CN114906119A - 一种基于隧道车辆实时定位的安全控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于隧道车辆实时定位的安全控制方法及系统，属于隧道车辆安全控制技术领域。本发明根据测量的隧道数据，绘制相应的隧道线路，利用隧道测量数据绘制的隧道线路，根据车辆行车的实际位置将车辆映射到绘制的隧道线路上，实现车辆在隧道内的定位；该定位方式实现简单，不需要额外安装网络通信设备，且所需数据量小。同时绘制的隧道线路上还设置有表征隧道转弯处、坡道处的标记，利用该标记和车辆映射到隧道线路上的位置计算车辆距离行驶前方最近标记的距离，通过该距离和车速对车辆进行安全控制，避免车辆在隧道转弯处、坡道处的安全问题，同时，利用姿态传感器监测车辆是否跑偏，进一步提高了车辆在隧道内行驶的安全性。

Description

一种基于隧道车辆实时定位的安全控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于隧道车辆实时定位的安全控制方法及系统，属于隧道车辆安全控制技术领域。

背景技术

无轨胶轮车属于重载特种车辆，运用于矿下设备运输、军工、码头、桥梁施工领域以及隧道施工物料运输方面，国内隧道胶轮车发展处于开始阶段。重载车辆的制动设计是比较关键的部分，在长下坡隧道中其性能尤为重要，多采用单独设置制动轮；此外，由于减速马达和比例阀在生产的过程中存在误差，会导致车辆行驶过程中左右两侧的驱动轮在相同条件下转速不一致导致车辆跑偏，这些方面大多需人为判断路况做出车辆制动和修正行驶方向的行为，而导航辅助驾驶可识别长下坡、转弯路段以及判断车辆是否偏航。

近年来随着科技的发展，国内胶轮车产品的导航辅助驾驶的研究越来越多，如公告号为CN203490506U的中国专利文件，该文件公开了一种车载激光自动导向控制系统，采用激光轮廓扫描装置来判断车辆在隧道中的位置坐标，可使车辆按照人为规划的目标路径行驶，从而控制车辆制动和跑偏，但其需工业计算机根据导入隧道轮廓模型、道路模型进行数据计算，实时处理的数据量大。为此，有人提出利用定位基站的网络通信进行定位，如申请公布号为CN112504270A的中国专利申请文件，该文件公开了一种隧道内辅助车辆定位设施及方法，通过在隧道内安装UWB定位基站，在车辆上安装定位标签和惯性导航模块，利用定位标签和UWB定位基站之间的通信以及惯性导航模块实现车辆在隧道内的定位；该方案虽然能够确定车辆在隧道内的定位，但是需要在隧道内搭建网络，成本高，不利于推广。

因此，目前的隧道内车辆的定位方式要么需要搭建网络，成本高，要么需要处理的数据量大，定位方式复杂，实时性差。因此，目前车辆隧道内的定位方式的存在的问题，严重影响了隧道内车辆的行驶的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于隧道车辆实时定位的安全控制方法及系统，以解决目前隧道车辆安全控制过程存在的定位成本高、定位数据量大的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于隧道车辆实时定位的安全控制方法，该定位方法包括以下步骤：

1)测量隧道掘进的每一工作循环班次的里程桩号、边桩测量数据和中桩测量数据，根据边桩测量数据和/或中桩测量数据确定隧道路面走向以及隧道掘进方向与隧道入口位置的偏角，根据边桩测量数据和中桩测量数据确定隧道路面走向以及隧道掘进方向与隧道入口位置的偏角，根据里程桩号确定隧道掘进里程数，根据里程数和偏角，绘制出的隧道线路中包括含有相对于标定位置的偏转角度、里程数和设置的标记点，其中的标记点指的是隧道转弯处和坡道处，所述的边桩测量数据包括边桩的坐标、偏距和偏角，中桩测量数据包括中桩的坐标；

2)利用标定位置对车辆上的姿态传感器进行标定，所述姿态传感器用于测量车辆的姿态角；

3)基于标定后的姿态传感器实时获取车辆在隧道内的姿态角，并根据车辆的实际行驶距离将车辆位置映射到绘制隧道线路上；

4)计算车辆映射到绘制的隧道线路上的位置与前方最近的标记点的距离，当距离小于设定阈值且车速大于设定车速时对车辆进行缓速制动控制。

本发明根据测量的隧道数据，绘制相应的隧道线路，车辆在隧道内行车时，利用隧道测量数据绘制的隧道线路，根据车辆行车的实际位置将车辆映射到绘制的隧道线路上，实现车辆在隧道内的定位；该定位方式实现简单，不需要额外安装网络通信设备，且所需数据量小。同时本发明绘制的隧道线路上还设置有表征隧道转弯处、坡道处的标记，利用该标记和车辆映射到隧道线路上的位置计算车辆距离行驶前方最近标记的距离，通过该距离和车速对车辆进行安全控制，避免车辆在隧道转弯处、坡道处的安全问题，提高车辆在隧道内行驶的安全性。

