CN115709723A - 矿场运输卡车自动驾驶控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，应用于控制端，包括：计划制定模块，用于根据生产任务制定作业计划，并根据所述作业计划为矿场运输卡车分配作业任务；作业管控模块，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务生成并发送控制指令，以使矿场运输卡车根据控制指令在矿场运行，并完成所述作业任务。本申请提出的矿场运输卡车自动驾驶控制系统具有计划性、组织性、有中心控制、大系统强耦合等有益效果，能够有效实现的对矿场运输卡车的自动或半自动控制。

Description

矿场运输卡车自动驾驶控制系统

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统。

背景技术

汽车的自动驾驶存在不同的技术路线。近年来，“智能化”与“网联化”相融合的“智能网联”技术路线成为汽车自动驾驶研究的主流。智能网联系统由多个基础平台构成，如运控基础平台、动态地图基础平台、信息安全基础平台等。由于智能网联技术涉及的范围广、对象多、场景复杂，其每一个基础平台都十分复杂，涉及政策法规、标准、基础设施、产品监管等诸多问题。因此，智能网联系统从概念、顶层设计到最终落地仍需相当长的时间。

露天矿山运输矿卡(以下简称矿卡)自动驾驶系统属于一类特殊场景的汽车自动驾驶系统。相比之下，矿卡自动驾驶的范围、交通参与对象、场景相对而言要明确得多。另一方面，矿卡自动驾驶技术除了要解决矿卡驾驶无人值守的问题外，更重要的是还要在此基础上解决矿山企业的增效、节能、降耗、检修维护支持和监控与管理的需求问题，以及不同的系统或设备供应商的互操作性与互换性的实际需求问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，以控制矿场运输卡车在无人值守的情况下完成作业任务。

第一方面，本申请提供一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，应用于控制端，包括：计划制定模块，用于根据生产任务制定作业计划，并根据作业计划为矿场运输卡车分配作业任务；作业管控模块，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务生成并发送控制指令，以使矿场运输卡车根据控制指令在矿场运行，并完成作业任务。

在一个实施例中，计划制定模块包括：计划制定单元，用于根据生产任务制定周期性作业计划；作业组织单元，用于根据周期性作业计划为矿场运输卡车分配作业任务；运行规划单元，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务为矿场运输卡车规划运行时刻表。

在一个实施例中，计划制定模块还包括：编号制定单元，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务及其运行时刻表，为矿场运输卡车生成识别编号。

在一个实施例中，作业管控模块包括：地图管理单元，用于获取矿场地图；路径规划单元，用于根据矿场地图以及矿场运输卡车的运行时刻表，为矿场运输卡车规划运行路径；监管支持单元，用于根据矿场运输卡车的运行时刻表及其运行路径生成并发送控制指令，以控制矿场运输卡车按照运行路径行驶。

在一个实施例中，作业管控模块还包括：编号赋予单元，用于将识别编号赋予分得相应的作业任务的矿场运输卡车；监管支持单元，还用于基于识别编号对矿场运输卡车进行控制。

在一个实施例中，作业管控模块还包括：速度规划单元，用于根据矿场运输卡车的运行时刻表及其运行路径，为矿场运输卡车规划速度控制模式；监管支持单元，还用于按照矿场运输卡车的速度控制模式控制矿场运输卡车在矿场行驶。

在一个实施例中，作业管控模块还包括：路权管理单元，用于预设多辆矿场运输卡车的通过顺序；监管支持单元，还用于当多辆矿场运输卡车同时通过同一路段时，根据通过顺序控制该多辆矿场运输卡车通过该路段。

在一个实施例中，作业管控模块还包括：轨迹防护单元，用于获取矿场运输卡车的运行区域，判断矿场运输卡车的运行区域是否与预设禁止区域存在重叠部分；监管支持单元，还用于当矿场运输卡车的运行区域与预设禁止区域之间存在重叠部分时，控制矿场运输卡车立即停止运行。

在一个实施例中，监管支持单元还用于：监控并统计矿场运输卡车的运行状态，当出现异常状况时及时发出通知信息。

第二方面，本申请提供一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，应用于矿场运输卡车端，包括：通信模块，用于接收控制指令；控制模块，用于根据控制指令控制矿场运输卡车在矿场运行，以完成作业任务。

在一个实施例中，控制指令包括矿场运输卡车的运行路径；控制模块包括：自主定位单元，用于获取矿场运输卡车的实时位置；循迹行驶单元，用于参照矿场运输卡车的实时位置，控制矿场运输卡车按照运行路径行驶。

在一个实施例中，还包括：测距模块，用于获取矿场运输卡车与除自身之外的其他障碍物之间的实时距离；控制模块，还用于将实时距离与预设距离阈值进行比较，当实时距离小于或等于预设距离阈值时，控制矿场运输卡车立即停车。

在一个实施例中，通信装置，还用于接收除当前矿场运输卡车之外的其他矿场运输卡车发来的指令信息，指令信息至少包括装载指令或卸载指令；控制模块，还用于控制矿场运输卡车按照装载指令进行装载或按照卸载指令进行卸载。

在一个实施例中，还包括：自检模块，用于检查矿场运输卡车是否存在故障；控制模块，还用于当矿场运输卡车存在故障时，调取并执行相应的故障处置方案以排除故障。

在一个实施例中，通信装置，还用于接收泊车指令、休眠指令和唤醒指令；控制模块，还用于根据泊车指令、休眠指令和唤醒指令相应的控制矿场运输卡车泊车、休眠和唤醒。

本申请提出的矿场运输卡车自动驾驶控制系统具有计划性、组织性、有中心控制、大系统强耦合等有益效果，能够有效实现的对矿场运输卡车的自动或半自动控制，从而保证矿场运输卡车在无人值守的情况下完成作业任务。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为根据本申请一示例性实施方式的矿场运输卡车自动驾驶控制系统的结构示意图；

