CN113460049B - 一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车及其控制方法，包括顺槽车、支架、转向控制臂、速度控制臂、制动机械腿、启动推杆、急停推杆、道路信息感知单元、安全检测单元和控制箱；支架设置在顺槽车驾驶位置上，安全检测单元设置在顺槽车上，道路信息感知单元设置在顺槽车车身四周。本发明由转向控制臂、速度控制臂、制动机械腿、启动推杆和急停推杆控制顺槽车的转向操作杆、速度操作杆、刹车踏板、启动按钮和急停按钮，实现车辆启动、转向、变速、刹车等，无需对现有顺槽车结构进行改造，通过驾驶机器人实现顺槽车无人化运输管理，降低人工成本，提高运输效率。

Description

一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种井下顺槽运输无轨胶轮车，具体涉及一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车及其控制方法。

背景技术

一直以来关于煤矿运输车安全事故的报到屡见不鲜，复杂的路况常常导致运输车发生安全事故，运输车安全事故的发生给煤矿企业造成了巨大损失。根据顺槽运输无轨胶轮车在矿井的运输现状，安全事故的发生主要来自于操作人员的失误所导致的，而利用运输车辆的无人驾驶可以很好的解决这类问题，并且在面对井下高粉尘、瓦斯等恶劣环境下，可以减轻人类劳动强度增加运输效率。

自动驾驶机器人是一种利用机械臂等各种器械装置模拟人类驾驶员进行驾驶操作，从而实现无人驾驶。但是，目前对于矿山运输车辆进行无人化运行的线控改装，不仅难度大而且成本居高不下，因此相对于车辆线控改造，利用自动驾驶机器人实现运输车辆无人化是一种理想的选择。

目前驾驶机器人主要有以下几种，中国专利CN201711232560.X公开了一种用于汽车的无人驾驶机器人，其转向采用电机控制转向盘抓手，利用电机与丝杠直接控制油门、离合、制动踏板，执行机构之间需要精准的配合，控制难度大，可靠性较低；中国专利CN2018100207.1公开了一种通用型无人驾驶机器人，包括转向机械手、换挡机械手、踏板机械腿，机械手采用伺服电机加万向传动装置直接控制转向盘，其夹持装置复杂，具有较差的稳定性，且缺乏紧急避险装置，难以保证车辆安全稳定的运行；中国专利CN102435442B授权了一种用于车辆道路试验的自动驾驶机器人，该机器人采用CCD传感器获取环境信息，GPS获取车辆定位信息，只适用于露天矿这种开阔的地上环境，对于封闭昏暗的地下环境，难以获取定位信号与环境信息。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车及其控制方法，可靠性高、稳定性强、控制精度好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，包括顺槽车、支架、转向控制臂、速度控制臂、制动机械腿、道路信息感知单元、安全检测单元和控制箱；支架设置在顺槽车驾驶位置上，安全检测单元设置在顺槽车上，道路信息感知单元设置在顺槽车车身四周；支架分为上下两层，控制箱、转向控制臂和速度控制臂设置在上层支架上，制动机械腿设置在下层支架上；

转向控制臂包括转向臂外壳、转向控制电机、大锥齿轮、转向连杆和转向抓手；转向臂外壳分为圆形槽和矩形槽，圆形槽中设有大锥齿轮，矩形槽中设有转向控制电机，与矩形槽位置相对的圆形槽槽壁上开设弧形口，转向控制电机输出轴端部设有小锥齿轮，小锥齿轮与大锥齿轮啮合，大锥齿轮上表面中心位置设有旋转轴，转向连杆一端穿过弧形口与旋转轴连接，另一端与转向抓手铰接，转向抓手与转向操作杆连接；转向臂外壳底部与支架连接；

速度控制臂包括速度臂外壳、速度控制电机、推杆滑块、减速器大齿轮和移动连杆；速度臂外壳分为两道交叉槽，两道交叉槽整体为“T”形，两道交叉槽中的其中一道为电机槽另一道为滑动槽，推杆滑块设有齿条的一端嵌入到滑动槽中，滑动槽上设有与齿条啮合的减速器大齿轮，电机槽中设有速度控制电机，速度控制电机输出端与减速器小齿轮连接，减速器小齿轮与减速器大齿轮啮合，移动连杆两端分别与推杆滑块、速度抓手铰接，速度抓手与速度操作杆连接；速度臂外壳底部与支架连接；

