CN113146628B - 一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，可以根据存车线存留车信息，实现机器人自动运行至作业地点，自动识别作业关键要素，自动完成制动软管摘结作业，该系统可以降低作业人员劳动强度、减轻职工工作压力、防止因操作不当发生人身伤亡事故，系统的应用可以有效提高制动软管摘结效率，缩短列检作业时间，加快货物列车周转率，提高编组站整体作业效率。且该技术可无缝推广应用到区段站和中间站，市场前景广阔，具有较高的经济效益和社会效益。

Description

一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统。

背景技术

除直通列车外，货物列车自区间进入编组站后，首先进入车站到达场，然后分别经列检作业、货检作业、排风作业、解体作业、集结作业、编组作业和发车作业后离开本编组站再次进入下一区间。在编组站的诸多作业中，仍有很多作业完全需要人工手动完成，缺乏相应的自动化设备辅助或替代。如列检作业中的摘断制动软管、解体作业中的峰顶提钩作业和发车作业前的连结制动软管等等，该类作业劳动强度高、工作压力大、占用工时长且操作不当较易发生人身危险等事故，无形中增加了货物列车在编组站的中停时间，影响了编组站整体编解效率的提升。

据统计，铁路车辆在编组站的停留时间约占车辆周转时间的1/3，编组站作业效率直接影响到铁路运输的效率和收益。

多年来，对于驼峰场峰顶自动提钩技术的研究相对较多，但研究更多集中在理论研究或实验室内仿真提钩试验，真正在现场投入实际使用和推广应用的很少，而对于制动软管的自动摘结的研究，在国内外已公开的相关文献中更是少之又少，仅在上世纪80年代有过借助车辆溜放力或机车之拉力自动摘结制动软管的报道，未见现场正式应用相关报道，目前国内各编组站的制动软管摘结作业仍然完全依靠人工手动完成。为进一步提升编组站整体作业效率，提高编组站整体作业的机械化、自动化和智能化水平显得更加重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，通过自动摘结机器人的应用，可明显降低作业人员劳动强度，加快车辆周转速度，提高编组站整体编解效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，包括：若干机器人、信息获取模块、通信控制模块、关键作业目标识别模块、路径规划模块、运动控制模块以及视频监控模块；其中：

所述信息获取模块，用于获取存车线内存留车信息；

所述通信控制模块，用于实现机器人与指挥中心的通信控制，以及机器人作业期间内部通信的控制；

所述关键作业目标识别模块，用于通过激光雷达和双目视觉的结合完成制动软管摘结的指定目标点的识别；

所述路径规划模块，用于根据存车线内存留车信息、以及待作业的机器人所处位置进行走行路径的规划，还用于当待作业的机器人根据走行路径达到指定位置后，根据关键作业目标识别模块的识别结果，按照摘断或连接制动软管的作业顺序，进行机器人的机械臂运动路径规划；

所述运动控制模块，用于根据所述路径规划模块规划的走行路径与机械臂运动路径控制机器人底盘运动与机械臂运动；

所述视频监控模块，用于在通信控制模块的控制下将机器人机械臂上的摄像头采集的视频图像以及站场内固定位置设置的摄像头采集的视频图像发送至指挥中心，两部分视频图像经过统一的视频拼接后集中显示。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，可以根据存车线存留车信息，实现机器人自动运行至作业地点，自动识别作业关键要素，自动完成制动软管摘结作业，从而有效降低作业人员劳动强度，提高编组站整体编解效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，如图1所示，其主要包括：若干机器人(未示出)、信息获取模块、通信控制模块、关键作业目标识别模块、路径规划模块、运动控制模块以及视频监控模块；其中：

1)所述信息获取模块，用于获取存车线内存留车信息。

本发明实施例中，所述信息获取模块通过与车站信息系统或信号系统接口、以及智能铁鞋接口，采集存车线内存留车信息，包括存车辆数、存车类型以及存车位置，利用存车线内存留车信息确定具体作业的机器人并制定相应机器人的作业序列。

