辆i接着进行运输工作——往返卸货区与往装货区进行装货；
⑤重复进行①②③④步骤，不断更新车辆充电调度指令。
(2)恶劣天气时的充电调度
恶劣天气会对大大降低矿车的电量使用时间。如在低温、下过雨后路面泥泞的情况下，行驶相同的路程矿车的耗能和耗时增加；在这种情况下，充电阈值时间难以准确计算。此时常规的矿车充电调度有时不能满足矿车的充电的需求。当矿车出现需要及时充电的情况，云平台将调度矿车到距离其最近的辅助充电区进行充电。辅助充电区一个设置在装货区附件，一个设置在道路的中央。可行性高的做法是，恶劣天气条件且矿车在载货区电量较低时，在载货区附近的辅助充电区进行应急充电。
当车辆i的充电调度指令生成后，云平台通过基站将指令传送给路侧单元；路侧单元负责将指令发送给车辆i的车载通信模块。
4.可拆卸驾驶机器人负责矿车行驶动作与轨迹的控制
可拆卸驾驶机器人是外接式的辅助自动驾驶装置。将驾驶机器人安装在普通矿车的驾驶员位置，同时为矿车安装相应的传感器组件，变可实现矿车的无人驾驶。在该系统中，可拆卸驾驶机器人负责对矿车的驾驶行为进行控制；根据提前输入的任务指令，为矿车规划行驶路线；在驾驶过程中通过辨别路况(如障碍物等)，做出相应的驾驶动作，最终保证矿车在矿区的正常行驶，以及运输任务的完成。
此外驾驶机器人负责处理矿车车载通信模块所接收到的信息，进而执行由云平台所发布的统一充电调度安排。当矿车i的驾驶机器人接收到路侧单元经由车载通信模块发送的充电调度指令后，将根据指令生成自身的动作命令，从而控制矿车i前往相应的充电区域进行充电。
5.无线充电系统
如图2所示，车辆维修区中的主充电区和路旁的辅助充电区构成了本发明中的无线充电系统。
无线充电系统以太阳能发电和火力发电为能量来源。矿场一般位于高山空旷的地域，具有空气稀薄的地域特点。根据矿场的地域特点在矿场周边布置相应的太阳能发电装置，利用太阳能对电网进行供电。同时矿场的矿车充电网络与当地的火力发电供电网络相连，发电网络通过整合太阳能与化石燃烧的热能对矿车进行充电。充电系统的充电设备埋在充电区域(主充电区和辅助充电区)的地面下，当矿车到达充电区域后，充电设备产生的电磁波将自动为矿车进行充电。

Claims (2)

1.一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度系统，其特征在于，所述系统包括：智能驾驶终端，智能路侧系统，无线充电系统和智能云平台；其中，“端”架构指的是智能驾驶终端，“边”架构指的是智能路侧系统和无线充电系统，“云”架构指的是智能云平台；
所述智能驾驶终端由可充电式矿车及执行矿车自动驾驶操作的可拆卸式驾驶机器人两部分组成；所述可充电式矿车包括车载电量管理模块和车载通信模块；所述矿车车载电量管理模块负责对矿车的所处状态进行实时监控，监控内容包括电量管理模块采集矿车实时运行状态、位置信息和路面状况，包括矿车在矿场内的实时位置P，矿车实时电量E，矿车实时车速V，矿车载货状态S，矿车载货重量W，路面状况Q；并将采集的信息及时上传给区域内的智能路侧系统；所述可拆卸式驾驶机器人安装在矿车上，对矿车的行为进行控制，同时与矿车车载通信模块进行实时通信，完成矿车运行指令的下发和矿车行驶状态数据的接收；
所述矿车车载通信模块通过信息传输联通驾驶机器人与智能路侧系统，负责向驾驶机器人和智能路侧系统中的路侧单元发送信息，同时接收两者传送回来的指令；
所述智能路侧系统由若干的路侧通信设备组成，包括路侧单元和基站，路侧单元分布在矿场装货区、矿场卸货区、充电区和道路两旁，通过移动通信技术进行通信，负责接收矿车车载通信模块和智能云平台发送的信息和数据，同时也向车载通信模块和云平台上传数据和信息；
所述无线充电系统基于电磁感应通过无线充电的方式对矿车进行充电，预先将充电设备埋在充电区域的地面下，当矿车到达充电区域后，充电设备产生的电磁波将自动为矿车进行充电，所述无线充电系统的能量来源包括太阳能，利用太阳能对电网进行供电；同时矿场的矿车充电网络与当地的火力发电供电网络相连，发电网络通过整合太阳能与化石能对矿车进行充电；所述无线充电系统包括两个充电区域，在矿车平时停放的车辆维修区域建造一个主充电区，负责常规情况下的矿车充电；在矿车运输路程的中间区域建造辅助充电区，实现矿车的应急充电，来应对恶劣天气带来的矿车行驶过程电量下降过快的情况；
智能云平台，负责接收路侧单元上传的矿车数据信息；同时负责调度矿车到相应的充电区进行充电；云平台根据得到的矿车数据对矿车是否需要充电做出判断，并下达充电调度命令，其包括：
常规情况下的充电调度，云平台通过车辆i的电量Ei、行驶速度Vi、路面状况Q、载货状态Si及载货重量Wi，5个参数，根据能量损耗方程计算出车辆实际剩余行驶时间，能量损耗方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，Srange代表剩余里程，单位为km；Ebat 代表电池在未来工况下的剩余可用能量，单位为kWh；eavg代表电动汽车未来一段路程的平均能耗，单位为kWh/100km；W0代表矿车自身重量；Wi代表矿车上装载货物的重量；tleft 代表矿车剩余行驶时间；其中，Ebat等于Ei；eavg通过经验方程 F(Vi,Si,W0+Wi,Q)得到，该经验方程与车辆行驶速度Vi、载货状态Si及车重(W0+Wi)、路面状况Q有关，根据仿真实验得到；其中Si有两种值，Si＝0，表示矿车没有载货；Si＝1，表示矿车载货；将Ebat和eavg带入
Figure DEST_PATH_IMAGE004
中，将得到Srange的数值；将Srange带入tleft＝Srange/Vi中，得到矿车剩余行驶时间tleft的数值；
云平台实时计算各个车辆的空载剩余行驶时间与满载剩余行驶时间；云平台根据充电阈值行驶时间Tt判断是否召回车辆到主充电区进行充电；充电阈值行驶时间Tt包括两个：①从卸货区出发，空车往返时间TtEMPT；②空车从卸货区出发到达装载区，满载后再从装货区返程，再次到达卸货区的行驶时间TtFULL；
以及恶劣天气时的充电调度，当矿车出现需要及时充电的情况，云平台将调度矿车到辅助充电区进行充电。
2.一种基于端边云架构的矿车无人驾驶运输系统云智能调度充电方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述的系统完成。
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