制动机械腿包括制动控制电机、制动推杆、可调托板和踏板连接杆；制动控制电机设置在制动推杆上面，制动控制电机与制动减速器连接，制动减速器与制动推杆的制动丝杠一端连接，制动丝杠另一端与踏板连接杆铰接，踏板连接杆与刹车踏板连接，制动推杆下面设置在可调托板上，可调托板底部与支架连接；

道路信息感知单元、安全检测单元和控制箱连接，控制箱与转向控制臂、速度控制臂、制动机械腿连接。

进一步的，所述控制箱包括电机控制单元、主控制器、路径规划与决策系统、电子地图、车辆信息采集单元和LORA通讯模块；LORA通讯模块与车辆信息采集单元连接，电子地图、车辆信息采集单元与路径规划与决策系统连接，路径规划与决策系统、电机控制单元与主控制器连接；电机控制单元与转向控制电机、速度控制电机和制动控制电机连接。

进一步的，所述安全检测单元包括瓦斯传感器、速度传感器、烟雾传感器和方位传感器，上述四个传感器均与车辆信息采集单元连接。

进一步的，所述道路信息感知单元包括第一角度传感器、第二角度传感器、超声波雷达和感知定位节点；感知定位节点设置在顺槽车的前后两端；第一角度传感器、超声波雷达设置在顺槽车两侧面的前、后部，顺槽车转向轮上还分别设有一个第二角度传感器；第一角度传感器、第二角度传感器、超声波雷达、感知定位节点与车辆信息采集单元连接。

进一步的，所述感知定位节点包括毫米波雷达、深度相机和UWB定位模块。

进一步的，还包括启动推杆，启动推杆设置在下层支架上，启动推杆包括启动按钮控制电机、第一丝杆，启动按钮控制电机与第一丝杆的一端连接，第一丝杆的另一端与启动按钮连接；启动按钮控制电机与电机控制单元连接。

进一步的，还包括急停推杆，急停推杆设置在下层支架上，急停推杆包括急停按钮控制电机、第二丝杆，急停按钮控制电机与第二丝杆的一端连接，第二丝杆的另一端与急停按钮连接；急停按钮控制电机与电机控制单元连接。

一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车控制方法：

步骤一：顺槽车通过感知定位节点收集环境信息，实现精准定位，进而控制车辆行驶至准确的装卸区域：

定位与路径规划：UWB定位模块通过LORA通讯模块与井下巷道内基站进行互相通讯，车辆信息采集单元将采集的数据传递至位置解算引擎进行位置解算，通过到达时间差算法计算出车辆全局坐标；深度相机与毫米波雷达对地形、标志物进行检测，通过电子地图进行比对实现局部定位，从而获得高精度的定位；通过路径规划与决策系统确定到达装卸区域最优路径；

装载地点精准识别：通过毫米波雷达获取前方环境信息，结合路径规划与决策系统，准确行驶至装载点大致区域；装载点设置挡板，挡板上有标志物，通过识别挡板标志物、测定顺槽车（1）与挡板距离调整车距准确驶入装载点的吊装区域；

步骤二：顺槽车按照规划最优路径进行行车操作，包含安全启动、直行、转弯、避障、紧急制动：

预设行驶安全系数为A1，路面弯道判别转角阈值为Q1，直行路段速度阈值为V2，直行车辆微调转角阈值为Q0，转向路段速度阈值为V3，左右安全距离为S1，左右危险距离阈值为S2，前后安全距离阈值为S3，前后危险距离阈值为S4；第一角度传感器测量前方路段与车身角度获取转弯转角为q1，第二角度传感器测得转向轮转角为q2，速度传感器测得车速为v0，四个超声波雷达探测车体距离左右墙体距离，左前侧为l1，左后侧为l2，右前侧为r1，右后侧为r2，瓦斯传感器、烟雾传感器测得井下瓦斯、烟雾含量评估安全系数a；

安全启动：当a小于A1时，启动推杆关闭启动按钮，急停推杆开启急停按钮，当a大于A1时，启动推杆开启启动按钮，急停推杆关闭急停按钮，车辆启动并缓慢提升车速；

直行：直行包含车速保持控制与车身姿态控制两部分，感知定位节点探知路面环境，当测得转弯转角q1小于Q1，规划直行行驶路线；运输速度阈值调整为V2，动态保持车速在运输速度阈值的90%-110%范围内，当v0小于V2的90%时，速度控制臂控制速度操作杆加速，当v0大于V2的110%时，制动机械腿控制刹车踏板（508）减速；当l1<S1, 转向控制臂控制转向操作杆带动转向轮转角右转Q0角度进行车身修正，当测得l2=S1，转向控制臂控制转向操作杆带动转向轮回正，当r1<S1, 转向控制臂控制转向操作杆带动转向轮左转Q0进行右调车身修正，当r2=S1，转向控制臂控制转向操作杆带动转向轮回正；

