CN115883623A - 一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统和方法，系统涉及矿山工程机械技术领域，末端定位通信模块对挖掘机进行定位；定位定向操作模块位于挖掘机驾驶室内，由挖掘机操作员操作控制，向云端调度模块发送目标装载点信息和装载完成指令；云端调度模块接收目标装载点信息，将其下发给距离目标装载点最近的待装载自动驾驶矿车的车端通信模块；车端通信模块自动驾驶系统规划行驶路径，使挖掘机进行装载；装载完成后自动驾驶矿车驶离装载点进行下一步作业。本发明能够提高露天矿山挖掘机与自动驾驶矿卡定点装载协同作业的作业效率，降低挖掘机操作员的学习成本，降低燃油成本。

Description

一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统和方法

技术领域

本发明涉及矿山工程机械技术领域，尤其涉及一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统和方法。

背景技术

露天矿山是采用露天开采方式开采矿产资源的生产经营单位。露天矿山的主要生产系统有开拓和运输系统、穿孔爆破和采装系统、排土系统、防水和排水系统。露天矿山的开采作业多采用工程机械来进行，这样可以提高开采效率，而且在矿山作业环境恶劣的环境下，降低存人工作业的工作量。

由于露天矿山开采过程中，使用了大量的工程机械，比如挖掘机。为了能够实现工程机械之间数据互联，在露天矿山开采区域融入物联网，实现智慧矿山。智慧矿山由挖掘机和自动驾驶矿卡组成，由于装载点会随着矿山开采进度不断变化，挖掘机操作人员需要在每次自动驾驶矿卡进场装载前为其指定装载点和自动驾驶矿卡位于装载点的车头朝向，装载完成后需要通知自动驾驶矿卡驶离装载点。

传统的矿卡驾驶员与挖掘机操作人员需要通过对讲机、手势或鸣笛进行交流；对于自动驾驶矿卡，需要开发设计一种使自动驾驶矿卡在露天矿装载作业时与挖掘机进行高效协同作业的方法。现有技术中挖掘机驾驶员需要通过点击操作屏幕等方式为自动驾驶矿车指示装载点，具有参照物少、定位不准、只能定点不能定向、学习成本高、可靠性差等缺点。

发明内容

本发明提供一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，系统能够使挖掘机操作人员快速简单高效地为自动驾驶矿卡指示装载点位置和方向、通知自动驾驶矿卡驶离装载点。

系统包括：末端定位通信模块、定位定向操作模块、云端调度模块以及车端通信模块；

末端定位通信模块安装到挖掘机挖臂的末端，末端定位通信模块对挖掘机进行定位，形成目标装载点的点坐标和方向，并上传给云端调度模块；

定位定向操作模块位于挖掘机驾驶室内，由挖掘机操作员操作控制，通过获取按钮控制信息，控制末端定位通信模块向云端调度模块发送目标装载点信息和装载完成指令；

云端调度模块接收目标装载点信息，将其下发给距离目标装载点最近的待装载自动驾驶矿车的车端通信模块；

车端通信模块位于自动驾驶矿车上，在接收到目标装载点信息后，由自动驾驶系统规划行驶路径，行驶至目标装载点，停稳后由挖掘机进行装载；装载完成后挖掘机操作员按动定位定向操作模块上的相应按钮，通过末端定位通信模块、云端调度模块向车端通信模块发送装载完成指令，自动驾驶矿车驶离装载点进行下一步作业。

进一步需要说明的是，所述末端定位通信模块包括：GNSS信号接收单元、RTK信号接收单元、5G通信单元a、蓝牙通信单元a、计算处理单元a；

GNSS信号接收单元用于接收GNSS定位信号，将GNSS定位信号传给计算处理单元a；

RTK信号接收单元用于接收RTK差分定位信号，并传给计算处理单元a；

5G通信单元a用于与云端调度模块进行双向5G通信，向云端调度模块上传目标装载点坐标和方向，上传装载完成指令；

蓝牙通信单元a用于与定位定向操作模块进行双向蓝牙通信，接收定位定向操作模块发送的定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成信号，并传给计算处理单元a。

进一步需要说明的是，计算处理单元a用于将GNSS定位信号、RTK定位信号进行差分解算，计算出末端定位通信模块所在位置的实时高精度二维UTM坐标；

在接收到定位确认信号后，将当前的高精度二维UTM坐标记为定位点坐标A，即目标装载点坐标；在接收到定向确认信号后，将当前的高精度二维UTM坐标记为定向点坐标B，计算出由A指向B的射线的UTM方向角角度C，即目标装载点方向；在接收到发送确认信号后，将目标装载点坐标和目标装载点方向通过5G通信单元a发送到云端调度模块；在接收到装载完成信号后，通过5G通信单元a向云端调度模块上传装载完成指令。

