CN110758416B - 无人驾驶矿车档位限制的控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人驾驶矿车档位限制的控制系统及控制方法，上述控制系统包括：自动变速箱控制单元、第一转速传感器、发动机管理系统、整车控制器、电子制动系统、第二转速传感器、智能驾驶控制器、决策与规划系统、感知与定位系统。本发明通过第一、第二转速传感器和发动机管理系统等的信息反馈，在无人驾驶矿车在作业行驶过程中对矿车状态进行实时监测，根据车辆状态和行驶场景或者行驶工况对矿车最高档位进行实时的限制控制，能够保证车辆正常行驶的前提下，提升无人驾驶矿车行驶的安全性能，适应矿区复杂恶劣的行驶环境以及矿车空载重载行驶的差异，避免一定的行驶安全隐患，提升矿车无人驾驶系统的安全冗余度。

Description

无人驾驶矿车档位限制的控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于无人驾驶的智能控制技术领域，特别涉及一种无人驾驶矿车档位限制的控制系统及控制方法。
背景技术
无人驾驶的关键技术涉及到环境感知，高精定位，决策规划，执行控制等众多的技术领域，其中车辆运动控制作为智能驾驶车辆系统的车端执行层，直接关系着智能驾驶功能的最终实现。车辆运动控制是执行控制中最核心的部分，一般分为车辆纵向控制和横向控制。纵向控制主要控制车辆的油门开度(电子节气门开度)和制动程度实现车辆的加速和减速，从而控制车辆的车速，以保证车辆的稳定，安全，舒适行驶。
在矿车实际行驶过程中，为了更好跟随期望加速度并且保证车辆发动机的工作平稳，往往会伴随着档位的切换，如发动机转速和车速上升而进行升档，发动机转速和车速下降会进行降档。但是在一些工况下，可能需要对档位进行限制避免档位过高而获得更大的驱动力矩。比如，通过设置一定的车速和发动机转速阈值，在需要进行档位限制的时候，直接将发送给档位控制器(Transmission Control Unit，简称TCU)的车速和发动机转速信号值上限设定为所设置的阈值，从而实现限档控制。
已有技术方案中，其主要针对的有人驾驶的车辆，直接通过设定单一阈值上限的方式具有一定的局限性，设定的阈值可能不能满足多样的档位上限限制情况，同时档位限制功能需要加入手动开关进行控制，对于无人驾驶车辆来说可行性欠缺。对于无人驾驶而言，需要根据实时的车辆状态和路况信息，对车辆的档位进行实时的控制，故其档位的限制具有一定的不确定性和多样性，特别是无人驾驶矿车，由于其工作环境比较恶劣，并且运载矿车重载和空载也存在差别，因此对档位限制的控制也提出的更高的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种无人驾驶矿车档位限制的控制系统及控制方法，对无人驾驶矿车在作业行驶过程中的档位进行实时的限制控制，能够保证车辆正常行驶的前提下，提升无人驾驶矿车行驶的安全性能，避免一定的安全隐患，提升无人驾驶系统的安全允余度。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种无人驾驶矿车档位限制的控制系统，包括：自动变速箱控制单元、发动机管理系统、整车控制器、智能驾驶控制器、决策与规划系统、感知与定位系统；其中，
所述自动变速箱控制单元用于进行换档控制和档位限制控制，同时反馈当前车速和当前档位给所述整车控制器；
所述发动机管理系统用于反馈当前发动机转速给所述整车控制器；
所述整车控制器用于将车端数据信息反馈给所述智能驾驶控制器，并将所述智能驾驶控制器生成的档位限档指令发送给所述自动变速箱控制单元；所述车端数据信息包括所述当前车速、当前档位和当前发动机转速；
所述智能驾驶控制器用于根据所述车端数据信息、所述决策与规划系统反馈的车辆期望运行轨迹以及所述感知与定位系统反馈的车辆环境状态信息，计算所述档位限制指令并发送给所述整车控制器；并且，所述智能驾驶控制器还将所述车端数据信息发送给所述决策与规划系统；
所述决策与规划系统用于根据所述车端数据信息和所述感知与定位系统反馈的车辆环境状态信息生成车辆期望运行轨迹并将其发送给所述智能驾驶控制器；