转弯：转弯包含车速限速控制与车身姿态控制两部分，感知定位节点探知路面环境，当测得转弯转角q1大于Q1，规划转弯行驶路线；运输速度阈值调整为V3，动态保持车速在运输速度阈值的70%-100%范围内，当v0小于V3的70%时，速度控制臂控制速度操作杆加速，当v0大于V3时，制动机械腿控制刹车踏板（508）减速；按照所测转弯转角角度与转向轮转角角度差控制转向方向与大小，车身距离墙体左右侧差值进行转向角度修正，初始转向角度q=q1-q2，当q<0且l1<l2时，右转角度设为qz=q-Q0；当q<0且l1>l2时，右转角度设为qz=q+Q0；当q<0时，且l1<l2时，左转角度设为qz=q-Q0，当q<0时，且l1>l2时，左转角度设为qz=q+Q0；

避障：避障分为即时避障与提前避障；即时避障适用于可见视距范围内，深度相机探测前方静态、动态障碍物，识别并预测障碍物运动碰撞轨迹，路径规划系统规划出一条无碰撞路径，决策系统发出指令，控制车辆按照直行、转向规则进行避障操作；提前避障适用于弯道、路口盲区，车辆与路段内布置基站进行实时通讯，通过井下环网确定对向来车、障碍物，提前规划好避障路线进行提前避障操作；

紧急制动：当突发情况下，当传感器测得动态障碍物距离顺槽车的距离值靠近车辆危险阈值时，制动机械腿踩下刹车踏板，同时急停推杆按下急停按钮，启动推杆关闭启动按钮，实现紧急制动。

与现有技术相比，本发明由转向控制臂、速度控制臂、制动机械腿、启动推杆和急停推杆控制顺槽车的转向操作杆、速度操作杆、刹车踏板、启动按钮和急停按钮，实现车辆启动、转向、变速、刹车等，无需对现有顺槽车结构进行改造，实现顺槽车无人化运输管理，降低人工成本，提高运输效率；由多种传感器组成道路信息感知单元与安全检测单元，实现对车辆运转情况、井下路况、环境的多元化感知与检测；采用双向对称的布置方式，在前后车头布置相应传感器，进行双向感知，通过改变控制器的运行模式实现双向行驶；路径规划与决策系统内置于控制箱中，依据车辆信息采集单元获取各传感器信息，合理规划路线，以运输路线要求及运输任务为导向对各控制器发出指令，实现合理行车、避障。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明支架及其上设置部件结构示意图；

图3为本发明转向控制臂结构示意图；

图4为本发明速度控制臂结构示意图；

图5为本发明制动机械腿结构示意图；

图6为本发明启动推杆结构示意图；

图7为本发明电器元件设置结构示意图；

图中：1、顺槽车，2、支架，3、转向控制臂，301、转向控制电机，302、小锥齿轮，303、大锥齿轮，304、旋转轴，305、转向操作杆，306、转向臂外壳，307、转向铰链，308、转向连杆，309、转向抓手；4、速度控制臂，401、速度控制电机，402、速度联轴器，403、齿条，404、减速器小齿轮，405、减速器大齿轮，406、速度臂外壳，407、推杆滑块，408、移动连杆，409、速度抓手，410、速度铰链，411、速度操作杆；5、制动机械腿，501、制动控制电机，502、制动联轴器，503、制动减速器，504、制动推杆，505、踏板连接杆，506、可调托板，507、制动丝杠，508、刹车踏板；6、启动推杆，601、启动按钮控制电机，602、第一联轴器，603、第一减速器，604、第一丝杆，605、第一按钮连接杆，606、启动按钮；7、急停推杆；8、道路信息感知单元；9、安全检测单元；10、控制箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将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。

本发明提供一种技术方案：如图1所示，包括顺槽车1、支架2、转向控制臂3、速度控制臂4、制动机械腿5、道路信息感知单元8、安全检测单元9和控制箱10；支架2设置在顺槽车1驾驶位置上，安全检测单元9设置在顺槽车1上，道路信息感知单元8设置在顺槽车1车身四周。