进一步需要说明的是，末端定位通信模块安装在靠近挖掘机挖斗与挖臂连接处的挖臂上，末端定位通信模块固定安装在具有防碰撞防尘防水功能的外壳内部。

进一步需要说明的是，所述定位定向操作模块包括：按钮操作单元、LED提示单元、计算处理单元b、蓝牙通信单元b；

按钮操作单元包括：定位确认按钮、定向确认按钮、发送确认按钮、装载完成按钮；使按钮操作单元用于触发定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成确认信号。

LED提示单元包括：8个LED灯珠组成，4个为绿色，4个为红色，按钮操作单元的每个按钮对应一个绿色灯珠和一个红色灯珠；按钮对应的两个颜色灯珠亮起互斥，每个时刻只会有一个灯珠亮起；

蓝牙通信单元b与蓝牙通信单元a进行双向蓝牙通信，向末端定位通信模块发送定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成确认信号。

进一步需要说明的是，计算处理单元b分别与按钮操作单元、LED提示单元、蓝牙通信单元b相连；

计算处理单元b读取按钮操作单元的触发电平，通过蓝牙通信单元b向末端定位通信模块发送对应信号；

计算处理单元b接收挖掘机操作员按照定位确认、定向确认、发送确认、装载完成的顺序按下4个按钮，之后计算处理单元b驱动需要被按下的按钮对应的绿色灯珠亮起，红色灯珠熄灭，驱动其余三个不需要被按下的按钮对应的绿色灯珠熄灭，红色灯珠亮起，并且计算处理单元b会屏蔽不需要被按下按钮所的触发电平。

进一步需要说明的是，云端调度模块包括：5G通信单元b和计算服务器；

5G通信单元b分别与末端定位通信模块和车端通信模块进行双向5G通信，接收末端定位通信模块上传的目标装载点坐标和方向、装载完成指令，接收车端通信模块上传的实时定位坐标和待装载指令，并将接收到的信息传给计算服务器；还向车端通信模块发送装载完成指令。

进一步需要说明的是，计算服务器收到待装载指令后记录待装载自动驾驶矿卡的实时定位坐标并实时更新，在接收到目标装载点坐标和方向后，遍历待装载自动驾驶矿卡信息，计算出距离目标装载点最近的自动驾驶矿卡并通过5G通信单元b向自动驾驶矿卡发送对应的目标装载点坐标和方向，收到装载完成指令后将其通过5G通信单元b转发给自动驾驶矿卡。

进一步需要说明的是，车端通信模块包括：5G通信单元c和自动驾驶域控制器；

5G通信单元c与云端调度模块进行双向5G通信，接收目标装载点坐标和方向，接收装载完成指令，将信息传给域控制器；还发送自动驾驶矿卡的实时定位坐标和待装指令；

域控制器根据目标装载点坐标和方向规划路径，控制自动驾驶矿卡驶入目标装载点进行装载，接收到装载完成指令后控制自动驾驶矿卡驶离装载点进行下一步作业。

本发明还提供一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业方法，方法包括：

（1）自动驾驶域控制器控制自动驾驶矿卡驶入待装载区并停车等待，车端通信模块通过5G通信向云端调度模块发送待装指令和实时定位坐标；

（2）云端调度模块接收到此自动驾驶矿卡的待装指令后，将其标记为待装载并记录其坐标；

（3）定位定向操作模块获取挖掘机操作员确定的目标装载点，目标装载点包括位置点A和方向射线A→B；

（4）挖掘机操作员操作挖掘机将末端定位通信模块1移动至点A的上方，使末端定位通信模块1和点A的连线与水平面垂直；

（5）定位定向操作模块中的LED提示单元发出状态提示信息；

（6）定位定向操作模块通过蓝牙发送定位确认信号至末端定位通信单元，末端定位通信单元根据接收的GNSS定位信号和RTK差分信号计算末端定位通信单元所在位置点A的坐标，将其记录为坐标A；

（7）挖掘机操作员在观察到LED提示单元第一次更新状态提示信息后，操作挖掘机将末端定位通信模块移动至点B的上方，使末端定位通信模块和点B的连线与水平面垂直；

（8）挖掘机操作员按下按钮操作单元，使LED提示单元进行第二次更新，并显示相应的状态提示信息；

（9）定位定向操作模块通过蓝牙发送定向确认信号至末端定位通信单元，末端定位通信单元根据接收的GNSS定位信号和RTK差分信号计算末端定位通信单元所在位置点B的坐标，将其记录为坐标B；

