CN114964257A - 矿井车辆导航与自动驾驶系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种矿井车辆导航与自动驾驶系统，所述系统包括矿井车辆、定位卡、定位分站、道路控制设备、车辆导航服务器、定位服务器、监控终端、导航辅助标识、车载导航控制装置、车辆无线通信网络。系统运用多种辅助定位方法，解决了依据传感器数据定位的累积误差问题，提高了矿井车辆定位的维度。根据矿井区域特定生产环境，充分利用地理信息数据、道路控制数据等，实现车车协同、人车协同、车巷协同、车环协同导航，充分保障矿井车辆导航与自动驾驶的安全性与可靠性，可适应煤炭生产少人化、无人化发展方向，具有着广泛地应用前景。

Description

矿井车辆导航与自动驾驶系统
技术领域
本发明涉及一种矿井车辆导航与自动驾驶系统，该系统涉及地理信息系统、无线通信、图像识别、传感器技术、数据处理等领域。
背景技术
煤炭生产朝着少人化、无人化方向发展，作为煤矿井下重要的运输工具矿井车辆的数量将不断增加，并且将逐步实现这些车辆的无人化。由于卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达井下，所以不能采用井上基于卫星定位的车辆导航与自动驾驶技术，需依靠矿井定位系统进行矿井车辆导航。早期的矿井人员定位多采用RFID卡识别定位技术，RFID卡识别定位属于区域定位技术，只能识别井下移动目标是否经过某个区域，无法对区域内的移动目标进行精确定位。超声波、红外、激光等定位技术难以实现目标身份识别和全矿井定位。目前矿井人员和车辆定位主要采用无线电波定位技术，定位方法包括RSSI、飞行时间TOA、飞行时间差TDOA等，由于矿井定位需覆盖长达10km，巷道纵向深度远大于宽度与高度，定位系统均为沿巷道轴向的一维定位系统。由于矿井无线电波信号传输衰减严重、无线电传输衰减模型复杂多变，信号多径传输等等因素制约，定位精度难以进一步提高，不能满足现有矿井定位系统矿井车辆导航与自动驾驶的需要。因此，需要一种适合煤矿空间环境的矿井车辆导航与自动驾驶系统，可保证矿井车辆导航所需的定位精度和维度，以实现矿井车辆导航与自动驾驶，提高煤炭生产效率和安全性。
发明内容
本发明提供了一种矿井车辆导航与自动驾驶系统，可适应煤炭生产少人化、无人化发展方向，是井下矿井车辆等设备的导航与自动驾驶急需的应用系统。所述矿井车辆导航与自动驾驶系统包括矿井车辆、定位卡、定位分站、道路控制设备、车辆导航服务器、定位服务器、监控终端、导航辅助标识、车载导航控制装置、车辆无线通信网络；
所述定位卡由井下人员和矿井车辆携带，通过与定位分站进行无线电波通信测距，通过与定位服务器、定位分站协同工作实现对井下人员和矿井车辆的无线电波定位；
所述道路控制设备包括信号灯、电动转辙机，所述道路控制设备由车辆导航服务器控制；
所述车辆导航服务器为矿井车辆自主导航和监控终端提供矿井地理信息数据、道路控制设备状态数据、矿井车辆精确位置数据；所述矿井地理信息数据包括矿井车辆行驶的轨道和道路数据、矿井巷道三维结构数据；
所述导航辅助标识用于为所述车载导航控制装置提供辅助定位信息，提高对矿井车辆定位的精度；所述导航辅助标识包括位置线、架空引导绳和引导标；所述位置线在巷帮或顶板上垂直于矿井车辆行驶的轨道和道路铺设，内置无源射频卡，由车载导航控制装置内置的读卡器接收读取卡内数据；所述架空引导绳布置在巷道顶部与巷道轴线平行安装，具有光或磁识别信号；所述引导标间隔设定距离固定安装在巷道顶板或巷帮上，具有光或磁识别信号；
所述车载导航控制装置用于矿井车辆的自主导航，包括至少一个数据处理器、至少一个无线通信模块、至少一个九轴姿态传感器、至少一个无源射频卡读卡器、至少一个辅助定位模块、至少一个避障模块、至少一个车辆控制执行模块；
所述辅助定位模块用于测量矿井车辆与巷道壁的距离数据，所述车载导航控制装置通过所述矿井车辆与巷道壁的距离数据结合矿井地理信息数据和无线电波定位数据实现对矿井车辆的二维定位；所述避障模块用于测量矿井车辆与障碍物的距离；所述辅助定位模块和避障模块包括激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器、双目可见光测距设备、双目远红外图像测距设备中的一种或多种设备；
所述车辆控制执行模块用于控制矿井车辆启动、匀速运动、加速运动、减速运动、制动、倒车、转弯、鸣笛和开闭灯光；
所述车辆无线通信网络用于矿井车辆与车辆导航服务器之间相互的数据通信和矿井车辆之间相互的数据通信，传输数据包括矿井车辆定位运算数据、井下人员位置数据、矿井地理信息数据和矿井车辆控制数据；所述车辆无线通信网络包括采用网络硬切片技术的5G移动通信网络或Wifi6无线通信网络；
所述矿井车辆导航与自动驾驶系统的工作过程包括：
(1)定位卡、定位分站、定位服务器协同工作实现对定位卡的无线电波定位；车辆导航服务器通过车辆无线通信网络从定位服务器获取矿井车辆和井下人员的无线电波定位数据；