图2为根据本申请一具体实施例的矿卡自动驾驶系统的原理模型图；

图3为根据本申请一具体实施例的车辆运行图的示意图；

图4为根据本申请一具体实施例的ATO模式曲线的示意图；

图5为根据本申请一具体实施例的轨迹防护区的示意图；

图6为根据本申请一具体实施例的安全制动模型曲线的示意图；

图7为根据本申请一具体实施例的电铲人机界面的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本实施例提供一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，应用于控制端，图1为根据本申请一示例性实施方式的矿场运输卡车自动驾驶控制系统的结构示意图。如图1上半部分所示，本实施例的矿场运输卡车自动驾驶控制系统可以包括：计划制定模块，用于根据生产任务制定作业计划，并根据作业计划为矿场运输卡车分配作业任务；作业管控模块，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务生成并发送控制指令，以使矿场运输卡车根据控制指令在矿场运行，并完成作业任务。

其中，计划制定模块可以包括：计划制定单元，用于根据生产任务制定周期性作业计划；作业组织单元，用于根据周期性作业计划为矿场运输卡车分配作业任务；运行规划单元，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务为矿场运输卡车规划运行时刻表。

计划制定模块还可以包括：编号制定单元，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务及其运行时刻表，为矿场运输卡车生成识别编号。

作业管控模块可以包括：地图管理单元，用于获取矿场地图；路径规划单元，用于根据矿场地图以及矿场运输卡车的运行时刻表，为矿场运输卡车规划运行路径；监管支持单元，用于根据矿场运输卡车的运行时刻表及其运行路径生成并发送控制指令，以控制矿场运输卡车按照运行路径行驶。

作业管控模块还可以包括：编号赋予单元，用于将识别编号赋予分得相应的作业任务的矿场运输卡车；监管支持单元，还用于基于识别编号对矿场运输卡车进行控制。

作业管控模块还可以包括：速度规划单元，用于根据矿场运输卡车的运行时刻表及其运行路径，为矿场运输卡车规划速度控制模式；监管支持单元，还用于按照矿场运输卡车的速度控制模式控制矿场运输卡车在矿场行驶。

作业管控模块还可以包括：路权管理单元，用于预设多辆矿场运输卡车的通过顺序；监管支持单元，还用于当多辆矿场运输卡车同时通过同一路段时，根据通过顺序控制该多辆矿场运输卡车通过该路段。

作业管控模块还可以包括：轨迹防护单元，用于获取矿场运输卡车的运行区域，判断矿场运输卡车的运行区域是否与预设禁止区域存在重叠部分；监管支持单元，还用于当矿场运输卡车的运行区域与预设禁止区域之间存在重叠部分时，控制矿场运输卡车立即停止运行。

监管支持单元还用于：监控并统计矿场运输卡车的运行状态，当出现异常状况时及时发出通知信息。

本申请提出的矿场运输卡车自动驾驶控制系统具有计划性、组织性、有中心控制、大系统强耦合等有益效果，能够有效实现的对矿场运输卡车的自动或半自动控制。

实施例二

本实施例提供一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，应用于矿场运输卡车端，图1为根据本申请一示例性实施方式的矿场运输卡车自动驾驶控制系统的结构示意图。如图1下半部分所示，本实施例的矿场运输卡车自动驾驶控制系统可以包括：通信模块，用于接收控制指令；控制模块，用于根据控制指令控制矿场运输卡车在矿场运行，以完成作业任务。

其中，控制指令包括矿场运输卡车的运行路径；控制模块包括：自主定位单元，用于获取矿场运输卡车的实时位置；循迹行驶单元，用于参照矿场运输卡车的实时位置，控制矿场运输卡车按照运行路径行驶。

本实施例的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，还可以包括：测距模块，用于获取矿场运输卡车与除自身之外的其他障碍物之间的实时距离；控制模块，还用于将实时距离与预设距离阈值进行比较，当实时距离小于或等于预设距离阈值时，控制矿场运输卡车立即停车。

矿场运输卡车自动驾驶控制系统中的通信装置，还用于接收除当前矿场运输卡车之外的其他矿场运输卡车发来的指令信息，指令信息至少包括装载指令或卸载指令；控制模块，还用于控制矿场运输卡车按照装载指令进行装载或按照卸载指令进行卸载。

本实施例的矿场运输卡车自动驾驶控制系统还可以包括：自检模块，用于检查矿场运输卡车是否存在故障；控制模块，还用于当矿场运输卡车存在故障时，调取并执行相应的故障处置方案以排除故障。

通信装置，还用于接收泊车指令、休眠指令和唤醒指令；控制模块，还用于根据泊车指令、休眠指令和唤醒指令相应的控制矿场运输卡车泊车、休眠和唤醒。

本申请提出的矿场运输卡车自动驾驶控制系统具有计划性、组织性、有中心控制、大系统强耦合等有益效果，能够有效实现的对矿场运输卡车的自动或半自动控制，从而保证矿场运输卡车在无人值守的情况下完成作业任务。