（10）挖掘机操作员在观察到灯珠状态第二次更新后，确认目标装载点选择是否正确，确认后，LED提示单元获取第三次更新状态提示信息；

（11）定位定向操作模块通过蓝牙发送“发送确认信号”至末端定位通信单元，末端定位通信单元计算射线A→B的方向角，将点A坐标和射线A→B的方向角一起上传至云端调度模块；

（12）云端调度模块在接收到点A坐标和射线A→B的方向角后，计算所有标记为待装载的自动驾驶矿卡与点A的行驶路程并求出最小值，将点A坐标和射线A→B的方向角发送给最小值对应的自动驾驶矿卡车载通信模块，并去除其待装载标记；

（13）车载通信模块接收到点A坐标和射线A→B的方向角后，域控制器控制自动驾驶矿卡行驶至车辆定位坐标与点A坐标相同，车辆方向角与射线A→B的方向角相同，并停车；

（14）挖掘机操作员在观察到车辆在既定目标装载点停住后，开始操作挖掘机进行装载；

（15）装载完成后，挖掘机操作员通过按钮操作单元控制LED提示单元，使LED提示单元第四次更新状态提示信息；

（16）定位定向操作模块通过蓝牙发送装载完成信号至末端定位通信单元；

（17）末端定位通信单元通过5G通信发送装载完成指令至云端调度模块；

（18）云端调度模块将装载完成指令通过5G通信发送给车端通信模块；

（19）车端通信模块在接收到装载完成指令后，域控制器控制自动驾驶矿卡驶离装载点进行下一步作业。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统及方法解决自动驾驶矿卡在露天矿进行装载作业时无法与挖掘机操作人员进行协作的问题，本发明还可以避免协作方式存在参照物少、定位不准、只能定点不能定向、学习成本高、可靠性差的缺点。

与现有技术相比，露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统及方法将定位模块安装到挖掘机的挖臂末端，指示目标装载点的坐标更准确；通过先后两点确定一条射线的方式指示自动驾驶矿卡在目标装载点的方向；挖掘机操作人员通过4个按钮就可以完成与自动驾驶矿卡的协作，学习成本低，协作效率高；云端可以通过计算最短距离的方式调度最近的待装自动驾驶矿卡进行装载，减少空载行驶距离，节约燃油成本，提高作业效率；

本发明还能够提高露天矿山挖掘机与自动驾驶矿卡定点装载协同作业的作业效率，降低挖掘机操作员的学习成本，降低燃油成本。与挖掘机驾驶室屏幕触摸交互方案相比，后装改造成本较低，并且准确性、稳定性、可靠性更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统示意图；

图2为末端定位通信模块安装示意图；

图3为末端定位通信模块和定位定向操作模块安装示意图；

图4为定位定向操作模块安装示意图；

图5为定位定向操作模块示意图；

图6为目标装载点确认过程0示意图；

图7为目标装载点确认过程1示意图；

图8为目标装载点确认过程2示意图。

具体实施方式

本发明提供的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统架构可以包括末端定位通信模块1、云端调度模块、车端通信模块以及通信网络。通信网络是用以在末端定位通信模块1、云端调度模块以及车端通信模块之间提供通信链路的介质。网络可以包括各种连接类型，例如无线通信链路或者光纤电缆等等。

无线通信技术可以包括无线局域网络(Wi-Fi，WLAN，Wireless Local AreaNetworks)、无线宽带(Wibro)、全球微波互联接入(Wimax)、高速下行链路分组接入(HSDPA，High Speed Downlink Packet Access)等等。

应该理解，图1中的末端定位通信模块1、云端调度模块以及车端通信模块的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的末端定位通信模块1、云端调度模块以及车端通信模块。比如云端调度模块可以是多个服务器组成的服务器集群等。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至8所示是一具体实施例中露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统的示意图，系统包括：末端定位通信模块1、定位定向操作模块2、云端调度模块以及车端通信模块；

末端定位通信模块1安装到挖掘机挖臂的末端，可以设置于挖掘机末端靠近挖斗与挖臂连接处的挖臂上，用来接收定位信号确定末端定位通信模块1的实时坐标，接收到定位定向操作模块2的控制信号后，向云端调度模块上传一个由末端定位通信模块1的坐标组合形成的目标装载点的点坐标和方向，即目标装载点信息，装载完成后受定位定向操作模块2控制向云端调度模块上传装载完成指令。