(2)车载导航控制装置通过无线通信模块和车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取矿井车辆自身无线电波定位数据和导航范围内的矿井地理信息数据；
(3)车载导航控制装置处理自身无线电波定位数据、九轴姿态传感器数据、导航辅助标识数据或信号、车辆速度数据、车辆里程计数据、辅助定位模块数据，并参考矿井地理信息数据得到矿井车辆自身二维精确位置数据；
(4)车载导航控制装置向车辆导航服务器上传矿井车辆自身二维精确位置数据；
(5)车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取导航范围内的井下人员无线电波定位数据、其它矿井车辆二维精确位置数据、道路控制设备状态数据；
(6)车载导航控制装置根据自身精确位置数据、速度、方向，参考导航范围内的矿井地理信息数据、井下人员无线电波定位数据、其它矿井车辆二维精确位置数据、道路控制设备状态数据，对矿井车辆自身进行导航控制。
1.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述架空引导绳包括发光带，所述发光带的材料包括可见光、红外或紫外灯；所述车载导航控制装置进一步包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外摄像头，用于采集架空引导绳发光带的视频图像，车载导航控制装置对视频图像进行处理，以发光带位置为参考位置，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
2.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述架空引导绳包括反光带；所述车载导航控制装置进一步包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外灯，用于对所述反光带进行照明；所述车载导航控制装置进一步包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外摄像头，用于采集架空引导绳反光带的视频图像，车载导航控制装置对视频图像进行处理，以反光带位置为参考位置，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
3.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述架空引导绳包括永磁材料或可产生磁场的线圈，用于产生磁识别信号。
4.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述车载导航控制装置包括两个在矿井车辆顶部平行于矿井车辆车轮轴安装的九轴姿态传感器；车载导航控制装置对两个九轴姿态传感器的磁力数据进行处理，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
5.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述车载导航控制装置的包括两个在矿井车辆顶部平行于矿井车辆车轮轴安装的磁传感器；车载导航控制装置对两个磁传感器的磁力数据进行处理，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
6.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述引导标包括永磁材料或可产生磁场的线圈，用于产生磁识别信号；所述车载导航控制装置处理内置的九轴姿态传感器磁力数据对引导标的磁识别信号进行感应识别，以引导标位置为参考位置，并结合无线电波定位数据、车辆里程计数据、矿井地理信息数据和九轴姿态传感器的加速度数据、陀螺仪数据对矿井车辆自身进行沿巷道轴向的一维精确定位。
7.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述引导标包括可见光、红外或紫外灯，用于产生光识别信号；所述车载导航控制装置内置可见光、红外光、紫外光感应部件对引导标的光识别信号进行识别，以引导标位置为参考位置，并结合无线电波定位数据、车辆里程计数据、矿井地理信息数据和九轴姿态传感器的加速度数据、陀螺仪数据对矿井车辆自身进行沿巷道轴向的一维精确定位。
8.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述车载导航控制装置处理内置的读卡器对位置线内置的无源射频卡的数据进行接收读取；以位置线的位置为参考位置，并结合无线电波定位数据、车辆里程计数据、矿井地理信息数据和九轴姿态传感器的加速度数据、陀螺仪数据对矿井车辆自身进行沿巷道轴向的一维精确定位。
9.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述矿井车辆进一步包括井下机器人。
