CN110806206A - 一种车辆自主导向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆自主导向系统及方法，系统包括安装于车辆上的扫描处理装置、姿态测量装置、速度测量装置、控制装置、中转执行装置，扫描处理装置用于对车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；姿态测量装置用于测量车辆的姿态数据；速度测量装置用于测量车辆的速度数据；控制装置获取姿态数据、速度数据、道路数据和航向数据并进行导向操作输出导向指令；中转执行装置用于转换并传输导向指令，车辆的执行构件接收并执行导向指令。本发明的方法采用了上述系统。本发明所获地形和航向数据精确度高，车辆动作控制更精准，适用范围广，能自主导向行驶转向，自动化程度和安全性更高，能使生产成本降低，生产效率提高。

Description

一种车辆自主导向系统及方法

技术领域

本发明总体而言涉及矿区作业设备领域，具体而言，涉及一种车辆自主导向系统及方法。

背景技术

矿山开采作业的环境恶劣，危险性很高，属于高危各行业，尤其是矿山井下开采作业，环境和工作条件愈加复杂危险，传统开采作业中，通常需工作人员驾驶车辆进入开采区进行开采作业，安全事故常有发生，给矿区的安全生产和高效生产造成巨大难题，而且在爆破后的通风换班期间，井下不允许有人员，设备也无法作业，使得设备使用率低，生产成本高；或者有遥控车辆作业的方式，但传统遥控设备适用车型范围十分有限，且自动化水平低，对道路的辨识度不够，车辆的行驶转向等的可控性差，使得车辆在巷道内时常发生剐蹭或是碰撞，不仅给矿区造成损失，增加生产成本，还降低生产效率。

因此，业界亟需一种适用范围广、高准确度且高自动化的车辆自主导向系统及方法。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种适用范围广、高准确度且高自动化的车辆自主导向系统及方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种车辆自主导向系统，所述系统包括安装于车辆上的扫描处理装置、姿态测量装置、速度测量装置、控制装置和中转执行装置，

所述扫描处理装置用于对所述车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；

所述姿态测量装置用于测量所述车辆的姿态数据；

所述速度测量装置用于测量所述车辆的速度数据；

所述控制装置包括道路获取组件、航向获取组件和导向组件，所述道路获取组件与所述扫描处理装置数据相连，用于对所述扫描数据进行补全操作并输出道路数据，所述航向获取组件与所述扫描处理装置数据相连，用于对所述扫描数据进行航向操作并输出航向数据，所述导向组件与所述姿态测量装置、所述速度测量装置、所述道路获取组件及所述航向获取组件数据相连，用于对所述姿态数据、所述速度数据、所述道路数据和所述航向数据进行导向操作并输出导向指令；

所述中转执行装置数据连接于所述导向组件和所述车辆的执行构件之间，用于转换并传输所述导向指令，所述车辆的执行构件接收并执行所述导向指令。

根据本发明的一实施方式，所述系统还包括接口控制装置，所述中转执行装置通过所述接口控制装置与所述车辆的执行构件相连。

根据本发明的一实施方式，所述系统还包括远程操控台，所述远程操控台通过网络与所述中转执行装置相连，用于远程操控所述车辆动作。

根据本发明的一实施方式，所述远程操控台包括操纵手柄，所述操纵手柄用于通过网络向所述中转执行装置发送转向信号。

根据本发明的一实施方式，所述系统还包括安装于所述车辆上的图像获取装置，所述图像获取装置用于获取所述车辆所处道路的图像数据，所述图像获取装置通过网络与所述远程操控台数据相连。

根据本发明的一实施方式，所述车辆包括至少两个车体，所述至少两个车体之间通过铰接结构连接。

根据本发明的一实施方式，所述姿态测量装置用于测量相邻两个所述车体在铰接结构处所成的角度。

根据本发明的一实施方式，所述扫描处理装置包括激光扫描仪，每一所述铰接结构处设置有至少两个所述激光扫描仪，至少两个所述激光扫描仪的扫描范围不重叠或者部分重叠。

根据本发明的一实施方式，所述激光扫描仪相对于所述车体居中设置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆自主导向方法，所述方法采用如上任一所述的车辆自主导向系统，包括：