定位定向操作模块2安装到挖掘机驾驶室内，便于挖掘机操作员操作的位置。

挖掘机操作员通过按动按钮控制末端定位通信模块1向云端调度模块发送目标装载点信息和装载完成指令；云端调度模块接收到末端定位通信模块1上传的目标装载点信息，将其下发给距离目标装载点最近的待装载自动驾驶矿车的车端通信模块。

车端通信模块安装到自动驾驶矿车上，在接收到目标装载点信息后，由自动驾驶系统规划行驶路径，行驶至目标装载点，停稳后由挖掘机进行装载；装载完成后挖掘机操作员按动定位定向操作模块2上的相应按钮，通过末端定位通信模块1、云端调度模块向车端通信模块发送装载完成指令，自动驾驶矿车驶离装载点进行下一步作业，作业周期完成。

在一个示例性实施例中，末端定位通信模块1包括：GNSS信号接收单元、RTK信号接收单元、5G通信单元a、蓝牙通信单元a、计算处理单元a。

末端定位通信模块1安装在挖掘机尽量靠近挖斗与挖臂连接处的挖臂上，外壳防碰撞防尘防水。

其中，GNSS信号接收单元负责接收北斗、GPS等GNSS定位信号，将信号传给计算处理单元a；RTK信号接收单元负责接收RTK差分定位信号，将信号传给计算处理单元a。

5G通信单元a负责与云端调度模块进行双向5G通信，向云端调度模块上传目标装载点坐标和方向，上传装载完成指令。

蓝牙通信单元a负责与定位定向操作模块2进行双向蓝牙通信，接收定位定向操作模块2发送的定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成信号，并传给计算处理单元a。

计算处理单元a负责将GNSS定位信号、RTK定位信号进行差分解算，计算出末端定位通信模块1所在位置的实时高精度二维UTM坐标；在接收到定位确认信号后，将当前的高精度二维UTM坐标记为定位点坐标A，即目标装载点坐标。

在接收到定向确认信号后，将当前的高精度二维UTM坐标记为定向点坐标B，计算出由A指向B的射线的UTM方向角角度C，即目标装载点方向；在接收到发送确认信号后，将目标装载点坐标和目标装载点方向通过5G通信模块发送到云端调度模块；在接收到装载完成信号后，通过5G通信模块向云端调度模块上传装载完成指令。

示例性的讲，GNSS信号接收单元选用高精度GNSS天线EL-987，天线增益1-28DBI；RTK信号单元选用4G DTU通信模组EG41-G，配置千寻CORS账号后可接收网络RTK差分报文；5G通信单元a选用MH5000-31模组；蓝牙通信单元a选用 E72-2G4M05S1A模组，支持蓝牙5.0协议，通信距离120m；计算处理单元a选用STM32F407ZGT6实时微处理器，工作频率168MHz。

作为本发明提供的定位定向操作模块2来讲，其包括：按钮操作单元、LED提示单元、计算处理单元b、蓝牙通信单元b。定位定向操作模块2安装在挖掘机驾驶室内操作员方便触摸观察的位置。按钮操作单元由4个自复位常开按钮组成，为定位确认按钮3、定向确认按钮6、发送确认按钮9、装载完成按钮12，分别用于触发定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成确认信号。

LED提示单元由8个LED灯珠组成，4个为绿色，4个为红色，每个按钮对应一个绿色灯珠和一个红色灯珠，红色灯亮意为当前此按钮不可按下，绿色灯亮意为当前此按钮可以按下，按钮对应的两个颜色灯珠亮起互斥，每个时刻只会有一个灯珠亮起。

蓝牙通信单元b负责与上述末端定位通信模块1的蓝牙通信单元a进行双向蓝牙通信，向末端定位通信模块1发送定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成确认信号。

计算处理单元b分别与按钮操作单元、LED提示单元以及蓝牙通信单元b相连；计算处理单元b会读取按钮操作单元的触发电平，通过蓝牙通信单元b向末端定位通信模块1发送对应信号；计算处理单元b要求挖掘机操作员按照定位确认、定向确认、发送确认、装载完成的顺序按下4个按钮，计算处理单元b会驱动需要被按下的按钮对应的绿色灯珠亮起，红色灯珠熄灭，驱动其余三个不需要被按下的按钮对应的绿色灯珠熄灭，红色灯珠亮起，并且计算处理单元b会屏蔽不需要被按下按钮所的触发电平。