10.所述矿井车辆导航与自动驾驶系统进一步包括：所述车辆导航服务器还负责监测矿井车辆行驶是否正常，当发现异常则根据相关数据对矿井车辆直接下发控制信息，矿井车辆可接收车辆导航服务器的控制信息进行导航，用于解决矿井车辆自主导航中控制条件相互制约而产生的自锁问题。
所述矿井车辆导航与自动驾驶系统具有以下特点：
1.充分利用矿井巷道特点，通过图像数据处理、传感器数据处理方法，提高了矿井车辆定位的维度，进一步保障矿井车辆导航与自动驾驶的可靠性。
2.运用多种辅助定位方法，解决了依据传感器数据定位的累积误差问题，提高了矿井车辆定位的维度。
3.根据矿井区域特定生产环境，充分利用地理信息数据、道路控制数据、无线电波定位数据、二维精确位置数据等，通过车辆无线通信网络于矿井车辆进行导航相关的数据交换，实现车车协同、人车协同、车巷协同、车环协同导航，充分保障矿井车辆导航与自动驾驶的安全性与可靠性。
附图说明
图1矿井车辆导航与自动驾驶系统实施示例1示意图。
图2车载导航控制装置实施示例1原理示意图。
图3车载导航控制装置实施示例2原理示意图。
图4矿井车辆导航与自动驾驶系统工作流程示意图。
图5车载导航控制装置实施示例1进行一维精确定位流程示意图。
图6车载导航控制装置实施示例1进行二维精确定位流程示意图。
图7车载导航控制装置实施示例2进行二维精确定位流程示意图。
图8车载导航控制装置的嵌入式导航控制系统组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。所述矿井车辆导航与自动驾驶系统实施示例1如图1所示，图中上部所示设备(101)、(102)、(103)、(104)、(105)为井上设备，图中下部为井下巷道俯视剖面图，系统主要组成包括：
1.定位服务器(101)，负责为定位卡、定位分站提供无线电波定位相关数据管理和通信服务，并为监控终端提供调取查询服务。定位服务器接收定位分站发送的定位卡与定位分站之间的测距数据，根据测距数据和矿井地理信息数据对定位卡进行无线电波定位；所述矿井地理信息数据可在本地存储，也可通过与车辆导航服务器进行通信获取，当矿井地理信息数据存储在定位服务器本地时，需保证与车辆导航服务器存储的矿井地理信息数据同步更新。
2.车辆导航服务器(102)，为矿井车辆自主导航和监控终端提供矿井地理信息数据、道路控制设备状态数据、矿井车辆精确位置数据；当定位服务器未在其本地存储矿井地理信息所述矿井地理信息数据进一步包括矿井车辆行驶的轨道和道路数据、矿井巷道三维结构数据。车辆导航服务器还负责监测矿井车辆行驶是否正常，当发现异常则根据相关数据对矿井车辆直接下发控制信息，矿井车辆可接收车辆导航服务器的控制信息进行导航，用于解决矿井车辆自主导航中控制条件相互制约而产生的自锁问题。
3.监控终端(103)，煤矿生产管理人员通过监控终端访问定位服务器实现对井下人员和矿井车辆的位置的监控，可通过访问车辆导航服务器实现对矿井车辆二维精确位置的监控，并通过监控终端对定位服务器和车辆导航服务器进行数据管理和更新维护。监控终端具有数字地图显示，井下人员和矿井车辆位置及资料显示查询，及位置统计的功能，具有历史位置追踪查询等相关人机交互服务功能。
4.核心交换机(104)，是核心数据交换设备，所述矿井车辆导航与自动驾驶系统所有与定位服务器、车辆导航服务器、监控终端、矿用5G核心网设备通信的数据，均由核心交换机进行数据交换。
5.矿用核心网设备(105)，车辆无线通信网络的核心管理设备，控制整个车辆无线通信网络工作，本示例采用符合移动5G标准的核心网控制器。
6.井下交换机(106)，在井下安装，负责井下设备的数据交换设备，是车辆无线通信网络的组成设备。
7.基站控制器(107)，负责对无线通信基站进行控制，与井下交换机通过光缆以有线方式连接通信，是车辆无线通信网络的组成设备，本示例采用符合移动5G和井下防爆标准的基站控制器设备。
8.无线通信基站(108)，负责车载导航控制装置和无线通信终端的无线通信接入，与井下交换机通过光缆以有线方式连接，是车辆无线通信网络的组成设备，本示例采用符合移动5G和井下防爆标准的基站设备。
9.定位分站(109)，负责对定位卡进行无线通信与测距，与井下交换机通过有线方式连接通信,本示例采用符合井下防爆标准的UWB定位分站设备。
10.信号灯(110)，受车辆导航服务器控制以灯光形式发送巷道的交通控制信号，与井下交换机通过有线方式连接通信。
11.位置线(111)，在巷帮或顶板上垂直于矿井车辆行驶的轨道和道路铺设，内置无源射频卡，由车载导航控制装置内置的读卡器接收读取卡内数据。在本示例中采用的位置线安装在巷帮上。
12.引导标(112)，间隔设定距离固定安装在巷道顶板或巷帮上，具有磁或光识别信号。引导标可采用永磁材料或可产生磁场的线圈，用于产生磁识别信号；引导标也可采用可见光、红外或紫外灯，用于产生光识别信号；在本示例中的引导标采用永磁材料，安装在巷帮上。
13.架空引导绳(113)，布置在巷道顶部与巷道轴线平行安装，具有光或磁识别信号。架空引导绳可采用永磁材料或可产生磁场的线圈，用于产生磁识别信号；架空引导绳也可采用可见光、红外或紫外灯，用于产生光识别信号；架空引导绳还可采用反光材料制成反光带；在本示例中采用的架空引导绳具有磁识别信号。本示例架空引导绳固定在巷道顶中部，平行巷道轴线安装。