实施例三

本实施例提供一个具体实施例的矿卡自动驾驶系统。

1、矿卡自动驾驶系统的原理模型

根据矿山运输生产作业具有计划性、有组织、有中心监控的突出特点，提出矿卡自动驾驶系统由作业计划层、作业管理与监控层和车辆作业层三层构成的分层次的思想，如图2所示。

作业计划层的主要任务是：根据矿山企业生产任务的总体要求，对各个装载点及其车流进行规划，生成日生产计划；根据日生产计划，以及根据铲车、运输车辆、推土机等其他协同车辆、道路等情况，为每天的生产运输作业，合理配置资源要素，形成若干生产运输作业单元；在日生产计划以及生产运输作业单元分配方案的基础上，生成车辆运行图与时刻表。

作业计划由矿山企业的计划部门制定。根据季节、工作日、节假日等不同情况下特点的不同，一般备有多套作业计划。

作业计划层的功能是生成作业计划，但不参与具体计划的执行。一旦当日的作业计划被确定，当日的作业将交由作业管理与监控层、车辆作业层次二个层次负责。

作业管理与监控层中的作业管理是指督导实施预定的生产运输作业计划，以及处理降级模式和异常情况；作业监控是指监视作业过程中系统的状态和性能，必要时启动控制进行干预。

作业管理与监控层接受作业计划层下发的作业计划，组织辖区内所有车辆按照计划在基础设施上运行，并进行监控。作业管理与监控层向作业计划层反馈作业统计结果。

作业管理与监控层的任务主要由作业控制中心OCC执行。

车辆作业层属于单个车辆个体的范畴，它接受作业管理与监控层下发的车次号及其赋予的任务，控制本车辆在作业管理与监控层的监管下完成任务。车辆作业层实时向作业管理与监控层汇报作业状态。

车辆作业层的任务主要由安装在车辆上的设备执行(必要时借助地面相关设备)。

以上原理模型的3个层次，顶层，即作业计划层的工作目前由“人”承担；底层，即车辆作业层的工作可由“人”来承担，也可由“系统”来承担。系统承担得越多(人承担得越少)则自动化程度越高。

把以上3个层次每一层的任务划分为若干功能模块，得到矿卡自动驾驶系统的原理模型，以下分别对每一层的各个功能模块进行阐述。

2、作业计划层

2.1日生产计划

根据矿山生产任务的总体要求，可以按照年度计划、月度计划等实际情况，最终计算得到当日的生产计划。例如，可根据正常工序生产作业，结合矿山的实际的地形、天气、车辆运输等情况，将年度生产计划分配到季度、月、周、日。日生产计划的计算公式为：

其中，A_i为月度生产计划，A为年度生产计划，C_i为月度生产计划在年度总产量的比例，A_d为日生产计划，A_j为月度生产计划，E_j为日生产计划在当月生产计划的比例。

日生产计划将作为自动驾驶系统最顶层的输入。

也可根据车辆检修、维保的周期情况，不采用日历意义上的“日”生产计划，而采用“周期”生产计划。

2.2作业组织方案

矿山企业的生产运输作业组织方案是根据日生产计划，整个生产运输作业的采、装、运、卸、平(加工)各个环节的模型，作业区域地形和道路，以及矿山车辆的可用性(与保有量与维保相关)来制订的。作业组织方案最终体现为把生产任务分解后交由若干作业单元承担，每个作业单元由若干电铲、矿卡以及辅助车辆组成。

作业组织方案的制订，需要考虑以下因素：

1)电铲作业效率最大化，尽量减少电铲的空闲；

2)矿卡运输作业效率最大化，尽量减少矿卡在装/卸载区以及路口、单行道的排队等待；

3)在产量一定的情况下，矿卡投入数量最少；

4)在产量一定的情况下，消耗的能量及磨耗最小；

5)矿卡作业周期时间。

矿卡作业周期时间是指矿卡完成装、运、卸、折返一个往返周期所花费的时间。该周期时间与生产产量指标相关，也与节能降耗指标相关。当日生产计划任务较重时，该周期时间值小(但最小值受车辆和道路最高速度限制约束以及车队中车辆之间的安全间隔约束)；当日生产计划任务较轻时，该周期时间值大(给优化速度规划以达到节能降耗目标留出较大空间)。

以上这些因素互为因果关系或互相制约，因此作业组织方案应通过迭代的方式确定：可以采用仿真的方法指导作业组织方案的制订；通过实际的生产作业实践、验证，反过来修正、完善仿真系统，使之更加准确。

作业组织方案的确定应引入产量和节能降耗权重因子，并根据当日生产运输目标或原则的不同(产能优先，节能优先，产能与节能兼顾等)，制订多种满足不同需求的作业组织方案供选择。

2.3车辆运行图与时刻表

当前的矿山运输作业普遍没有采用车辆运行图与时刻表。采用自动驾驶模式之后，矿山运输基本上具备了通过时刻表调度整个矿区车辆运行的条件。车辆矿卡按照时刻表运行，是车辆矿卡最优路径规划、路权管理、速度规划的基础，可在作业计划的层面减少道路资源占用的冲突，减少矿卡排队，达到高效、节能、减少磨耗的目的。

车辆运行图在日生产计划和生产运输作业单元分配方案的基础上编制，它规定了各次矿卡占用区间的次序，在区间的运行时分，在停车地点的到达、出发或通过的时刻，在停车地点的等待时间以及卸载后折返作业的时间，能直观地显示各次矿卡在时间上和空间上的相互位置和对应关系。