2)所述通信控制模块，用于实现机器人与指挥中心的通信控制，以及机器人作业期间内部通信的控制。具体来说：

所述通信控制模块实现机器人与指挥中心的通信控制，包括：站场内作业的所有机器人与指挥中心之间通过LTE、5G或COFDM无线图传电台(可采用cofdm、ofdm等等多种制式)完成压缩编码的视频及点云数据的发送；机器人通过数传电台方式单向接收车站信号系统空中数据(站场联锁设备状态、存车线状态、存留车辆位置、存留车辆类型以及机车作业目标股道及机车运行速度等信息)；机器人工作状态、任务执行情况及剩余电量通过无线方式发回指挥中心；

通信控制模块实现机器人作业期间内部通信的控制包括：控制机器人底盘与机械臂之间的通信，以及控制机器人底盘和机械臂，与机器人操作系统(ROS)之间的通信；

通信控制模块还用于实现站场与指挥中心的通信控制，包括：将站场固定位置摄像头采集的视频数据经压缩后通过光纤方式发回指挥中心。

3)所述关键作业目标识别模块，用于通过激光雷达和双目视觉的结合完成制动软管摘结的指定目标点的识别。

所述关键作业目标识别模块，通过融合基于双目视觉图像数据(通过安装在机器人机械臂上的双目摄像头采集)和激光雷达采集的点云数据，再利用深度学习算法完成制动软管摘结的指定目标点的识别，所述的指定目标点包括：折角塞门自阀手柄、制动软管连接器体和接头、以及车钩提钩杆；识别结果用于机械臂运动路径规划。

优选的，其中由于制动软管连接器体和接头可能存在晃动，因此，可采用动态目标识别方法进行识别。

4)所述路径规划模块，用于根据存车线内存留车信息、以及待作业的机器人所处位置进行走行路径的规划，还用于当待作业的机器人根据走行路径达到指定位置后，根据关键作业目标识别模块的识别结果，按照摘断或连接制动软管的作业顺序，进行机器人的机械臂运动路径规划。

本发明实施例中，走行路径的规划时，融合差分北斗定位(BDS-RTK)数据、惯性传感器(IMU)数据、以及激光雷达采集的点云数据，或者在此基础上增加里程计数据完成机器人的定位，根据机器人的定位以及所述存车线内存留车信息中的存留车位置，结合地图实现走行路径的规划。

之后，根据关键目标识别模块识别的目标，在机器人底盘运动就位后，根据作业类型(摘管或结管)以及相应的作业顺序，进行机器人的机械臂运动路径规划。

5)所述运动控制模块，用于根据所述路径规划模块规划的走行路径与机械臂运动路径控制机器人底盘运动与机械臂运动。

本发明实施例中，所述运动控制模块，根据规划的走行路径，驱动机器人底盘电机运动，运动过程中保持与存车线车辆相对位置安全，并自动识别障碍物完成避障处理；根据规划的机械臂运动路径，驱动机械臂沿着规划路径运动，完成摘结作业全过程。

6)所述视频监控模块，用于在通信控制模块的控制下将机器人机械臂上的摄像头采集的视频图像以及站场内固定位置设置的摄像头采集的视频图像发送至指挥中心，两部分视频图像经过统一的视频拼接后集中显示。

7)存储控制模块：通过分库分表存储策略将系统内不同业务数据进行分类存储，包括作业过程中所涉及的视频图像数据(站场综合采集摄像头的视频数据、机器人作业视频数据等)、控制数据(不同机器人路径规划数据、任务调度数据、信号系统通信数据等)、定位数据(包括差分北斗导航定位(BDS-RTK)数据、惯性传感器(IMU)数据、LiDAR点云数据等)和其它运行数据。