进一步地，所述的姿态传感器为陀螺仪或三轴角度传感器，用于安装在车辆重心处，以测量车辆的姿态角。

本发明将陀螺仪或者三轴角度传感器作为姿态传感器，将其安装在车辆重心处进行测量，能够准确实现对车辆姿态角的测量。

进一步地，该方法还包括根据测量车辆横偏角和车轮转向角判断车辆是否跑偏，并根据判断结果进行纠偏控制。

本发明通过比较车辆横偏角和车轮转向角差异来判断车辆是否跑偏，能够快速发现车辆是否有跑偏的倾向，以便在发生跑偏时能够及时进行纠偏控制，保证车辆行驶的稳定性。

进一步地，所述步骤2)在标定时将陀螺仪或三轴角度传感器处于标定位置处作为其零位。

本发明为方便基于测量的车辆姿态角计算车辆实际行驶位置，将测量口出的位置为零位。

进一步地，所述步骤1)采用全站仪进行测量。

本发明采用全站仪对隧道内的道路进行测量，能够快速、准确获取隧道的路程和角度，为隧道线路的绘制提供准确的数据支撑。

进一步地，所述步骤3)在将车辆位置映射在绘制隧道线路上时，需将车辆实际行驶的距离乘以车辆实际行车路线和绘制的隧道线路之间夹角的余弦。

本发明还提供了一种基于隧道车辆实时定位的安全控制系统，该控制系统包括车载控制器、姿态传感器和车速传感器，其中姿态传感器用于设置在车辆的重心位置，以测量车辆的横偏角，车速传感器用于测量车辆的速度；所述车载控制器用于获取隧道掘进的里程桩号、边桩测量数据和中桩测量数据，根据边桩测量数据和/或中桩测量数据确定隧道路面走向以及隧道掘进方向与隧道入口位置的偏角，根据里程桩号确定隧道掘进里程数，根据里程数和偏角绘制隧道线路，所述的边桩测量数据包括边桩的坐标、偏距和偏角，中桩测量数据包括中桩的坐标；根据姿态传感器测量的车辆在隧道内的姿态角、由车速传感器得到的车辆实际行驶距离将车辆位置映射在绘制的隧道线路上，计算车辆映射到绘制的线路上的位置与前方最近的标记点的距离，当距离小于设定阈值且车速大于设定车速时对车辆进行缓速制动控制；绘制出的隧道线路中包括相对于标定位置的偏转角度、里程数和设置的标记点，其中的标记点指的是隧道转弯处和/或坡道处。

本发明采用的定位方式实现简单，不需要额外安装网络通信设备，且所需数据量小。同时绘制的隧道线路上还设置有表征隧道转弯处、坡道处的标记，利用该标记和车辆映射到隧道线路上的位置计算车辆距离行驶前方最近标记的距离，通过该距离和车速对车辆进行安全控制，避免车辆在隧道转弯处、坡道处的安全问题，提高了车辆在隧道内行驶的安全性。