所述感知与定位系统用于感知车辆的周围环境和车辆的定位信息，并将其发送给所述决策与规划系统、智能驾驶控制器。
在本发明的某些实施例中，所述控制系统还包括第一转速传感器，其用于采集变速箱输出轴的转速，并反馈给所述自动变速箱控制单元用以计算当前车速和当前档位。
在本发明的某些实施例中，所述控制系统还包括第二转速传感器和电子制动系统，所述第二转速传感器用来采集车轮轮速，所述电子制动系统用于根据所述车轮轮速计算并反馈EBS车速以及各个车轮轮速给所述整车控制器，所述EBS车速以及各个车轮轮速作为车端数据信息的一部分。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种利用如上所述的无人驾驶矿车档位限制的控制系统的控制方法，其包括以下步骤：
制定车辆限档策略；
当满足限档情形时，进行限档控制，所述限档情形包括特殊场景、特殊路况、特殊工况；
在所述特殊场景、特殊路况、特殊工况三种情形之外的情形下，进行默认状态档位限制。
在本发明的某些实施例中，进行档位限制时，对车辆的最高档位进行限制；
制定车辆限档策略时，根据不同的档位设定对应的车速阈值，分别为1档对应阈值V1，2档对应阈值V2，3档对应阈值V3；所述限档策略如下：
(1)当前车速小于等于V1，且当前档位为1档时，限制1档；
(2)当前车速小于等于V2，且当前档位为1档或者2档时，限制2档；
(3)当前车速小于等于V3，且当前档位为1、2、3档时，限制3档。
在本发明的某些实施例中，特殊场景下的限档控制包括以下步骤：
车辆即将进入低速行驶区内时，提前进行减速行驶；
车辆进入低速行驶区后，限档控制激活；
设定最高档位上限位M档，M大于等于1，小于等于3；
根据车辆限档策略进行限档控制。
在本发明的某些实施例中，特殊路况下的限档控制包括以下步骤：
识别车辆当前是否处于大的下坡或者上坡路况中；
设定最高档位上限位M档，M大于等于1，小于等于3；
根据车辆限档策略进行限档控制。
在本发明的某些实施例中，特殊工况下的限档控制包括以下步骤：
检测到当前车辆处于特殊工况中；
设定最高档位上限位M档，M大于等于1，小于等于3；
根据车辆限档策略进行限档控制。
在本发明的某些实施例中，默认状态档位限制包括以下步骤：
根据所述决策与规划系统下发的车辆期望运行轨迹，识别在前进档位行驶状态下，当前期望加速度是否小于零；
如果第一步中期望加速度小于零，则启动档位限制控制；
根据车辆限档策略进行限档控制。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明无人驾驶矿车档位限制的控制系统及控制方法至少具有以下有益效果：本发明对无人驾驶矿车在作业行驶过程中车辆的状态进行实时监测，通过既定的策略对车辆的行驶档位进行限制控制，能够保证车辆正常行驶的前提下，提升无人驾驶矿车行驶的安全性能，适应矿区复杂恶劣的行驶环境以及矿车空载重载行驶的差异，避免一定的行驶安全隐患，提升矿车无人驾驶系统的安全冗余度。
附图说明
图1为本发明实施例无人驾驶矿车档位限制的控制系统的组成示意图。
图2为本发明实施例无人驾驶矿车档位限制的控制方法的步骤图。
图3为本发明实施例无人驾驶矿车档位限制的控制方法的流程图。
图4为本发明实施例矿车作业区划分示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
在本发明实施例中，提供了一种无人驾驶矿车档位限制的控制系统。如图1所示，本发明无人驾驶矿车档位限制的控制系统包括：自动变速箱控制单元(TCU)、发动机管理系统(EMS)、整车控制器(VCU)、智能驾驶控制器(ADCU)、决策与规划系统、感知与定位系统。
自动变速箱控制单元TCU用于进行换档控制和档位限制控制，同时反馈当前车速和当前档位给整车控制器VCU。
发动机管理系统EMS用于反馈当前的发动机转速给整车控制器VCU。
整车控制器VCU，作为车端控制的集成单元，整合车端数据信息反馈给智能驾驶控制器ADCU，并将智能驾驶控制器ADCU生成的档位限档指令等控制指令分发给相应的自动变速箱控制单元TCU等各个子控制器。比如，整车控制器VCU将当前的车速、档位以及发动机转速等信息反馈给智能驾驶控制器ADCU。