本发明实施例中，任务调度数据包括：每台机器人前往作业的具体存车线以及在该存车线的具体作业端(计划是每条存车线由至少两台机器人共同作业)，此外调度数据还包括机器人是否需要前往充电桩充电等等；信号系统通信的数据包括存留车信息，如存车位置、存留车类型、是否有机车在该存车线作业或者计划前往该存车线、该存车线是否有接车或发车进路排列好、机车人前往目标作业存车线路径上经过的存车线内是否有机车作业等等。其它运行数据包括机器人作业相关的数据，如每次作业起止时间、作业耗时、摘结作业完成情况(如特殊情况下，可能部分作业步骤失败)、机器人处于自动控制还是远程控制等、机器人与控制中心等通信状况等。

此外，本发明实施例中，机器人中，使用不低于6自由度的机械臂，机械臂末端上安装双机械手，双目摄像头固定在机械臂上；机器人还集成了激光雷达、双目视觉、差分北斗导航、惯性传感器和里程计技术，用于实现机器人的自定位与指定目标点的识别。机器人采用轮式运动时，利用麦克纳姆轮的轮式驱动方案实现运动，通过车辆侧方作业方式，完成制动软管摘结；采用轨道式运动时，在存车线一侧设置运行轨道，或者在钢轨内侧、车辆底下设置轨道，采取下方作业方式，完成制动软管摘结。

如图2所示，为上述系统的主要工作流程，包括：1)任务获取。此部分主要通过信息获取模块获取存车线内存留车信息；之后，根据机器人是否处于正常工作状态进行任务分解、并生成作业序列。2)路径规划与运动控制。此部分由路径规划模块、关键作业目标识别模块及运动控制模块协同工作；首先，通过路径规划模块进行走行路径的规划，由运动控制模块按照走行路径驱动机器人运行至指定位置；然后，关键作业目标识别模块识别指定目标，再由路径规划模块进行机器人的机械臂运动路径规划；最后，由运动控制模块按照机械臂运动路径驱动机器人机械臂完成摘结作业。3)作业状态上报与过程监控。此部分由通信控制模块与视频监控模块协同工作，将机器人的自身以及工作状态上报至指挥中心，以及将机器人与站场摄像头采集的视频图像数据上传至指挥中心。

为了便于理解，下面针对系统部分核心模块的原理及具体实现方式做详细的介绍。

一、信息获取模块。

1、原理。

1)通过与现车系统(TMIS)、无线调车机车信号和监控系统(STP)、驼峰无线机车遥控系统(TY5)、驼峰自动化控制系统(TBZK/TW-2)、编组站综合自动化系统(SAM/CIPS)接口采集调车作业通知信息和存车线存车信息，获取存车线内存留车辆数、存留车辆类型、载重、自重等信息。

2)通过与智能铁鞋等系统接口，采集存车线内铁鞋位置，进而获取存车线内存留车的位置信息。

2、实现方法。

1)与TMIS、TBZK/TW-2、SAM/CIPS、STP、TY5等可通过有线通信方式采集调车计划信息、存车信息，前述系统可将调车计划信息等通过网络或串口单向发送给自动摘结机器人系统地面设备；

2)与STP、TY5还可通过无线通信方式采集存车信息，其中通过无线通信方式，无需对既有系统进行软硬件改造，仅需设置数传电台单向接收系统空中无线传输的调车计划信息即可。

二、关键作业目标识别模块。

1、原理。

通过激光雷达和双目视觉结合完成制动软管摘结的关键目标点识别，包括折角塞门自阀手柄、制动软管连接器体、制动软管连接器接头。车钩提钩杆等。

2、实现方法。

在自动摘结机器人向车辆连接处运动过程中，将激光雷达点云数据和双目视觉图像数据经过各自预处理、配准和融合后，利用深度学习算法在大量数据训练的基础上实现对制动软管摘结的关键信息进行识别，包括折角塞门自阀手柄、制动软管波纹连接器体、车钩提钩杆的类型、状态、位置和姿态等的识别和定位。

此外，由于制动软管可能会随车体或随风晃动，可采用动态目标识别技术，在识别出固定的制动软管车辆连接末端后，机械手可顺着制动软管连接器体顺下，找到连接器接头，完成制动软管的摘结作业。