进一步地，在将车辆位置映射在绘制隧道线路上时，需将车辆实际行驶的距离乘以车辆实际行车路线和绘制的隧道线路之间夹角的余弦。

进一步地，所述的姿态传感器为陀螺仪或三轴角度传感器，用于安装在车辆重心处，以测量车辆的姿态角。

进一步地，所述的车载控制器还用于根据测量车辆横偏角度和车轮转向角判断车辆是否跑偏，并根据判断结果进行纠偏控制。

本发明通过比较车辆横偏角和车轮转向角差异来判断车辆是否跑偏，能够快速发现车辆是否有跑偏的倾向，以便在发生跑偏时能够及时进行纠偏控制，保证车辆行驶的稳定性。

附图说明

图1是本发明基于隧道车辆实时定位的安全控制系统中定位装置安装位置示意图；

图2是实际的隧道线路与绘制的隧道线路示意图；

图3是本发明实际行车路线与绘制的隧道线路的映射关系示意图；

图4是本发明基于隧道车辆实时定位的安全控制系统的结构框图；

图5是本发明中车辆在弧形断面行驶的示意图；

1为车载显示屏，2为转向编码器，3为车速传感器，4为陀螺仪/三轴传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明根据测量的隧道数据，绘制相应的隧道线路，车辆在隧道内行车时，利用隧道测量数据绘制的隧道线路，根据车辆行车的实际位置将车辆映射到绘制的隧道线路上进行显示，方便司机能够实时知道车辆在隧道内的位置；同时绘制的隧道线路上还设置有表征隧道转弯处、坡道处的标记，利用该标记和车辆映射到隧道线路上的位置计算车辆距离行驶前方最近标记的距离，通过该距离和车速对车辆进行安全控制，避免车辆在隧道转弯处、坡道处的安全问题，提高车辆在隧道内行驶的安全性。

系统实施例

如图4所示，本实施例中的系统包括有车载控制器、陀螺仪/三轴传感器、车速传感器、转向编码器和显示屏，陀螺仪/三轴传感器、车速传感器、转向编码器的输出端均通过屏蔽电缆与车载控制器连接；如图1所示，陀螺仪/三轴传感器4设置在车辆的重心处，用于测量车辆各个轴上的数据，车速传感器3用于安装在车辆驱动液压马达处，用于测量车轮旋转速度，转向编码器2用于设置在车轮转向机构处，用于测量车轮的转向角度，车载控制器利用隧道测量数据绘制隧道线路，根据车辆行车的实际位置将车辆映射到绘制的隧道线路上并通过车载显示屏1进行显示，能够直观的对车辆进行定位；同时根据在隧道线路上提前设置的标记与车辆位置的距离以及车辆的偏转程度对车辆进行相应的安全控制，如车载控制器可通过驱动比例阀、行车制动比例阀和转向阀对车辆进行控制，以提高车辆在隧道内行车的安全性。

具体而言，车载控制器在进行隧道线路绘制时，需要获取隧道的进尺和里程的测量数据，本实施例中的该测量数据是通过施工方人员利用全站仪测量得到。隧道测量一般指的是隧道中线定位测量(中桩数据测量)。可采用导线测量法，把洞外控制网引进洞内，为保证中线定位精度一般采用附合导线，就是将相邻控制点连成连续折线，折线的转折点即为导线控制点，折线边即为导线边。导线测量即测量各线段的边长和转折角，再根据已知数据计算各控制点平面坐标的测量方法，主要用于复核控制点或加密控制点。

在隧道隧道开挖之前，把洞外控制点和中线控制桩的坐标纳入同一坐标系统内，普通在直线隧道以线路中线作为X轴，曲线隧道上以一条切线方向作为X轴，建立施工坐标系，根据洞外控制点的结果，测算洞口控制点的坐标和高程，同时按照设计要求，可按极坐标方法或其他方法测设出进洞的开挖方向，把中线定位引进洞内，随着隧道开挖里程的增加，根据隧道开挖的方向，测量隧道各个中桩坐标(中桩坐标测量难度较大的情况下采用边桩坐标测量)，用控制点和隧道内待测设的线路中线的坐标，通过编写的坐标反算程序得到各个桩号里程和方位角，即为通过两点坐标计算出直线上两点的间隔和方位角。曲线隧道可作圆曲线处理或者满足精度要求情况下将缓和曲线近似为直线，通过坐标反算得到里程和偏距、偏角。

在测量时，将全站仪在隧道口处的测量位置作为标定位置，将该位置处的数据作为初始位置数据，为方便线路绘制，可将隧道入口方向作为坐标零点；将全站仪放置隧道入口以及通过搬站方式放置在各个设定位置，可获取隧道的里程、横摆角、俯仰角信息，具体而言包括隧道相对于隧道入口的里程桩号、边桩测量数据和中桩测量数据，边桩测量数据包括左边桩的坐标、偏距和偏角以及右边桩的坐标、偏距和偏角，中桩测量数据包括中桩的坐标，根据里程桩号确定隧道掘进里程数，根据里程数和偏角绘制隧道线路。

在根据测量数据绘制隧道内的线路时，用折线来表征隧道线路(如图2所示，采用折线绘制的隧道线路能够准确表征实际隧道路线)，隧道转弯处、上下坡道处就是折线的转折点，将这些转折点作为测量里程的标记点，在绘制的隧道线路上标出。因此，绘制出的线路信息中包含有相对于隧道口处的横摆角、俯仰角的偏转数值以及里程数，可为隧道路况模型的建立提供很好的支撑。