利用所述扫描处理装置对所述车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；

利用所述姿态测量装置测量所述车辆的姿态数据；

利用所述速度测量装置测量所述车辆的速度数据；

利用所述控制装置的所述道路获取组件和所述航向获取组件分别对所述扫描数据进行补全操作和航向操作，并分别输出道路数据和航向数据；

利用所述控制装置的所述导向组件对所述姿态数据、所述速度数据、所述道路数据和所述航向数据进行导向操作，并向所述车辆的执行构件输出导向指令；

所述车辆的执行构件执行所述导向指令。

由上述技术方案可知，本发明的车辆自主导向系统的优点和积极效果在于：

本发明中，扫描处理装置对车辆所处道路进行扫描，姿态测量装置测量车辆的姿态数据，速度测量装置测量车辆的速度数据，控制装置根据以上数据得出准确的道路和车辆航向，进而指引车辆准确行驶，地形和航向数据精确度高，车辆动作控制更精准，可适用于铰接和非铰接车辆，适用范围广，能自主导向行驶转向，自动化程度和安全性更高，能使生产成本降低，生产效率提高，具有很高的经济性，极为适合在业界推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以如这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例车辆自主导向系统的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例车辆自主导向系统的中转执行装置的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、车辆；2、扫描处理装置；3、姿态测量装置；4、速度测量装置；5、中转执行装置；51、状态指示组件；6、接口控制装置；7、控制装置；8、网络桥接装置；81、数据汇集装置；82、图像获取装置；9、无线基站；10、远程操控台；101、远程显示器；102、远程操作位；103、操控组件；1031、操纵手柄；104、远程处理器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在对本发明的不同示例的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“侧部”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如如附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

图1为本发明一实施例车辆自主导向系统的整体结构示意图。

如图1所示，该实施例的车辆自主导向系统包括安装于车辆上的扫描处理装置、姿态测量装置、速度测量装置、控制装置、中转执行装置，扫描处理装置用于对车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；姿态测量装置用于测量车辆的姿态数据；速度测量装置用于测量车辆的速度数据；控制装置包括道路获取组件、航向获取组件和导向组件，道路获取组件与扫描处理装置数据相连，用于对扫描数据进行补全操作并输出道路数据，航向获取组件与扫描处理装置数据相连，用于对扫描数据进行航向操作并输出航向数据，导向组件与姿态测量装置、速度测量装置、道路获取组件及航向获取组件数据相连，用于对姿态数据、速度数据、道路数据和航向数据进行导向操作并输出导向指令；中转执行装置数据连接于导向组件和车辆的执行构件之间，用于转换并传输导向指令，车辆的执行构件接收并执行导向指令。

该实施例中，车辆1包括至少两个车体，至少两个车体之间通过铰接结构连接，本实施例中的车辆以具有两个车体的铲运机为例，在其他实施例中车辆也可以是其他类型的铰接车，道路为矿区井下巷道；扫描处理装置2包括激光扫描仪和扫描处理器，车辆的每一铰接结构处设置有至少两个激光扫描仪，且该至少两个激光扫描仪的扫描范围不重叠或者部分重叠设置，本实施例中在铰接结构处设置两个激光扫描仪，且两个激光扫描仪分别朝前和朝后设置，两个激光扫描仪均相对于车体居中设置，从而确保在车辆行驶时激光扫描仪的视线即扫描范围不被车体阻挡；扫描处理器与激光扫描仪数据相连，激光扫描仪对车辆所处道路进行扫描后将所获信号传输至扫描处理器，经扫描处理器处理后输出扫描数据。需要注意的是，本实施例中是以车辆行进方向为前，反之为后。