本发明的按钮操作单元选用LA16-J-11dBN矩形自复位无锁点动开关，如图5中所示，分别为定位确认按钮33、定向确认按钮66、发送确认按钮99、装载完成确认按钮12；LED提示单元选用5mmLED发光二极管灯珠，驱动电压3.2-3.4V，驱动电流20mA，如图5中所示，定位确认按钮可按提示灯珠4、定向确认按钮可按提示灯珠7、发送确认按钮可按提示灯珠10、装载完成按钮可按提示灯珠13亮起时为绿色，定位确认按钮不可按提示灯珠5、定向确认按钮不可按提示灯珠8、发送确认按钮不可按提示灯珠11、装载完成按钮不可按提示灯珠14亮起时为红色；蓝牙处理单元b同样选用E72-2G4M05S1A模组；计算处理单元b选用STM32F103C8T6实时微处理器，工作频率72MHz。

进一步的讲，本发明涉及的云端调度模块包括：5G通信单元b、计算服务器。

云端调度模块布置在5G信号良好、电源稳定、散热良好的房间内。其中，5G通信单元b与末端定位通信模块1、车端通信模块进行双向5G通信，接收末端定位通信模块1上传的目标装载点坐标和方向、装载完成指令，接收车端通信单元上传的实时定位坐标和待装载指令，并将接收到的信息传给计算服务器，向车端通信单元发送装载完成指令。

计算服务器收到待装载指令后记录待装载自动驾驶矿卡的实时定位坐标并不断更新，在接收到目标装载点坐标和方向后，遍历待装载自动驾驶矿卡信息，计算出距离目标装载点最近的自动驾驶矿卡并通过5G通信单元b向自动驾驶矿卡发送对应的目标装载点坐标和方向，收到装载完成指令后将其通过5G通信单元b转发给自动驾驶矿卡。

5G通信单元b同样选用MH5000-31模组；计算服务器选用FusionSever 2288H V5机架式服务器，搭载2个英特尔至强系列处理器。

对于本发明的车端通信模块来讲，具体包括：5G通信单元c、自动驾驶域控制器。本发明的5G通信单元c可以选用MH5000-31模组；自动驾驶域控制器选用MDC 300，主频2.0GHz。

车端通信模块安装在自动驾驶矿车的驾驶室内。5G通信单元c负责与云端调度模块进行双向5G通信，接收目标装载点坐标和方向，接收装载完成指令，将信息传给域控制器；发送自动驾驶矿卡的实时定位坐标和待装指令。域控制器根据目标装载点坐标和方向规划路径，控制自动驾驶矿卡驶入目标装载点进行装载，接收到装载完成指令后控制自动驾驶矿卡驶离装载点进行下一步作业。

以下是本公开实施例提供的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业方法的实施例，该露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业方法与上述各实施例的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统属于同一个发明构思，在露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统的实施例。

露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业方法通过以下方式工作：

（1）自动驾驶域控制器控制自动驾驶矿卡驶入待装载区并停车等待，车端通信模块通过5G通信向云端调度模块发送待装指令和实时定位坐标；

（2）云端调度模块接收到此自动驾驶矿卡的待装指令后，将其标记为待装载并记录其坐标；

（3）挖掘机操作员确定一个矿卡的目标装载点，包括位置点A和方向射线A→B，如图6所示；

（4）挖掘机操作员操作挖掘机将末端定位通信模块11移动至点A的上方，使末端定位通信模块11和点A的连线与水平面尽可能垂直，如图7所示；

（5）此时定位定向操作模块22上，定位确认按钮33对应的“可按”绿色定位确认按钮可按提示灯珠4为亮起状态，“不可按”红色定位确认按钮不可按提示灯珠5为熄灭状态，其余“可按”定向确认按钮可按提示灯珠7、发送确认按钮可按提示灯珠10、装载完成按钮可按提示灯珠13均为熄灭状态，“不可按”定位确认按钮不可按提示灯珠5、定向确认按钮不可按提示灯珠8、发送确认按钮不可按提示灯珠11、装载完成按钮不可按提示灯珠14均为亮起状态，挖掘机操作员按下唯一绿色亮起、红色熄灭灯珠对应的按钮定位确认按钮33，灯珠状态第一次更新，此时定向确认按钮66对应的“可按”绿色定向确认按钮可按提示灯珠7为亮起状态，“不可按”红色定向确认按钮不可按提示灯珠8为熄灭状态，其余“可按”定位确认按钮可按提示灯珠4、发送确认按钮可按提示灯珠10、装载完成按钮可按提示灯珠13均为熄灭状态，“不可按”定位确认按钮不可按提示灯珠5、发送确认按钮不可按提示灯珠11、装载完成按钮不可按提示灯珠14均为亮起状态；

（6）定位定向操作模块22通过蓝牙发送定位确认信号至末端定位通信单元1，末端定位通信单元1根据接收的GNSS定位信号和RTK差分信号计算末端定位通信单元1所在位置点A(1)的坐标，将其记录为坐标A，如图7所示；