14.矿井车辆(114)，包括运送井下人员的车辆，运送设备、材料、煤炭、岩石等物料的车辆，还包括井下机器人。
15.定位卡(115)，与定位分站进行无线通信，由需被定位的井下人员和矿井车辆携带和安装，本示例采用符合井下本安防爆标准的UWB定位卡。
16.车载导航控制装置(116)，用于矿井车辆的自主导航，与车辆导航服务器和定位服务器通过车辆无线通信网络进行通信。车载导航控制装置的组成示例通过图2和图3及其说明进行阐述。
所述车载导航控制装置实施示例1原理组成如图2所示，包括：
1.数据处理单元(201)，采用ARM公司Cortex-A7系列主板，处理器采用4核Cortex-A7的CPU，主频为1.5GHz，在Linux系统支持下管理端口控制和通信。可使用外置存储卡，用于存储全部矿井地理信息数据，采用此方案时，可无需通过通信方式获取矿井地理信息数据，但当矿井地理信息发生改变时，需及时通过通信或人工方式更新存储的数据。
2.电源单元(202)，负责为数据处理单元等车载导航控制装置的组成部件供电，由矿井车辆提供电源输入。
3.无线通信模块(203)，负责与无线通信基站(108)直接无线通信，接入车辆无线通信网络，从而实现与车辆导航服务器和定位服务器的相互通信。无线通信模块采用符合移动5G或Wifi6及井下本安防爆标准的无线通信模块，可采用USB接口的5G或Wifi6通信模块。
4.九轴姿态传感器(204),采用GY-BNO055九轴姿态传感器模块，核心芯片为BOSCH公司的BNO055，集合多种传感器包括：3轴12-bit加速度传感器，3轴地磁传感器和3轴16-bit陀螺仪，模块通过I2C接口与数据处理单元进行通信。本示例中采用两个九轴姿态传感器，在矿井车辆顶部平行于矿井车辆车轮轴安装，用于感知架空引导绳的磁识别信号，数据处理单元根据两个九轴姿态传感器磁力数据，结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
5.无源射频卡读卡器(205)，用于读取位置线内置的无源射频卡数据信息。
6.磁传感器(206)，朝向右侧，用于感应安装在巷道壁上的引导标的磁识别信号。可采用TLE5012B磁性传感器。
7.辅助定位模块(207)，朝向右侧，用于测量矿井车辆与巷道壁的距离，可使用激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器中的一种或多种传感器。
8.避障模块(208)，用于测量矿井车辆与障碍物的距离，可使用激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器中的一种或多种传感器。
10.车辆控制执行模块(209)，用于控制矿井车辆启动、匀速运动、加速运动、减速运动、制动、倒车、转弯、鸣笛和开闭灯光。车辆控制执行模块通过SPI接口连接数据处理单元，并直接连接车辆的总线，通过与车辆计算机通信实现车辆控制。
本示例中采用连接车辆的总线车辆电脑获取里程和速度。可将转速计连接到车轮转轴上作为外置速度传感器，系统通过外置速度传感器获取转速计的脉冲数据，通过处理脉冲数据获取矿井车辆速度和里程。
所述车载导航控制装置实施示例2原理组成如图3所示，本实施示例与实施示例1的区别在于没有磁传感器，且增加了摄像头(210)和红外接收模块(211)；摄像头置于车顶，镜头朝上，与本车载导航控制装置实施示例相对应，系统的架空引导绳采用LED发光带，摄像头用于采集架空引导绳发光带的视频图像，以发光带位置为参考位置，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位；红外接收模块(211)朝向右，高度与引导标的安装高度相同，与本车载导航控制装置实施示例相对应，系统的引导标采用红外LED灯，用于发射红外光识别信号；本实施示例中采用1个九轴姿态传感器，所述九轴姿态传感器用于进行辅助惯性导航，磁力数据和陀螺仪数据用于矿井车辆方向判定，加速度传感器用于检测车辆水平姿态和速度变化。
所述矿井车辆导航与自动驾驶系统的工作过程主要包括：
1.(401)定位卡、定位分站、定位服务器协同工作实现对定位卡的无线电波定位；车辆导航服务器通过车辆无线通信网络从定位服务器获取矿井车辆和井下人员的无线电波定位数据；
2.(402)车载导航控制装置通过无线通信模块和车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取矿井车辆自身无线电波定位数据和导航范围内的矿井地理信息数据；
3.(403)车载导航控制装置处理自身无线电波定位数据、九轴姿态传感器数据、导航辅助标识数据或信号、车辆速度数据、车辆里程计数据、辅助定位模块数据，并参考矿井地理信息数据得到矿井车辆自身二维精确位置数据；
4.(404)车载导航控制装置向车辆导航服务器上传矿井车辆自身二维精确位置数据；
