CN112037552B - 一种基于5g的矿区无人运输系统的编组协同作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G的矿区无人运输系统的编组协同作业方法，通过会车位置设置的路侧单元，每辆车上安装车载单元以及用于获取车辆位置、速度和加速度信息的基于5G的多车协同定位系统，中心控制平台，通过计算判断两车根据当前车速运动到双车道会车位置的时间，并在“满行空停”的大原则下进行允许范围内的车速控制调整，完成上下行矿卡协同编组运输。通过本发明的技术方案，对于矿区地理性单行道无人驾驶矿物运输提供了协同编组方案，基于5G的高速、低时延的特点，使得矿用卡车位置及车速等信息得以及时即刻的接收与计算，同时对于需求控制的发送及执行也直接提高了矿区无人驾驶运输的效率。

Description

一种基于5G的矿区无人运输系统的编组协同作业方法

技术领域

本发明属于矿区无人驾驶技术领域，尤其涉及一种于5G矿区无人运输系统的编组协同作业方法。

背景技术

我国幅员辽阔，矿产资源丰富，已探明有储量的矿产159种，矿山十万多处。矿山的开采和运输由于环境、安全、效率等问题备受关注。为解决矿区安全事故频发、司机招聘困难、管理运营成本高等生产痛点，随着智慧矿山的建设以及无人驾驶技术的飞速发展，矿区无人驾驶应运而生。

矿区无人驾驶车辆主要是指无人驾驶矿卡，作为智慧矿区的子模块，解决矿区的运输问题，直接关系到矿区采矿效率。由于矿区地理环境以及矿卡宽度及数量原因，矿区运输线路也多为带有数个特定位置停车避让点的盘旋单行道。矿区运输车辆需要在信号灯的控制下运输行驶，在指定停车点停靠，进行上行对下行、或下行对上行的车辆避让。

近年来，一些专家学者提出了自动驾驶车辆用于狭窄路段会车的方法，但是现有技术主要针对城镇乡村道路一些人为造成的暂时性狭窄路段，存在以下几点不足：狭窄路段是指穿越城镇狭窄路段时对向来车、路上骑自行车者、部分停在车道上的泊车或停在第二排的泊车等暂时性短距离路段狭窄，不适用于只有少数指定位置错车的地理性长距离单行坡道路段；该方法通过车载传感器检测对向来车和来车的速度、加速度数据，对于长距离单行路段无法通过传感器检测到来车，因此无法获取数据并进行会车处理。

对于地理性长距离单行坡道的矿区无人运输路段，矿卡的编组协同作业方法亟需确定。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，针对目前矿区的地理环境情况以及矿区无人驾驶系统的运输编组存在的问题，通过对指定位置会车的规则以及车辆先行权规定的确定，基于5G的高速、低时延的特点，提高矿区无人驾驶运输效率，本发明提出一种基于5G的矿区无人运输系统的编组协同作业方法，本发明的具体技术方案如下：

一种基于5G的矿区无人运输系统的编组协同作业方法，其特征在于，每个会车位置Q_Z设置路侧单元，Z＝0,1,2,……N，N为矿区会车位置数加一，其中，Q₀为卸料点，即第一个会车位置；Q_N为取料点，即最后一个会车位置；每辆车上安装车载单元以及用于获取车辆位置、速度和加速度信息的基于5G的多车协同定位系统；所述编组协同作业方法还包括中心控制平台，所述中心控制平台用于数据汇总并向所述路侧单元和所述车载单元发送指令；所述路侧单元、所述车载单元和所述中心控制平台都具有5G通讯功能，所述编组协同作业方法包括以下步骤：

S1：通过基于5G的多车协同定位系统获得满载矿卡M_Y和空载矿卡K_X的位置、车速和加速度信息并上传至中心控制平台，其中,Y＝1，2，…Ymax，X＝1,2,…Xmax，Ymax为矿区的满载矿卡数量，Xmax为矿区的空载矿卡数量；

S2：根据在会车位置Q_Z设置的路侧单元、满载矿卡M_Y和空载矿卡K_X的实时位置，将两车及会车位置之间的道路分为空间片S₁,S₂,…S_n(0≤n≤N)，空间片的具体划分方法如下：

路段中的会车位置以卸料点Q₀为起始点，依次记会车位置为Q₁,Q₂,……，Q_N；Q₀为空载矿卡K_X起点，即卸料点；Q_N为满载矿卡M_Y起点，即取料点；

以每个会车位置为端点，每两个相邻会车位置之间的路段为一个空间片；自卸料点Q₀，至第一个会车位置Q₁的路段为空间片S₁，自Q₁至Q₂为空间片S₂，以此类推，记取料点Q_N为最后一个空间片终点；则矿车行驶路段可分为空间片S₁,S₂,…,S_n，0≤n≤N，N为矿区会车位置数加一；

