CN115107730A - 一种矿用无人驾驶车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矿用无人驾驶车辆，属于矿用无人驾驶技术领域，解决了原有制动系统处于失效状态导致严重安全事故的问题，主要应用于采矿作业。该矿用无人驾驶车辆包括冗余制动系统，该冗余制动系统包括自动驾驶单元、整车控制单元、第一制动单元和第二制动单元。第二制动单元通过CAN总线分别与自动驾驶单元、整车控制单元、第一制动单元通信连接，整车控制单元接收自动驾驶单元发送的车辆制动指令并控制第一制动单元执行车辆制动操作；第二制动单元当整车控制单元处于失效状态和/或第一制动单元处于至少部分失效状态时，执行车辆制动操作。

Description

一种矿用无人驾驶车辆

技术领域

本发明涉及矿用无人驾驶技术领域，特别涉及一种矿用无人驾驶车辆。

背景技术

随着矿用无人驾驶技术的不断发展，矿用无人驾驶车辆的使用前景更加广阔，也对矿用无人驾驶车辆的功能需求要求更加严格。现有的矿用无人驾驶车辆无冗余自动紧急制动系统，整车的制动系统普遍是由整车控制单元发送指令给单一制动单元进行控制。整车控制单元与单一的制动单元是无人驾驶线控车的最后一重安全质量控制单元，也是在车辆危急时刻最重要的紧急控制单元，一旦整车控制单元功能失效或单一制动单元失效，则无人驾驶车辆处于完全不受控的状态，在露天矿生产过中容易发生碰撞、失控等危险情况，可能会导致严重的生产安全事故。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种矿用无人驾驶车辆，以增加矿用无人驾驶车辆的安全性。

根据本发明的一个方面，提供了一种矿用无人驾驶车辆，所述矿用无人驾驶车辆包括冗余制动系统，所述冗余制动系统包括自动驾驶单元；第一制动单元，所述第一制动单元包括行车制动模块和驻车制动模块；整车控制单元，所述整车控制单元用于接收自动驾驶单元发送的车辆制动指令并控制第一制动单元执行车辆制动操作；和第二制动单元，所述第二制动单元通过CAN总线分别与自动驾驶单元、整车控制单元、第一制动单元通信连接，其中，所述第二制动单元用于当所述整车控制单元处于失效状态和/或第一制动单元处于失效状态时，执行车辆制动操作。

进一步的，所述第二制动单元实时监测整车控制单元的运行状态，以判断所述整车控制单元是否处于失效状态。

在一示例中，所述整车控制单元的失效状态包括以下中的至少一种：

CAN总线通信中断、返回用于表征无效状态的信号、握手通信失败。

进一步的，所述第二制动单元实时监测第一制动单元的运行状态，以判断所述第一制动单元是否处于至少部分失效状态。

在一示例中，所述第一制动单元的至少部分失效状态包括以下中的至少一种：

行车制动模块返回用于表征无效状态的信号；

驻车制动模块返回用于表征无效状态的信号；

行车制动模块返回用于表征致命故障的信号；

驻车制动模块返回用于表征致命故障的信号；

行车制动模块返回用于表征掉线故障的信号；

驻车制动模块返回用于表征掉线故障的信号。

在一示例中，所述整车控制单元的失效状态根据其发生的预设的故障状态和/或故障等级确定，以便更准确地确认整车控制单元是否进入失效状态。

在一示例中，所述第一制动单元的至少部分失效状态根据其发生的预设的故障状态和/或故障等级确定，以便更准确地确认第一制动单元是否进入至少部分失效状态。

具体的，当所述第一制动单元至少部分失效，所述第二制动单元通过控制独立的电磁阀实现车辆的紧急制动，由此可在第一制动单元的制动模块至少部分失效时，通过电磁阀完成车辆的制动，冗余制动机构的增加，可进一步确保矿用无人驾驶车辆危急情况下的制动可靠性和安全性。

具体的，当所述整车控制单元失效，所述第二制动单元通过控制所述第一制动单元的行车制动模块和/或驻车制动模块实现车辆的制动停车。

进一步的，所述第二制动单元将整车控制单元的失效状态信息和/或第一制动单元的至少部分失效状态信息发送至自动驾驶单元，以使自动驾驶单元转发至云端服务器，从而可以更快更准确地确定整车控制单元或第一制动单元的运行状态信息，有利于故障信息的快速定位和修复。