图3是车辆运行图的一个示例，图中横坐标表示时间，纵坐标表示距离，并用水平线代表各个停车地点的中心线位置；用由左下方向右上方的斜线代表上行矿卡，用由左上方向右下方的斜线代表下行矿卡。车辆运行线与网格水平线的交点就是矿卡在每个停车地点到、发或通过的时刻。图中的斜线具有唯一的编号，即车次号；多条首尾相连的斜线连接在一起组成一条计划线，代表了该矿卡一天(或一个作业周期)的运行计划。

作业控制中心(Operating Control Center，简称OCC)按车辆运行图指挥矿卡运行，停车地点按矿卡运行图进行作业协同，停车点根据矿卡运行图的要求，确定每天需要派出的运用矿卡数、矿卡唤醒/休眠以及出入停车点的顺序及时间。矿卡的检修、加油、清洗、机电、道路维修等岗位，也都是根据车辆运行图来安排检修、施工计划。车辆运行图把整个运输生产活动联结成为一个统一的整体。

车辆运行图的要素有：

①矿卡区间运行时分。通过牵引计算和矿卡试运行相结合的方法确定；

②矿卡停车时分。主要取决于停车点协同作业车辆或作业内容等因素；

③矿卡在卸载点折返、停留时间。取决于卸载地点作业、折返所需的时间；

④矿卡出入停车点的作业时间。采用全自动驾驶可提高矿卡出入停车点的作业效率；

⑤投入矿卡数目；

⑥矿卡运行间隔时间。根据当日生产计划所确定的工作量大小来确定，但其最小运行间隔时间受自动驾驶控制系统、矿卡等相关机电设备性能条件等限制；

⑦停车地点间隔时间。

作业时刻表是车辆运行图的表格表现形式。作业时刻表规定了运输作业线路的一个作业周期(例如一天)的起止时间、各次矿卡占用区间的顺序、矿卡在一个停车地点到达和出发(或通过)的时刻、矿卡在区间运行时分、矿卡在停车地点的停车时分、折返地点矿卡折返作业时间及矿卡出入停车地点的时刻。

2.4车辆识别号

运输作业的组织，需要通过车辆识别号把作业计划与具体的作业矿卡关联起来。自动驾驶的矿卡其车辆识别号可由目的地号、车辆号和车次号3字段组成。

目的地号规定了担当某一车次的矿卡需到达的最终地点，即当前使用车次线的最终地点编号；车辆号是车辆实体的编号，每台矿卡均具有终生唯一的固定编号，该编号在制造厂制造完成时生成；车次号规定了该矿卡本次要执行的作业任务，不同类型矿卡的车次号范围不相同。

对于矿卡需要非计划移动(例如加油)的情形，可人工输入目的地号，引导矿卡自动向目的地行驶。

3.作业管理与监控层

3.1地图管理

地图管理是指自动化作业区AOZ(Autonomous Operating Zone，自动作业区)的数字地图管理。AOZ包含装载区、道路(如单行道、双车道、路口等)、卸载区(如排土场、破碎站)、加油区、停车场等区域。

由于矿山作业区具有随着作业的推进而移动的特点，所以地图管理应包括地图的采集、地图的更新和地图的发布。

3.2时刻表管理

(1)导入和确定时刻表

OCC工作人员从数据库中导入时刻表、选择时刻表和激活时刻表。一般情况下，时刻表由作业计划层产生。

(2)修改作业时刻表。在某些特殊的情况下，OCC工作人员可修改时刻表。

3.3生产调度管理

(1)导入和确定运输生产单元配置表

OCC工作人员从数据库中导入运输生产单元配置表、选择运输生产单元配置表和激活运输生产单元配置表。

(2)修改运输生产单元配置表

在某些特殊的情况下，OCC工作人员可修改运输生产单元配置表。

(3)自动根据作业时刻表或根据工作人员的命令自动给矿卡旅程(包括起点、中途停车、终点站、时间等)编派车次。

(4)对于GOA4系统，根据作业时刻表或根据工作人员的命令自动唤醒指定车辆号的矿卡。

关于矿卡自动驾驶系统的自动化等级划分

为了便于阐述自动驾驶系统的原理模型，需要引入自动化等级的概念。国际自动机工程师学会标准SAE J3016针对汽车自动驾驶提出了L0-L5的定义，IEC62267和IEC62290系列标准针对城市轨道交通列车自动驾驶提出了GOA0-GOA4的定义。由于矿卡自动驾驶与一般意义上的汽车自动驾驶有显著的差别，关注的重点显著不同，以及为更加贴近矿山运输生产作业的实际，本申请提出矿卡自动驾驶的自动化等级如下：

GOA0：全人工驾驶。即完全依靠驾驶员人工驾驶。该自动化等级主要适用于未安装自动驾驶设备或自动驾驶设备被切除的情形。

GOA1：人工驾驶。在该自动化等级下，矿卡由驾驶员驾驶，但系统具有某些安全报警或安全防护辅助功能，如具有车载终端(矿卡定位、通信和人机接口)，能够向OCC报告本矿卡的位置，与OCC对讲或视频信息交流；或者具有防碰撞报警功能(如声、光报警)、防碰撞限速以及制动功能；或具有工作人员(工作人员可位于OCC、协同车辆或其它地点)对矿卡实施远程紧急制动功能。

GOA2：半自动驾驶。该自动化等级具有某些辅助自动驾驶功能，例如循迹行驶、速度控制，但车上需要有驾驶员值守(如驾驶员根据场景启动或关闭某些自动驾驶功能)；或具有OCC对矿卡实施人工远程驾驶的功能。