S3：根据步骤S1得到的满载矿卡M_Y的速度信息，中心控制平台计算满载矿卡M_Y到达距离空载矿卡K_X最近的会车位置Q_Z的时间t_M；

S4：根据步骤S1得到的空载矿卡K_X的速度信息，中心控制平台计算空载矿卡K_X到达距离空载矿卡K_X最近的会车位置Q_Z的时间t_K；

S5：比较t_M与t_K，t_M≤t_K，则不能将S_n借给空载矿卡K_X，即空载矿卡K_X在原地等待；t_M>t_K,则S_n可以借用给空载矿卡K_X，即空载矿卡K_X行驶至下一个会车位置Q_Z+1；

S6：重复步骤S5，对于空载矿卡K_X，每进行一次借道判断后对比对象变为下一辆满载矿卡M_Y+1，直到空载矿卡K_X到达Q_N；

S7：对于下一辆空载矿卡K_X+1，重复步骤S4-步骤S6。

进一步地，所述步骤S5中，比较t_M与t_K，t_M≤t_K，空载矿卡K_X在原地等待；待满载矿卡M_Y通过会车位置Q_Z，空载矿卡K_X继续同下一辆满载矿卡M_Y+1进行到达下一个会车位置Q_Z+1的时间t_K与t_M+1的比较，t_M+1≤t_K，则为防止空载矿卡K_X不能通过而无法取料的情况，对于在同一取料行程、同一会车位置进行过两次及以上借道判断的空载矿卡K_X，按如下方法控制：

Step1：通过中心控制平台，得到就近满载矿卡M_Y+1和满载矿卡M_Y+2以当前车速到达下一个会车位置Q_Z+1的时间T_M+1和T_M+2，对空载矿卡K_X进行提速，得到空载矿卡K_X提速后到达下一个会车位置Q_Z+1的时间T_KA；

Step2：对比T_KA与T_M+1和T_M+2,T_KA<T_M+1，则可借道，空载矿卡K_X通过下一个会车位置Q_Z+1，等待满载矿卡M_Y+1通过；T_KA≥T_M+1，不能借道，满载矿卡M_Y+1通过下一个会车位置Q_Z+1，中心控制平台向满载矿卡M_Y+2发出降速指令，中心控制平台计算满载矿卡M_Y+2到达下一个会车位置Q_Z+1的时间T_M+2，中心控制平台向满载矿卡M_Y+2发出调速指令，最终实现T_KA<T_M+2，则空载矿卡K_X可借道行驶至下一个会车位置Q_Z+1等待满载矿卡M_Y+2通过。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的方法对于矿区地理性单行道无人驾驶矿物运输提供了协同编组方案。

2.本发明的方法基于5G的高速、低时延的特点，使得矿用卡车位置及车速等信息得以及时即刻的接收与计算，同时对于需求控制的发送及执行也直接提高了矿区无人驾驶运输的效率。

3.本发明的方法通过使用时分复用的算法，对于矿区多段单行道和少数会车位置的运输道路进行路权分配，优化了矿卡运输，提高了运输效率。

4.本发明的方法在5G与时分复用原理的基础上，建立了绝对的“满行空停”的行车原则与运输方案，对于负载过重不易改变车速的重型满载矿卡，很大程度减少了排放并降低车辆本身的损耗，对于矿区经济效益的提升提供了强有力的支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明一个实施例的矿区路线空间片分割示意图；

图2-图4是本发明一个实施例的方法流程图；

图5是本发明一个实施例的方法流程图汇总；

图6是本发明一个实施例的空载矿卡K_X与满载矿卡M_Y会车俯视示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提出一种基于5G的矿区无人运输系统的编组协同作业方法，通过每个会车位置设置的路侧单元RSU(Road Side Unit)，每辆车的车载单元OBU(On Board Unit)以及用于获取车辆位置、速度和加速度信息的基于5G的多车协同定位系统，搭载时分复用时空控制算法的中心控制平台，通过计算判断两车根据当前车速运动到双车道会车位置的时间，并在“满行空停”的大原则下进行允许范围内的车速控制调整，完成上下行矿卡协同编组运输。

满行空停：由于满载车辆负载过重，加减速困难，故拟定满载车辆一旦启动即为匀速行驶，到达卸料点之前不可停车；空载车辆相对负载较轻，可在限定车速范围内按需加减速行驶，可以实现到达指定位置的及时停车，故编组运输大原则定为“满行空停”。

时分复用技术基本原理：对不同类型的车辆在单行道上行驶的时间进行划分和分配，并通过在单行道借用过程中时间片和空间片的划分及表达，实现空载矿卡与满载矿卡对于单行道的使用顺序，从而实现“满行空停”的矿卡编组运输。

