CN114873449A - 矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统 - Google Patents

矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，包括用于感知防爆单轨吊机车运行路径和环境信息并根据感知的信息自主决策并输出单轨吊机车运行策略信号的感知运算单元，用于接收并根据感知运算单元发送的运行策略信号对单轨吊机车运行实施相应操控的驱动控制单元，用于实现包括运行启动、运行线路、运行参数设置以及运行状态显示的人机交互单元；驱动控制单元与感知运算单元电连接，驱动控制单元和感知运算单元分别与人机交互单元电连接。采用本发明的单轨吊机车能够不依赖煤矿井下通信网络以及设于地面作为决策机构的后台服务器，独立实现无人驾驶，且整体结构简单，成本较低，可方便地在煤矿现有人工单轨吊机车上改装，具有良好的性价比。

Description

矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统
技术领域
本发明涉及煤矿防爆单轨吊技术领域，具体涉及一种矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统。
背景技术
矿用防爆单轨吊是煤矿的一种重要的辅助运输设备，被广泛应用于煤矿井下人员、物料和设备运输，传统防爆单轨吊的驾驶方式均为在单轨吊的前后驾驶室内各由1名司机进行操控驾驶，同时还配备调度员、押车工，使得煤矿井下单轨吊运行用人数量较多，成本高；并且煤矿井下运输巷道复杂环境，单轨吊运行过程中司机难免因环境、疲劳等因素的影响出现操控失误造成运输事故时有发生。随着煤矿工业的发展，对煤矿井下运输设备的自动化和安全性的要求越来越高，煤矿传统防爆单轨吊的驾驶运行方式无法满足煤矿井下运输智能化、安全化以及减人增效的要求。为此，无人驾驶的煤矿单轨吊应运而生，如申请公布号为CN112850482A和CN112850481A的中国专利文献所公开的无人驾驶单轨吊车即能够实现自主无人驾驶。目前包括前述专利文献所公开在内的无人驾驶单轨吊车，普遍采用的技术方案均是利用设于单轨吊车上的环境感知装置探测单轨吊机车运行路况及环境信息，并将探测到的相关信息，利用煤矿井下设置的4G或其他通信网络传输到地面上设置的后台服务器，由地面上的后台服务器根据接收的单轨吊机车运行路况及环境信息，进行单轨吊机车运行行为决策，并将决策控制信息通过煤矿井下的通信网络回传给机车上的执行控制器，单轨吊机车上的执行控制器再根据地面后台服务器发送的决策控制信息实施相应的无人加强操作控制。现有此类无人驾驶的煤矿单轨吊存在的问题是：其一，无人驾驶完全依赖煤矿井下的通信网络，由于煤矿井下环境恶劣，无论是无线通信网络或者有线通信网络在恶劣环境下通信不畅且极易发生故障，通信网络一旦发生故障则单轨吊机车无法继续实现自主运行，严重时甚至会引发事故；其二，在煤矿井下的恶劣环境下，利用通信网络传输信息必然存在信息传递的通信网络延迟的问题，煤矿单轨吊机车在无人驾驶运行过程中一旦遇到紧急状况时，由于信息传递的延迟将无法及时作出相应的反应处理，存在安全隐患；其三，为保证煤矿单轨吊机车有效地无人驾驶运行，就必须建立完善的煤矿井下通信网络并确保其不间断地处于良好运行状态，则势必从另一方面增加煤矿设备和人员成本。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中存在的问题，提供一种矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，采用该智能驾驶系统的矿用防爆单轨吊机车能够不依赖煤矿井下的通信网络以及设于地面作为决策机构的后台服务器，独立实现无人驾驶运行。
