專利名稱：一種巷道無軌式液壓載重車的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種基于標(biāo)示物的圖像識別導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種巷道無軌式液壓載重車的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向控制方法。
背景技術(shù)：
在礦山開采中，礦井下重型采掘、支護(hù)設(shè)備常需要由液壓載重車運(yùn)輸轉(zhuǎn)移工作面。由于巷道的地形較復(fù)雜，空間狹小，在運(yùn)輸設(shè)備的過程中對液壓載重車的控制較困難?，F(xiàn)有的井下巷道液壓載重車由人工駕駛，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，井下巷道特殊的環(huán)境極易對駕駛員產(chǎn)生影響。由于井下巷道空間狹小，駕駛員精神必須保持長時(shí)間高度集中，如若操控不當(dāng)就可能發(fā)生載重車與巷道壁或液壓支護(hù)設(shè)備的刮蹭與碰撞，甚至造成巷道塌陷等重大安全事故。因此，現(xiàn)有的井下巷道液壓載重車駕駛對人員要求高，風(fēng)險(xiǎn)大，很難保證井下特殊條件下的安全生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種分體式的多車組協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向控制的巷道無軌式液壓載重車的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向控制方法，本方法能夠?qū)崿F(xiàn)巷道無軌輪式液壓載重車多車組的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向等作業(yè)。本發(fā)明從解決實(shí)際問題出發(fā)，采用了以下技術(shù)方案:
( I)應(yīng)用圖像識別的原理，采用了識別人工標(biāo)示物的技術(shù)，將識別攝像機(jī)安放于動車組頭車的前部，在動車組的每個(gè)車體上安裝有車載處理器，所有車載處理器與CAN總線系統(tǒng)連接，人工將發(fā)光標(biāo)示物安放于礦井巷道壁上，攝像機(jī)對巷道壁上的標(biāo)示物進(jìn)行識別，以達(dá)到循跡導(dǎo)航的目的；(2)整個(gè)動車組只在頭車設(shè)有識別攝像機(jī)，頭車起到軌跡源的作用，即頭車通過圖像識別，搜集車體與巷道壁間的距離信息，并根據(jù)人工標(biāo)示物的導(dǎo)向作用，通過車載處理器自動尋找最優(yōu)化的軌跡，而這一軌跡將為后續(xù)車輛所接收并采用；(3)頭車車載處理器收集攝像機(jī)對標(biāo)示物的識別信號以及車體姿態(tài)信息并計(jì)算出相應(yīng)的最優(yōu)化運(yùn)行軌跡，由頭車執(zhí)行機(jī)構(gòu)處理軌跡信息，并控制頭車車體沿著最優(yōu)軌跡運(yùn)行，同時(shí)軌跡信息延時(shí)上傳至CAN總線系統(tǒng)，后續(xù)車輛的車載處理器從CAN總線系統(tǒng)中下載頭車的軌跡信息，并運(yùn)算跟蹤前車運(yùn)動軌跡所需的幾何參數(shù)，進(jìn)而確定本車的運(yùn)動軌跡，達(dá)到后續(xù)自動跟蹤前車的目的，且在循跡運(yùn)動的過程中兩車的距離保持一定；(4)動車組中每個(gè)車首尾相連構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，頭車起提供軌跡源，后續(xù)車輛的運(yùn)行軌跡以頭車的運(yùn)行軌跡為準(zhǔn)，頭車的軌跡確定后，后續(xù)車輛的車載處理器接收軌跡信息，后續(xù)車輛處理器處理該信息并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動作，循跡運(yùn)行；與此同時(shí)，后續(xù)車輛處理器經(jīng)過運(yùn)行后，以延時(shí)信號的方式將軌跡信息傳遞給下一車的車載處理器，下一車的車載處理器根據(jù)此信息進(jìn)行軌跡調(diào)整，以此類推，最終達(dá)到動車組各車間協(xié)調(diào)作業(yè)的目的；