5.(405)车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取导航范围内的矿井车辆二维精确位置井下人员无线电波定位数据、其它数据、道路控制设备状态数据；
6.(406)车载导航控制装置根据自身精确位置数据、速度、方向，参考导航范围内的矿井地理信息数据、井下人员无线电波定位数据、其它矿井车辆二维精确位置数据、道路控制设备状态数据，对矿井车辆自身进行导航控制。
上述步骤(406)所述导航控制的内容包括矿井车辆之间的协同导航、井下人员与矿井车辆之间协同导航、依据巷道结构的矿井车辆导航、依据巷道内的固定设施、设备地理信息的矿井车辆导航；矿井车辆可接收车辆导航服务器的控制信息进行导航。
所述车载导航控制装置实施示例1进行一维精确定位的过程如图5所示，包括：
1.(501)根据矿井车辆自身无线电波定位数据和通过无线通信或内部存储的参考导航范围内的矿井地理信息数据，获得行驶方向上将到达的引导标的一维位置数据；
2.(502)磁传感器持续采集实时三轴磁力数据MTX、MTY、MTZ，并滚动存储设定时间长度TL的数据。设采样频率为fL，则存储每一轴的
Figure BDA0003645843430000081
个数据。
3.(503)监测实时三轴磁力数据MTX、MTY、MTZ，当数据中有一轴的数据超过设定阈值MS，即当满足MTX＞MS、或MTX＞MS、或MTX＞MS时，则执行(504)，否则返回(502)；
4.(504)求超过设定阈值MS这一轴的TL时间长度的历史数据的和，如所得数值超过设定阈值MZS，即当满足
Figure BDA0003645843430000082
或
Figure BDA0003645843430000083
或
Figure BDA0003645843430000084
时，则执行(505)，否则返回(502)；式中MTXi、MTYi、MTZi为历史三轴磁力数据；
5.(505)以引导标位置作为矿井车辆的当前一维位置，采集当前矿井车辆里程计数据LS；
6.(506)持续采集矿井车辆速度数据；
7.(507)根据矿井车辆行驶时间长度和采集的矿井车辆速度数据，确定矿井车辆与引导标的距离
Figure BDA0003645843430000091
进而确定矿井车辆的实时一维位置；式中
Figure BDA0003645843430000092
tN为步骤(505)后矿井车辆行驶的时间长度，vSi为矿井车辆速度数据，tS为采集矿井车辆速度数据的间隔时间长度；
8.(508)采集当前矿井车辆里程计数据LT；
9.(509)当矿井车辆里程增长与(507)得到的与引导标的距离的差的绝对值大于设定阈值，即当
Figure BDA0003645843430000093
时，以LT-LS作为矿井车辆与引导标的距离；
10.(510)根据引导标的一维位置数据和矿井车辆与引导标的距离确定矿井车辆一维位置。
以上是通过检测引导标进行一维精确定位的实施示例。通过检测位置线进行一维精确定位的方法与以上步骤基本相同，当接收读卡器读到位置线的数据，则判定矿井车辆到达引导标位置，再采用上述步骤中(505)至(510)的过程即可实现矿井车辆的一维精确定位。
车载导航控制装置实施示例2是采用红外接收模块接收引导标发射的红外光识别信号，当感应到红外光识别信号，则判定矿井车辆到达引导标位置，再采用上述图5说明中的步骤(505)至(510)的过程即可实现矿井车辆的一维精确定位。
所述车载导航控制装置实施示例1在使用前需进行初始化，初始化过程包括：在井下巷道中，以垂直于架空引导绳的直线作为坐标轴，两个九轴姿态传感器连接轴线平行于坐标轴，以架空引导绳中心位置为作为坐标原点，将车载导航控制装置从巷道最左侧沿坐标轴每间隔设定的距离DM向右移动，直至巷道最右侧，记录坐标DSi和两个九轴姿态传感器的磁力数据组成的数据序列(DSi,MLXi,MLYi,MLZi,MRXi,MRYi,MRZi)，其中MLXi、MLYi、MLZi和MRXi、MRYi、MRZi分别为左侧和右侧的九轴姿态传感器的三轴磁力数据，共记录N个数据，
Figure BDA0003645843430000094
其中DH为所在巷道的宽度。并记录数据序列组对应的巷道和车载导航控制装置朝向信息。实际应用中，所述车载导航控制装置实施示例1得到矿井车辆自身二维精确位置数据的过程如图6所示，包括:
1.(601)车载导航控制装置通过无线电波定位数据监测矿井车辆是否转换了巷道，如转换了巷道则将用于后续步骤计算的参考引导坐标数据dCM和参考辅助坐标数据dCF置0；
2.(602)车载导航控制装置采集两个九轴姿态传感器的实时磁力数据MLx、MLy、MLz和MRx、MRy、MRz；
3.(603)将实时磁力数据与存储的当前巷道的数据序列集合进行处理和比较，查找符合求dmin＝min(|MLXi-MLx|+|MLYi-MLy|+|MLZi-MLz|+|MRXi-MRx|+|MRYi-MRy|+|MRZi-MRz|)的数据序列，并获得序列中对应的坐标数据DSi。
4.(604)如参考引导坐标数据dCM不为0，且|dCM-DSi|＜DN，则