如图2所示，支架2分为上下两层，控制箱10、转向控制臂3和速度控制臂4设置在上层支架2上，制动机械腿5设置在下层支架2上。如图3所示，转向控制臂3包括转向臂外壳306、转向控制电机301、大锥齿轮303、转向连杆308和转向抓手309。

如图3所示，转向臂外壳306分为圆形槽和矩形槽，圆形槽中设有大锥齿轮303，大锥齿轮303底部设有滚珠，以便于大锥齿轮303转动，矩形槽中设有转向控制电机301，与矩形槽位置相对的圆形槽槽壁上开设弧形口，转向控制电机301输出轴端部设有小锥齿轮302，小锥齿轮302与大锥齿轮303啮合，大锥齿轮303上表面中心位置设有旋转轴304，转向连杆308一端穿过弧形口与旋转轴304连接，另一端与转向抓手309铰接，转向抓手309与转向操作杆305连接；转向臂外壳306底部与支架2连接。

转向控制电机301工作带动小锥齿轮302转动，小锥齿轮302与大锥齿轮303啮合传动带动大锥齿轮303转动，转向连杆308与大锥齿轮303上的旋转轴304连接，因此，大锥齿轮303转动会带动转向连杆308左右横向的转动，转向抓手309与转向操作杆305连接并由此操作转向操作杆305控制转向轮转向。

如图4所示，速度控制臂4包括速度臂外壳406、速度控制电机401、推杆滑块407、减速器大齿轮405和移动连杆408；速度臂外壳406分为两道交叉槽，两道交叉槽整体为“T”形，两道交叉槽中的其中一道为电机槽另一道为滑动槽，推杆滑块407设有齿条403的一端嵌入到滑动槽中，滑动槽上设有与齿条403啮合的减速器大齿轮405，电机槽中设有速度控制电机401，速度控制电机401输出端通过速度联轴器402与减速器小齿轮404连接，减速器小齿轮404与减速器大齿轮405啮合，移动连杆408两端分别与推杆滑块407、速度抓手409铰接，速度抓手409与速度操作杆411连接；速度臂外壳406底部与支架2连接。

减速器小齿轮404与减速器大齿轮405啮合传动，减速器大齿轮405与齿条403啮合传动，速度控制电机401工作带动减速器小齿轮404转动，减速器小齿轮404带动减速器大齿轮405转动，减速器大齿轮405将动力由齿条403传递到推杆滑块407带动推杆滑块407作直线往复运动，推杆滑块407通过移动连杆408与速度抓手409连接，速度抓手409与速度操作杆411连接并由此操作速度操作杆411控制车辆增减速。

如图5所示，制动机械腿5包括制动控制电机501、制动推杆504、可调托板506和踏板连接杆505；制动控制电机501设置在制动推杆504上面，制动控制电机501通过制动联轴器502与制动减速器503连接，制动减速器503与制动推杆504的制动丝杠507一端连接，制动丝杠507另一端与踏板连接杆505铰接，踏板连接杆505与刹车踏板508连接，制动推杆504下面设置在可调托板506上，可调托板506底部与支架2连接。

制动控制电机501工作，通过制动联轴器502、制动减速器503将动力传输给制动推杆504的制动丝杠507，由此带动制动丝杠507前伸或者回缩，制动丝杠507前伸时带动踏板连接杆505下压刹车踏板508实现减速刹车，制动丝杠507回缩时带动踏板连接杆505上升松开刹车踏板508。

如图6所示，启动推杆6设置在下层支架2上，启动推杆6包括启动按钮控制电机601、第一丝杆604，启动按钮控制电机601设置在启动推杆6上，启动按钮控制电机601通过第一联轴器602与第一减速器603连接，第一减速器603与第一丝杆604的一端连接，第一丝杆604的另一端通过第一按钮连接杆605与启动按钮606连接；启动按钮控制电机601工作带动第一丝杆604及第一按钮连接杆605伸缩，第一按钮连接杆605前伸则会按压启动按钮606，回缩则松开启动按钮606；急停推杆7结构和启动推杆6一样，第二丝杆前伸则会按压急停按钮，回缩则松开急停按钮。

如图7所示，控制箱10包括电机控制单元、主控制器、路径规划与决策系统、电子地图、车辆信息采集单元和LORA通讯模块；LORA通讯模块与车辆信息采集单元连接，电子地图、车辆信息采集单元与路径规划与决策系统连接，路径规划与决策系统、电机控制单元与主控制器连接；电机控制单元与转向控制电机301、速度控制电机401、制动控制电机501、按钮控制电机601和急停按钮控制电机连接。