（7）挖掘机操作员在观察到灯珠状态第一次更新后，操作挖掘机将末端定位通信模块11移动至点B的上方，使末端定位通信模块11和点B的连线与水平面尽可能垂直，如图8所示；

（8）挖掘机操作员按下唯一绿色亮起、红色熄灭灯珠对应的按钮定向确认按钮66，灯珠状态第二次更新，此时发送确认按钮99对应的“可按”绿色发送确认按钮可按提示灯珠10为亮起状态，“不可按”红色发送确认按钮不可按提示灯珠11为熄灭状态，其余“可按”定位确认按钮可按提示灯珠4、定向确认按钮可按提示灯珠7、装载完成按钮可按提示灯珠13均为熄灭状态，“不可按”定位确认按钮不可按提示灯珠5、定向确认按钮不可按提示灯珠8、装载完成按钮不可按提示灯珠14均为亮起状态；

（9）定位定向操作模块22通过蓝牙发送定向确认信号至末端定位通信单元1，末端定位通信单元1根据接收的GNSS定位信号和RTK差分信号计算末端定位通信单元1所在位置点B(1)的坐标，将其记录为坐标B，如图8所示；

（10）挖掘机操作员在观察到灯珠状态第二次更新后，视觉确认目标装载点选择是否正确，确认后按下唯一绿色亮起、红色熄灭灯珠对应的按钮发送确认按钮99，灯珠状态第三次更新，此时装载完成按钮1212对应的“可按”绿色装载完成按钮可按提示灯珠13为亮起状态，“不可按”红色装载完成按钮不可按提示灯珠14为熄灭状态。

其余“可按”定位确认按钮可按提示灯珠4、定向确认按钮可按提示灯珠7、发送确认按钮可按提示灯珠10均为熄灭状态，“不可按”定位确认按钮不可按提示灯珠5、定向确认按钮不可按提示灯珠8、发送确认按钮不可按提示灯珠11均为亮起状态；

（11）定位定向操作模块22通过蓝牙发送“发送确认信号”至末端定位通信单元1，末端定位通信单元1计算射线A→B的方向角，将点A坐标和射线A→B的方向角一起上传至云端调度模块；

（12）云端调度模块在接收到点A坐标和射线A→B的方向角后，计算所有标记为待装载的自动驾驶矿卡与点A的行驶路程并求出最小值，将点A坐标和射线A→B的方向角发送给最小值对应的自动驾驶矿卡车载通信模块，并去除其待装载标记；

（13）车载通信模块接收到点A坐标和射线A→B的方向角后，域控制器控制自动驾驶矿卡行驶至车辆定位坐标与点A坐标相同，车辆方向角与射线A→B的方向角相同，并停车；

（14）挖掘机操作员在观察到车辆在既定目标装载点停住后，开始操作挖掘机进行装载；

（15）装载完成后，挖掘机操作员按下唯一绿色亮起、红色熄灭灯珠对应的按钮装载完成按钮1212，灯珠状态第四次更新，此时定位确认按钮33对应的“可按”绿色定位确认按钮可按提示灯珠4为亮起状态，“不可按”红色定位确认按钮不可按提示灯珠5为熄灭状态，其余“可按”定向确认按钮可按提示灯珠7、发送确认按钮可按提示灯珠10、装载完成按钮可按提示灯珠13均为熄灭状态，“不可按”定向确认按钮不可按提示灯珠8、发送确认按钮不可按提示灯珠11、装载完成按钮不可按提示灯珠14均为亮起状态；

（16）定位定向操作模块22通过蓝牙发送装载完成信号至末端定位通信单元1；

（17）末端定位通信单元1通过5G通信发送装载完成指令至云端调度模块；

（18）云端调度模块将装载完成指令通过5G通信发送给车端通信模块；

（19）车端通信模块在接收到装载完成指令后，域控制器控制自动驾驶矿卡驶离装载点进行下一步作业。

基于上述方法，将RTK定位单元、5G通信单元、蓝牙通信单元整合到一起并且进行小型化，使用5G直接与云端进行通信，使用蓝牙进行遥控控制；所述的定位定向操作模块2的形状结构改进点/技术细节具体为：将控制模块与定位模块分开并通过无线蓝牙控制，使用按钮控制蓝牙信号发送，使用LED灯珠亮灭提示挖掘机操作员进行操作。

本发明经过具体实际实验，在额定工况的具体环境设置下，以15km/h至20km/h的自动驾驶矿卡车速启动/运行上述装置/方法，能够得到的实验数据是：自动驾驶矿卡装载等待时间平均减少23%，自动驾驶矿卡由待装至装载过程油耗减少8%。

