CN113359706B - 一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统与方法，属于矿用设备技术领域。系统包括矿用平板车，其包括前车、后车和连接杆，前车与后车通过连接杆连接；还包括：图像采集模块，其设于前车前端顶部，用于采集矿用平板车前方环境信息并传输；控制模块，其设于矿用平板车上，接收图像采集模块传输的信息，处理生成目标轨迹，并根据目标轨迹控制矿用平板车方向。本发明通过图像采集模块与控制模块的配合，对矿用平板车前进时前方弯道信息进行采集分析，从而规划处目标轨迹控制矿用平板车按轨迹行驶，降低了传统方式中人工转弯的成本及危险系数，结合本发明的方法，提高了矿用平板车转弯的稳定性和适应性。

Description

一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法
技术领域
本发明属于矿用设备技术领域，更具体地说，涉及一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统与方法。
背景技术
矿用平板车是用来运输给综采工作面煤机割煤时降尘时使用的喷雾泵及喷雾水箱及其泵站其他相关配件的矿用设备，现煤矿大多数采用多个矿用平板车相互连接组合完成运输任务。
现有的相互连接的矿用平板车在运输过程中转弯时存在平板车边缘碰撞巷道壁、连接杆失效断裂等问题，安全性差，且传统的矿用平板车在转弯过程中需要人工调整方向，人力成本高，费时费力，存在安全隐患。
经检索，中国专利公开号：CN 112455491 A；公开日：2021年3月9日；公开了一种矿用平板车及控制方法，矿用平板车包括：平板车车体、设置在平板车车体两侧的平板车碰头、设置在平板车车体底部的平板车轮对、设置在平板车碰头上的固定槽、嵌在固定槽内的碰头装置、通过铁板焊接在固定槽内的限位板、设置在平板车碰头中心处的平板车插销、控制器以及减速器，碰头装置还设有传感器。该申请案通过传感器感应碰头装置承受的压力值，通过控制器获取平板车运行速度，当压力值和平板车速度超过一定值时，控制器发出减速指令，减速器接收到减速指令并控制矿用平板车进行减速，利用此方式使矿用平板车速度不至于过快，从而起到减小撞击冲击力的效果，相比于传统矿用平板车，在安全性、有效使用寿命上有了一定提升，但依靠该申请案的装置及方法，矿用平板车在工作过程中移动效率过慢，尤其是工作环境复杂的巷道中，依靠该申请案的控制方法，矿用平板车绝大多数时间可能在低速行驶，且无法对行驶轨迹纠偏，在实际应用中难以满足生产效率的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，包括，
矿用平板车，其包括前车、后车和连接杆，前车与后车通过连接杆连接；
还包括：
图像采集模块，其设于前车前端顶部，用于采集矿用平板车前方环境信息并传输；
控制模块，其设于矿用平板车上，接收图像采集模块传输的信息，处理生成目标轨迹，并根据目标轨迹控制矿用平板车行驶。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，可选地，所述图像采集模块包括：
CCD双目摄像机，其布置于前车前端顶部；
隔爆型探照灯，其设于CCD双目摄像机上方。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，可选地，所述控制模块包括：
前车控制模块，其固定于前车上，前车控制模块与图像采集模块线路连接，接收并处理图像采集模块传输的信息，生成目标轨迹，并通过无线发射装置传输目标轨迹信息；
后车控制模块，其固定于后车上，通过无线接收装置接收无线发射装置传输的目标轨迹信号；
前车控制模块及后车控制模块均能根据目标轨迹对前车或后车的方向进行控制。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，可选地，还包括报警感应模块，其包括：
超声波传感器，其有若干个，分别固定于前车前端两侧及后车后端两侧，超声波传感器检测矿用平板车侧面与巷道侧壁的距离；
轴套编码器，其固定于连接杆上，轴套编码器检测连接杆的角度位置。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，可选地，所述报警感应模块与控制模块信号连接，当超声波传感器检测到的距离信息或轴套编码器检测到的角度信息超过安全阈值时，报警感应模块发出信号使控制模块控制矿用平板车紧急制动。
根据本发明的另一方面，提供了一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，步骤如下：
一、图像采集：图像采集模块拍摄矿用平板车行驶方向前方的图像，并将图像传输至控制模块；