安全检测单元9包括瓦斯传感器、速度传感器、烟雾传感器和方位传感器，上述四个传感器均与车辆信息采集单元连接；烟雾传感器、瓦斯传感器用于检测井下烟雾、瓦斯浓度，速度传感器用于检测车辆行驶速度，方位传感器用于检测车辆行驶方向。

道路信息感知单元8包括第一角度传感器、第二角度传感器、超声波雷达和感知定位节点；感知定位节点设置在顺槽车1的前后两端；第一角度传感器、超声波雷达设置在顺槽车1两侧面的前、后部，顺槽车1转向轮上还分别设有一个第二角度传感器；第一角度传感器、第二角度传感器、超声波雷达、感知定位节点与车辆信息采集单元连接；所述感知定位节点包括毫米波雷达、深度相机和UWB定位模块。

第二角度传感器测定转向轮转向角、第一角度传感器测定弯道路段转弯角度，毫米波雷达与深度相机安装于顺槽车1的前后两端，毫米波雷达用于前后方车辆测距，深度相机用于障碍物、标志物识别，超声波雷达安装于车身四角，用于检测车辆两侧与巷道壁、障碍物的距离，UWB定位模块安装在车身中部，向矿井基站实时通讯，获取车辆精准坐标。

道路信息感知单元8与安全检测单元9将路况与车辆信息传递给车辆信息采集单元，UWB定位模块通过LORA通讯模块向矿井基站发射UWB信号，采用TDOA算法确定车辆坐标，实现精准定位，车辆信息采集单元将获取的环境信息、车辆行驶参数信息、定位信息传递至路径规划与决策系统，由该系统规划最优行驶路线，实现井下顺槽车1运输无人化、自动化。

如图7所示，顺槽车1具有双向行驶功能，在顺槽车1前后各布置一套感知定位节点，主感知定位节点用于前向测距、副感知定位节点用于后方测距；设定顺槽车1为双模式运行，设定车辆各个方位D1，D2，D3，D4；模式一，设定初始方位D1、D2为车头，D3，D4为车尾，D1与D2处感知定位节点为主感知定位节点，D3与D4处感知定位节点为副感知定位节点，转向运动模型为前轮转向模型；模式二，设定初始方位D3、D4为车头，D1，D2为车尾，D3与D4处感知定位节点为主感知定位节点，D1与D2处感知定位节点为副感知定位节点，转向运动模型为后轮转向模型；根据运行模式初始化前进、左转、右转控制标志，控制箱10根据不同转向模型调整转向参数如安全距离、危险距离、转向角度，实现双向行驶无需掉头。

顺槽车1通过感知定位节点收集环境信息，实现精准定位，进而控制车辆行驶至准确的装卸区域。

定位与路径规划：UWB定位模块通过LORA通讯模块与井下巷道内基站进行互相通讯，车辆信息采集单元将采集的数据传递至位置解算引擎进行位置解算，通过到达时间差算法（TDOA）计算出车辆全局坐标；深度相机与毫米波雷达对地形、标志物进行检测，通过电子地图进行比对实现局部定位，从而获得高精度的定位；通过路径规划与决策系统确定到达装卸区域最优路径。

装载地点精准识别：通过毫米波雷达获取前方200米、18°扇形区域内环境信息，通过深度相机开启测距模式获取前方20米准确的标志物、障碍物信息，结合路径规划与决策系统，准确行驶至装载点大致区域；装载点设置挡板，挡板上有标志物，通过识别挡板标志物、测定顺槽车（1）与挡板距离调整车距准确驶入装载点的吊装区域；以车辆进入吊装站为例，预设车辆装载点安全行驶速度为V10，车辆前方安全距离为A10、后方安全距离为B10、左侧安全距离L10，右方安全距离为R10；前方毫米波雷达测定前方障碍物距离为a10，后方毫米波雷达测定装载点后方障碍物距离b10，左前侧超声波雷达测定左侧障碍物距离为l10，左后侧超声波雷达测定左侧障碍物距离为l20，右前侧超声波雷达测得右侧障碍物距离为r10，右后前侧超声波雷达测得右侧障碍物距离为r20；深度相机开启摄像机模式识别吊装点入口预设入库标志物，控制车辆驶入距离吊装站入口A10处停车，吊装站入口挡板升起，车辆以安全速度V0驶进吊装站，保持左右车身平行于侧边限位挡板且在安全车距内即满足l10=l20<L10，r10=r20<R10,车辆完全驶入吊装点，距离前方限位挡板A1处停车进行设备、物料装卸。