本发明所述矿用无人驾驶车辆采用制动单元冗余设计，在整车控制单元失效和/或第一制动单元至少部分失效（即，部分失效和失效）的情况下，采用独立的冗余紧急制动单元，对矿用无人驾驶车辆进行自动紧急制动，防止车辆发生碰撞、失控等危险情况发生，确保无人驾驶车辆安全的制动和停靠，满足矿区无人驾驶车辆对于安全方面的严苛要求，支撑露天矿生产过程中的车辆安全要求。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例所述的矿用无人驾驶车辆的冗余制动系统的框架示意图；

图2是根据本发明的一个实施例所述的矿用无人驾驶车辆的冗余制动系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

在本发明的实施例中，矿用无人驾驶车辆通过整车控制单元向线控制动系统发送指令，使线控制动系统执行车辆制动操作。然而，由于整车控制单元和线控制动系统存在失效或部分失效的情况，当相应功能失效或部分失效时，矿用无人驾驶车辆处于不受控制的状态，从而带来极大的生产安全。

在本发明的另一实施例中，矿用无人驾驶车辆的制动系统还包括冗余自动制动系统。当线控制动系统功能部分失效或失效时，冗余自动制动系统被触发，进行车辆制动操作，从而可以进一步保证矿用无人驾驶车辆在生产过程中的安全性。

在本发明的实施例中，提供了一种矿用无人驾驶车辆。该矿用无人驾驶车辆包括冗余制动系统，例如参见图1中的冗余制动系统100。如图1所示，冗余制动系统100包括自动驾驶单元10、整车控制单元20、第一制动单元30和第二制动单元40。

可选地，冗余制动系统100还可以包括用于通信的CAN总线50。所述CAN（Controller Area Network）总线50，即控制器局域网络总线，是一种用于整车中各系统模块间传输数据的通信协议。

可选地，冗余制动系统100还可以包括与第二制动单元40通信的电磁阀60（如图2所示）。

可选地，冗余制动系统100还可以包括分别与第一制动单元30和电磁阀60相连的气压制动机构70（如图2所示）。

所述自动驾驶单元10用于实现车辆的自动驾驶，主要包括感知模块、规划模块和决策控制模块。

所述感知模块通过传感器采集路况信息、车辆周围环境信息、车辆信息等。所述传感器可以是激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、单目或双目摄像头、速度和加速度传感器中的一种或它们的任意组合。感知模块将采集到的路况信息、车辆周围环境信息、车辆信息等进行预处理后，发送至规划模块。

所述规划模块与感知模块通信连接，根据感知模块获取的路况信息、车辆周围环境信息、车辆信息等确定车辆周围的状况，包括矿区道路、障碍物等信息，并根据相应的数据进行计算获得矿用无人驾驶车辆行驶的路径、车速以及转向角度等信息。

所述决策控制模块与规划模块之间通信连接，接收规划模块计算得到的车辆行驶的路径、车速以及转向角度等信息，根据相应的信息发送车辆任务指令，如按照相应的车辆行驶信息行驶。决策控制模块同时与整车控制单元20通信连接，向整车控制单元20发出任务执行指令或制动命令，由整车控制单元20向车辆的其他控制单元发送指令以完成相应任务，如车辆行驶，需整车控制单元20接收到决策控制模块发送的车辆行驶指令后，控制车辆驱动单元执行车辆行驶指令；如接收到制动指令，则由整车控制单元20控制车辆制动单元完成车辆的自动制动。

所述整车控制单元20为车辆的主控制单元，包括用于对车辆进行控制的电子控制单元ECU，通过解析接收到的自动驾驶单元10发送的任务指令，向矿用无人驾驶车辆的各个部件发送具体操作指令，以使得车辆的各个部件协同完成车辆的功能任务。

所述第一制动单元30包括行车制动模块31和驻车制动模块32。所述行车制动模块31用于在车辆行驶过程中，接收到刹车信号而触发制动操作。所述驻车制动模块32用于接收到拉手刹或下电等信号而触发的制动操作。所述第一制动单元30与整车控制单元20通信连接，由整车控制单元20控制其执行车辆的制动操作。具体地，所述第一制动单元30通过驱动气压制动机构70完成车辆的制动。

所述第二制动单元40通过CAN总线50分别与自动驾驶单元10、整车控制单元20和第一制动单元30通信连接。第二制动单元40通过CAN总线50实时监测整车控制单元20和/或第一制动单元30的运行状态，同时与整车控制单元20并行接收自动驾驶单元10的指令，但不作处理，当且仅当监测到整车控制单元20失效和/或第一制动单元30至少部分失效时，第二制动单元40启动紧急制动，使矿用无人驾驶车辆安全制动。