三、路径规划模块。

1、原理

通过对自动摘结机器人作业全程实时定位，结合高精度地图，完成自机器人当前位置至制动软管摘结地点或充电桩所处位置的路径规划。

2、实现方法。

1)走行路径的规划。通过将差分北斗导航定位(BDS-RTK)数据、惯性传感器(IMU)数据进行数据融合，并结合LiDAR点云与高精度地图匹配，必要时再结合里程计算法来共同实现对机器人的精准定位。通过将A*算法和智能算法(蚁群算法或遗传算法等)相结合，实现对从机器人当前位置到目标作业位置的路径规划功能。

2)机器人的机械臂运动路径规划。根据关键作业目标识别模块的识别结果，按照摘断或连接制动软管的作业顺序，进行机器人的机械臂运动路径规划。

本领域技术人员可以理解，按照“一关前、二关后、三摘管、四提钩”顺序摘管，按照“一检查、二接管、三开后、四开前”的顺序结管。

本发明实施例中，路径规划功能可以由地面集中控制中心完成，也可以由机器人自主完成。

四、运动控制模块。

1、原理。

运动控制功能包括机器人底盘运动控制和机械臂运动控制，根据所规划好的走行路径，机器人控制底盘运动到作业点，然后根据机械臂运动路径控制机械臂按照作业顺序运动至相应位置并完成作业。

2、实现方法。

根据上步所规划好的走行路径，机器人控制底盘运动至制动软管摘结作业地点，运动过程中实时测量机器人与存车线内车辆的相对位置，对于过程中的临时出现的障碍物(如作业人员、移动物体等)，机器人进行实时障碍物识别和避障动作。

当机器人电量不足时，在保证不对其它机器人作业造成冲突的前提下，按照最短路径优先原则选择充电可自动返回充电桩处进行自动充电。

摘结作业时，按照规划好的机械臂运动路径驱动机器人机械臂作业。

五、视频监控模块。

1、原理。

通过将机器人自身视频采集设备和站场内固定位置的视频采集设备采集的视频信息在调度指挥中心实时显示，实现对站场对各台自动摘结机器人作业实况的视频监控和站场内整体作业的视频监控。

为了便于在指挥中心进行视频拼接处理，站场内固定位置设置的每两个相邻视频采集设备采集的视频图像要保持有重叠区域。

2、实现方法。

机器人自身视频采集设备与机器人机械臂固定在一起，即eye-in-hand，该视频采集设备采集的视频图像除用于关键目标点的图像识别外，在经过压缩编码(H.264、H.265或MPEG-4)后还通过无线方式(LTE、5G或COFDM无线图传)传送给调度指挥中心(此功能由通信控制模块配合完成)。

站场内固定位置的视频采集设备按照机器人作业地点分散布置，保证实现对站场内作业的所有机器人作业区域的全覆盖，采集的视频数据在经过压缩编码(H.264、H.265或MPEG-4)后通过有线方式(光纤)或无线方式(LTE、5G或COFDM无线图传)传送给调度指挥中心(此功能由通信控制模块配合完成)。

调度指挥中心内将上述两类视频信息集中显示，并可按需切换显示，其中对于机器人自身采集的视频信息解码后直接进行显示，对于站场内固定位置视频采集设备采集的视频信息解码后基于SIFT/SURF算法进行视频拼接后，在调度指挥中心大屏集中综合显示。

本发明实施例提供的上述方案，可以降低作业人员劳动强度、减轻职工工作压力、防止因操作不当发生人身伤亡事故，系统的应用可以有效提高制动软管摘结效率，缩短列检作业时间，加快货物列车周转率，提高编组站整体作业效率。且该技术可无缝推广应用到区段站和中间站，市场前景广阔，具有较高的经济效益和社会效益。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，其特征在于，包括：若干机器人、信息获取模块、通信控制模块、关键作业目标识别模块、路径规划模块、运动控制模块以及视频监控模块；其中：

