CN111854730A - 一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人驾驶技术领域，公开了一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及系统，包括以下步骤：S1、获取车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量；S2、判断车辆GPS位置信息是否有效，若有效，则获取当前GPS接收器接收到的GPS数据，并根据GPS数据对车辆的惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据；若无效，则进入步骤S3；S3、获取车辆里程数据，利用里程数据对当前惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据，同时，通过视觉识别模块判断巷道是否有可识别标签，若有，则根据标签中含有的位置信息对惯性导航模块进行误差校准，并更新车辆当前位置数据。本发明使得无轨胶轮客货车可以在井上井下均实现精确定位和无人驾驶，提高了矿井的生产和运输效率。

Description

一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及系统

技术领域

本发明属于无人驾驶技术领域，涉及一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及系统。

背景技术

矿井运输，是指在矿山开采过程中物料、人员、设备和矿石等的运输。无轨胶轮车，作为一种井下必不可少的车辆类型，可用于运输人、物料、货物等，其中，轻型无轨胶轮车主要运输人和质量较轻的物料。轻型无轨胶轮车通常运行频繁、运输量大、运行距离长，是矿山生产系统的重要组成部分。由于矿井条件恶劣、光线昏暗、胶轮车司机视线受阻，属于高危工作场合，安全性是首要考虑的因素。随着社会的不断进步，人工成本变得越来越高，同时愿意在矿井恶劣的环境下工作的人越来越少，如何尽量让较少的人员参与其中，减少人员伤亡，这是当代众多矿井亟需解决的问题。此外，在我国的矿山生产事故中，矿井运输事故约占三成，而且这个比例随着开矿规模的扩大还在不断增加。目前的矿井无轨胶轮车全部是由井下工人手动操控，人的主观失误和矿井技术不够稳定是矿井无轨胶轮车发生运输事故的主要原因。

随着无人驾驶车辆的研究及发展，为解决这一问题提供了切实有效的方案。无轨胶轮客货车从开始到结束的一个行驶周期内的运行过程大致为：无轨胶轮客货车在非工作状态时停放在矿井地面上的固定车库内，当需要车辆完成运输任务时，车辆进入工作状态，无轨胶轮客货车装载人员及物料，由地面环境进入井下环境，经过一定路径运输至目标位置，运输工作完成后，如有人员及物料返回，车辆再将人员及物料从井下运输至地面，停入地面固定车库，完成无轨胶轮客货车的一个行驶周期。

由于无轨胶轮车的车辆运行环境涉及到地面和井下，因此，需要提供定位精确的一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，以提高地面和井下两种运行环境下的无人驾驶的安全性。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可在井上井下均实现精确定位的无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法，包括以下步骤：

S1、获取车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量；

S2、根据车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量，判断车辆GPS位置信息是否有效，若有效，则获取当前GPS接收器接收到的GPS数据，并根据GPS数据对车辆的惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据；若无效，则进入步骤S3；

S3、获取车辆里程数据，利用里程数据对当前惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据，同时，通过视觉识别模块判断巷道是否有可识别标签，若有，则根据标签中含有的位置信息对惯性导航模块进行误差校准，并更新车辆当前位置数据。

所述步骤S2中，若车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量小于4个，则判定GPS位置信息无效。

所述无人驾驶轻型无轨胶轮客货车的井下行驶路线被划分为若干个相连的行驶区域，每个所述行驶区域内均设置有可识别标签（4），所述可识别标签上标记有可图像识别的巷道精确位置信息。

所述步骤S2中，根据GPS数据对车辆的惯性导航模块进行误差校准的具体方法为：将惯性导航模块输出的位置及速度与GPS接收机输出的位置及速度分别做差，将差值作为系统的量测量，进行卡尔曼滤波，利用卡尔曼滤波输出的位置误差以及速度误差对惯性导航模块输出的车辆位置、速度进行误差校准，将校准后惯性导航模块输出的连续位置信息作为车辆的当前位置。