为了更进一步解释本发明实施例所阐述的方案，如图2所示，本发明的整车控制单元20根据接收到的自动驾驶单元10的指令，向矿用无人驾驶车辆的各个部件发出具体的操作指令，例如向车辆转向机构发出转向的指令，向车辆驱动机构发出行驶的指令，向第一制动单元30发出制动指令等。

所述自动驾驶单元10与所述整车控制单元20通信连接，并通过决策控制模块向整车控制单元20发送制动指令。自动驾驶单元10根据矿用无人驾驶车辆的行使路径、执行的任务、车辆周围的矿区区域信息等，与整车控制单元20进行实时通信交互实现对车辆的控制。例如当自动驾驶单元10检测到车辆前方具有障碍物或者其他车辆时，自动驾驶单元10向整车控制单元20发送制动指令，整车控制单元20进而向第一制动单元30发送制动指令，从而实现车辆的制动。

所述第一制动单元30（优选为线控制动系统EWBS（Electric Wired BrakingSystem）30’，如图2所示）与所述整车控制单元20通信连接，并接收所述整车控制单元20的控制信号进行制动。线控制动系统30’与车辆的机械制动机构(例如气压制动机构70等)进行机电耦合。当线控制动系统30’接收到整车控制单元20的制动指令时，线控制动系统30’控制车辆的机械制动机构执行制动动作。

在一个示例中，所述气压制动机构70包括制动踏板、空气压缩机、气压计、储气罐、制动气室、车轮制动器、制动管路等部件。当踩下制动踏板时，制动阀打开储气罐至制动气室的通道，使储气罐中的压缩空气通过制动阀进入制动气室，通过驱动部推动闸瓦打开，压缩制动鼓，使车轮进入制动状态。

为了进一步保证矿用无人驾驶车辆的制动安全性，本发明实施例所述的冗余制动系统100增设了冗余自动紧急制动系统40’（如图2所示），用于在整车控制单元20失效和/或线控制动系统30’失效或者部分失效的情况下保证车辆的安全制动。所述冗余自动紧急制动系统40’分别通过CAN总线50与所述整车控制单元20和线控制动系统30’信号连接，由于制动系统对数据传输实时性要求高，因此优选的，所述CAN总线50为高速CAN总线。

具体地，在矿用无人驾驶车辆的各个部件正常运行的情况下，自动驾驶单元10的决策控制模块通过向整车控制单元20发出制动命令，控制车辆完成制动。当线控制动系统30’失效或部分失效时，冗余自动紧急制动系统40’可以直接控制线控制动系统30’的行车制动模块31或驻车制动模块32，实现车辆的紧急制动，防止发生碰撞事故。

为进一步保证冗余自动紧急制动系统的有效性，如图2所示，当整车控制单元20失效时，通过增加独立的电磁阀60，其中电磁阀60分别与冗余自动紧急制动系统40’的冗余自动紧急制动控制器及气压制动机构70通信连接，以使冗余自动紧急制动系统40’通过电磁阀60的控制实现对车辆的制动力控制。

同时，冗余自动紧急制动系统40’与自动驾驶单元10通过CAN总线50通信连接，实时接收自动驾驶单元10的指令，但对相关指令不做响应。当所述自动驾驶单元10处于失效状态时，冗余自动紧急制动系统40’将所述失效状态信息发送给自动驾驶单元10，由自动驾驶单元10上传至云端服务器，从而实现对自动驾驶单元10的故障定位。冗余自动紧急制动系统40’通过监测整车控制单元20和线控制动系统30’的运行状态，当监测到相应单元为失效状态，即将相应的失效状态发送给自动驾驶单元10，并由自动驾驶单元10上传至云端服务器，同时还可以结合自动驾驶单元10发送给整车控制单元20的车辆任务指令，更准确地确认整车控制单元20和/或线控制动单元30’的执行任务，由此将相应运行状态信息发送给自动驾驶单元10，并由自动驾驶单元10转发至云端服务器，从而可以实现更准确高效地定位整车控制单元20、线控制动系统30’的故障，以方便快速修复故障。

在车辆处于无人驾驶状态时，冗余自动紧急制动控制器通过CAN网络实时监控整车控制单元20和线控制动系统30’的运行状态，并进行故障诊断，如果整车控制单元20出现失效和/或线控制动系统30’出现部分失效或失效，则冗余自动紧急制动控制器接管整车制动系统输出制动力，使无人驾驶车辆执行应急制动，确保可靠停车。