所述信息获取模块，用于获取存车线内存留车信息；所述信息获取模块通过与车站信息系统或信号系统接口、以及智能铁鞋接口，采集存车线内存留车信息，包括存车辆数、存车类型以及存车位置，利用存车线内存留车信息确定具体作业的机器人并制定相应机器人的作业序列；

所述通信控制模块，用于实现机器人与指挥中心的通信控制，以及机器人作业期间内部通信的控制；所述通信控制模块实现机器人与指挥中心的通信控制，包括：站场内作业的所有机器人与指挥中心之间通过LTE、5G或COFDM无线图传电台完成压缩编码的视频以及点云数据的发送；机器人通过数传电台方式单向接收车站信号系统空中数据；机器人工作状态、任务执行情况及剩余电量通过无线方式发回指挥中心；通信控制模块实现机器人作业期间内部通信的控制包括：控制机器人底盘与机械臂之间的通信，以及控制机器人底盘和机械臂，与机器人操作系统之间的通信；

所述关键作业目标识别模块，用于通过激光雷达和双目视觉的结合完成制动软管摘结的指定目标点的识别；

所述路径规划模块，用于根据存车线内存留车信息、以及待作业的机器人所处位置进行走行路径的规划，还用于当待作业的机器人根据走行路径达到指定位置后，根据关键作业目标识别模块的识别结果，按照摘断或连接制动软管的作业顺序，进行机器人的机械臂运动路径规划；

所述运动控制模块，用于根据所述路径规划模块规划的走行路径与机械臂运动路径控制机器人底盘运动与机械臂运动；

所述视频监控模块，用于在通信控制模块的控制下将机器人机械臂上的摄像头采集的视频图像以及站场内固定位置设置的摄像头采集的视频图像发送至指挥中心，两部分视频图像经过统一的视频拼接后集中显示。

2.根据权利要求1所述的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，其特征在于，该系统还包括：

存储控制模块：通过分库分表存储策略将系统内不同业务数据进行分类存储，包括作业过程中所涉及的视频图像数据、控制数据、定位数据和其它运行数据。

3.根据权利要求1所述的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，其特征在于，

通信控制模块还用于实现站场与指挥中心的通信控制，包括：将站场固定位置摄像头采集的视频数据经压缩后通过光纤方式发回指挥中心。

4.根据权利要求1所述的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，其特征在于，所述关键作业目标识别模块，通过融合基于双目视觉图像数据和激光雷达点云数据，再利用深度学习算法完成制动软管摘结的指定目标点的识别，所述的指定目标点包括：折角塞门自阀手柄、制动软管连接器体和接头、以及车钩提钩杆。

5.根据权利要求1所述的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，其特征在于，走行路径的规划时，融合差分北斗定位数据、惯性传感器数据、以及激光雷达采集的点云数据，或者在此基础上增加里程计数据完成机器人的定位，根据机器人的定位以及所述存车线内存留车信息中的存留车位置，结合地图实现走行路径的规划。

6.根据权利要求1所述的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，其特征在于，所述运动控制模块，根据规划的走行路径，驱动机器人底盘电机运动，运动过程中保持与存车线车辆相对位置安全，并自动识别障碍物完成避障处理；根据规划的机械臂运动路径，驱动机械臂沿着规划路径运动，完成摘结作业全过程。

7.根据权利要求1所述的一种适用于编组站的制动软管摘结机器人系统，其特征在于，所述机器人中，使用不低于6自由度的机械臂，机械臂末端上安装双机械手，双目摄像头固定在机械臂上；机器人还集成了激光雷达、双目视觉、差分北斗导航、惯性传感器和里程计技术，用于实现机器人的自定位与指定目标点的识别；

机器人采用轮式运动时，利用麦克纳姆轮的轮式驱动方案实现运动，通过车辆侧方作业方式，完成制动软管摘结；

采用轨道式运动时，在存车线一侧设置运行轨道，或者在钢轨内侧、车辆底下设置轨道，采取下方作业方式，完成制动软管摘结。

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