顺槽车1按照规划最优路径进行行车操作，包含安全启动、直行、转弯、避障、紧急制动。

预设行驶安全系数为A1，路面弯道判别转角阈值为Q1，直行路段速度阈值为V2，直行车辆微调转角阈值为Q0，转向路段速度阈值为V3，左右安全距离为S1，左右危险距离阈值为S2，前后安全距离阈值为S3，前后危险距离阈值为S4；第一角度传感器测定测量前方路段与车身角度获取转弯转角为q1，第二角度传感器测定测得转向轮转角为q2，速度传感器测得车速为v0，四个超声波雷达探测车体距离左右墙体距离，左前侧为l1，左后侧为l2，右前侧为r1，右后侧为r2，瓦斯传感器、烟雾传感器测得井下瓦斯、烟雾含量评估安全系数a；

安全启动：当a小于A1时，启动推杆6关闭启动按钮606，急停推杆7开启急停按钮，当a大于A1时，启动推杆6开启启动按钮606，急停推杆7关闭急停按钮，车辆启动并缓慢提升车速；

直行：以运输大巷为例，直行包含车速保持控制与车身姿态控制两部分，感知定位节点探知路面环境，当测得转弯转角q1小于Q1，规划直行行驶路线；运输速度阈值调整为V2，动态保持车速在运输速度阈值的90%-110%范围内，当v0小于V2的90%时，速度控制臂4控制速度操作杆411加速，当v0大于V2的110%时，制动机械腿5控制刹车踏板508减速；当l1<S1, 转向控制臂3控制转向操作杆305带动转向轮转角右转Q0角度进行车身修正，当测得l2=S1，转向控制臂3控制转向操作杆305带动转向轮回正，当r1<S1, 转向控制臂3控制转向操作杆305带动转向轮左转Q0进行右调车身修正，当r2=S1，转向控制臂3控制转向操作杆305带动转向轮回正；

转弯：转弯包含车速限速控制与车身姿态控制两部分，感知定位节点探知路面环境，当测得转弯转角q1大于Q1，规划转弯行驶路线；运输速度阈值调整为V3，动态保持车速在运输速度阈值的70%-100%范围内，当v0小于V3的70%时，速度控制臂4控制速度操作杆411加速，当v0大于V3时，制动机械腿5控制刹车踏板508减速；按照所测转弯转角角度与转向轮转角角度差控制转向方向与大小，车身距离墙体左右侧差值进行转向角度修正，初始转向角度q=q1-q2，当q<0且l1<l2时，右转角度设为qz=q-Q0；当q<0且l1>l2时，右转角度设为qz=q+Q0；当q<0时，且l1<l2时，左转角度设为qz=q-Q0，当q<0时，且l1>l2时，左转角度设为qz=q+Q0；

避障：避障分为即时避障与提前避障；即时避障适用于可见视距范围内，深度相机探测前方静态、动态障碍物，识别并预测障碍物运动碰撞轨迹，路径规划系统规划出一条无碰撞路径，决策系统发出指令，控制车辆按照直行、转向规则进行避障操作；提前避障适用于弯道、路口盲区，车辆与路段内布置基站进行实时通讯，通过井下环网确定对向来车、障碍物，提前规划好避障路线进行提前避障操作；

紧急制动：当突发情况下，当传感器测得动态障碍物距离顺槽车的距离值靠近车辆危险阈值时，制动机械腿5踩下刹车踏板508，同时急停推杆7按下急停按钮，启动推杆6关闭启动按钮606，实现紧急制动。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，包括顺槽车（1），其特征在于，还包括支架（2）、转向控制臂（3）、速度控制臂（4）、制动机械腿（5）、道路信息感知单元（8）、安全检测单元（9）和控制箱（10）；