所述步骤S3中，利用里程数据对当前惯性导航模块进行误差校准的具体方法为：利用里程计实时输出的里程数据，将里程数据与航位结合推算输出车辆当前的位置信息，并通过惯性导航模块进行导航解算获得当前车辆的位置，然后将惯性导航模块输出的当前车辆的位置与里程数据推算输出的当前车辆位置信息做差，将差值作为系统的量测量，进行卡尔曼滤波，获得系统状态的最优估计值，利用卡尔曼滤波输出的位置误差对惯性导航模块输出的车辆位置进行误差校准，将校准后惯性导航模块输出的连续位置信息作为在井下环境时车辆的当前位置。

此外，本发明还提供了一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，包括设置在车辆上的惯性导航模块、GPS接收机、里程计、视觉识别模块、控制模块，还包括设置在巷道内各个行驶区域的可识别标签，所述可识别标签上标记有可图像识别的巷道精确位置信息；

所述GPS接收机用于接收GPS卫星发送的GPS定位信号并发送给所述控制模块，所述视觉识别模块用于根据所述可识别标签上标记的巷道精确位置信息并发送给所述控制模块，

所述里程计用于测量车辆的里程增量和运行速度并发送给所述控制模块，所述控制模块用于根据根据GPS接收机接收到的有效位置信息，对惯性导航模块进行误差校准，还用于在GPS接收机无法接收到有效位置信息时，根据里程计测量到的里程增量和车辆运行速度对惯性导航模块进行误差校准，以及用于在视觉识别模块识别到可识别标签时，根据视觉识别模块识别到的可识别标签上的巷道精确位置信息对惯性导航模块进行误差校准。

所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，还包括设置在车辆上的红外传感器和测距雷达，所述控制模块用于根据红外传感器和测距雷达的测量信息，控制车辆的运行状态。

所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，还包括上传通信模块，所述上传通信模块用于将车辆位置中心和运行状态发送至井下控制中心。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及系统，通过将GPS接收器、里程计、惯性导航模块和用于识别可识别标签上的精确位置信息的视觉传感器相结合，大大提高了惯性导航模块的定位精度，使得无人驾驶轻型无轨胶轮客货车可以在井上和井下均实现精确定位，进而提高了无人驾驶轻型无轨胶轮客货车的定位精度和无人驾驶的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中控制模式1的流程示意图；

图3为本发明实施例中控制模式2的流程示意图；

图4为本发明实施例中巷道内可识别标签的布置示意图；

图5为本发明实施例提供的一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统的结构框图；

图6为本发明实施例中通过GPS信号对惯性导航模块进行误差校准的流程图；

图7为本发明实施例中通过里程计对惯性导航模块进行误差校准的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~3所示，本发明实施例提供了一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法，包括以下步骤：

S1、车辆启动后，获取车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量。

S2、根据车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量，判断车辆GPS位置信息是否有效，若有效，则进入控制模式1，若无效，则进入控制模式2。

具体地，本实施例中，若车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量小于4个，则判定GPS位置信息无效。

具体地，如图2所示，本实施例中，控制模式1的具体控制方法如下：获取当前GPS接收器接收到的GPS数据，并根据GPS数据对车辆的惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据。

如图6，当GPS信息有效时，GPS接收机可实时、高精度的给出当前点的位置和速度信息，惯性导航模块由陀螺仪和加速度计组成，通过导航解算可连续获得当前车辆的位置和速度，利用惯性导航模块输出的位置及速度与GPS接收机输出的位置及速度做差，作为系统的量测量，进行卡尔曼滤波，利用卡尔曼滤波输出的位置误差以及速度误差对惯性导航模块输出的车辆位置、速度进行误差校准，将校准后惯性导航模块输出的连续且高精度的位置信息作为车辆的当前位置。