在一个示例中，所述整车控制单元20的失效状态包括以下一种或它们的任意组合：

CAN总线通信中断、返回用于表征无效状态的信号、握手通信失败。

所述整车控制单元20的失效状态根据其发生的预设的故障状态和/或故障等级确定，以便更准确地确认整车控制单元20是否进入失效状态。当所述整车控制单元20发生故障时，具体的针对不同的故障状态和故障等级进行如下说明：

1、通信相关的故障：指整车控制单元20在与其他非动力总线相关的控制器通信过程中发生丢帧情况。当整车控制单元20检测到该类的故障时，定义故障等级为致命故障，并判断整车控制单元运行状态为失效状态。具体表现为：整车控制单元CAN总线通信中断、整车控制单元20与自动驾驶系统通信丢失、与BMS（Battery Management System电池管理系统）通信丢失、与ABS（antilock brake system制动防抱死系统）通信丢失、与EWBS（线控制动系统）通信丢失等。

2、与整车控制单元20直接存在通信的各控制部件的控制器故障，此时判断整车控制单元运行状态为失效状态。所述控制器主要为各个控制部件的MCU。整车控制单元20根据各MCU的总线广播故障等级确定其故障等级。具体为：当MCU广播的故障等级为一般故障时，如单次握手失败，整车控制单元当前故障等级为一般故障；当MCU广播的故障等级为严重故障时，如握手消息未定时发出，整车控制单元定义其故障等级为严重故障。当MCU与整车控制单元之间的握手通信过程中存在多次丢包，如5次以上丢包时，则整车控制单元的故障等级为严重故障。当MCU与整车控制单元之间的通信中断时，整车控制单元的故障等级为严重故障。

3、输入输出信号故障：指整车控制单元交互通信的硬件输入、输出信号相关故障。具体包括制动踏板信号缺失故障，确定当前整车控制单元故障为一般故障。加速踏板传感器单路信号异常，则确定当前整车控制单元故障为一般故障。加速踏板传感器双路信号异常，则确定当前整车控制单元故障为严重故障。气压力传感器数据连续多次异常故障，则确定当前整车控制单元故障为严重故障。ECU唤醒故障，当整车控制单元检测到ECU唤醒控制模块异常时，定义故障等级为严重故障，判定整车控制单元运行状态为失效状态。

4、供电故障，指整车控制单元的供电系统产生故障，并判断整车控制单元运行状态为失效状态。例如供电电压过压判断整车控制单元当前故障为严重故障，供电电压欠压判断整车控制单元当前故障为严重故障。

5、整车控制单元自身发生故障，即整车控制单元内部监测模块诊断到内部软件存在缺陷或运行错误，判定当前整车控制单元故障等级为致命故障等级，整车控制单元返回无效状态。

具体的，根据故障状态和故障等级确定整车控制单元20的失效状态，当整车控制单元20当前运行状态为失效状态，冗余自动紧急控制器监测到整车控制单元20处于失效状态时，执行紧急制动操作。在一示例中，所述失效状态优选包括CAN总线通信中断、返回用于表征无效状态的信号、握手通信失败等可由第二制动单元（即冗余自动紧急控制器）通过CAN总线监测到的致命故障。

在一个示例中，所述第一制动单元30的至少部分失效状态包括以下一种或它们的任意组合：

行车制动模块31返回用于表征无效状态的信号；

驻车制动模块32返回用于表征无效状态的信号；

行车制动模块31返回用于表征致命故障的信号；

驻车制动模块32返回用于表征致命故障的信号；

行车制动模块31返回用于表征掉线故障的信号；

驻车制动模块32返回用于表征掉线故障的信号。

所述第一制动单元30（如线控制动系统30’）的失效状态根据其发生的预设的故障状态和/或故障等级确定，以便更准确地确认第一制动单元是否进入至少部分失效状态。至少部分失效状态包括部分失效状态和（完全）失效状态。部分失效包括行车制动模块和驻车制动模块中的一个存在故障或无效的情况。（完全）失效状态包括行车制动模块31和驻车制动模块32两者都出现问题的情况，例如，两者都返回故障信号、两者都返回无效信号或一个返回故障信号且另一个返回无效信号的情况。具体为通过分别确定行车制动模块和驻车制动模块的故障状态确定第一制动单元的故障状态，可包括以下情况：