车载控制器在绘制好隧道内的线路后，发送相应的程序命令，将其加载到车载显示屏上进行显示。同时，为了实时监控车辆的位置，需要根据车速传感器检测到的车速计算出车辆实际行驶距离，同时为方便后续计算，将先对陀螺仪/三轴角度传感器进行标定。标定时将陀螺仪/三轴角度传感器放置在标定位置处，将此时陀螺仪/三轴角度传感器的测量数值置为0，即将标定位置作为陀螺仪/三轴角度传感器的零位。车辆姿态角包括车辆在水平方向上的横摆角(方向角)、车辆竖直方向上的俯仰角，车辆绕车身中轴线旋转的翻滚角，图3中的β值与车辆水平方向上的横摆角(方向角)有关，β值是车辆方向角与隧道掘进方向的夹角。在标定完后，在车辆行驶过程中车载控制器按照设定步长采集安装在车身重心处的陀螺仪/三轴角度传感器测量的横偏角数据，并根据车速传感器计算得到实际行驶距离，将车辆实际行车路线映射到绘制的隧道线路上。映射关系如图3所示，关系式如下：

ΔL_A cos∠β＝ΔL_a

其中ΔL_A为当前采集时间段内车辆实际行驶的距离，ΔL_a为当前采集时段内车辆在绘制的隧道线路上映射的距离，β为当前采集时间段内车体水平横摆角度(图3中的虚线)与隧道方向(图3中的实线)的夹角。通过这种映射方式，可将车辆实际行驶路线上的任一点A映射到隧道线路上对应位置(记为点a)，这样，可将车辆的实时位置映射到绘制的隧道线路上。为方便司机实时查看，可通过车载显示屏进行实时显示。由于绘制的隧道线路上设置有标记点(折线转折点)，这些标记点代表隧道的关键位置，通过这些标记点也可以方便司机直观的知道目前车辆所处的路况。

基于上述车辆的定位结果，车载控制器可进行车辆的安全控制。当车辆在隧道内行驶时，在隧道的关键位置，例如隧道转弯处、隧道下坡、隧道上坡等，若控制不当会带来很大的安全隐患，隧道中的道路一般都不是很宽，如果在隧道转弯处没有将车辆的车速降到设定的范围，则会由于转弯引起相应的安全事故，例如侧翻、碰撞等，因此，隧道中行车的安全性非常重要。本发明在车辆定位的基础上，利用实时定位结果计算车辆距离行驶前方最近标记的距离，即将映射线路上的里程数减去绘制的隧道线路上的沿车辆方向距离车辆最近关键点处里程数，若距离小于设定阈值，例如50米，且车速大于设定车速，例如50Km/h，则认为前方出现安全风险的概率比较大，需要提前对车辆进行控制。在进行安全控制时，可通过控制驱动比例阀和行车制动阀的开合度进行缓速制动控制，提前对车辆进行减速控制，使得车辆在到达关键点处时，车辆能够降到安全车速以下，以安全通过关键点处，以此提高车辆的安全性。

除此之外，本发明还能够在车辆跑偏时对车辆进行纠偏控制。具体而言，由车载控制器根据陀螺仪/三轴角度传感器的横偏角和车辆转向角度，判断车辆是否跑偏(尤其是在弧形断面的情况下，如图5所示)，当车轮转向角度处于零时，而横偏角或者横滚角数据逐渐变大或者变小，则判断车辆处于跑偏状态，此时车载控制器输出控制转向比例阀、驱动比例阀进行及时纠偏处理，减少了驾驶员频繁调整驾驶方向的行为，保证了车辆行驶的稳定性。

当车辆在弧形断面行驶的情况下，如图5所示，如果仅对车辆跑偏控制时，可在车辆上安装双轴角度传感器，替换原来采用的陀螺仪/三轴角度传感器，当车轮转向角度处于零时，若该角度传感器的横滚角数值逐渐变大或者变小，则车载控制器判断车辆处于跑偏状态，则进行纠偏控制。当陀螺仪/三轴角度传感器测量的车体姿态角度存在时漂或零偏稳定性数值较大时，本发明需要在车体质心(重心)位置增加一个三轴角度角度传感器/陀螺仪，在车辆行驶过程中将两个陀螺仪/三轴角度传感器每隔一段时间交替断电上电，通过断电过程中的初始化处理来减少陀螺仪/三轴角度传感器的测量累积误差，进而提高定位的准确性和安全控制的可靠性。