(5)為了實(shí)現(xiàn)動車組各車直行、轉(zhuǎn)向間的協(xié)調(diào)作業(yè)，軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，即主程序可分為若干塊，每個(gè)程序塊有不同的功能，而程序庫中存有更多的擴(kuò)展程序塊，通過不同程序塊的組合，可以使動車組完成不同的動作，從而擴(kuò)大了動車組的工作范圍；(6)本發(fā)明可以采用單人駕駛或人工遙控動力源車，后續(xù)載重液壓車自動跟蹤前車軌跡的作業(yè)方式，也可以采用全自動無人駕駛方式，避免了因人為駕駛操作失誤而帶來的安全隱患。所述人工發(fā)光標(biāo)示物使用了自發(fā)光原理，所發(fā)射的光線為固定頻率及波長的光線，該光線不受井下的環(huán)境光及其它光源光線的影響；所述攝像頭只能識別工發(fā)光標(biāo)示物發(fā)出的固定頻率及波長的光線。根據(jù)GB50419— 2007《煤礦巷道斷面和交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.1.2條規(guī)定，巷道斷面形狀可分為矩形、梯形、拱形、馬蹄形及圓形等；根據(jù)該設(shè)計(jì)規(guī)范第4.1.3條規(guī)定，運(yùn)輸巷道的凈斷面，應(yīng)按巷道內(nèi)運(yùn)行的運(yùn)輸設(shè)備及需要運(yùn)送的最大件的尺寸設(shè)計(jì)，并應(yīng)按偶爾運(yùn)送的最大件尺寸和通風(fēng)能力校核。由于液壓載重車的寬度與礦井內(nèi)大型設(shè)備的寬度相當(dāng)，因此在液壓載重車可以在符合國 標(biāo)規(guī)范的礦井巷道內(nèi)作業(yè)。根據(jù)該設(shè)計(jì)規(guī)范第4.3.2條規(guī) 定，無軌運(yùn)輸設(shè)備與巷道側(cè)幫的支護(hù)、管線、設(shè)施的安全間隙最小值為600_，而超聲波測距系統(tǒng)的檢測范圍包含了 600_。同時(shí)，該設(shè)計(jì)規(guī)范第4.1.1條規(guī)定，主要運(yùn)輸巷和主要風(fēng)巷，無軌巷道不得低于2m，采區(qū)準(zhǔn)備巷道和大、中型礦井采煤工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷，中厚煤層、厚煤層不得低于2m，薄煤層不得低于1.Sm。由于所述控制系統(tǒng)硬件組成體積較小，對液壓載重車的高度無影響。綜上所述，應(yīng)用了所述動車組協(xié)調(diào)作業(yè)控制系統(tǒng)的無軌輪式液壓載重動車組可以在井下巷道內(nèi)很好的實(shí)施各車間的轉(zhuǎn)向、直行的協(xié)調(diào)作業(yè)，并可以實(shí)現(xiàn)遙控駕駛或無人自動駕駛。圖像識別導(dǎo)航屬于非接觸式距離測量技術(shù)，故在井下巷道內(nèi)有很好的可操作性；考慮到井下環(huán)境復(fù)雜、光線較暗、污染較大等因素，本發(fā)明設(shè)置的人工標(biāo)示物使用了自發(fā)光原理，所發(fā)射的光線為固定頻率及波長的光線，該光線不受井下的環(huán)境光及其它光源光線的影響，攝像頭只能識別該固定頻率及波長的光線，從而達(dá)到識別標(biāo)示物、定位車體姿態(tài)的目的；接收到的圖像需經(jīng)過處理，并由處理器識別圖像，通過相應(yīng)的設(shè)定程序，經(jīng)過分析和計(jì)算后確定本車姿態(tài)，并計(jì)算出最優(yōu)軌跡，執(zhí)行系統(tǒng)接收軌跡信息后控制電控部分，使得比例閥達(dá)到相應(yīng)的開度，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向油缸動作，最終控制車輪轉(zhuǎn)過一定角度，達(dá)到車體循跡運(yùn)行的目的；整個(gè)車組只頭車設(shè)置攝像頭即可，頭車攝像頭識別標(biāo)示物信息，確定車體的姿態(tài)，而其它后續(xù)車不設(shè)置攝像頭；動車組采用了 CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，各車的姿態(tài)信息可以經(jīng)由總線系統(tǒng)暢通的實(shí)時(shí)傳輸；針對動車組協(xié)調(diào)作業(yè)的形式，設(shè)計(jì)了動車組各車間串連的控制模式，使得動車組成為一個(gè)可控的有機(jī)整體，而通過程序設(shè)定，可以講軌跡信息在車體間延時(shí)傳遞；控制思想的軟件實(shí)現(xiàn)采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)，不同模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，而不同模塊的組合就可以實(shí)現(xiàn)多種功能，拓寬了該控制策略的應(yīng)用范圍；控制器的控制算法可以采用模糊控制、自適應(yīng)控制、H °o控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等算法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)了井下巷道內(nèi)無軌輪式液壓載重車組的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向等作業(yè)，并可拓展為人工遙控駕駛或無人自動駕駛，很好的解決了巷道內(nèi)人員不能精確操控液壓運(yùn)輸車輛的問題，避免了人工操作液壓載重車作業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，使多車組協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向等高難度作業(yè)成為可能，提高了井下采掘、支護(hù)等重型設(shè)備運(yùn)輸?shù)男?，極大的增加了運(yùn)輸時(shí)的可靠性。


圖1人工標(biāo)示物擺放示意圖；圖2車載攝像頭安裝位置示意圖；圖3為車載攝像頭獲取的識別圖像；圖4頭車信息流程圖；圖5車體軌跡信息在各車間傳遞示意圖；圖6車體控制框圖；圖7a車組直線行走時(shí)的協(xié)調(diào)作業(yè)示意圖；圖7b車組轉(zhuǎn)直角彎時(shí)的協(xié)調(diào)作業(yè)示意圖；圖8單車轉(zhuǎn)彎軌跡示意圖。圖中:1-巷道頂2-巷道底3-巷道壁4-標(biāo)示物5-車載攝像頭6_車載處理器7_車體
具體實(shí)施例方式1.圖像識別導(dǎo)航系統(tǒng)如圖1所示，在巷道壁內(nèi)兩側(cè)每隔一段固定的距離設(shè)立一個(gè)人工標(biāo)示物，該標(biāo)示物可以為車載攝像頭識別，并從其它環(huán)境區(qū)別開來。而圖2為車載攝像頭安裝位置示意圖，該攝像頭設(shè)置在頭車的前部，可以很好的捕獲環(huán)境的實(shí)時(shí)圖像。車體的位姿確定由圖像識別系統(tǒng)測定，如圖3所示，車體處于不同的位姿時(shí)，車體的識別圖像是不同的，此時(shí)，圖中所示的紅色中心線的相對位置就會發(fā)生變化，車載攝像頭捕獲環(huán)境中的圖像信息，識別圖像中的人工標(biāo)示物，同時(shí)該識別圖像信息通過總線系統(tǒng)傳遞給車載處理器，處理器經(jīng)過程序計(jì)算出最優(yōu)的行車軌跡。2.動車組協(xié)調(diào)作業(yè)控制策略如圖4所示，為頭車接收識別圖像及傳遞的流程圖。將車載處理器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)合稱為車載控制器，頭車作為整個(gè)車組的軌跡源，在車體前部搭載了攝像頭，攝像頭實(shí)時(shí)捕獲周圍環(huán)境的識別圖像，并將圖像信息傳遞給車載處理器，處理器經(jīng)過計(jì)算得出行車的最優(yōu)軌跡，進(jìn)而確定了各執(zhí)行元件的動作順序、動作幅度等信息，經(jīng)過信號的變換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺M(jìn)而控制各閥的開度，最終控制車體閥控缸的伸縮量，也就控制了車體的行走姿態(tài)。此時(shí)，頭車的行走軌跡就確定了，在不斷執(zhí)行行走軌跡的同時(shí)，將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行情況，即車體實(shí)際的行走軌跡反饋給車載處理器，這樣就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，提高了車體的控制精度。如圖5所示，為車體軌跡信息在各車間傳遞示意圖。該示意圖體現(xiàn)了整個(gè)車組的協(xié)調(diào)作業(yè)控制思想。