供电电压过压，其为严重故障，此时行车制动模块31和/或驻车制动模块32返回无效状态；CAN网络BUSOFF故障，其为致命故障，此时行车制动模块31和/或驻车制动模块32为致命故障；行车制动模块31和/或驻车制动模块32发生掉线，与整车控制单元20和/或CAN网络发生通信中断，此时也为致命故障。

冗余自动紧急制动控制器如果监测到线控制动系统处于失效状态或部分失效状态，则冗余自动紧急制动系统40’通过数字输出口控制电磁阀60导通实现对气压制动机构70的驱动，实施增压、保压等动作控制输出的制动力，使得矿用无人驾驶车辆制动并停靠，以便达到矿区安全运行的生产目标。

进一步的，第二制动单元40监测到整车控制单元20处于失效状态且第一制动单元30处于至少部分失效状态，则自动执行紧急制动操作，具体通过数字输出口控制电磁阀60导通实现对气压制动机构70的驱动，从而完成车辆制动操作。

冗余自动紧急制动控制器检测到整车控制单元20失效和/或线控制动系统30’至少部分失效时，将失效故障或至少部分失效故障上报给自动驾驶单元10或无人驾驶系统，由自动驾驶单元10或无人驾驶系统将失效故障上传到云平台报警、显示。监控制动系统的工作状态，记录对应的故障特征，对可能存在的失效或至少部分失效风险进行预测和预警。当故障为非致命或严重故障时，第二制动单元40不执行制动操作，但第二制动单元40仍会将相应的故障状态发送至自动驾驶单元10或无人驾驶系统，由自动驾驶单元10或无人驾驶系统发送至云端服务器，从而可以实现更准确高效地定位整车控制单元20、线控制动系统30’的故障，以方便快速修复故障。

所述冗余自动紧急制动系统40’独立于无人驾驶系统的制动系统，不受限于控制方式，即可通过控制行车制动模块31与驻车制动模块32实施制动，也可通过独立的电磁阀60控制制动执行机构实施制动。

冗余紧急制动的控制机制是通过CAN网络监控整车控制单元20和线控制动系统30’的运行状态，针对整车控制单元20失效，采用CAN网络直接控制行车制动模块31与驻车制动模块32实施紧急制动功能；针对线控制动系统30’的至少部分失效，采用冗余电磁阀60直接控制制动执行机构实施紧急制动功能。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述矿用无人驾驶车辆包括冗余制动系统，所述冗余制动系统包括：

自动驾驶单元；

第一制动单元，所述第一制动单元包括行车制动模块和驻车制动模块；

整车控制单元，所述整车控制单元用于接收自动驾驶单元发送的车辆制动指令并控制所述第一制动单元执行车辆制动操作；

第二制动单元，所述第二制动单元通过CAN总线分别与所述自动驾驶单元、所述整车控制单元、所述第一制动单元通信连接，

其中，所述第二制动单元用于当所述整车控制单元处于失效状态和/或第一制动单元处于至少部分失效状态时，执行车辆制动操作。

2.根据权利要求1所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述第二制动单元实时监测所述整车控制单元的运行状态，以判断所述整车控制单元是否处于失效状态。

3.根据权利要求2所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述整车控制单元的失效状态包括以下中的至少一种：

CAN总线通信中断、返回用于表征无效状态的信号、握手通信失败。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述第二制动单元实时监测所述第一制动单元的运行状态，以判断所述第一制动单元是否处于至少部分失效状态。

5.根据权利要求4所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述第一制动单元的至少部分失效状态包括以下中的至少一种：

所述行车制动模块返回用于表征无效状态的信号；

所述驻车制动模块返回用于表征无效状态的信号；

所述行车制动模块返回用于表征致命故障的信号；

所述驻车制动模块返回用于表征致命故障的信号；

所述行车制动模块返回用于表征掉线故障的信号；

所述驻车制动模块返回用于表征掉线故障的信号。

6.根据权利要求3所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述整车控制单元的失效状态根据其发生的预设的故障状态和/或故障等级确定。

7.根据权利要求5所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述第一制动单元的至少部分失效状态根据其发生的预设的故障状态和/或故障等级确定。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，当所述第一制动单元至少部分失效时，所述第二制动单元通过控制独立的电磁阀实现车辆的制动。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，当所述整车控制单元失效时，所述第二制动单元通过控制所述第一制动单元的行车制动模块和/或驻车制动模块实现车辆的制动。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的矿用无人驾驶车辆，其特征在于，所述第二制动单元将整车控制单元的失效状态信息和/或第一制动单元的至少部分失效状态信息发送至自动驾驶单元，以使自动驾驶单元转发至云端服务器。

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