本发明的技术方案是：本发明的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其结构特点是：包括用于感知防爆单轨吊机车运行路径和环境信息并根据感知的信息自主决策并输出单轨吊机车运行策略信号的感知运算单元，用于接收并根据感知运算单元发送的运行策略信号对单轨吊机车运行实施相应操控的驱动控制单元，用于实现包括运行启动、运行线路、运行参数设置以及运行状态显示的人机交互单元；上述驱动控制单元与感知运算单元通过CAN总线电连接，驱动控制单元和感知运算单元分别通过CAN总线与人机交互单元电连接。
进一步的方案是：上述感知运算单元包括用于单轨吊机车运行过程中实时定位的本安型RFID定位卡，用于探测单轨吊轨道实时状态信息的本安型AI摄像仪，用于探测单轨吊机车前方是否有障碍物以及障碍物与车头间距离的本安型激光雷达，用于探测单轨吊机车左右两侧是否有障碍物的本安型超声波雷达，以及用于根据实时探测信息自主决策形成单轨吊机车运行策略并将运行策略信号发送给上述驱动控制单元执行的感知运算主机。
进一步的方案是：上述本安型RFID定位卡在安装有单轨吊轨道的井下巷道顶部依设定的间距间隔设置若干个，本安型AI摄像仪在单轨吊机车的前车头和后车头的上部各固定设置1台；本安型激光雷达在单轨吊机车的前车头和后车头的前端居中位置各设置1个；本安型超声波雷达在单轨吊机车的前车头和后车头的左右两侧面上各固定设置1个；感知运算主机在单轨吊机车的前车头和后车头内各固定设置1台。
进一步的方案是：上述感知运行主机包括第一隔爆箱，设于上述第一隔爆箱内的第一CPU模块、分别与上述第一CPU模块电连接的无线通讯模块和第一CAN通信模块以及为感知运算单元提供工作电源的第一电源模块；上述RFID定位卡与无线通讯模块无线通信，本安型AI摄像仪、本安型激光雷达和本安型超声波雷达分别与第一CPU模块电连接。
进一步的方案是：上述感知运算单元还包括固定设于单轨吊机车的前车头和后车头上的声光报警器，上述声光报警器与上述第一CPU模块电连接。
进一步的方案是：上述驱动控制单元包括用于接收并处理由上述感知运算单元发送的控制策略信号并输出相应操控动作控制信号的驱动控制器，用于根据驱动控制器的操控动作控制信号自动对单轨吊机车实施相应操控动作的液压电磁阀组。
进一步的方案是：上述液压电磁阀组包括前进电磁阀、后退电磁阀、制动电磁阀、夹紧电磁阀和调度电磁阀。
进一步的方案是：上述驱动控制器包括第二隔爆箱，设于上述第二隔爆箱内的第二CPU模块、分别与上述第二CPU模块电连接的第二CAN通信模块和继电器组、为驱动控制器提供工作电源的第二电源模块以及单轨吊机车具有的ECU模块；上述ECU模块分别与第二CPU模块以及第二CAN通信模块电连接。
进一步的方案是：上述人机交互单元包括固定设于单轨吊机车具有的前车头和后车头内设有的驾驶室内的触摸显示屏。
本发明具有积极的效果：（1）采用本发明的智能驾驶系统的矿用防爆单轨吊机车，能自动感知运行的路径环境及路况信息，并根据环境及路况信息，自主采用相应的运行控制策略实现无人驾驶，完全不依赖煤矿井下的通信网络且无需地面后台服务器，从而能够有效解决现有技术中依赖煤矿井下的通信网络和地面实施控制决策的后台服务器的无人驾驶煤矿单轨吊机车普遍存在的如背景技术记载的三类技术问题。（2）本发明的智能驾驶系统主要由感知运算单元、驱动控制单元以及人机交互单元组成，各单元均采用集成化设计，各单元间采用总线通信，使其整体结构简单，成本较低，在煤矿现有人工驾驶的单轨吊机车上可方便进行改装，能够大幅降低煤矿单轨吊机车无人化驾驶的成本投入，具有良好的性价比。（3）安装有本发明的智能驾驶系统的矿用防爆单轨吊机车，相对于现有依赖煤矿井下通信网络和地面决策后台服务器的无人驾驶单轨吊机车，运行更为安全可靠。（4）本发明的智能驾驶系统，其通过安装在单轨吊运行巷道上的若干个本安型RFID定位卡能对单轨吊机车运行进行准确实时定位，安装在单轨吊前后车头居中前部的本安型激光雷达探测单轨吊运行前方是否有障碍物及障碍物距离，安装在单轨吊前后车头上部的本安型AI摄像仪探测单轨吊运行轨道的状态是否存在轨道错位、脱落等故障，安装在单轨吊前后车头侧面的本安型超声波雷达探测单轨吊车身左右两侧是否有障碍物等一系列的结构设计，使得安装有本发明的智能驾驶系统的矿用防爆单轨吊机车能够实现自动感知煤矿井下巷道内的复杂环境，保证单轨吊机车安全、可靠运行。（5）本发明的智能驾驶系统，相对于现有技术，更适用于煤矿井下单轨吊机车无人驾驶的实现，达到煤矿井下单轨吊机车运行减人增效的目标。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中的感知运算单元的电路结构示意图；