借道判别模型：假设空载车辆在t时刻从该借用路段的起点(即双车道会车位置Q_Z)处即可借用该路段，若空载矿卡K_X能在就近满载矿卡M_Y到达借用路段终点(即会车位置Q_Z+1)前通过该路段，则借道假设成立。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

实施例1

S1：矿区运输道路由已知会车位置为节点设置RSU，按空载矿卡前进的方向(即卸料点至取料点)依次记为Q₀,Q₁,Q₂,…，Q_Z，0≤Z≤N，N为会车位置数目加一；以卸料点为Q₀，取料点为Q_N；编号为X的空载矿卡K_X的空间片，用S_Z ^X表示，其中X表示该空间片上的空载矿卡K_X，Z表示该空间片内尾RSU编号，即尾会车位置编号；编号为Y的满载矿卡M_Y起点为Q_N，即取料点；如图1所示。

空载矿卡K_X于取料点通过基于5G的多车协同定位系统获取自车位置及计划行驶车速、加减速范围等信息，将本车信息发送至中心控制平台；满载矿卡M_Y于卸料点通过基于5G的多车协同定位系统获取自车位置及计划行驶车速、加减速范围等信息，将本车信息发送至中心控制平台；中心控制平台对车的位置数据进行处理，并根据时分复用时空控制算法得到控制策略回传车辆。

基于5G的多车系统定位系统由硬件部分和车载控制系统组成：硬件部分包括车载GPS、通信设备以及CAN总线，车载控制系统主要包括车辆信息采集与存储模块、多车协同定位计算模块和信息发送模块。

矿卡运行速度：矿卡一般行驶速度为10km/h-20km/h。因满载车辆负载过重，加减速困难，故拟定满载车辆一旦启动即按12km/h匀速行驶，到达卸料点之前不停车；空载车辆相对负载较轻，可在限定车速范围内,在12km/h的基础上按需加减速行驶，可以实现到达指定位置的及时停车。

S2：根据满载矿卡M_Y以及空载矿卡K_X的位置信息以及车速信息，计算两车相对行驶到距离空载矿卡最近的会车位置所需时间：

满载矿卡M_Y运动到距离空载矿卡K_X最近会车位置Q_Z的时间t_M：

S_n-1+S_n-2+...+S_n-z+1+S_n-z＝v×t_M (1)

以及空载矿卡K_X运动到距离空载矿卡K_X最近会车位置Q_Z的时间t_K：

t_K＝t_加+t_匀+t_减 (3)

此处，v＝12km/h；

S3：中心控制平台比较t_M与t_K，若t_M>t_K,则S_n可以借用给空载矿卡K_X；中心控制平台将“可以借用”翻译为根据(2)式行驶过程得出的相应的控制指令v控发送给空载矿卡K_X，使K_X行驶至Q_Z+1，完成一次算法流程；再与下一辆满载矿卡M_Y+1进行下一次算法流程，直至t_M＝t_K＝0，即K_X到达Q_N(即取料点)；流程如图2所示。

S4：中心控制平台比较t_M与t_K，若t_M≤t_K，则S_n不能借给空载矿卡K_X；中心控制平台将“不能借用”翻译为控制指令为v控＝0，发送给空载矿卡K_X，故K_X在原地等待，直至满载矿卡M_Y经过空载矿卡K_X，如图6；空载矿卡K_X与中心控制平台通信，在车速变化允许范围内提速，根据式(2)得出相应的时间T_KA；

中心控制平台获取M_Y+1的位置信息以及车速信息，并根据式(1)计算T_M+1；若T_KA<T_M+1，则S_n可以借用给空载矿卡K_X；中心控制平台将“可以借用”翻译为根据式(2)行驶过程得出的相应的控制指令v控发送给空载矿卡K_X，使K_X行驶至Q_Z+1，完成一次算法流程；再与下一辆满载矿卡M_Y+2进行下一次算法流程，直至t_M＝t_K＝0，即K_X到达Q_N(即取料点)；流程如图3所示。

S5：对于步骤S4，若T_KA>＝T_M+1，则中心控制平台将“不能借用”翻译为控制指令为v控＝0，发送给空载矿卡K_X，故K_X在原地Q_Z等待，直至满载矿卡M_Y+1经过空载矿卡K_X，如图6；

同时中心控制平台获取M_Y+2的位置信息以及车速信息，控制M_Y+2小数值调降速；

待满载矿卡M_Y+1经过空载矿卡K_X，如图6，根据式(1)计算M_Y+2到达Q_Z+1的时间T_M+2；中心控制平台控制M_Y+2小数值调速，实现T_KA<T_M+2；则S_n可以借用给空载矿卡K_X；中心控制平台将“可以借用”翻译为根据式(2)行驶过程得出的相应的控制指令v控发送给空载矿卡K_X，使K_X行驶至Q_Z+1，完成一次算法流程；待M_Y+2通过Q_Z+1，如图6所示，再与下一辆满载矿卡M_Y+3进行下一次算法流程，直至t_M＝t_K＝0，即K_X到达Q_N(即取料点)；流程如图4所示。