本发明与现有技术相比，本装置/方法的性能指标提升在于：指示目标装载点的坐标更准确；挖掘机操作人员学习成本低；减少空载行驶距离，节约燃油成本；减少待装等待时间，提高作业效率；与挖掘机驾驶室屏幕触摸交互方案相比，后装改造成本较低，并且稳定性、可靠性更好

本发明提供的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统和方法是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业方法中，可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括但不限于面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或电力服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(示例性的讲利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，包括：末端定位通信模块、定位定向操作模块、云端调度模块以及车端通信模块；

末端定位通信模块安装到挖掘机挖臂的末端，末端定位通信模块对挖掘机进行定位，形成目标装载点的点坐标和方向，并上传给云端调度模块；

定位定向操作模块位于挖掘机驾驶室内，由挖掘机操作员操作控制，通过获取按钮控制信息，控制末端定位通信模块向云端调度模块发送目标装载点信息和装载完成指令；

云端调度模块接收目标装载点信息，将其下发给距离目标装载点最近的待装载自动驾驶矿车的车端通信模块；

车端通信模块位于自动驾驶矿车上，在接收到目标装载点信息后，由自动驾驶系统规划行驶路径，行驶至目标装载点，停稳后由挖掘机进行装载；装载完成后挖掘机操作员按动定位定向操作模块上的相应按钮，通过末端定位通信模块、云端调度模块向车端通信模块发送装载完成指令，自动驾驶矿车驶离装载点进行下一步作业。

2.根据权利要求1所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

所述末端定位通信模块包括：GNSS信号接收单元、RTK信号接收单元、5G通信单元a、蓝牙通信单元a、计算处理单元a；

GNSS信号接收单元用于接收GNSS定位信号，将GNSS定位信号传给计算处理单元a；

RTK信号接收单元用于接收RTK差分定位信号，并传给计算处理单元a；

5G通信单元a用于与云端调度模块进行双向5G通信，向云端调度模块上传目标装载点坐标和方向，上传装载完成指令；

蓝牙通信单元a用于与定位定向操作模块进行双向蓝牙通信，接收定位定向操作模块发送的定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成信号，并传给计算处理单元a。

3.根据权利要求2所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

计算处理单元a用于将GNSS定位信号、RTK定位信号进行差分解算，计算出末端定位通信模块所在位置的实时高精度二维UTM坐标；

在接收到定位确认信号后，将当前的高精度二维UTM坐标记为定位点坐标A，即目标装载点坐标；在接收到定向确认信号后，将当前的高精度二维UTM坐标记为定向点坐标B，计算出由A指向B的射线的UTM方向角角度C，即目标装载点方向；在接收到发送确认信号后，将目标装载点坐标和目标装载点方向通过5G通信单元a发送到云端调度模块；在接收到装载完成信号后，通过5G通信单元a向云端调度模块上传装载完成指令。

4.根据权利要求1或2所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

末端定位通信模块安装在靠近挖掘机挖斗与挖臂连接处的挖臂上，末端定位通信模块固定安装在具有防碰撞防尘防水功能的外壳内部。

5.根据权利要求2所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

所述定位定向操作模块包括：按钮操作单元、LED提示单元、计算处理单元b、蓝牙通信单元b；

按钮操作单元包括：定位确认按钮、定向确认按钮、发送确认按钮、装载完成按钮；使按钮操作单元用于触发定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成确认信号。

LED提示单元包括：8个LED灯珠组成，4个为绿色，4个为红色，按钮操作单元的每个按钮对应一个绿色灯珠和一个红色灯珠；按钮对应的两个颜色灯珠亮起互斥，每个时刻只会有一个灯珠亮起；

蓝牙通信单元b与蓝牙通信单元a进行双向蓝牙通信，向末端定位通信模块发送定位确认信号、定向确认信号、发送确认信号、装载完成确认信号。

6.根据权利要求5所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

计算处理单元b分别与按钮操作单元、LED提示单元、蓝牙通信单元b相连；

计算处理单元b读取按钮操作单元的触发电平，通过蓝牙通信单元b向末端定位通信模块发送对应信号；

计算处理单元b接收挖掘机操作员按照定位确认、定向确认、发送确认、装载完成的顺序按下4个按钮，之后计算处理单元b驱动需要被按下的按钮对应的绿色灯珠亮起，红色灯珠熄灭，驱动其余三个不需要被按下的按钮对应的绿色灯珠熄灭，红色灯珠亮起，并且计算处理单元b会屏蔽不需要被按下按钮所的触发电平。