Figure BDA0003645843430000101
并存储；如dCM＝0，则dCM＝DSi并存储；
5.(605)采集辅助定位模块测量的矿井车辆与巷道壁的距离数据dF，根据本巷道中巷道右侧与架空引导绳的距离DH，获得坐标数据dFS＝DH-dF；
6.(606)如参考辅助坐标数据dCF不为0，且|dFS-dCF|＜DN，则
Figure BDA0003645843430000102
并存储；如dCF＝0，则dCF＝dFS并存储；
7.(607)计算矿井车辆在架空引导绳上的投影坐标。设巷道中架空引导绳所在线段端点分别为(x1,y1),(x2,y2)，如根据一维精确定位得到的矿井车辆端点(x1,y1)的轴线距离为d，则矿井车辆在架空引导绳上的投影坐标(xC,yC)为
Figure BDA0003645843430000103
8.(608)通过下式进行计算矿井车辆的坐标，可得到2个位置坐标；
Figure BDA0003645843430000111
9.(609)根据dS的正负、架空引导绳斜率、和矿井车辆行驶的方向，确定唯一的位置坐标(x,y)。
所述车载导航控制装置实施示例2在使用前需对摄像头进行标定，获取所采集图像中的1个像素所对应的实际距离PF。实际应用中，所述车载导航控制装置实施示例2得到矿井车辆自身二维精确位置数据的过程如图7所示，包括:
1.(701)当车载导航控制装置通过无线电波定位数据监测到矿井车辆转换了巷道，则将参考引导坐标数据dCM和参考辅助坐标数据dCF置0；
2.(702)数据处理单元通过摄像头采集引导标视频图像；
3.(703)对架空引导绳图像进行滤波、边缘识别；
4.(704)对边缘图像进行识别，确定架空引导绳的两条边缘线；
5.(705)确定架空引导绳的两条边缘线的中心线距离图像中心线的平均像素数pC，求车辆与架空引导绳的距离dC，dC＝pC·PF；将dC转换为以架空引导绳中心位置为作为坐标原点的一维坐标数据DC。
6.(706)如车载导航控制装置存储的在本巷道中的参考引导坐标数据dCM不为0，且|dCM-DC|＜DN，则设定
Figure BDA0003645843430000112
并存储；如dCM＝0则设定dCM＝DC并存储；
7.(707)采集辅助定位模块测量的矿井车辆与巷道壁的距离数据dF，根据本巷道中巷道右侧与架空引导绳的距离DH，获得坐标数据dFS＝DH-dF；
8.(708)如参考辅助坐标数据dCF不为0，且|dFS-dCF|＜DN，则
Figure BDA0003645843430000113
并存储；如dCF＝0，则dCF＝dFS并存储；
9.(709)计算矿井车辆在架空引导绳上的投影坐标。设巷道中架空引导绳所在线段端点分别为(x1,y1),(x2,y2)，如根据一维精确定位得到的矿井车辆端点(x1,y1)的轴线距离为d，则矿井车辆在架空引导绳上的投影坐标(xC,yC)为
Figure BDA0003645843430000121
10.(710)通过下式进行计算矿井车辆的坐标，可得到2个位置坐标；
Figure BDA0003645843430000122
11.(711)根据dS的正负、架空引导绳斜率、和矿井车辆行驶的方向，确定唯一的位置坐标(x,y)。
所述车载导航控制装置还可包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外灯，用于对具有反光带的架空引导绳进行照明，使架空引导绳反光；与此方案相对应，车载导航控制装置也进一步包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外摄像头，用于采集架空引导绳反光带的视频图像，并采用与图7说明相同的步骤得到矿井车辆自身二维精确位置数据。
如图8所示实施例中，车载导航控制装置的嵌入式导航控制系统程序组成包括：
1.导航控制系统(801)，车辆导航控制的主程序，负责各功能子系统的总体管理，根据子系统提供的数据进行判定，根据判断结果发送速度控制、转弯控制、鸣笛控制、灯光控制信号；
2.位置预测子系统(802)，负责对矿井车辆未来一段时间内的位置进行运算预测，参与运算的数据包括矿井车辆自身的精确二维位置数据、矿井车辆当前速度数据、矿井车辆当前行驶方向数据；
3.环境感知子系统(803)，负责矿井车辆导航范围内的巷道行驶环境进行感知，获取静态和动态障碍物位置信息、矿井车辆可行驶区域位置信息。采集数据包括导航范围内的地理信息数据、井下人员位置数据、避障数据、其他矿井车辆的位置数据；
4.交通信号子系统(804)，负责获取矿井车辆导航所需的井下交通控制信号信息，由车辆导航服务器提供的道路控制数据；
5.远程控制子系统(805)，车辆导航服务器具有对矿井车辆直接下发控制信息的功能，远程控制子系统负责将车辆导航服务器的控制信息，提供给导航控制系统；
6.矿井车辆自身位置数据采集(806)，负责采集矿井车辆自身的精确二维位置数据，位置数据是通过处理自身无线电波定位数据、九轴姿态传感器数据、导航辅助标识数据或信号、车辆速度数据、车辆里程计数据、辅助定位模块数据，并参考矿井地理信息数据得到；