二、生成目标轨迹：
a1、提取边缘特征，控制模块根据接收的图像信息，建立图像坐标系，定义图像下方的弯道区域为感兴趣区域，通过分别建立垂直和水平方向的单线性结构元素来重构并去除干扰信息，通过形态学细化边缘特征提取明确的左右弯道边缘特征点集合；
a2、获取采集点，从图像底部开始，设定间距为m的等间距水平搜索线，利用可漂移检测窗口对提取的左右弯道边缘特征点采用自中间向两边的搜索次序获得采集点；
a3、拟合曲线，将左右边缘线同一纵坐标的两个采集点横坐标加权融合，得到对应的控制点，从而得到处于弯道中心线的点集合S，从S中随机抽取4个点，按顺序自下而上依次为Pi、Pi+1、Pi+2和Pi+3，将这4个点作为一组进行拟合曲线；
三、曲线跟踪：
将拟合的曲线方程从图像坐标系变换到世界坐标系，控制模块控制前车和后车沿着转换后的曲线行驶。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，可选地，步骤二的a1中，定义图像下方的弯道区域为感兴趣区域后，将图像二值化，采用直方图均衡化增强图像亮度，采用自适应中值滤波减少图像中非必要道路纹理和噪声点，然后通过分别建立垂直和水平方向的单线性结构元素来重构并去除干扰信息，通过形态学细化边缘特征提取明确的左右弯道边缘特征点集合。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，可选地，步骤二的a3中，拟合曲线的具体方法如下：
构建Catmull-Rom样条曲线P1(t),
Figure GDA0003646999950000031
引入新控制点A，A由Pi、Pi+1计算所得，
Figure GDA0003646999950000032
引入新控制点B，B由Pi+2、Pi+3计算所得，
Figure GDA0003646999950000033
由A、Pi、Pi+1、Pi+2四个点得到曲线P2(t)，
Figure GDA0003646999950000034
由Pi+1、Pi+2、Pi+3、B四个点得到曲线P3(t)，
Figure GDA0003646999950000041
将P1(t)、P2(t)、P3(t)相加即得到拟合曲线。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，可选地，还包括步骤：
四、轨迹跟踪：提取目标轨迹的轨迹参数，利用Kalman滤波器迭代计算，实现跟踪。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，可选地，步骤二还包括：
a4、优化曲线，计算S中其他的控制点到a3得到的拟合曲线的水平距离，设定阈值d＝5mm，比较计算的水平距离与阈值的大小，若小于d，判定为有效点，若有效点的数量不小于S中总点数的80％，则进行步骤三，若有效点的数量小于S中总点数的80％，则返回a3步骤，从S中随机另取4个点，进行拟合曲线。
根据本发明实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，可选地，通过逆透视变换将拟合的曲线方程从图像坐标系[x，y]投影到世界坐标系[X，Y，Z]，变换关系S如下：
S[x y 1]T＝K·[R|T]·[X Y Z 1]T；
式中，K为CCD双目摄像机的内参矩阵，R为CCD双目摄像机旋转矩阵，T为平移向量。
本发明的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，通过图像采集模块与控制模块的配合，对矿用平板车前进时前方弯道信息进行采集分析，从而规划处目标轨迹控制矿用平板车按轨迹行驶，降低了传统方式中人工转弯的成本及危险系数；通过在矿用平板车上设置报警感应模块，对于矿用平板车行驶时即将出现的碰撞或连接杆角度过弯作出感应预警，从而使控制器及时控制矿用平板车停止，有效延长矿用平板车安全使用寿命；
进一步地，本发明的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，通过构件样条曲线模型的C1特性拟合曲线，使得处理后生成的目标轨迹曲线更简单，通过阈值控制挑选控制点优化拟合曲线，进而提高了矿用平板车转弯的安全性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1示出了本发明的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统结构示意图；
图2示出了本发明的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法流程图；