當(dāng)前車的軌跡確定后，前車控制器會實(shí)時(shí)控制本車的姿態(tài)，并將本車構(gòu)成一個(gè)相對獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對車體實(shí)際行進(jìn)軌跡進(jìn)行微調(diào)。所述的軌跡信息包括車體與巷道壁之間的距離、車體的行進(jìn)速度等。進(jìn)過一定時(shí)間At后，前車的軌跡信息將延時(shí)傳遞給后車，即后車接收的信號是經(jīng)過特定時(shí)間延時(shí)后的滯后信號，該滯后時(shí)間保證了兩車間保持這相對固定的距離，這樣，前后車的連接不必使用剛性連接，使用軟性連接即可。同時(shí)，車體間相對距離固定，有助于及時(shí)進(jìn)行車體間的調(diào)節(jié)，可以在一定程度上減小車體碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。圖7為車組多車協(xié)調(diào)作業(yè)示意圖。在直線行進(jìn)時(shí)，多車組的行走軌跡如圖中虛線所示，因設(shè)定的人工標(biāo)示物為左右巷道壁對稱布置，故采取中線最優(yōu)軌跡的行走方式有利于車體在巷道內(nèi)的作業(yè)及姿態(tài)調(diào)整，同時(shí)也有利于攝像頭對人工標(biāo)示物的識別。圖7.a為車組直線行走時(shí)的示意圖，頭車沿著進(jìn)過計(jì)算產(chǎn)生的最優(yōu)軌跡，即中線軌跡行進(jìn)，軌跡信息上傳至總線系統(tǒng)，并經(jīng)過At的延時(shí)后，被后車車載處理器下載，經(jīng)過處理后傳化為相應(yīng)的信號，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收信號，進(jìn)而控制車體沿著制定的軌跡運(yùn)動，從而達(dá)到協(xié)調(diào)作業(yè)的目的；而圖7.b為車組轉(zhuǎn)彎時(shí)的協(xié)調(diào)行走示意圖，如圖中所示，當(dāng)轉(zhuǎn)直角彎時(shí)，車體的轉(zhuǎn)彎軌跡為一個(gè)與直行軌跡相切的圓弧，轉(zhuǎn)彎半徑為R，單車的轉(zhuǎn)向方式可以為分段轉(zhuǎn)向方式或全路段八字轉(zhuǎn)向方式，前車分段轉(zhuǎn)向，為半八字轉(zhuǎn)向、八字轉(zhuǎn)向及中心回轉(zhuǎn)的組合式轉(zhuǎn)向方式，而后者則只采用八字轉(zhuǎn)向方式，采用八字轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向中心與轉(zhuǎn)彎半徑中心的關(guān)系如圖8所示，當(dāng)車體的轉(zhuǎn)彎半徑與轉(zhuǎn)向半徑滿足特定關(guān)系后，車體才能順利過彎，而車體轉(zhuǎn)彎半徑的軌跡是有頭車經(jīng)過圖像識別處理后，處理器計(jì)算而來的精確最優(yōu)軌跡，各車體接收這一軌跡后經(jīng)過處理并分析 ，控制各車體的轉(zhuǎn)向，同時(shí)也達(dá)到了多車組協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向的目的。所述多車組協(xié)調(diào)作業(yè)的控制思想，可以應(yīng)用于單人駕駛動力原車、無人遙控駕駛動力原車及無人自動駕駛等。通過改變車載控制器的控制策略，可以完成多種任務(wù)。由于所述發(fā)明的控制思想是基于車載控制器間的信息傳輸，而不是利用單車之間的固定連接而定位的，故所述發(fā)明在實(shí)際應(yīng)該中可以只在車體間進(jìn)行軟連接，即不需要使用剛性桿件等物體連接車體，車體的位姿控制完全通過軌跡信息來決定，這樣不僅使得整個(gè)車組的控制性更加可靠，而且也增加了車組的單車個(gè)數(shù)，從而進(jìn)一步提高了設(shè)備的轉(zhuǎn)場效率。該發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)井下無軌輪式液壓載重車的多車組協(xié)調(diào)運(yùn)行，應(yīng)用該發(fā)明可以很好的在煤礦等礦井下實(shí)施液壓載重車的運(yùn)輸作業(yè)。該發(fā)明可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工作情況，靈活的調(diào)整人工標(biāo)示物的擺放位置，從而增加了該發(fā)明的適用范圍。