具体地，本实施例中的无人驾驶轻型无轨胶轮客货车，车辆具有自主导航、环境感知及无人驾驶功能。由于无轨胶轮客货车在矿井下为轻型车，与井下特种车辆及运料车相比，外形尺寸相对较小、整车质量小、运行速度快且灵活、行驶路线易发生变化。且无轨胶轮客货车常用于井下作业人员、小型物料及小型设备的运输。无轨胶轮客货车从开始到结束的一个行驶周期内的运行过程大致为：无轨胶轮客货车在非工作状态时停放在矿井地面上的固定车库内，当需要车辆完成运输任务时，车辆进入工作状态，无轨胶轮客货车装载人员及物料，由地面环境进入井下环境，经过一定路径运输至目标位置，运输工作完成后，如有人员及物料返回，车辆再将人员及物料从井下运输至地面，停入地面固定车库，完成无轨胶轮客货车的一个行驶周期。

由于无轨胶轮客货车的特殊工作要求，需要在地面和井下两种环境下运行，两种自主导航和定位方式不同。参照图2，当车辆在地面上运行时，GPS接收机能够接收GPS卫星信号，当卫星个数不小于4个时，认为GPS位置信息有效。由于车辆自主导航主要借助惯性导航模块，其测得的加速度通过积分得到车辆的速度和位置，定位误差会随时间累积。由于地面有当前位置实时准确的GPS数据，通过两点的GPS值可计算两点所在直线的方向和距离，即可通过GPS接收机的数据对惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据，保证车辆在地面环境、一定运行时间内的定位精度。通过惯性导航模块和GPS接收机组合的地面自主导航和定位方式记为控制模式1。

具体地，如图3所示，本实施例中，控制模式2的具体控制方法如下：获取里程计测量得到的车辆里程数据，利用里程数据对当前惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据，同时，通过视觉传感器判断巷道是否有可识别标签，若有，则根据标签中含有的位置信息对惯性导航模块进行误差校准，并更新车辆当前位置数据。

如图7，当GPS信息无效时，里程计实时输出当前的速度信息，且误差不随时间变化，里程计可通过航位推算输出车辆当前的位置信息，惯性导航模块通过导航解算获得当前车辆的位置，利用惯性导航模块输出的位置与里程计推算输出的位置做差，作为系统的量测量，进行卡尔曼滤波，获得系统状态的最优估计值，利用卡尔曼滤波输出的位置误差对惯性导航模块输出的车辆位置进行误差校准，将校准后惯性导航模块输出的连续且高精度的位置信息作为在井下环境时车辆的当前位置。

当采用控制模式2的里程计校准时，标签扫描校准作为一种提高惯性导航模块精度提高的方式，与里程计切换使用。车辆的视觉传感器不间断的扫描巷道煤壁，当某一位置有可识别标签出现时，车辆将采集里程计和标签两种类型数据，控制器会优先选择可识别标签数据与惯性导航模块数据进行组合，并对惯性导航模块的误差进行校准，实现对车辆当前位置的更新。

当车辆由地面运行至井下时，GPS接收机无法接收到GPS卫星信号，此时通过与里程计组合，对惯性导航模块进行误差校准。里程计安装于车辆车轮处，当车辆运行时，里程计的计数对应车轮转过的圈数，且车轮直径和轮间距已知，里程计可计算两时刻的里程增量，即行驶距离，同时里程计可得到运行速度。通过里程计实时的速度和里程增量对惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据，保证车辆在井下环境、一定运行时间内的定位精度。为进一步提高惯性导航模块的定位精度，减小误差累积，当车辆通过巷道煤壁设有的可识别标签时，视觉传感器对其进行扫描，并将标签中含有的精确位置信息对惯性导航模块进行误差校准，并更新车辆当前位置数据。通过惯性导航模块和里程计组合的井下自主导航和定位方式记为控制模式2。

本发明实施例中，当GPS接收机接收到的卫星个数小于4个时，即认为GPS的定位精度不满足车辆要求，转换为惯性导航模块和里程计组合的自主导航和定位方式，即由控制模式1转变为控制模式2。当GPS接收机接收到的卫星个数不小于4个时，由控制模式2转变为控制模式1。参照图1，车辆控制器根据GPS数据是否有效判断当前控制模式，并进行两种控制模式的转换。