7.根据权利要求1或2所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

云端调度模块包括：5G通信单元b和计算服务器；

5G通信单元b分别与末端定位通信模块和车端通信模块进行双向5G通信，接收末端定位通信模块上传的目标装载点坐标和方向、装载完成指令，接收车端通信模块上传的实时定位坐标和待装载指令，并将接收到的信息传给计算服务器；还向车端通信模块发送装载完成指令。

8.根据权利要求7所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

计算服务器收到待装载指令后记录待装载自动驾驶矿卡的实时定位坐标并实时更新，在接收到目标装载点坐标和方向后，遍历待装载自动驾驶矿卡信息，计算出距离目标装载点最近的自动驾驶矿卡并通过5G通信单元b向自动驾驶矿卡发送对应的目标装载点坐标和方向，收到装载完成指令后将其通过5G通信单元b转发给自动驾驶矿卡。

9.根据权利要求5所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统，其特征在于，

车端通信模块包括：5G通信单元c和自动驾驶域控制器；

5G通信单元c与云端调度模块进行双向5G通信，接收目标装载点坐标和方向，接收装载完成指令，将信息传给域控制器；还发送自动驾驶矿卡的实时定位坐标和待装指令；

域控制器根据目标装载点坐标和方向规划路径，控制自动驾驶矿卡驶入目标装载点进行装载，接收到装载完成指令后控制自动驾驶矿卡驶离装载点进行下一步作业。

10.一种露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业方法，其特征在于，方法采用如权利要求1至9任意一项所述的露天矿山挖掘机自动驾驶及装载作业系统；

方法包括：

（1）自动驾驶域控制器控制自动驾驶矿卡驶入待装载区并停车等待，车端通信模块通过5G通信向云端调度模块发送待装指令和实时定位坐标；

（2）云端调度模块接收到此自动驾驶矿卡的待装指令后，将其标记为待装载并记录其坐标；

（3）定位定向操作模块获取挖掘机操作员确定的目标装载点，目标装载点包括位置点A和方向射线A→B；

（4）挖掘机操作员操作挖掘机将末端定位通信模块1移动至点A的上方，使末端定位通信模块1和点A的连线与水平面垂直；

（5）定位定向操作模块中的LED提示单元发出状态提示信息；

（6）定位定向操作模块通过蓝牙发送定位确认信号至末端定位通信单元，末端定位通信单元根据接收的GNSS定位信号和RTK差分信号计算末端定位通信单元所在位置点A的坐标，将其记录为坐标A；

（7）挖掘机操作员在观察到LED提示单元第一次更新状态提示信息后，操作挖掘机将末端定位通信模块移动至点B的上方，使末端定位通信模块和点B的连线与水平面垂直；

（8）挖掘机操作员按下按钮操作单元，使LED提示单元进行第二次更新，并显示相应的状态提示信息；

（9）定位定向操作模块通过蓝牙发送定向确认信号至末端定位通信单元，末端定位通信单元根据接收的GNSS定位信号和RTK差分信号计算末端定位通信单元所在位置点B的坐标，将其记录为坐标B；

（10）挖掘机操作员在观察到灯珠状态第二次更新后，确认目标装载点选择是否正确，确认后，LED提示单元获取第三次更新状态提示信息；

（11）定位定向操作模块通过蓝牙发送“发送确认信号”至末端定位通信单元，末端定位通信单元计算射线A→B的方向角，将点A坐标和射线A→B的方向角一起上传至云端调度模块；

（12）云端调度模块在接收到点A坐标和射线A→B的方向角后，计算所有标记为待装载的自动驾驶矿卡与点A的行驶路程并求出最小值，将点A坐标和射线A→B的方向角发送给最小值对应的自动驾驶矿卡车载通信模块，并去除其待装载标记；

（13）车载通信模块接收到点A坐标和射线A→B的方向角后，域控制器控制自动驾驶矿卡行驶至车辆定位坐标与点A坐标相同，车辆方向角与射线A→B的方向角相同，并停车；

（14）挖掘机操作员在观察到车辆在既定目标装载点停住后，开始操作挖掘机进行装载；

（15）装载完成后，挖掘机操作员通过按钮操作单元控制LED提示单元，使LED提示单元第四次更新状态提示信息；

（16）定位定向操作模块通过蓝牙发送装载完成信号至末端定位通信单元；

（17）末端定位通信单元通过5G通信发送装载完成指令至云端调度模块；

（18）云端调度模块将装载完成指令通过5G通信发送给车端通信模块；

（19）车端通信模块在接收到装载完成指令后，域控制器控制自动驾驶矿卡驶离装载点进行下一步作业。

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