该实施例中，姿态测量装置3可安装于车辆的铰接结构处，用于测量由铰接结构连接的相邻两个车体在铰接结构处所成的角度，姿态测量装置可包括一个、两个或多个角度传感器；速度测量装置4可以是速度传感器，也可以是霍尔开关，速度测量装置用于实时测量车辆行驶时的速度数据。

图2为本发明一实施例车辆自主导向系统的中转执行装置的结构示意图。

如图2所示，该实施例中，中转执行装置5包括数据输入组件、数据输出组件、状态指示组件51和中转处理器，数据输入组件、数据输出组件、状态指示组件均与中转处理器数据相连，数据输入组件包括多个模拟量/数字量输入口，数据输入组件与姿态测量装置、速度测量装置、控制装置以及车辆的车载控制器数据相连，用于接收姿态测量装置的姿态数据、速度测量装置的速度数据、控制装置的导向指令和其他指令以及车载控制器发送来的各执行构件的状态数据，并传输至中转处理器；中转处理器用于对前述数据和指令进行转换处理后传输至数据输出组件和状态指示组件，数据输出组件包括多个模拟量/数字量输出口，数据输出组件与控制装置、车辆的车载控制器控制相连，用于将姿态数据和速度数据传输至控制装置，以及将控制装置的导向指令和其他指令传输至车辆的车载控制器，状态指示组件可包括多个指示灯，用于指示车载控制器发送来的各执行构件的状态数据以及通过数据输入组件输入的其他数据，如其他扩展设置的传感器的数据、电源信号、网络通断信号等。需要注意的是，本实施例的车辆具有车载控制器如车载可编程控制器，车载控制器与车辆发动机和其他执行构件如铲斗液压系统的各液压阀、大臂液压系统的各液压阀、转向阀、刹车阀、车灯、喇叭等电信号控制相连，车载控制器用于直接控制前述各执行构件的动作同时采集发送前述各执行构件的状态数据。

该实施例中，系统还包括接口控制装置6，接口控制装置包括多个继电器，中转执行装置通过接口控制装置的多个继电器与车辆的车载控制器相连，从而中转执行装置将接收到的导向指令或其他指令通过接口控制装置的多个继电器传输至车辆的车载控制器，进而通过车辆的车载控制器控制车辆的执行构件动作。

该实施例中，控制装置7的道路获取组件包括特征点提取器和补全器，特征点提取器用于将从扫描处理装置处获取的扫描数据进行特征提取并输出待补全点，补全器用于对接收的待补全点进行补全操作并输出道路数据；控制装置的航向获取组件包括滤波器和拟合器，滤波器用于将从扫描处理装置处获取的扫描数据进行平滑滤波并输出待拟合点，拟合器用于对接收的待拟合点进行拟合操作和航向操作并输出航向数据；导向组件包括接收器和导向器，接收器用于接收来自姿态测量装置、速度测量装置、道路获取组件及航向获取组件的姿态数据、速度数据、道路数据和航向数据并传输至导向器，导向器用于对姿态数据、速度数据、道路数据和航向数据进行分析和导向操作并向中转执行装置输出导向指令。

该实施例中，系统还包括网络桥接装置8、数据汇集装置81、图像获取装置82和远程操控台，其中网络桥接装置、数据汇集装置和图像获取装置设置于车辆上，远程操控台设置于远离车辆的场所例如矿区地表的操控室内，网络桥接装置用于将车辆采集的数据发送至网络中，数据汇集装置汇集和转发车辆采集的数据，图像获取装置用于获取车辆所处道路的图像数据，远程操控台用于远程操控车辆动作；控制装置通过数据汇集装置与网络桥接装置数据相连，数据汇集装置可以是网络交换机，网络桥接装置通过无线网络与无线基站相连，无线基站9靠近道路设置，可设置多个无线基站，无线基站通过工业光纤环网与远程操控台相连，同时扫描处理装置和图像获取装置分别通过网络连接线与数据汇集装置相连，从而扫描处理装置的扫描数据、图像获取装置的图像数据以及控制装置采集的数据均可通过网络传输至远程操控台，远程操控台的转向信号和其他动作指令也可通过网络传输至车辆上的控制装置，再由控制装置传输至中转执行装置进而控制车辆的各执行构件执行转向或其他动作，本实施例中图像获取装置可以是摄像机。