開放式的設(shè)計(jì)可以將多車組串聯(lián)為整體，根據(jù)系統(tǒng)本身的程序?qū)崿F(xiàn)多車組的協(xié)同作業(yè)，因此該發(fā)明有很好的實(shí)用價(jià)值。而所述控制策略可以根據(jù)實(shí)際工況，在改動系統(tǒng)程序后應(yīng)用于普通液壓平板車多車組協(xié)同作業(yè)，亦可以實(shí)現(xiàn)普通平板車多車組有人駕駛、人工遙控駕駛乃至無人駕駛，從而提高設(shè)備的利用率。因此，該發(fā)明在工業(yè)領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種巷道無軌式液壓載重車的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向控制方法，其特征是:將識別攝像機(jī)安放于動車組頭車的前部，在動車組的每個(gè)車體上安裝有車載處理器，所有車載處理器與CAN總線系統(tǒng)連接，人工將發(fā)光標(biāo)示物安放于礦井巷道壁上，攝像機(jī)對巷道壁上的標(biāo)示物進(jìn)行識別；頭車車載處理器收集攝像機(jī)對標(biāo)示物的識別信號以及車體姿態(tài)信息并計(jì)算出相應(yīng)的最優(yōu)化運(yùn)行軌跡，由頭車執(zhí)行機(jī)構(gòu)處理軌跡信息，并控制頭車車體沿著最優(yōu)軌跡運(yùn)行，同時(shí)軌跡信息延時(shí)上傳至CAN總線系統(tǒng)，后續(xù)車輛的車載處理器從CAN總線系統(tǒng)中下載頭車的軌跡信息，并運(yùn)算跟蹤前車運(yùn)動軌跡所需的幾何參數(shù)，進(jìn)而確定本車的運(yùn)動軌跡，且在循跡運(yùn)動的過程中兩車的距離保持一定；后續(xù)車輛處理器處理該信息并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動作，循跡運(yùn)行；與此同時(shí)，后續(xù)車輛處理器經(jīng)過運(yùn)行后，以延時(shí)信號的方式將軌跡信息傳遞給下一車的車載處理器，下一車的車載處理器根據(jù)此信息進(jìn)行軌跡調(diào)整，以此類推，最終達(dá)到動車組各車間協(xié)調(diào)作業(yè)的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巷道無軌式液壓載重車的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向控制方法，其特征是:所述人工發(fā)光標(biāo)示物所發(fā)射的光線為固定頻率及波長的光線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巷道無軌式液壓載重車的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向控制方法，其特征是:所述攝像頭只能識 別工發(fā)光標(biāo)示物發(fā)出的固定頻率及波長的光線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種巷道無軌式液壓載重車的協(xié)調(diào)直行、轉(zhuǎn)向控制方法，其特征是將識別攝像機(jī)安放于動車組頭車的前部，在動車組的每個(gè)車體上安裝有車載處理器，所有車載處理器與CAN總線系統(tǒng)連接，人工將發(fā)光標(biāo)示物安放于礦井巷道壁上，攝像機(jī)對巷道壁上的標(biāo)示物進(jìn)行識別，根據(jù)人工發(fā)光標(biāo)示物導(dǎo)航作用，通過車載處理器自動尋找最優(yōu)化軌跡，并將該軌跡信息上傳CAN總線系統(tǒng)，后車下載該信息，自動跟進(jìn)，達(dá)到動車組各車間的協(xié)調(diào)直行，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向。本發(fā)明既可以實(shí)現(xiàn)人工操作，也可采用全自動無人駕駛方式，避免人為駕駛操作失誤帶來的安全隱患。
文檔編號B61L27/00GK103223960SQ20131010206
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者趙靜一, 郭銳, 劉晨, 唱榮蕾 申請人:燕山大學(xué)