具体地，如图4所示，本实施例中，所述无人驾驶轻型无轨胶轮客货车的井下行驶路线被划分为若干个相连的行驶区域，以无轨胶轮客货车平均行驶速度30km/h计，行驶区域设置为50m，每个所述行驶区域内均设置有可识别标签，即每隔50m设置一个可识别标签，所述可识别标签上标记有可图像识别的巷道精确位置信息。则当无轨胶轮客货车运行至井下时，可以随时通过自身的视觉传感器对可识别标签进行视觉识别，当识别到可识别标签上的精确位置信息后，即对惯性导航模块进行误差校准，由于可识别标签上的精确位置信息具有绝对的精确性，因此，本实施例可以对无轨胶轮车的具体位置进行绝对校准，既避免了井下收不到GPS信号惯性导航模块无法进行准确定位的技术缺陷，而且，井下通过里程计与可识别标签对惯性导航模块进行联合校准，大大提高了无人驾驶轻型无轨胶轮客货车的定位速度和精度。

进一步地，如图5所示，本发明实施例还提供了一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，包括设置在车辆上的惯性导航模块、GPS接收机、里程计、视觉识别模块、控制模块、上传通信模块，还包括设置在巷道内各个行驶区域的可识别标签4，所述可识别标签4上标记有可图像识别的巷道精确位置信息；所述GPS接收机用于接收GPS卫星发送的GPS定位信号并发送给所述控制模块，所述视觉识别模块用于根据所述可识别标签4上标记的巷道精确位置信息并发送给所述控制模块；所述里程计用于测量车辆的里程增量和运行速度并发送给所述控制模块，所述控制模块用于根据GPS接收机接收到的有效位置信息，对惯性导航模块进行误差校准，还用于在GPS接收机无法接收到有效位置信息时，根据里程计测量到的里程增量和车辆运行速度对惯性导航模块进行误差校准，以及用于在视觉识别模块识别到可识别标签4时，根据视觉识别模块识别到的可识别标签4上的巷道精确位置信息对惯性导航模块进行误差校准。

进一步地，如图5所示，本实施例的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，还包括设置在车辆上的红外传感器和测距雷达，所述控制模块用于根据红外传感器和测距雷达的测量信息，控制车辆的运行状态。

由于无轨胶轮客货车经常运输作业人员，为保证作业人员的人身安全，需要保证无轨胶轮客货车具有较高的定位精度及环境感知能力，保证车辆能够安全行驶。因此，本实施例中，在无轨胶轮客货车上，安装有惯性导航模块、GPS接收机、里程计、视觉传感器、红外传感器、测距雷达等传感器感知模块及控制器。同时在车辆可行驶路径的巷道煤壁上，每隔一定距离，设置有可识别标签，标签内有此位置的精确定位信息。

本实施例中，惯性导航模块用于实时感知车辆的位置和姿态，由于惯性导航模块的误差会随时间累积，因此将其与GPS接收机或里程计组合实现车辆的自主导航。GPS接收机用于实时获取车辆在地面上经纬度值，并通过计算得到车辆定位信息。里程计用于实时获取车辆在井下的速度和里程增量，并与惯性导航模块组合实现车辆定位。惯性导航模块和GPS接收机组合用于车辆地面自主导航和定位，并通过GPS接收机对惯性导航模块进行误差修正。惯性导航模块与里程计组合用于车辆井下自主导航和定位，此时通过里程计对惯性导航模块进行误差修正。视觉传感器用于扫描设置于巷道煤壁的可识别标签，且标签在视觉传感器可扫描范围内，当车辆在井下运行一段距离后，为避免惯性导航模块的误差累积，通过可识别标签的精确位置信息对惯性导航模块进行校准。红外传感器用于感知车辆周围是否有人员闯入。测距雷达用于测量车辆距巷道两侧煤壁及前方的距离。控制器用于控制车辆当前的控制模式。