该实施例中，远程操控台10包括远程显示器101、远程操作位102、操控组件103和远程处理器104，远程处理器用于通过网络接收处理来自车辆上网络桥接装置的数据并输出，远程显示器接收远程处理器处理后的数据并将扫描数据、图像数据及其他状态数据可视化显示，远程操作位与远程显示器相对设置，用于为操作人员提供操作座位，操控组件对应远程操作位设置，操控组件通过远程处理器连接至网络，操控组件可包括操纵手柄1031、操控按钮及其他形式的开关或按钮，用于发出对车辆的各种动作指令，其中操纵手柄用于通过网络向车辆上的中转执行装置发送转向信号以指导车辆转向。

该实施例中，扫描处理装置对车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；姿态测量装置测量车辆的姿态数据；速度测量装置测量车辆的速度数据；控制装置的道路获取组件对扫描数据进行补全操作并输出道路数据，航向获取组件对扫描数据进行航向操作并输出航向数据，导向组件对姿态数据、速度数据、道路数据和航向数据进行导向操作并输出导向指令；中转执行装置数据转换并传输导向指令至车辆的车载控制器，车载控制器控制车辆的执行构件执行导向指令，从而实现车辆的自主前进、后退和转向；

或者，扫描处理装置对车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；姿态测量装置测量车辆的姿态数据；速度测量装置测量车辆的速度数据；控制装置的道路获取组件对扫描数据进行补全操作并输出道路数据，航向获取组件对扫描数据进行航向操作并输出航向数据，导向组件对姿态数据、速度数据、道路数据和航向数据进行导向操作并输出导向指令；中转执行装置数据转换并传输导向指令至车辆的车载控制器，车载控制器控制车辆的执行构件执行导向指令，从而实现车辆的自主前进和后退；车辆上的扫描处理装置和图像获取装置通过网络将扫描数据和图像数据传输至远程操控台，远程操控台对其进行可视化显示，当远程操控台的操作人员观察到车辆前方出现路口且需要转向时，操作人员可在车辆行至距离路口预定距离时拨动操纵手柄，操纵手柄则通过网络向车辆上的控制装置发出转向信号，进而控制装置将转向信号传输至中转执行装置，中转执行装置数据转换并传输转向信号至车辆的车载控制器，车载控制器控制车辆的执行构件执行转向信号，从而实现车辆的人为干预转向；

或者，车辆上的扫描处理装置、图像获取装置和控制装置通过网络将扫描数据、图像数据和车辆的其他状态数据传输至远程操控台，远程操控台将其进行可视化显示于远程显示器上，远程操控台的操作人员可通过观察远程显示器上的可视化显示识别和判断工况，进而操作操控组件的操控按钮，操控组件的操控按钮则通过网络向车辆上的控制装置发出动作指令，进而控制装置将动作指令传输至中转执行装置，中转执行装置数据转换并传输动作指令至车辆的车载控制器，车载控制器控制车辆的执行构件执行动作指令，从而实现远程操控车辆动作；其中动作指令包括指示车辆发动机和其他执行构件如铲斗液压系统的各液压阀、大臂液压系统的各液压阀、转向阀、刹车阀、车灯、喇叭等作出相应动作的指令。

本发明还提供一种车辆自主导向方法，该方法采用上述的车辆自主导向系统，具体包括：利用扫描处理装置对车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；利用姿态测量装置测量车辆的姿态数据；利用速度测量装置测量车辆的速度数据；利用控制装置的道路获取组件和航向获取组件分别对扫描数据进行补全操作和航向操作，并分别输出道路数据和航向数据；利用控制装置的导向组件对姿态数据、速度数据、道路数据和航向数据进行导向操作，并向车辆的执行构件输出导向指令；车辆的执行构件执行导向指令。补全操作包括通过