图3为图1中的驱动控制单元的结构示意图；
图4为本发明应用于煤矿单轨吊机车上的结构示意图。
上述附图中的附图标记如下：
感知运算单元1，本安型RFID定位卡11，本安型AI摄像仪12，本安型激光雷达13，本安型超声波雷达14，感知运算主机15，声光报警器16；
驱动控制单元2，驱动控制器21；人机交互单元3；
井下巷道100，单轨吊轨道101，前车头102，后车头103，单轨吊机车主机104。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
（实施例1）
见图1至图4，本实施例的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其主要由用于感知防爆单轨吊机车运行路径和环境信息并根据感知的信息自主决策并输出单轨吊机车运行策略信号的感知运算单元1、用于接收并根据感知运算单元发送的运行策略信号对单轨吊机车运行实施相应操控的驱动控制单元2、用于实现包括参数设置以及运行状态显示的人机交互的人机交互单元3组成；驱动控制单元2与感知运算单元1通过CAN总线电连接，驱动控制单元1和感知运算单元2分别通过CAN总线与人机交互单元3电连接。
参见图2和图4，感知运算单元1主要由本安型RFID定位卡11、本安型AI摄像仪12、本安型激光雷达13、本安型超声波雷达14以及感知运算主机15组成。感知运行主机15主要由第一隔爆箱以及设于第一隔爆箱内的第一CPU模块、分别与第一CPU模块电连接的无线通讯模块和第一CAN通信模块以及为感知运算单元1提供工作电源的第一电源模块。RFID定位卡11与无线通讯模块无线通信，本安型AI摄像仪12、本安型激光雷达13和本安型超声波雷达14分别与第一CPU模块电连接。声光报警器16作为优选方式设置，声光报警器16与第一CPU模块电连接。
本安型RFID定位卡11在安装有单轨吊轨道101的井下巷道100顶部依设定的间距间隔设置若干个，本安型RFID定位卡用于设有本实施例的智能驾驶系统的矿用防爆单轨吊机车运行过程中的实时定位。本安型RFID定位卡11为市购件，本实施例中优选南京北路智控科技股份有限公司生产的KJ915-K1型号的RFID定位卡。
本安型AI摄像仪12用于探测单轨吊轨道101是否存在包括轨道错位、轨道脱落故障在内的轨道实时状态信息，并将探测的实时信息发送给设于第一隔爆箱内的第一CPU模块；本安型AI摄像仪12在单轨吊机车设有驾驶室的前车头102和后车头103的上部各固定设置1台。本安型AI摄像仪12为智能AI摄像仪，其不仅具备常规摄像仪的视频监控功能，还具备对动态采集的轨道视频帧图像实时分析功能，例如当前方单轨吊轨道101轨道侧面错位大于 10mm时即报警，从而减轻第一CPU模块的数据运算和处理负担，提高系统响应速度，有效防止单轨吊机车运行过程中脱轨。本安型AI摄像仪12为市购件，本实施例中优选华洋通信科技股份有限公司的KBA12S型号的本安型AI摄像仪。
本安型激光雷达13在单轨吊机车的前车头102和后车头103的前端居中位置各设置1个，本安型激光雷达13用于探测单轨吊机车运行前方是否有障碍物以及若有障碍物时障碍物与前车头102间的距离，本安型激光雷达13将探测的信息发送给第一CPU模块。本安型激光雷达13为市购件，本实施例中优选RoboSense(速腾聚创)公司RS-LiDAR型号的激光雷达。