7.矿井车辆速度数据采集(807)，通过车辆的总线与车辆计算机通信实现速度采集，或通过外置速度传感器获取车辆速度；
8.矿井车辆方向数据采集(808)，采集方法包括连续处理矿井车辆定位数据，根据位置变化获得方向数据，还包括处理独立安装的九轴传感器的磁力数据获得方向数据，通过连续处理九轴传感器的陀螺仪数据获得方向数据；
9.矿井地理信息数据采集(809)，车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取矿井地理信息数据，如数据处理单元有足够的存储空间或外置存储卡，可直接存储全部矿井地理信息数据，无需通信获取；
10.井下人员位置数据采集(810)，车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取井下人员位置数据；
11.避障数据采集(811)，车载导航控制装置通过避障模块获取矿井车辆与障碍物的距离数据；
12.其他矿井车辆位置数据采集(812)，车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取其他矿井车辆二维精确位置数据；
13.道路控制数据采集(813)，车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取道路控制数据，包括信号灯、电动转辙机等控制数据；
14.服务器控制数据(814)，车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取服务器对矿井车辆的控制数据；
15.速度控制(815)，导航系统发送的矿井车辆速度控制指令信息包括启动、匀速运动、加速运动、减速运动、制动、倒车控制指令信息；
16.转弯控制(816)，导航系统发送的矿井车辆转弯控制指令信息，包括左右方向及转向角度；
17.鸣笛控制(817)，导航系统发送的矿井车辆鸣笛控制指令信息；
18.灯光控制(818)，导航系统发送的矿井车辆灯光控制指令信息，包括照明及转向灯控制。

Claims (11)

1.矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述系统包括矿井车辆、定位卡、定位分站、道路控制设备、车辆导航服务器、定位服务器、监控终端、导航辅助标识、车载导航控制装置、车辆无线通信网络；
所述定位卡由井下人员和矿井车辆携带，通过与定位分站进行无线电波通信测距，通过与定位服务器、定位分站协同工作实现对井下人员和矿井车辆的无线电波定位；
所述道路控制设备包括信号灯、电动转辙机，所述道路控制设备由车辆导航服务器控制；
所述车辆导航服务器为矿井车辆自主导航和监控终端提供矿井地理信息数据、道路控制设备状态数据、矿井车辆精确位置数据；所述矿井地理信息数据包括矿井车辆行驶的轨道和道路数据、矿井巷道三维结构数据；
所述导航辅助标识用于为所述车载导航控制装置提供辅助定位信息，提高对矿井车辆定位的精度；所述导航辅助标识包括位置线、架空引导绳和引导标；所述位置线在巷帮或顶板上垂直于矿井车辆行驶的轨道和道路铺设，内置无源射频卡，由车载导航控制装置内置的读卡器接收读取卡内数据；所述架空引导绳布置在巷道顶部与巷道轴线平行安装，具有光或磁识别信号；所述引导标间隔设定距离固定安装在巷道顶板或巷帮上，具有光或磁识别信号；
所述车载导航控制装置用于矿井车辆的自主导航，包括至少一个数据处理器、至少一个无线通信模块、至少一个九轴姿态传感器、至少一个无源射频卡读卡器、至少一个辅助定位模块、至少一个避障模块、至少一个车辆控制执行模块；
所述辅助定位模块用于测量矿井车辆与巷道壁的距离数据，所述车载导航控制装置通过所述矿井车辆与巷道壁的距离数据结合矿井地理信息数据和无线电波定位数据实现对矿井车辆的二维定位；所述避障模块用于测量矿井车辆与障碍物的距离；所述辅助定位模块和避障模块包括激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器、双目可见光测距设备、双目远红外图像测距设备中的一种或多种设备；
所述车辆控制执行模块用于控制矿井车辆启动、匀速运动、加速运动、减速运动、制动、倒车、转弯、鸣笛和开闭灯光；
所述车辆无线通信网络用于矿井车辆与车辆导航服务器之间相互的数据通信和矿井车辆之间相互的数据通信，传输数据包括矿井车辆定位运算数据、井下人员位置数据、矿井地理信息数据和矿井车辆控制数据；所述车辆无线通信网络包括采用网络硬切片技术的5G移动通信网络或Wifi6无线通信网络；
所述矿井车辆导航与自动驾驶系统的工作过程包括：
(1)定位卡、定位分站、定位服务器协同工作实现对定位卡的无线电波定位；车辆导航服务器通过车辆无线通信网络从定位服务器获取矿井车辆和井下人员的无线电波定位数据；
(2)车载导航控制装置通过无线通信模块和车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取矿井车辆自身无线电波定位数据和导航范围内的矿井地理信息数据；