本实施例中，上传通信模块用于将车辆位置中心和运行状态发送至井下控制中心。

本发明提供了一种无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法及系统，通过将GPS接收器、里程计、惯性导航模块和用于识别可识别标签上的精确位置信息的视觉传感器相结合，大大提高了惯性导航模块的定位精度，进而提高了无人驾驶轻型无轨胶轮客货车的定位精度和无人驾驶的安全性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量；

S2、根据车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量，判断车辆GPS位置信息是否有效，若有效，则获取当前GPS接收器接收到的GPS数据，并根据GPS数据对车辆的惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据；若无效，则进入步骤S3；

S3、获取车辆里程数据，利用里程数据对当前惯性导航模块进行误差校准，更新车辆当前位置数据，同时，通过视觉识别模块判断巷道是否有可识别标签，若有，则根据标签中含有的位置信息对惯性导航模块进行误差校准，并更新车辆当前位置数据。

2.根据权利要求1所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，若车辆上的GPS接收机接收到的GPS卫星信号的数量小于4个，则判定GPS位置信息无效。

3.根据权利要求1所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法，其特征在于，所述无人驾驶轻型无轨胶轮客货车的井下行驶路线被划分为若干个相连的行驶区域，每个所述行驶区域内均设置有可识别标签（4），所述可识别标签上标记有可图像识别的巷道精确位置信息。

4.根据权利要求1所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据GPS数据对车辆的惯性导航模块进行误差校准的具体方法为：将惯性导航模块输出的位置及速度与GPS接收机输出的位置及速度分别做差，将差值作为系统的量测量，进行卡尔曼滤波，利用卡尔曼滤波输出的位置误差以及速度误差对惯性导航模块输出的车辆位置、速度进行误差校准，将校准后惯性导航模块输出的连续位置信息作为车辆的当前位置。

5.根据权利要求1所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用里程数据对当前惯性导航模块进行误差校准的具体方法为：利用里程计实时输出的里程数据，将里程数据与航位结合推算输出车辆当前的位置信息，并通过惯性导航模块进行导航解算获得当前车辆的位置，然后将惯性导航模块输出的当前车辆的位置与里程数据推算输出的当前车辆位置信息做差，将差值作为系统的量测量，进行卡尔曼滤波，获得系统状态的最优估计值，利用卡尔曼滤波输出的位置误差对惯性导航模块输出的车辆位置进行误差校准，将校准后惯性导航模块输出的连续位置信息作为在井下环境时车辆的当前位置。

6.一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，其特征在于，包括设置在车辆上的惯性导航模块、GPS接收机、里程计、视觉识别模块、控制模块，还包括设置在巷道内各个行驶区域的可识别标签（4），所述可识别标签（4）上标记有可图像识别的巷道精确位置信息；

所述GPS接收机用于接收GPS卫星发送的GPS定位信号并发送给所述控制模块，所述视觉识别模块用于根据所述可识别标签（4）上标记的巷道精确位置信息并发送给所述控制模块，

所述里程计用于测量车辆的里程增量和运行速度并发送给所述控制模块，所述控制模块用于根据根据GPS接收机接收到的有效位置信息，对惯性导航模块进行误差校准，还用于在GPS接收机无法接收到有效位置信息时，根据里程计测量到的里程增量和车辆运行速度对惯性导航模块进行误差校准，以及用于在视觉识别模块识别到可识别标签（4）时，根据视觉识别模块识别到的可识别标签（4）上的巷道精确位置信息对惯性导航模块进行误差校准。

7.根据权利要求6所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，其特征在于，还包括设置在车辆上的红外传感器和测距雷达，所述控制模块用于根据红外传感器和测距雷达的测量信息，控制车辆的运行状态。

8.根据权利要求6所述的一种井下无人驾驶轻型无轨胶轮客货车定位系统，其特征在于，还包括上传通信模块，所述上传通信模块用于将车辆位置中心和运行状态发送至井下控制中心。

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