S6：对于下一辆空载矿卡K_X+1，循环以上算法，总流程如图5所示。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于5G的矿区无人运输系统的编组协同作业方法，其特征在于，每个会车位置Q_Z设置路侧单元，Z＝0,1,2,……N，N为矿区会车位置数加一，其中，Q₀为卸料点，即第一个会车位置；Q_N为取料点，即最后一个会车位置；每辆车上安装车载单元以及用于获取车辆位置、速度和加速度信息的基于5G的多车协同定位系统；所述编组协同作业方法还包括中心控制平台，所述中心控制平台用于数据汇总并向所述路侧单元和所述车载单元发送指令；所述路侧单元、所述车载单元和所述中心控制平台都具有5G通讯功能，所述编组协同作业方法包括以下步骤：

S1：通过基于5G的多车协同定位系统获得满载矿卡M_Y和空载矿卡K_X的位置、车速和加速度信息并上传至中心控制平台，其中,Y＝1，2，…Ymax，X＝1,2,…Xmax，Ymax为矿区的满载矿卡数量，Xmax为矿区的空载矿卡数量；

S2：根据在会车位置Q_Z设置的路侧单元、满载矿卡M_Y和空载矿卡K_X的实时位置，将两车及会车位置之间的道路分为空间片S₁,S₂,…S_n(0≤n≤N)，空间片的具体划分方法如下：

路段中的会车位置以卸料点Q₀为起始点，依次记会车位置为Q₁,Q₂,……，Q_N；Q₀为空载矿卡K_X起点，即卸料点；Q_N为满载矿卡M_Y起点，即取料点；

以每个会车位置为端点，每两个相邻会车位置之间的路段为一个空间片；自卸料点Q₀，至第一个会车位置Q₁的路段为空间片S₁，自Q₁至Q₂为空间片S₂，以此类推，记取料点Q_N为最后一个空间片终点；则矿车行驶路段可分为空间片S₁,S₂,…,S_n，0≤n≤N，N为矿区会车位置数加一；

S3：根据步骤S1得到的满载矿卡M_Y的速度信息，中心控制平台计算满载矿卡M_Y到达距离空载矿卡K_X最近的会车位置Q_Z的时间t_M；

S4：根据步骤S1得到的空载矿卡K_X的速度信息，中心控制平台计算空载矿卡K_X到达距离空载矿卡K_X最近的会车位置Q_Z的时间t_K；

S5：比较t_M与t_K，t_M≤t_K，则不能将S_n借给空载矿卡K_X，即空载矿卡K_X在原地等待；待满载矿卡M_Y通过会车位置Q_Z，空载矿卡K_X继续同下一辆满载矿卡M_Y+1进行到达下一个会车位置Q_Z+1的时间t_K与t_M+1的比较，t_M+1≤t_K，则为防止空载矿卡K_X不能通过而无法取料的情况，对于在同一取料行程、同一会车位置进行过两次及以上借道判断的空载矿卡K_X，按如下方法控制：

Step1：通过中心控制平台，得到就近满载矿卡M_Y+1和满载矿卡M_Y+2以当前车速到达下一个会车位置Q_Z+1的时间T_M+1和T_M+2，对空载矿卡K_X进行提速，得到空载矿卡K_X提速后到达下一个会车位置Q_Z+1的时间T_KA；

Step2：对比T_KA与T_M+1和T_M+2,T_KA<T_M+1，则可借道，空载矿卡K_X通过下一个会车位置Q_Z+1，等待满载矿卡M_Y+1通过；T_KA≥T_M+1，不能借道，满载矿卡M_Y+1通过下一个会车位置Q_Z+1，中心控制平台向满载矿卡M_Y+2发出降速指令，中心控制平台计算满载矿卡M_Y+2到达下一个会车位置Q_Z+1的时间T_M+2，中心控制平台向满载矿卡M_Y+2发出调速指令，最终实现T_KA<T_M+2，则空载矿卡K_X可借道行驶至下一个会车位置Q_Z+1等待满载矿卡M_Y+2通过；

t_M>t_K,则S_n可以借用给空载矿卡K_X，即空载矿卡K_X行驶至下一个会车位置Q_Z+1；

S6：重复步骤S5，对于空载矿卡K_X，每进行一次借道判断后对比对象变为下一辆满载矿卡M_Y+1，直到空载矿卡K_X到达Q_N；

S7：对于下一辆空载矿卡K_X+1，重复步骤S4-步骤S6。

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