本安型超声波雷达14在单轨吊机车的前车头102和后车头103的左右两侧面上各固定设置1个，本安型超声波雷达14用于探测单轨吊机车运行时左右两侧是否有障碍物，本安型超声波雷达14将探测的信息发送给第一CPU模块。本安型超声波雷达14为市购件，本实施例中优选常州科研试制中心有限公司GUL2型号的本安型超声波雷达。
声光报警器16在单轨吊机车的前车头102和后车头103上各设置1个。
感知运算主机15在单轨吊机车的前车头102和后车头103内各固定设置1台，感知运算主机15用于根据本安型AI摄像仪12、本安型激光雷达13和本安型超声波雷达14发送的实时检测信息结合本安型RFID定位卡11确定的定位信息，并根据实时信息自主决策形成单轨吊机车运行策略，并将运行策略信号经CAN通信发送给驱动控制单元执行。感知运算主机15运行策略制定的原理以某型单轨吊机车满载运行过程前方有障碍物为例进行说明：
该型单轨吊机车满载运行时，最大制动距离为3m（对应于该单轨吊机车从最高速度2.1m/s 降至0m/s），感知运算主机15根据当前车速以及运行时位于前侧的车头与障碍物间的距离，自主计算预计发生碰撞时间TTC，制定出相应的控制策略并输出相应的控制信号：
当障碍物与机车开行端车头TTC小于5s(也即最大运行速度条件下，机车与障碍物距离10m位置处)时，感知运算主机15触发声光报警器16进行声光报警，以提醒井下巷道100内相关工作人员注意；当障碍物与机车开行端车头TTC小于3.5s(也即最大速度条件下，机车与障碍物距离8m位置处)时，感知运算主机15输出降油门信号给驱动控制单元，由驱动控制单元控制机车油门降为怠速；当障碍物与机车开行端车头TTC小于2.5s(也即最大速度条件下，机车与障碍物距离5m位置处)时，感知运算主机15输出制动停车信号给驱动控制单元，由驱动控制单元控制机车制动停车。
参见图3和图4，驱动控制单元2主要由固定设于单轨吊机车主机104上的驱动控制器21和液压电磁阀组（图4中未标注）组成。液压电磁阀组包括前进电磁阀、后退电磁阀、制动电磁阀、夹紧电磁阀、调度电磁阀。
驱动控制器21用于接收并处理由感知运算单元1发送的控制策略信号，对液压电磁阀组中相应的液压电磁阀输出动作控制信号，对单轨吊机车的运行实施相应的操控。驱动控制器21主要由第二隔爆箱以及设于第二隔爆箱内的第二CPU模块、分别与第二CPU模块电连接的第二CAN通信模块和继电器组、为驱动控制器21提供工作电源的第二电源模块以及单轨吊机车本身具有的ECU模块（即行车电脑），ECU模块用于控制单轨吊机车动力设备（柴油机或电机）运转，此为现有技术，不作详述。ECU模块分别与第二CPU模块以及第二CAN通信模块电连接；继电器组包括数量不少于液压电磁阀组中的液压电磁阀数量的继电器，液压电磁阀组的各液压电磁阀各与继电器组中相应的1个继电器电连接。
液压电磁阀组中包括前进电磁阀、后退电磁阀、制动电磁阀、夹紧电磁阀、调度电磁阀在内的各液压电磁阀均作为具体的执行元件，在驱动控制器21的第二CPU模块通过继电器组的信号控制下，实现单轨吊机车相应的自动操控动作。
人机交互单元3用于实现对感知运算单元1和驱动控制单元2进行包括运行启动、运行线路、运行参数设置在内的初始设置以及单轨吊机车运行过程中运行状态数据的实时显示。人机交互单元包括固定设于前车头102和后车头103设有的驾驶室内的触摸显示屏。
由前述可知，采用本实施例的智能驾驶系统的矿用防爆单轨吊机车，完全不依赖煤矿井下的通信网络且无需地面实施运行决策的后台服务器，能自动感知运行的路径环境及路况信息，并根据环境及路况信息，自主采用相应的运行控制策略实现无人驾驶，从而能够有效解决现有技术中依赖煤矿井下的通信网络和地面实施控制决策的后台服务器的无人驾驶煤矿单轨吊机车普遍存在的煤矿井下通信网络在恶劣环境下通信不畅且极易发生故障使得单轨吊机车无法继续实现自动驾驶甚至会引发事故、在煤矿井下恶劣环境中通信网络传输信息必然存在信息网络延迟带来的无人驾驶运行过程中一旦遇到紧急状况时因信息传递延迟将无法及时作出相应的反应处理从而存在安全隐患以及为保证煤矿单轨吊机车有效地无人驾驶运行就必须建立完善的煤矿井下通信网络并确保其不间断地处于良好运行状态而相应增加煤矿设备和人员成本的三类技术问题。