智能驾驶控制器ADCU，作为智能驾驶计算和控制中心，根据整车控制器VCU反馈的车端数据信息(即车辆状态数据，包括当前的车速、档位以及发动机转速)、决策与规划系统反馈的车辆期望运行轨迹以及感知与定位系统反馈的车辆环境状态信息，计算智能驾驶的控制指令集(包括档位限制指令)并发送给整车控制器VCU；并且，智能驾驶控制器ADCU还将车端数据信息发送给决策与规划系统。
决策与规划系统用于根据车端数据信息和感知与定位系统反馈的车辆环境状态信息生成车辆期望运行轨迹并将其发送给智能驾驶控制器ADCU。
感知与定位系统用于感知车辆的周围环境和车辆的高精度定位信息，并将其发送给决策与规划系统、智能驾驶控制器ADCU。
在本发明实施例中，无人驾驶矿车档位限制的控制系统还包括第一转速传感器，其功能是采集变速箱输出轴的转速，并反馈给自动变速箱控制单元TCU用以计算当前车速和当前档位。
在本发明实施例中，无人驾驶矿车档位限制的控制系统还包括第二转速传感器和电子制动系统EBS，第二转速传感器用来采集车轮轮速，电子制动系统EBS的功能是根据第二转速传感器采集的车轮轮速计算并反馈EBS车速以及各个车轮轮速给整车控制器VCU。EBS车速以及各个车轮轮速作为车端数据信息的一部分，也就是说，车端数据信息，即车辆状态数据除了包括当前的车速、档位以及发动机转速，还包括EBS车速以及各个车轮轮速。
在本发明实施例中，提供了一种无人驾驶矿车档位限制的控制方法，如图2所示，其包括以下步骤流程：
S1、制定车辆限档策略；
S2、在特殊场景下进行限档控制；
S3、在特殊路况下进行限档控制；
S4、在特殊工况下进行限档控制；
S5、在除了步骤S2-S4所述的三种情形之外，进行默认状态档位限制。
如图3所示，无人驾驶矿车档位限制的控制流程如下：
车辆运行；
车辆限档策略制定；
判断车辆是否在特殊场景同时满足限档条件，若是，则进行限档控制；若否，则进入下一步骤；
判断车辆是否在特殊路况同时满足限档条件，若是，则进行限档控制；若否，则进入下一步骤；
判断车辆是否在特殊工况同时满足限档条件，若是，则进行限档控制；若否，则进行默认状态档位限制。
下面对每个步骤进行详细介绍。
步骤S1：车辆限档策略制定
档位切换的执行通过自动变速箱控制单元TCU控制变速箱换档执行机构实现，矿车一般采用的是多档AMT(Automated Mechanical Transmission)自动变速箱，TCU可以直接发送相应的限档指令。在正常行驶过程中，ADCU会根据VCU反馈的车辆状态数据和决策与规划系统下发的车辆期望运行轨迹，实时监测车辆运行，计算当前车辆允许的最高档位实时发送给TCU(如6档AMT，则发送的最高档位可以是：1档、2档、3档、4档、5档和6档)。值得注意的是，限档一般来说只是针对前进档来说的，一般的变速箱只有前进档有不同的档位，倒档一般只有一个档位，故无需限档控制。
限档控制主要针对在一些特殊的情形下限制车辆前进档的最高档位。本发明中对于限档的情形主要分为以下三类：
(1)特殊场景；
(2)特殊路况；
(3)特殊工况。
在以上三类情形下，通过既定的限档策略对车辆的最高档位进行限制。主要的限档策略为：根据不同的档位设定一系列车速阈值，如1档对应阈值V1，2档对应阈值V2，同理3档对应有阈值V3。一般对于6档AMT变速箱来说，4挡、5档和6档属于高档，不属于限制范围内，即限档只会限制在3档以下。不同档位车速阈值V1、V2和V3的设定根据具体的车辆变速箱换档策略而定，其范围自定义，大于零即可。
如果满足上述三种限档情形，此时限档策略如下：
(1)当前车速小于等于V1，且当前档位为1档时，限制1档；
(2)当前车速小于等于V2，且当前档位为1档或者2档时，限制2档；
(3)当前车速小于等于V3，且当前档位为1、2、3档时，限制3档。
需要说明的是，这里的车速可以是自动变速箱控制单元TCU反馈的车速，也可以是EBS车速，按照一定的车速仲裁逻辑使用，仲裁逻辑根据实际标定情况确定，例如在车速小于2Km/h的时候使用TCU反馈的车速，在车速大于等于2Km/h的时候使用EBS反馈的EBS车速。需要注意的是同一时刻只会使用一个车速。