获取道路的扫描数据整体的误差代价，输出的道路数据包括

导向操作包括结合前述误差代价对输出的道路数据通过

进行最优化处理从而得出导向数据并输出导向指令。

本发明中，扫描处理装置对车辆所处道路进行扫描，姿态测量装置测量车辆的姿态数据，速度测量装置测量车辆的速度数据，控制装置根据以上数据得出准确的道路和车辆航向，进而指引车辆准确行驶，地形和航向数据精确度高，车辆动作控制更精准，可适用于铰接和非铰接车辆，适用范围广，能自主导向行驶转向，自动化程度和安全性更高，生产成本降低，生产效率提高，具有很高的经济性，极为适合在业界推广使用。

本发明所属技术领域的普通技术人员应当理解，上述具体实施方式部分中所示出的具体结构和工艺过程仅仅为示例性的，而非限制性的。而且，本发明所属技术领域的普通技术人员可对以上所述所示的各种技术特征按照各种可能的方式进行组合以构成新的技术方案，或者进行其它改动，而都属于本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆自主导向系统，其特征在于，所述系统包括安装于车辆上的扫描处理装置、姿态测量装置、速度测量装置、控制装置和中转执行装置，

所述扫描处理装置用于对所述车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；

所述姿态测量装置用于测量所述车辆的姿态数据；

所述速度测量装置用于测量所述车辆的速度数据；

所述控制装置包括道路获取组件、航向获取组件和导向组件，所述道路获取组件与所述扫描处理装置数据相连，用于对所述扫描数据进行补全操作并输出道路数据，所述航向获取组件与所述扫描处理装置数据相连，用于对所述扫描数据进行航向操作并输出航向数据，所述导向组件与所述姿态测量装置、所述速度测量装置、所述道路获取组件及所述航向获取组件数据相连，用于对所述姿态数据、所述速度数据、所述道路数据和所述航向数据进行导向操作并输出导向指令；

所述中转执行装置数据连接于所述导向组件和所述车辆的执行构件之间，用于转换并传输所述导向指令，所述车辆的执行构件接收并执行所述导向指令。

2.如权利要求1所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述系统还包括接口控制装置，所述中转执行装置通过所述接口控制装置与所述车辆的执行构件相连。

3.如权利要求1所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述系统还包括远程操控台，所述远程操控台通过网络与所述中转执行装置相连，用于远程操控所述车辆动作。

4.如权利要求3所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述远程操控台包括操纵手柄，所述操纵手柄用于通过网络向所述中转执行装置发送转向信号。

5.如权利要求3所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述系统还包括安装于所述车辆上的图像获取装置，所述图像获取装置用于获取所述车辆所处道路的图像数据，所述图像获取装置通过网络与所述远程操控台数据相连。

6.如权利要求1所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述车辆包括至少两个车体，所述至少两个车体之间通过铰接结构连接。

7.如权利要求6所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述姿态测量装置用于测量相邻两个所述车体在铰接结构处所成的角度。

8.如权利要求6所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述扫描处理装置包括激光扫描仪，每一所述铰接结构处设置有至少两个所述激光扫描仪，至少两个所述激光扫描仪的扫描范围不重叠或者部分重叠。

9.如权利要求8所述的车辆自主导向系统，其特征在于，所述激光扫描仪相对于所述车体居中设置。

10.一种车辆自主导向方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-9任一所述的车辆自主导向系统，包括：

利用所述扫描处理装置对所述车辆所处道路进行扫描，并处理获得扫描数据；

利用所述姿态测量装置测量所述车辆的姿态数据；

利用所述速度测量装置测量所述车辆的速度数据；

利用所述控制装置的所述道路获取组件和所述航向获取组件分别对所述扫描数据进行补全操作和航向操作，并分别输出道路数据和航向数据；

利用所述控制装置的所述导向组件对所述姿态数据、所述速度数据、所述道路数据和所述航向数据进行导向操作，并向所述车辆的执行构件输出导向指令；

所述车辆的执行构件执行所述导向指令。

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