GOA3：自动驾驶。GOA3矿卡作业时无需驾驶员值守，但矿卡的休眠/唤醒、检查、异常情况的处置需工作人员人工承担。

GOA4：全自动驾驶。GOA4的自动驾驶系统在GOA3基础上承担了矿卡休眠/唤醒、检查、健康管理的职责，以及异常情况的识别与处置(必要时人工干预)。

3.4车次管理

本功能模块根据生产调度管理模块确定的单元配置表、时刻表和矿卡的位置及状态为矿卡指派车次号(将车次代表的一趟作业任务下达给特定的矿卡)；或者在矿卡执行完一个车次号之后为其指派新的车次号；在特殊情况下，也可在矿卡正在执行一个车次号的过程中，为该矿卡指派一个新的车次号。矿卡将按照车次号的要求执行如上线、装载、运输、卸载、下线、休眠等作业。通常，一辆矿卡在一天的运行中要依次担当多个车次。

对于GOA4和GOA3，当给一辆矿卡的所有车次都已经被指派完毕之后，该矿卡将自动进入待命状态，此状态下矿卡停车，等待发车(如发车时间、或调度员确认等)。

一旦为一辆矿卡指派了一个车次，将创建一个唯一的车辆识别号关联该特定车次。当矿卡退出本次作业活动时，将删除该矿卡的车辆识别号。

对于GOA2和GOA1系统，也可由驾驶员通过车载终端输入车辆识别号，并通过无线通信系统将该识别号发送到OCC。

3.5路径/轨迹规划

路径规划是指为矿卡搜索并确定从当前位置到目的地的最佳运行路线。

路径规划基于AOZ数字地图，结合各种车辆对道路资源的动态占用状态。路径规划时也可选择采用事先采集并确定的参考路径。

路径规划的典型场景主要有沿道路行驶、驶入装载点、驶入排土点、驶入破碎站、在指定停车位泊车等，要解决最佳行驶路线搜索、最优曲率规划、倒车及以最佳位姿停车入位等与场景相关的具体问题。

根据AOZ内实际道路和协同作业区域的具体情况以及自动驾驶系统的性能，把一条已确定的路径划分为若干段，形成行车“轨迹”。轨迹的长度不能超过其移动授权限制点。轨迹由若干个点构成，包含每一点的位置坐标、前进/倒车等属性信息，以便矿卡按照轨迹要求行驶，即循迹行驶。

3.6速度规划

速度规划以当日的作业时刻表为依据(当日的运输作业时刻表由当日的运输作业计划导出，时刻表的制订与选择，体现了矿山企业对生产运输量、节能、降耗的综合或者时有侧重的考虑，也是整个矿山运输作业有序进行的基础)。速度规划存在以下几种方式：

(1)为矿卡规划从起点到终点轨迹上的每一点的速度，形成一条以行驶距离为自变量，速度为函数的二维曲线，即矿卡自动驾驶速度模式曲线，简称ATO(Automatic TruckOperation，自动卡车操作)模式曲线，其示例如图4所示；

(2)仅给出运行等级，例如，低速等级、中速等级、快速等级等。不同的运行等级代表不同的ATO模式曲线；

(3)仅给出时间限制，如仅给出从当前位置到达指定位置(一般为轨迹终点)计划行驶的时间。

速度规划对矿山运输生产节能降耗具有重要意义。

3.7路权管理

路权管理主要负责道路(特别是路口、单行道)、协同作业区域等涉及共享道路资源(即路权)的协调管理，在规划层面避免车辆对共享资源的占用发生冲突，减少停车和不必要的制动减速，避免自动驾驶矿卡迎面相撞或侧面相撞。

为此，引入“接近区域”和“接近车辆”的概念。接近区域是距离资源冲突区前方足够远的一段区域(大于车辆的行车制动距离)，接近车辆是进入接近区域的车辆。

对于采用GOA4和GOA3系统的自动驾驶矿卡，在进入接近区域时，由路权管理模块通过互斥联锁逻辑实现接近在时间上和空间上错开，有序占用和释放共享资源。

对于采用GOA2和GOA1系统的人工驾驶，可通过车辆的人机界面获得路权管理模块发出的指令和相关信息，有序通过路口；必要时，可通过OCC人工干预或制订相关的作业规程。

3.8轨迹防护

除了上述路权管理在规划层面避免各车辆对共享资源的占用发生冲突之外，还需对矿卡的运行轨迹进行安全防护，以避免追尾或侧面相撞。为此，首先需定义车辆安全宽度：车辆安全宽度是指在车辆实际宽度的基础上，加上车辆定位偏差、车辆横向控制误差、横向安全余量后得出的宽度。

在此基础上定义轨迹防护区：轨迹防护区是车辆从轨迹起点沿着当前轨迹运行至轨迹终点，车辆安全宽度扫过的范围，其示意图如图5所示。

为保证自动驾驶矿卡的运行安全，在确定其轨迹时，应确保：

①矿卡的轨迹防护区不越过地图边界。

②矿卡的轨迹防护区不与不可通行区域发生重叠。

③矿卡的轨迹防护区不与障碍物安全包络发生重叠。

④矿卡的轨迹防护区不与其他运输卡车安全包络发生重叠。

⑤任何两辆矿卡的轨迹防护区不发生重叠。当某矿卡的安全制动距离大于轨迹防护区的长度时(如移动授权回撤情形)，应采用该矿卡的安全制动距离作为判断是否重叠的依据。

3.9运输生产过程监控

运输生产过程监控主要是指OCC工作人员对车队的监控、对单个车辆的监控和对路侧的监控。

(1)对车队的监控

对车队的监控包括对车队执行运输作业计划过程和状态的监控，如通过显示界面显示出运输作业实际执行情况和计划情况的对比、完成度、运输量等关键指标。

(2)对车辆的监控

本功能模块提供车辆实时监控界面，在地图画面上显示车辆类型、识别号、车辆位置、姿态、轨迹、目的地、车辆整体状态，在车辆状态监视界面显示每一辆车的详细信息、报警和视频信息等。必要时，OCC工作人员可对矿卡进行远程操控(GOA3及以上)。