步骤S2：特殊场景限档控制
矿车的主要任务是从装载位置装载矿物/渣土运载到卸载位置进行卸载，故在整个作业过程中，如下图4所示，将矿车的作业区域进行了场景划分，其主要分为：装载区，待装区，运输路径，待卸区和卸载区，在图4中，卸载区包括四个卸载位，分表分别标号为1、2、3、4。在实际的作业过程中，装载区，待装区，待卸区和卸载区(统称为低速行驶区)中，由于其可能存在多辆车在进行装载或者卸载的作业任务，为了安全和车辆运行精度考虑，车速不能过高，故当车辆在运输路径上，即将进入待装区或者待卸区时候，会提前对车辆进行减速行驶，车辆减速到一定车速后缓慢驶入待装区或者待卸区。在上述低速行驶区(特殊场景)内，需要对车辆进行档位限制控制，具体的控制逻辑如下：
第一步：车辆即将进入低速行驶区内时，提前进行减速行驶；
第二步：车辆进入低速行驶区后，限档控制激活；
第三步：设定最高档位上限位M(M大于等于1，小于等于3)档；
第四步：根据步骤S1中的限档策略进行限档控制。
步骤S3：特殊路况限档控制
在图4中运输路径中，路况具有多样性，其可能存在较大下坡或者上坡路况。在下坡路况中，特别是车辆处于重载情况下，需要严格控制车速以保证行车安全性，为了避免车速过高；在上坡路况中，如果是重载上坡，特别涉及到重载上坡启动时，可能连2档都会导致动力不足的情况发生，此时需要限制档位以获取最大的驱动力矩保证车辆驱动行驶能力。以上两种路况只是作为实例进行说明，在车辆的实际行驶过程中，可能会遇到上述两种以外的特殊路况，可以理解的是也包含在本发明范围内。
此时的限档控制策略如下：
第一步：识别车辆当前是否处于大的下坡或者上坡(可通过坡度进行划分，通过设定坡度阈值B，B>0，当坡度大于B时则认为是大的坡度)路况中；
第二步：设定最高档位上限位M(M大于等于1，小于等于3)档；
第三步：根据步骤S1中的限档策略进行限档控制。
步骤S4：特殊工况限档控制
矿车在作业过程中，可能会遭遇一些特殊的工况：
(1)下雨路面较滑而导致车轮打滑：如果车辆打滑会导致TCU计算的车速较高，此时发动机转速也较高，但是实际车速基本为零，如果此时没有档位限制控制，可能会导致档位过高而驱动力不足，降低了车辆行驶出打滑区域的能力；
(2)车辆存在较为严重的故障需要进行跛行：当车辆因为故障而进入跛行状态时，此时为了保证车辆的安全行驶，档位不能过高。
以上两种特殊工况只是作为实例进行说明，在车辆的实际行驶过程中，可能会遇到上述两种以外的特殊工况，可以理解的是也包含在本发明范围内。
此时的限档控制策略如下：
第一步：检测到当前车辆处于特殊工况中；
第二步：设定最高档位上限位M(M大于等于1，小于等于3)档；
第三步：根据步骤S1中的限档策略进行限档控制。
步骤S5：档位正常控制
当车辆在正常行驶过程中，即没有处于上述步骤S2，S3和S4中的情形中，此时进行默认的档位控制，车辆的档位限制采取以下的控制策略：
第一步：根据决策与规划系统下发的期望轨迹，识别在前进档位行驶状态下，当前期望加速度是否小于零；
第二步：如果第一步中期望加速度小于零，则启动档位限制控制；
第三步：根据步骤S1中的限档策略进行限档控制。
如果当前期望加速度大于等于零，则默认档位限制为最高档，即不进行档位限制控制。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明无人驾驶矿车档位限制的控制系统及控制方法有了清楚的认识。本发明通过第一、第二转速传感器和发动机管理系统等的信息反馈，在无人驾驶矿车在作业行驶过程中对矿车状态进行实时监测，根据车辆状态和行驶场景或者行驶工况对矿车最高档位进行实时的限制控制，能够保证车辆正常行驶的前提下，提升无人驾驶矿车行驶的安全性能，适应矿区复杂恶劣的行驶环境以及矿车空载重载行驶的差异，避免一定的行驶安全隐患，提升矿车无人驾驶系统的安全冗余度。
需要说明的是，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人驾驶矿车档位限制的控制方法，所述无人驾驶矿车档位切换的执行通过自动变速箱控制单元TCU控制变速箱换档执行机构实现，其特征在于，其包括以下步骤：