图3示出了本发明的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法中目标轨迹生成示意图；
附图标记：
1、矿用平板车；10、前车；11、后车；12、连接杆；
2、图像采集模块；20、CCD双目摄像机；21、隔爆型探照灯；
3、控制模块；30、前车控制模块；300、无线发射装置；31、后车控制模块；310、无线接收装置；
4、报警感应模块；40、超声波传感器；41、轴套编码器。
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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“前”、“后”以及类似的词语并不表示重要性，“前”是指矿用平板车1前进的方向，“后”是指与矿用平板车1前进方向相反的方向，同理，前车10为靠近矿用平板车1前进的方向的车体，后车11为远离矿用平板车1前进方向的车体。
实施例1
如图1所示，示出了本实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，矿用平板车1包括前车10、后车11和连接杆12，前车10与后车11通过连接杆12连接；本实施例在前车10前端顶部设置了图像采集模块2，用于采集矿用平板车1前方环境信息并传输；更具体地说，图像采集模块2由CCD双目摄像机20和隔爆型探照灯21组成，矿用平板车1的工作环境多为矿井巷道中，光线不足，因此设置隔爆型探照灯21为CCD双目摄像机20采集图像提供足够的亮度，CCD双目摄像机20主要目的是拍摄采集矿用平板车1前进过程中前方道路弯道的图片信息，供后续的控制模块3处理。
本实施例的控制模块3，设于矿用平板车1上，控制模块3内设有图像处理单元、串行外设接口、直接存储访问控制器等必要元件，控制模块3主要由两部分组成，固定于前车10上的前车控制模块30和固定于后车11上的后车控制模块31，控制模块3的主要作用是接收图像采集模块2传输的信息，处理生成目标轨迹，并根据目标轨迹控制矿用平板车方向；更具体地说，图像采集模块2的CCD双目摄像机20拍摄采集的图像信息通过USB端口连接至前车控制模块30上，将图像信息直接传输至前车控制模块30中，前车控制模块30对图像信息进行一系列的处理，通过提取弯道边缘特征点、拟合弯道边缘曲线，最终将弯道边缘曲线融合形成目标轨迹曲线，然后将目标轨迹曲线信息传输至后车控制模块31，前车控制模块30和后车控制模块31分别根据目标轨迹曲线信息控制矿用平板车1的方向盘、电机等使矿用平板车1沿目标轨迹曲线运动。
进一步地，前车控制模块30与后车控制模块31间的数据传输通过无线发射装置300和无线接收装置310的网络端口实现，网络端口为ZigBee模块，2.4G频段无线传输技术来实现无线发射装置300和无线接收装置310间的短距离无线传输。
本实施例中利用USB端口将前车控制模块30与CCD双目摄像机20连接，可以方便且快速有效的将图像信息及时传输至前车控制模块30中进而进行快速的目标轨迹的生成，前车控制模块30和后车控制模块31利用短距离无线传输技术即能将目标轨迹信息实时可靠的进行传输，且前车控制模块30和后车控制模块31分别对前车10和后车11进行相应的控制，对矿用平板车1行进的控制更加灵活。
进一步地，本实施例还在矿用平板车1上设置了报警感应模块4，对可能出现的碰撞、连接杆12过角度的情况及时监测并作出预警，具体实现为，在前车10前端两侧及后车11后端两侧均固定有超声波传感器40，实时监测矿用平板车1两侧的距离信息，对超声波传感器40设置距离信息安全值，当监测到两侧的巷道墙壁等物体距离矿用平板车1的距离过近超过安全值时，发出信号至控制模块3，使控制模块3控制矿用平板车1的电机紧急制动，减速或停止；在前车10与后车11间的连接杆12上设置有轴套编码器41，轴套编码器41能实时监测连接杆12的角度信息，对轴套编码器41设置角度信息安全值，当连接杆12出现过角度情况时，超出轴套编码器41上的安全值，轴套编码器41发出信号至控制模块3，使控制模块3控制矿用平板车1的电机紧急制动，减速或停止。
通过本实施例图像采集模块2与控制模块3生成的目标轨迹，使矿用平板车1沿目标轨迹行驶，一方面降低了人工调整方向的成本，提高安全性，使矿用平板车1工作过程中能按照有效安全的目标轨迹行驶，效率高，对于突发碰撞危险或转弯时可能出现的连接杆12失效断裂风险，通过报警感应模块4及时监测并反馈给控制模块3控制，提高矿用平板车1的安全使用寿命。
实施例2
本实施例的多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，基于实施例1的体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，处理流程如图2所示，具体步骤如下：