(3)对路侧的监控

通过在路口、弯道、困难区段、协同作业区段配置路侧感知单元，系统实时监测交叉路口的行人、车辆等物体，主要包括行人监测、车辆监测、路面物体监测、路面湿滑状态监测以及异常监测。路侧感知单元可采用激光雷达、毫米波雷达、摄像头等多种雷达融合感知技术，当识别到异常情况时，将向OCC报警。OCC可根据异常事件的严重程度自动设置防护区ZOP(Zone Of Protection，防护区)。OCC工作人员可调阅摄像头进行观察，并进行人工干预。

3.10HMI(Human Machine Interface，人机交互)接口管理

HMI接口主要包括OCC中央大屏、OCC系统管理终端人机交互界面、OCC地图管理终端人机交互界面、OCC调度长终端人机交互界面、OCC调度员终端人机交互界面、OCC远程接管操纵台、电铲协同终端人机交互界面、推土机协同终端人机交互界面、加油车协同终端人机交互界面和其他自营车协同终端人机交互界面。

3.11维修支持

本功能模块向维护系统提供设施、设备的状态、故障或功能失效信息，以支持维修；以及从维修系统获取维修反馈信息，以支持设备的健康管理、OCC的调度决策。

3.12车辆、设备和工作人员管理

管理员用户通过本模块可实现以下功能：

(1)车辆管理，即对车辆数据进行管理；

(2)车队管理，即对车队数据进行添加、修改、删除；

(3)人员管理，对地面系统的用户数据进行管理，也可以对在线用户进行统一的登录状态监控，还可以对驾驶员(如有)和其他工作人员数据进行管理；

(4)路侧感知管理，对路侧感知设备数据进行添加、修改、删除。

4.车辆作业层

4.1自主定位

车辆自主定位是实现自动驾驶的基础。本模块的主要功能是测量车体固定点的经纬度坐标、高度坐标、高斯克吕格大地投影坐标等位置参数，以及车体的横摆角、航向角等姿态参数，从而确定车辆在作业区域内的位姿以及相对于拟循迹行驶的轨迹的位姿。

各车辆应把自身位姿数据实时发送到上一层(即作业管理与监控层)。

4.2循迹行驶

本模块的功能是控制矿卡从当前位置沿轨迹移动到轨迹终点。循迹行驶控制包括横向控制和纵向控制。

横向控制主要通过方向盘转角控制实现，根据轨迹的要求和自车位姿、速度等信息计算矿卡期望方向盘转角，并将控制指令发送至转向控制器执行。由于方向盘转角一般与前轮转角对应，因此，横向控制应考虑前进与倒车的差别。

纵向控制的核心是速度跟踪控制。速度跟踪控制的原理是，以上一层(即作业管理与监控层)的速度规划模块给出的速度或运行等级或时间约束(最终体现为ATO模式曲线)为目标，根据矿卡实际速度、质量、动力性能、位置、道路、运动性能等参数计算期望牵引力和制动力，并将控制指令发送至驱动和制动执行器执行，最终实现矿卡的实际速度与ATO模式曲线相一致。速度跟踪控制应充分利用道路坡道的情况引入前馈控制环节。

4.3主动防撞

主动防撞功能模块探测轨迹内是否存在障碍物以及探测到障碍物之后进行处置。

障碍物探测的手段一般包括激光雷达探测、毫米波雷达探测、视频探测及其融合，以获取障碍物的大小、位置、方向角和速度等信息。

本功能模块根据矿卡自身的质量、速度、位置、轨迹(包含道路坡道数据)、车辆动力学与运动学实时计算矿卡安全制动距离和安全防护模式曲线。

安全制动距离是指本模块发出安全制动命令后矿卡在当前最不利条件下继续移动直到停稳所走行的距离。安全制动距离应报告给上一层的轨迹防护模块。

矿卡安全防护模式曲线简称ATP(Automatic Truck Protection，自动卡车保护)模式曲线，是指为确保矿卡能够在安全停车点(一般为移动授权限制点)停车，在当前道路和车辆条件下，采取安全制动而计算(反推)出来的速度(减速)曲线。在任何情况下，矿卡速度触及ATP模式曲线将引起安全制动，直到矿卡停车。为此，需引入安全制动模型，如图6所示。

ATO模式曲线应在ATP模式曲线的防护之下。

为了更加清晰，可把障碍物分为2类。一类是指自动驾驶系统之外的物体，如路面的落石、超标的凹坑、违规人员或违规车辆的闯入等。对于这类障碍物的防撞，通过上述雷达、视频及其融合来探测和防护。另一类是自动驾驶系统之内的车辆(包括自动驾驶矿卡和人工驾驶车辆)，这些车辆均有准确的定位，并实时报告自身的位置，因此矿卡与这些车辆之间的安全间隔(即防撞)主要由上一层(即作业管理与监控层)的轨迹防护功能模块来保证。不过，通过雷达、视频及其融合来探测和防护的措施也适用于自动驾驶系统之内的车辆。