制定车辆限档策略；
实时监测车辆运行，当满足限档情形时，计算当前车辆允许的最高档位实时发送给TCU，进行限档控制，所述限档情形包括特殊场景、特殊路况、特殊工况；
在所述特殊场景、特殊路况、特殊工况三种情形之外的情形下，进行默认状态档位限制；
其中，制定车辆限档策略时，根据不同的档位设定对应的车速阈值，分别为1档对应阈值V1，2档对应阈值V2，3档对应阈值V3；所述限档策略如下：
(1)当前车速小于等于V1，且当前档位为1档时，限制车辆允许的最高档位为1档；
(2)当前车速小于等于V2，且当前档位为1档或者2档时，限制车辆允许的最高档位为2档；
(3)当前车速小于等于V3，且当前档位为1、2、3档时，限制车辆的允许最高档位为3档。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述特殊场景下的限档控制包括以下步骤：
车辆即将进入低速行驶区内时，提前进行减速行驶；
车辆进入低速行驶区后，限档控制激活；
设定最高档位上限位M档，M大于等于1，小于等于3；
根据所述车辆限档策略进行限档控制。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述特殊路况下的限档控制包括以下步骤：
识别车辆当前是否处于大的下坡或者上坡路况中；
设定最高档位上限位M档，M大于等于1，小于等于3；
根据所述车辆限档策略进行限档控制。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述特殊工况下的限档控制包括以下步骤：
检测到当前车辆处于特殊工况中；
设定最高档位上限位M档，M大于等于1，小于等于3；
根据所述车辆限档策略进行限档控制。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述默认状态档位限制包括以下步骤：
根据决策与规划系统下发的车辆期望运行轨迹，识别在前进档位行驶状态下，当前期望加速度是否小于零；
如果第一步中期望加速度小于零，则启动档位限制控制；
根据所述车辆限档策略进行限档控制。
6.一种采用如权利要求1-5任一项所述的无人驾驶矿车档位限制控制方法的控制系统，其特征在于，包括：自动变速箱控制单元、发动机管理系统、整车控制器、智能驾驶控制器、决策与规划系统、感知与定位系统；其中，
所述自动变速箱控制单元用于进行换档控制和档位限制控制，同时反馈当前车速和当前档位给所述整车控制器；
所述发动机管理系统用于反馈当前发动机转速给所述整车控制器；
所述整车控制器用于将车端数据信息反馈给所述智能驾驶控制器，并将所述智能驾驶控制器生成的档位限档指令发送给所述自动变速箱控制单元；所述车端数据信息包括所述当前车速、当前档位和当前发动机转速；
所述智能驾驶控制器用于根据所述车端数据信息、所述决策与规划系统反馈的车辆期望运行轨迹以及所述感知与定位系统反馈的车辆环境状态信息，计算所述档位限制指令并发送给所述整车控制器；并且，所述智能驾驶控制器还将所述车端数据信息发送给所述决策与规划系统；
所述决策与规划系统用于根据所述车端数据信息和所述感知与定位系统反馈的车辆环境状态信息生成车辆期望运行轨迹并将其发送给所述智能驾驶控制器；
所述感知与定位系统用于感知车辆的周围环境和车辆的定位信息，并将其发送给所述决策与规划系统、智能驾驶控制器。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括第一转速传感器，其用于采集变速箱输出轴的转速，并反馈给所述自动变速箱控制单元用以计算当前车速和当前档位。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括第二转速传感器和电子制动系统，所述第二转速传感器用来采集车轮轮速，所述电子制动系统用于根据所述车轮轮速计算并反馈EBS车速以及各个车轮轮速给所述整车控制器，所述EBS车速以及各个车轮轮速作为车端数据信息的一部分。
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