一、图像采集：
矿用平板车1行进时，图像采集模块2启动，打开隔爆型探照灯21，CCD双目摄像机20拍摄矿用平板车1行驶方向前方的道路信息图像，并将图像通过USB端口传输至前车控制模块30；
二、生成目标轨迹：
a1、提取边缘特征，控制模块3根据接收的图像信息，建立图像坐标系，横轴为u轴，纵轴为v轴，定义图像下方的弯道区域为感兴趣区域，将图像二值化，采用直方图均衡化增强图像亮度，采用自适应中值滤波减少图像中非必要道路纹理和噪声点，采用sobel算子边缘检测提取边缘信息，通过分别建立垂直和水平方向的单线性结构元素来重构并去除干扰信息，通过形态学细化边缘特征提取明确的左右弯道边缘特征点集合；
a2、获取采集点，从图像底部开始，设定间距为m的等间距水平搜索线，利用可漂移检测窗口对提取的左右弯道边缘特征点采用自中间向两边的搜索次序获得采集点，其中
Figure GDA0003646999950000071
检测窗口移动步长小于等于m，且移动窗口不允许重合；
a3、拟合曲线，如图3所示，将左右边缘线同一纵坐标的两个采集点横坐标加权融合，得到对应的控制点，从而得到处于弯道中心线的点集合S，从S中随机抽取4个点，按顺序自下而上依次为Pi、Pi+1、Pi+2和Pi+3，将这4个点作为一组进行拟合曲线，具体如下，
构建Catmull-Rom样条曲线P1(t),
Figure GDA0003646999950000072
由于Catmull-Rom样条曲线不会经过点Pi和点Pi+3，因此需要引入两个新的控制点A和B，A点由Pi、Pi+1计算所得，
Figure GDA0003646999950000073
B点由Pi+2、Pi+3计算所得，
Figure GDA0003646999950000074
由A、Pi、Pi+1、Pi+2四个点得到曲线P2(t)，
Figure GDA0003646999950000081
由Pi+1、Pi+2、Pi+3、B四个点得到曲线P3(t)，
Figure GDA0003646999950000082
其中t的取值范围为[0，1]，当t＝0时表示该组曲线的初始位置，t＝1时表示该组曲线的终点位置；
其中P1(t)曲线经过点Pi+1和Pi+2，P2(t)曲线经过点Pi和Pi+1，P3(t)曲线经过点Pi+2和Pi+3，将P1(t)、P2(t)和P3(t)三条曲线相加可以得到四点相连且满足C1特性的曲线，即为本步骤拟合的曲线；
a4、优化曲线，计算S中其他的控制点到a3得到的拟合曲线的水平距离，设定阈值d＝5mm，由于距离较短，考虑到计算量，仅计算点到曲线的水平距离，比较计算的水平距离与阈值d的大小，若计算的水平距离小于d，判定为有效点，添加到有效点集Q中，并将有效点数的记数加1，计算完成后，检查Q中的有效点数量是否足够多，若有效点的数量不小于S中总点数的80％，则进行步骤三，若有效点的数量小于S中总点数的80％，则返回a3步骤，从S中随机另取4个点，进行拟合曲线，得到新的拟合曲线后，再次进行a4步骤的判断，直到符合判断条件有效点的数量不小于S中总点数的80％，则拟合结束，进行步骤三，或连续进行了大于二十次的a3步骤的拟合计算，此时也结束拟合，选择有效点数最多的拟合曲线进行步骤三；
三、曲线跟踪：
将拟合的曲线方程从图像坐标系变换到世界坐标系，控制模块3控制前车10和后车11沿着转换后的曲线行驶，变换时采用如下变换变换关系S：
S[x y 1]T＝K·[R|T]·[X Y Z 1]T；
式中，K为3×3的CCD双目摄像机20的内参矩阵，R为3×3的CCD双目摄像机20旋转矩阵，T为3×1的平移向量，由于曲线投影到路面，因此Z＝0，最终得到的S是一个系数常量，通过对CCD双目摄像机20进行标定，可以得到CCD双目摄像机20内外参数K、R、T，代入公式从而得到图像平面中的点到路面中点的一一对应关系，从而实现将拟合曲线从图像坐标系到世界坐标系的转换，最终控制模块3按照转换后的世界坐标系控制矿用平板车1的方向盘、电机等，沿着既定坐标轨迹行驶。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于，基于一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划系统，包括，
矿用平板车，其包括前车、后车和连接杆，前车与后车通过连接杆连接；
图像采集模块，其设于前车前端顶部，用于采集矿用平板车前方环境信息并传输；
控制模块，其设于矿用平板车上，接收图像采集模块传输的信息，处理生成目标轨迹，并根据目标轨迹控制矿用平板车行驶；
多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，步骤如下：
一、图像采集：图像采集模块拍摄矿用平板车行驶方向前方的图像，并将图像传输至控制模块；