4.4联合装载

联合装载是指矿卡与电铲配合实现矿物或者渣土的装载。目前电铲普遍采用人工驾驶模式。本功能模块通过与电铲的报文通信，实现候车、装载准备、装载确认、装载执行、装载结束各个状态的转换。为实现联合装载，要求电铲上具备协同操作人机界面(电铲人机界面的一个示例如图7所示)，并具有定位、无线通信功能。

联合装载一般采用“车寻铲”的方式，矿卡采用倒车行驶方式靠近电铲。

4.5联合卸载

本功能模块负责矿卡与卸载区域内其他车辆(如推土机，目前一般为有人驾驶)或破碎站设备等协同以完成进车、卸载、出车任务。联合卸载包括固定位置卸矿、排土场排土、覆盖式排土等场景。联合卸载功能模块的原理与联合装载相似。

在联合卸载时，矿卡应以倒车行驶方式靠近卸载点，并具有从矿卡尾端探测挡墙和悬崖的能力。

4.6自动泊车

本功能模块根据车次号的要求，或者根据收到的OCC收车指令，循迹行驶至停车点，按照要求的位姿驶入指定的泊车位。

4.7休眠/唤醒

(1)休眠。停在泊车位的矿卡，若后续没有其他作业计划，应在泊车位休眠。矿卡休眠可采取3种方式，即通过OCC自动发出的命令远程休眠(OCC需判断该矿卡是否具备休眠条件)、通过OCC人工发出的命令远程休眠和本地人工按压休眠按钮使矿卡休眠。

在接到休眠命令后，本功能模块判断(也可借助其他功能模块或设备)车载设备的安全断电条件是否具备，按照次序(如强电、弱电的次序)依次将车载设备断电(除唤醒矿卡所需的装置外)。GOA4的矿卡应具有自动休眠的功能，并能在休眠过程中持续监测车载蓄电池电压。矿卡休眠后仍然维持与OCC之间的最小通信。

(2)唤醒。矿卡由上一层(即作业管理与监控层)的生产调度管理模块自动根据车辆号或根据OCC发出的命令远程唤醒，也可由人工通过人机界面本地唤醒或上电。GOA4等级的矿卡应具有自动唤醒的功能。本功能模块(也可借助其他功能模块或设备)按顺序实现系统的上电、自检、启发动机、静态测试、动态测试，其中动态测试可根据实际情况酌情考虑。矿卡唤醒成功/失败结果应上报给OCC。

4.8异常情况的检查与处置

异常情况是指因系统内部发生故障或因外部突发事件而引起的作业偏离计划或产生安全风险的非正常场景。本功能模块的设计需要详尽、系统的场景描述文件作为依据(场景描述文件又以安全隐患分析、安全风险管控措施文件为重要输入)。

本模块的功能包括矿卡唤醒后发车前的检查和运行过程中的检查、故障诊断以及异常情况的检查、保护与处置。

发车前的检查分为静态测试和动态测试，包括自动驾驶系统自身，如传感器、处理器、执行器、通信系统等的自检，也可进一步通过自动驾驶系统对矿卡的关键设备与功能进行检查，防止矿卡“带病”运行。

运行过程中的检查包括对自动驾驶系统自身的故障诊断和外部事件的检查，依照场景描述文件规定的预案进行处置。根据异常情况的严重程度，可采取多种方式确保安全和尽量维持运输生产秩序，如：向OCC报警，降级运行，采取故障导向安全措施以防止造成事故，请求远程接管等措施。具体执行可参照场景描述文件，该文件需对因系统内部故障和因外部事件导致的异常场景的处置预案进行详细的描述。异常情况的检查与处置是GOA4系统必备的功能。GOA4还应具有系统健康管理、维修支持的相应功能(与上一层的运输生产过程监控、维修支持模块驳接)。

5.矿卡自动驾驶系统的特点

本申请所称的自动驾驶主要是指矿卡车在没有驾驶员的情况下，根据运输生产作业计划，在运输生产作业控制中心(OCC)的监控下自动运行为特征的驾驶方式。

矿卡自动驾驶系统的特点主要有:

①计划性。

矿卡的自动驾驶消除了人工驾驶的随意性、不确定性，因此可以通过制订最优的运输作业计划，达到整个车队甚至整个矿区的节能、增效目标。与乘用车在开放公路上随机行驶的场景相比，计划性是矿卡自动驾驶系统最突出的特点。

②组织性。

矿卡自动驾驶系统的计划性通过运输作业组织来实现。运输作业组织是指矿山企业通过使用矿卡、协同作业车辆、道路、场地、通信设施、各种辅助设施、作业人员等对象或要素实施矿山运输作业行为的总和。

③有OCC监控。

传统的矿山运输生产系统，OCC的监控功能相对薄弱，自动驾驶系统要求加强OCC的的监控功能，以确保运输作业按计划、有组织进行，并支持维护与管理。当运输作业因意外事件产生偏差时，OCC对作业偏差进行调整；必要时处理异常情况。

④面向企业用户。

矿卡自动驾驶系统是矿山企业实施运输作业、支持设备维修与管理的一个平台。

⑤大系统、强耦合。

自动驾驶系统不是一个单一的装置，而是通过车与地之间的无线通信，以及地面各种设备之间的有线或无线通信，把自动化作业区域的各种运输卡车、各种地面设备有机连接的大系统。自动驾驶所需的各种功能将合适地分配到大系统的各个组成部分中，以求在满足矿山企业目标需求的前提下，实现功能的最优分配。