支架（2）设置在顺槽车（1）驾驶位置上，安全检测单元（9）设置在顺槽车（1）上，道路信息感知单元（8）设置在顺槽车（1）车身四周；

支架（2）分为上下两层，控制箱（10）、转向控制臂（3）和速度控制臂（4）设置在上层支架（2）上，制动机械腿（5）设置在下层支架（2）上；

转向控制臂（3）包括转向臂外壳（306）、转向控制电机（301）、大锥齿轮（303）、转向连杆（308）和转向抓手（309）；

转向臂外壳（306）分为圆形槽和矩形槽，圆形槽中设有大锥齿轮（303），矩形槽中设有转向控制电机（301），与矩形槽位置相对的圆形槽槽壁上开设弧形口，转向控制电机（301）输出轴端部设有小锥齿轮（302），小锥齿轮（302）与大锥齿轮（303）啮合，大锥齿轮（303）上表面中心位置设有旋转轴（304），转向连杆（308）一端穿过弧形口与旋转轴（304）连接，另一端与转向抓手（309）铰接，转向抓手（309）与转向操作杆（305）连接；转向臂外壳（306）底部与支架（2）连接；

速度控制臂（4）包括速度臂外壳（406）、速度控制电机（401）、推杆滑块（407）、减速器大齿轮（405）和移动连杆（408）；

速度臂外壳（406）分为两道交叉槽，两道交叉槽整体为“T”形，两道交叉槽中的其中一道为电机槽另一道为滑动槽，推杆滑块（407）设有齿条（403）的一端嵌入到滑动槽中，滑动槽上设有与齿条（403）啮合的减速器大齿轮（405），电机槽中设有速度控制电机（401），速度控制电机（401）输出端与减速器小齿轮（404）连接，减速器小齿轮（404）与减速器大齿轮（405）啮合，移动连杆（408）两端分别与推杆滑块（407）、速度抓手（409）铰接，速度抓手（409）与速度操作杆（411）连接；速度臂外壳（406）底部与支架（2）连接；

制动机械腿（5）包括制动控制电机（501）、制动推杆（504）、可调托板（506）和踏板连接杆（505）；

制动控制电机（501）设置在制动推杆（504）上面，制动控制电机（501）与制动减速器（503）连接，制动减速器（503）与制动推杆（504）的制动丝杠（507）一端连接，制动丝杠（507）另一端与踏板连接杆（505）铰接，踏板连接杆（505）与刹车踏板（508）连接，制动推杆（504）下面设置在可调托板（506）上，可调托板（506）底部与支架（2）连接；

道路信息感知单元（8）、安全检测单元（9）和控制箱（10）连接，控制箱（10）与转向控制臂（3）、速度控制臂（4）、制动机械腿（5）连接。

2.根据权利要求1所述的一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，其特征在于：所述控制箱（10）包括电机控制单元、主控制器、路径规划与决策系统、电子地图、车辆信息采集单元和LORA通讯模块；LORA通讯模块与车辆信息采集单元连接，电子地图、车辆信息采集单元与路径规划与决策系统连接，路径规划与决策系统、电机控制单元与主控制器连接；电机控制单元与转向控制电机（301）、速度控制电机（401）和制动控制电机（501）连接。

3.根据权利要求2所述的一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，其特征在于：所述安全检测单元（9）包括瓦斯传感器、速度传感器、烟雾传感器和方位传感器，上述四个传感器均与车辆信息采集单元连接。

4.根据权利要求3所述的一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，其特征在于：所述道路信息感知单元（8）包括第一角度传感器、第二角度传感器、超声波雷达和感知定位节点；感知定位节点设置在顺槽车（1）的前后两端；第一角度传感器、超声波雷达设置在顺槽车（1）两侧面的前、后部，顺槽车（1）转向轮上还分别设有一个第二角度传感器；第一角度传感器、第二角度传感器、超声波雷达、感知定位节点与车辆信息采集单元连接。

5.根据权利要求4所述的一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，其特征在于：所述感知定位节点包括毫米波雷达、深度相机和UWB定位模块。

6.根据权利要求5所述的一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，其特征在于：还包括启动推杆（6），启动推杆（6）设置在下层支架（2）上，启动推杆（6）包括启动按钮控制电机（601）、第一丝杆（604），启动按钮控制电机（601）与第一丝杆（604）的一端连接，第一丝杆（604）的另一端与启动按钮（606）连接；启动按钮控制电机（601）与电机控制单元连接。

7.根据权利要求6所述的一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车，其特征在于：还包括急停推杆（7），急停推杆（7）设置在下层支架（2）上，急停推杆（7）包括急停按钮控制电机、第二丝杆，急停按钮控制电机与第二丝杆的一端连接，第二丝杆的另一端与急停按钮连接；急停按钮控制电机与电机控制单元连接。