二、生成目标轨迹：
a1、提取边缘特征，控制模块根据接收的图像信息，建立图像坐标系，定义图像下方的弯道区域为感兴趣区域，通过分别建立垂直和水平方向的单线性结构元素来重构并去除干扰信息，通过形态学细化边缘特征提取明确的左右弯道边缘特征点集合；
a2、获取采集点，从图像底部开始，设定间距为m的等间距水平搜索线，利用可漂移检测窗口对提取的左右弯道边缘特征点采用自中间向两边的搜索次序获得采集点；
a3、拟合曲线，将左右边缘线同一纵坐标的两个采集点横坐标加权融合，得到对应的控制点，从而得到处于弯道中心线的点集合S，从S中随机抽取4个点，按顺序自下而上依次为Pi、Pi+1、Pi+2和Pi+3，将这4个点作为一组进行拟合曲线；
三、曲线跟踪：
将拟合的曲线方程从图像坐标系变换到世界坐标系，控制模块控制前车和后车沿着转换后的曲线行驶；
步骤二的a3中，拟合曲线的具体方法如下：
构建Catmull-Rom样条曲线P1(t),
Figure FDA0003646999940000011
引入新控制点A，A由Pi、Pi+1计算所得，
Figure FDA0003646999940000021
引入新控制点B，B由Pi+2、Pi+3计算所得，
Figure FDA0003646999940000022
由A、Pi、Pi+1、Pi+2四个点得到曲线P2(t)，
Figure FDA0003646999940000023
由Pi+1、Pi+2、Pi+3、B四个点得到曲线P3(t)，
Figure FDA0003646999940000024
将P1(t)、P2(t)、P3(t)相加即得到拟合曲线。
2.根据权利要求1所述的一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于：步骤二的a1中，定义图像下方的弯道区域为感兴趣区域后，将图像二值化，采用直方图均衡化增强图像亮度，采用自适应中值滤波减少图像中非必要道路纹理和噪声点，然后通过分别建立垂直和水平方向的单线性结构元素来重构并去除干扰信息，通过形态学细化边缘特征提取明确的左右弯道边缘特征点集合。
3.根据权利要求1所述的一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于，步骤二还包括：
a4、优化曲线，计算S中其他的控制点到a3得到的拟合曲线的水平距离，设定阈值d＝5mm，比较计算的水平距离与阈值的大小，若小于d，判定为有效点，若有效点的数量不小于S中总点数的80％，则进行步骤三，若有效点的数量小于S中总点数的80％，则返回a3步骤，从S中随机另取4个点，进行拟合曲线。
4.根据权利要求1所述的一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于，步骤三中，通过逆透视变换将拟合的曲线方程从图像坐标系[x，y]投影到世界坐标系[X，Y，Z]，变换关系S如下：
S[x y 1]T＝K·[R|T]·[X Y Z 1]T；
式中，K为CCD双目摄像机的内参矩阵，R为CCD双目摄像机旋转矩阵，T为平移向量。
5.根据权利要求1所述的一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于，所述图像采集模块包括：
CCD双目摄像机，其布置于前车前端顶部；
隔爆型探照灯，其设于CCD双目摄像机上方。
6.根据权利要求1所述的一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于，所述控制模块包括：
前车控制模块，其固定于前车上，前车控制模块与图像采集模块线路连接，接收并处理图像采集模块传输的信息，生成目标轨迹，并通过无线发射装置传输目标轨迹信息；
后车控制模块，其固定于后车上，通过无线接收装置接收无线发射装置传输的目标轨迹信号；
前车控制模块及后车控制模块均能根据目标轨迹对前车或后车的方向进行控制。
7.根据权利要求1所述的一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于，还包括报警感应模块，其包括：
超声波传感器，其有若干个，分别固定于前车前端两侧及后车后端两侧，超声波传感器检测矿用平板车侧面与巷道侧壁的距离；
轴套编码器，其固定于连接杆上，轴套编码器检测连接杆的角度位置。
8.根据权利要求7所述的一种多体辅助运输系统协同转弯轨迹自规划方法，其特征在于：所述报警感应模块与控制模块信号连接，当超声波传感器检测到的距离信息或轴套编码器检测到的角度信息超过安全值时，报警感应模块发出信号使控制模块控制矿用平板车紧急制动。
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