⑥自动化区域封闭。

矿卡自动驾驶系统的作业区域应对外封闭，形成封闭的自动化区域AOZ。AOZ的面积是有限的(区域半径一般为数公里到数十公里)；在AOZ内，车辆的数目也是有限的(一般为数十台到数百台),这与随机数量的乘用车在无边界的开放公路上行驶的复杂场景存在显著的差异。露天矿山运输作业区域随着采掘与排土的推进而移动，因此AOZ是动态移动的。

⑦矿卡及其行驶的道路与普通的智能网联车情形显著不同。

矿卡主要用于矿物、渣土运输与装卸，其典型质量一般为数百吨，矿卡的牵引、制动、控制(如联合装载、卸载、车厢举升、上下坡道)等与普通乘用车有显著的差别。矿区道路[5]主要为以碎石为特征的非铺装道路，路面易产生凹坑、积水坑和洒落碎石，前车的运行有可能对后车产生较大的灰尘。矿区道路一般没有交通标志，但在排土区设置挡墙，防止车辆跌落悬岩。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

应当理解的是，本说明书中的示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，而不应当理解为对本发明的限制。

Claims (15)

1.一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，应用于控制端，其特征在于，包括：

计划制定模块，用于根据生产任务制定作业计划，并根据所述作业计划为矿场运输卡车分配作业任务；

作业管控模块，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务生成并发送控制指令，以使矿场运输卡车根据控制指令在矿场运行，并完成所述作业任务。

2.根据权利要求1所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述计划制定模块包括：

计划制定单元，用于根据生产任务制定周期性作业计划；

作业组织单元，用于根据所述周期性作业计划为矿场运输卡车分配作业任务；

运行规划单元，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务为矿场运输卡车规划运行时刻表。

3.根据权利要求2所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述计划制定模块还包括：

编号制定单元，用于根据矿场运输卡车所分得的作业任务及其运行时刻表，为矿场运输卡车生成识别编号。

4.根据权利要求3所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述作业管控模块包括：

地图管理单元，用于获取矿场地图；

路径规划单元，用于根据所述矿场地图以及矿场运输卡车的运行时刻表，为矿场运输卡车规划运行路径；

监管支持单元，用于根据矿场运输卡车的运行时刻表及其运行路径生成并发送控制指令，以控制矿场运输卡车按照运行路径行驶。

5.根据权利要求4所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述作业管控模块还包括：

编号赋予单元，用于将所述识别编号赋予分得相应的作业任务的矿场运输卡车；

所述监管支持单元，还用于基于所述识别编号对矿场运输卡车进行控制。

6.根据权利要求4或5所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述作业管控模块还包括：

速度规划单元，用于根据矿场运输卡车的运行时刻表及其运行路径，为矿场运输卡车规划速度控制模式；

所述监管支持单元，还用于按照矿场运输卡车的速度控制模式控制矿场运输卡车在矿场行驶。

7.根据权利要求6所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述作业管控模块还包括：

路权管理单元，用于预设多辆矿场运输卡车的通过顺序；

所述监管支持单元，还用于当多辆矿场运输卡车同时通过同一路段时，根据所述通过顺序控制该多辆矿场运输卡车通过该路段。

8.根据权利要求7所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述作业管控模块还包括：

轨迹防护单元，用于获取矿场运输卡车的运行区域，判断矿场运输卡车的运行区域是否与预设禁止区域存在重叠部分；

所述监管支持单元，还用于当矿场运输卡车的运行区域与预设禁止区域之间存在重叠部分时，控制矿场运输卡车立即停止运行。

9.根据权利要求8所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述监管支持单元还用于：

监控并统计矿场运输卡车的运行状态，当出现异常状况时及时发出通知信息。

10.一种矿场运输卡车自动驾驶控制系统，应用于矿场运输卡车端，其特征在于，包括：

通信模块，用于接收控制指令；

控制模块，用于根据控制指令控制矿场运输卡车在矿场运行，以完成作业任务。

11.根据权利要求10所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述控制指令包括矿场运输卡车的运行路径；

所述控制模块包括：

自主定位单元，用于获取矿场运输卡车的实时位置；

循迹行驶单元，用于参照矿场运输卡车的实时位置，控制矿场运输卡车按照运行路径行驶。

12.根据权利要求11所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，还包括：

测距模块，用于获取矿场运输卡车与除自身之外的其他障碍物之间的实时距离；

所述控制模块，还用于将所述实时距离与预设距离阈值进行比较，当所述实时距离小于或等于预设距离阈值时，控制矿场运输卡车立即停车。

13.根据权利要求10所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述通信装置，还用于接收除当前矿场运输卡车之外的其他矿场运输卡车发来的指令信息，所述指令信息至少包括装载指令或卸载指令；

所述控制模块，还用于控制矿场运输卡车按照所述装载指令进行装载或按照所述卸载指令进行卸载。

14.根据权利要求10所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，还包括：

自检模块，用于检查矿场运输卡车是否存在故障；

所述控制模块，还用于当矿场运输卡车存在故障时，调取并执行相应的故障处置方案以排除故障。

15.根据权利要求10所述的矿场运输卡车自动驾驶控制系统，其特征在于，所述通信装置，还用于接收泊车指令、休眠指令和唤醒指令；

所述控制模块，还用于根据泊车指令、休眠指令和唤醒指令相应的控制矿场运输卡车泊车、休眠和唤醒。

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