方法实施例

本发明首先通过测量隧道相对于隧道入口位置的进尺及里程数，并以此绘制隧道线路，绘制出的隧道线路中包括含有相对于标定位置的偏转角度、里程数和设置的标记点，其中的标记点指的是隧道转弯处和/或坡道处；然后利用标定位置对车辆上的姿态传感器进行标定，姿态传感器用于测量车辆的横偏角；再基于标定后的姿态传感器实时获取车辆在隧道内的偏转角度，并根据车辆的实际行驶距离将车辆位置映射在绘制隧道线路上；最后根据车辆的行驶方向，计算车辆映射到绘制的线路上的位置与前方最近的标记点的距离，当距离小于设定阈值且车速大于设定车速时对车辆进行缓速制动控制。该方法的具体实现方式已在系统实施例中进行详述，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种基于隧道车辆实时定位的安全控制方法，其特征在于，该定位方法包括以下步骤：

1)测量隧道掘进的每一工作循环班次的里程桩号、边桩测量数据和中桩测量数据，根据边桩测量数据和/或中桩测量数据确定隧道路面走向以及隧道掘进方向与隧道入口位置的偏角，根据里程桩号确定隧道掘进里程数，根据里程数和偏角绘制隧道线路，绘制出的隧道线路中包括含有相对于标定位置的偏转角度、里程数和设置的标记点，其中的标记点指的是隧道转弯处和坡道处，所述的边桩测量数据包括边桩的坐标、偏距和偏角，中桩测量数据包括中桩的坐标；

2)利用标定位置对车辆上的姿态传感器进行标定，所述姿态传感器用于测量车辆的姿态角；

3)基于标定后的姿态传感器实时获取车辆在隧道内的姿态角，并根据车辆的实际行驶距离将车辆位置映射到绘制隧道线路上；

4)计算车辆映射到绘制的隧道线路上的位置与前方最近的标记点的距离，当距离小于设定阈值且车速大于设定车速时对车辆进行缓速制动控制。

2.根据权利要求1所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制方法，其特征在于，所述的姿态传感器为陀螺仪或三轴角度传感器，用于安装在车辆重心处，以测量车辆的姿态角。

3.根据权利要求1所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制方法，其特征在于，该方法还包括根据测量车辆横偏角和车轮转向角判断车辆是否跑偏，并根据判断结果进行纠偏控制。

4.根据权利要求2所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制方法，其特征在于，所述步骤2)在标定时将陀螺仪或三轴角度传感器处于标定位置处作为其零位。

5.根据权利要求1所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制方法，其特征在于，所述步骤1)采用全站仪进行测量。

6.根据权利要求1所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制方法，其特征在于，所述步骤3)在将车辆位置映射在绘制隧道线路上时，需将车辆实际行驶的距离乘以车辆实际行车路线和绘制的隧道线路之间夹角的余弦。

7.一种基于隧道车辆实时定位的安全控制系统，其特征在于，该控制系统包括车载控制器、姿态传感器和车速传感器，其中姿态传感器用于设置在车辆的重心位置，以测量车辆的横偏角，车速传感器用于测量车辆的速度；所述车载控制器用于获取隧道掘进的里程桩号、边桩测量数据和中桩测量数据，根据边桩测量数据和/或中桩测量数据确定隧道路面走向以及隧道掘进方向与隧道入口位置的偏角，根据里程桩号确定隧道掘进里程数，根据里程数和偏角绘制隧道线路，所述的边桩测量数据包括边桩的坐标、偏距和偏角，中桩测量数据包括中桩的坐标；根据姿态传感器测量的车辆在隧道内的姿态角、由车速传感器得到的车辆实际行驶距离将车辆位置映射在绘制的隧道线路上，计算车辆映射到绘制的线路上的位置与前方最近的标记点的距离，当距离小于设定阈值且车速大于设定车速时对车辆进行缓速制动控制；绘制出的隧道线路中包括相对于标定位置的偏转角度、里程数和设置的标记点，其中的标记点指的是隧道转弯处和坡道处。

8.根据权利要求7所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制系统，其特征在于，在将车辆位置映射在绘制隧道线路上时，需将车辆实际行驶的距离乘以车辆实际行车路线和绘制的隧道线路之间夹角的余弦。

9.根据权利要求7所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制系统，其特征在于，所述的姿态传感器为陀螺仪或三轴角度传感器，用于安装在车辆重心处，以测量车辆的姿态角。

10.根据权利要求7所述的基于隧道车辆实时定位的安全控制系统，其特征在于，所述的车载控制器还用于根据测量车辆横偏角度和车轮转向角判断车辆是否跑偏，并根据判断结果进行纠偏控制。

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