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：包括用于感知防爆单轨吊机车运行路径和环境信息并根据感知的信息自主决策并输出单轨吊机车运行策略信号的感知运算单元，用于接收并根据所述感知运算单元发送的运行策略信号对单轨吊机车运行实施相应操控的驱动控制单元，用于实现包括运行启动、运行线路、运行参数设置以及运行状态显示的人机交互单元；所述驱动控制单元与感知运算单元通过CAN总线电连接，驱动控制单元和感知运算单元分别通过CAN总线与人机交互单元电连接。
2.根据权利要求1所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述感知运算单元包括用于单轨吊机车运行过程中实时定位的本安型RFID定位卡，用于探测单轨吊轨道实时状态信息的本安型AI摄像仪，用于探测单轨吊机车前方是否有障碍物以及障碍物与车头间距离的本安型激光雷达，用于探测单轨吊机车左右两侧是否有障碍物的本安型超声波雷达，以及用于根据实时探测信息自主决策形成单轨吊机车运行策略并将运行策略信号发送给所述驱动控制单元执行的感知运算主机。
3.根据权利要求2所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述本安型RFID定位卡在安装有单轨吊轨道的井下巷道顶部依设定的间距间隔设置若干个，本安型AI摄像仪在单轨吊机车的前车头和后车头的上部各固定设置1台；本安型激光雷达在单轨吊机车的前车头和后车头的前端居中位置各设置1个；本安型超声波雷达在单轨吊机车的前车头和后车头的左右两侧面上各固定设置1个；感知运算主机在单轨吊机车的前车头和后车头内各固定设置1台。
4.根据权利要求2所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述感知运行主机包括第一隔爆箱，设于所述第一隔爆箱内的第一CPU模块、分别与所述第一CPU模块电连接的无线通讯模块和第一CAN通信模块以及为感知运算单元提供工作电源的第一电源模块；所述RFID定位卡与无线通讯模块无线通信，本安型AI摄像仪、本安型激光雷达和本安型超声波雷达分别与第一CPU模块电连接。
5.根据权利要求4所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述感知运算单元还包括声光报警器，所述声光报警器与所述第一CPU模块电连接。
6.根据权利要求1所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述驱动控制单元包括用于接收并处理由所述感知运算单元发送的控制策略信号并输出相应操控动作控制信号的驱动控制器，用于根据驱动控制器的操控动作控制信号自动对单轨吊机车实施相应操控动作的液压电磁阀组。
7.根据权利要求6所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述液压电磁阀组包括前进电磁阀、后退电磁阀、制动电磁阀、夹紧电磁阀和调度电磁阀。
8.根据权利要求6所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述驱动控制器包括第二隔爆箱，设于所述第二隔爆箱内的第二CPU模块、分别与所述第二CPU模块电连接的第二CAN通信模块和继电器组、为驱动控制器提供工作电源的第二电源模块以及单轨吊机车具有的ECU模块；所述ECU模块分别与第二CPU模块以及第二CAN通信模块电连接。
9.根据权利要求1～8任一所述的矿用防爆单轨吊单车智能驾驶系统，其特征在于：所述人机交互单元包括固定设于单轨吊机车具有的前车头和后车头内设有的驾驶室内的触摸显示屏。
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