8.根据权利要求7所述的一种机器人驾驶的井下顺槽运输无轨胶轮车控制方法，其特征在于，

步骤一：顺槽车（1）通过感知定位节点收集环境信息，实现精准定位，进而控制车辆行驶至准确的装卸区域：

定位与路径规划：UWB定位模块通过LORA通讯模块与井下巷道内基站进行互相通讯，车辆信息采集单元将采集的数据传递至位置解算引擎进行位置解算，通过到达时间差算法计算出车辆全局坐标；深度相机与毫米波雷达对地形、标志物进行检测，通过电子地图进行比对实现局部定位，从而获得高精度的定位；通过路径规划与决策系统确定到达装卸区域最优路径；

装载地点精准识别：通过毫米波雷达获取前方环境信息，结合路径规划与决策系统，准确行驶至装载点大致区域；装载点设置挡板，挡板上有标志物，通过识别挡板标志物、测定顺槽车（1）与挡板距离调整车距准确驶入装载点的吊装区域；

步骤二：顺槽车（1）按照规划最优路径进行行车操作，包含安全启动、直行、转弯、避障、紧急制动：

预设行驶安全系数为A1，路面弯道判别转角阈值为Q1，直行路段速度阈值为V2，直行车辆微调转角阈值为Q0，转向路段速度阈值为V3，左右安全距离为S1，左右危险距离阈值为S2，前后安全距离阈值为S3，前后危险距离阈值为S4；第一角度传感器测量前方路段与车身角度获取转弯转角为q1，第二角度传感器测得转向轮转角为q2，速度传感器测得车速为v0，四个超声波雷达探测车体距离左右墙体距离，左前侧为l1，左后侧为l2，右前侧为r1，右后侧为r2，瓦斯传感器、烟雾传感器测得井下瓦斯、烟雾含量评估安全系数a；

安全启动：当a小于A1时，启动推杆（6）关闭启动按钮（606），急停推杆（7）开启急停按钮，当a大于A1时，启动推杆（6）开启启动按钮（606），急停推杆（7）关闭急停按钮，车辆启动并缓慢提升车速；

直行：直行包含车速保持控制与车身姿态控制两部分，感知定位节点探知路面环境，当测得转弯转角q1小于Q1，规划直行行驶路线；运输速度阈值调整为V2，动态保持车速在运输速度阈值的90%-110%范围内，当v0小于V2的90%时，速度控制臂（4）控制速度操作杆（411）加速，当v0大于V2的110%时，制动机械腿（5）控制刹车踏板（508）减速；当l1<S1, 转向控制臂（3）控制转向操作杆（305）带动转向轮转角右转Q0角度进行车身修正，当测得l2=S1，转向控制臂（3）控制转向操作杆（305）带动转向轮回正，当r1<S1, 转向控制臂（3）控制转向操作杆（305）带动转向轮左转Q0进行右调车身修正，当r2=S1，转向控制臂（3）控制转向操作杆（305）带动转向轮回正；

转弯：转弯包含车速限速控制与车身姿态控制两部分，感知定位节点探知路面环境，当测得转弯转角q1大于Q1，规划转弯行驶路线；运输速度阈值调整为V3，动态保持车速在运输速度阈值的70%-100%范围内，当v0小于V3的70%时，速度控制臂（4）控制速度操作杆（411）加速，当v0大于V3时，制动机械腿（5）控制刹车踏板（508）减速；按照所测转弯转角角度与转向轮转角角度差控制转向方向与大小，车身距离墙体左右侧差值进行转向角度修正，初始转向角度q=q1-q2，当q<0且l1<l2时，右转角度设为qz=q-Q0；当q<0且l1>l2时，右转角度设为qz=q+Q0；当q<0时，且l1<l2时，左转角度设为qz=q-Q0，当q<0时，且l1>l2时，左转角度设为qz=q+Q0；

避障：避障分为即时避障与提前避障；即时避障适用于可见视距范围内，深度相机探测前方静态、动态障碍物，识别并预测障碍物运动碰撞轨迹，路径规划系统规划出一条无碰撞路径，决策系统发出指令，控制车辆按照直行、转向规则进行避障操作；提前避障适用于弯道、路口盲区，车辆与路段内布置基站进行实时通讯，通过井下环网确定对向来车、障碍物，提前规划好避障路线进行提前避障操作；

紧急制动：当突发情况下，当传感器测得动态障碍物距离顺槽车的距离值靠近车辆危险阈值时，制动机械腿（5）踩下刹车踏板（508），同时急停推杆（7）按下急停按钮，启动推杆（6）关闭启动按钮（606），实现紧急制动。

Images