(3)车载导航控制装置处理自身无线电波定位数据、九轴姿态传感器数据、导航辅助标识数据或信号、车辆速度数据、车辆里程计数据、辅助定位模块数据，并参考矿井地理信息数据得到矿井车辆自身二维精确位置数据；
(4)车载导航控制装置向车辆导航服务器上传矿井车辆自身二维精确位置数据；
(5)车载导航控制装置通过车辆无线通信网络从车辆导航服务器获取导航范围内的井下人员无线电波定位数据、其它矿井车辆二维精确位置数据、道路控制设备状态数据；
(6)车载导航控制装置根据自身精确位置数据、速度、方向，参考导航范围内的矿井地理信息数据、井下人员无线电波定位数据、其它矿井车辆二维精确位置数据、道路控制设备状态数据，对矿井车辆自身进行导航控制。
2.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述架空引导绳包括发光带，所述发光带的材料包括可见光、红外或紫外灯；所述车载导航控制装置进一步包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外摄像头，用于采集架空引导绳发光带的视频图像，车载导航控制装置对视频图像进行处理，以发光带位置为参考位置，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
3.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述架空引导绳包括反光带；所述车载导航控制装置进一步包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外灯，用于对所述反光带进行照明；所述车载导航控制装置进一步包括在矿井车辆顶部安装的可见光、红外或紫外摄像头，用于采集架空引导绳反光带的视频图像，车载导航控制装置对视频图像进行处理，以反光带位置为参考位置，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
4.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述架空引导绳包括永磁材料或可产生磁场的线圈，用于产生磁识别信号。
5.如权利要求4所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述车载导航控制装置包括两个在矿井车辆顶部平行于矿井车辆车轮轴安装的九轴姿态传感器；车载导航控制装置对两个九轴姿态传感器的磁力数据进行处理，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
6.如权利要求4所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述车载导航控制装置的包括两个在矿井车辆顶部平行于矿井车辆车轮轴安装的磁传感器；车载导航控制装置对两个磁传感器的磁力数据进行处理，并结合无线电波定位数据实现对矿井车辆自身的二维定位。
7.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述引导标包括永磁材料或可产生磁场的线圈，用于产生磁识别信号；所述车载导航控制装置处理内置的九轴姿态传感器或磁传感器的磁力数据对引导标的磁识别信号进行识别，以引导标位置为参考位置，并结合无线电波定位数据、车辆里程计数据、矿井地理信息数据和九轴姿态传感器的加速度数据、陀螺仪数据对矿井车辆自身进行沿巷道轴向的一维精确定位。
8.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述引导标包括可见光、红外或紫外灯，用于产生光识别信号；所述车载导航控制装置内置可见光、红外光、紫外光感应部件对引导标的光识别信号进行识别，以引导标位置为参考位置，并结合无线电波定位数据、车辆里程计数据、矿井地理信息数据和九轴姿态传感器的加速度数据、陀螺仪数据对矿井车辆自身进行沿巷道轴向的一维精确定位。
9.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述车载导航控制装置处理内置的读卡器对位置线内置的无源射频卡的数据进行接收读取；以位置线的位置为参考位置，并结合无线电波定位数据、车辆里程计数据、矿井地理信息数据和九轴姿态传感器的加速度数据、陀螺仪数据对矿井车辆自身进行沿巷道轴向的一维精确定位。
10.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述矿井车辆进一步包括井下机器人。
11.如权利要求1所述的矿井车辆导航与自动驾驶系统，其特征在于：所述车辆导航服务器还负责监测矿井车辆行驶是否正常，当发现异常则根据相关数据对矿井车辆直接下发控制信息，矿井车辆可接收车辆导航服务器的控制信息进行导航，用于解决矿井车辆自主导航中控制条件相互制约而产生的自锁问题。
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