一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法

技术领域

本发明涉及矿山车辆技术领域，具体为一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法。

背景技术

地下矿山位于地下深处的矿产资源开采场所，通过挖掘和建设隧道、井道等方式来获得地下的矿产资源地下矿山，可以开采各种类型的矿产资源，地下矿山开采需要采用各种矿山工程技术和设备，如掘进机、矿山提升设备、通风系统等，以确保矿工的安全，并高效地提取矿石。地下矿山的开采深度和复杂程度取决于矿产资源的类型和分布情况。

而矿山车辆自动运行方法是指在矿山内，通过使用自动化技术和智能控制系统，使矿山车辆能够在没有人工干预的情况下，自主完成运输和作业任务，通常车辆配备全球定位系统(GPS)接收器，通过接收卫星信号确定车辆的位置和目标位置，从而实现自动导航和路径规划，利用激光传感器测量车辆与周围环境的距离，从而避免与障碍物碰撞，并保持在指定的车道上行驶，通过采用这些自动运行方法，矿山车辆可以实现更高的生产效率、更安全的运行，并减少人工干预所带来的风险。

地下行车巷道路线固定，属于封闭区域内的作业，车辆在固定区域内，往返于装载点与卸载点，循环完成运输作业。而每一轮运输作业中，车辆需要经过的路径是相同的，即需要将相同的转向操作重复执行，而地下行车巷道与地面开阔道路不同，地下行车巷道内，车辆被巷道包裹，在穿过车轴并垂直于地面的平面内是封闭的，这样的运行环境便于车辆利用各类型测距传感器进行自动驾驶控制，然而目前传统的地下矿山一般采用有轨车辆进行运输，成本较高，路线变更不易，少有的无轨车辆自动运行依靠车辆周身传感器以及预设路线，在监控里程数前提下进行运行，由于需要对于里程数进行提前规划，这就导致了不同规格的车辆或者进行线路变更时要同步的进行里程数调整，因此亟需一种不需要监控里程数的，更加经济的地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法来解决此类问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法，解决现有技术中存在的有轨车辆进行运输，成本较高，路线变更不易，而不同规格的无轨车辆或者进行线路变更时要同步的进行里程数调整的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现，本发明提供了一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法，该方法包括：

传感器安装与感知，车内内置微处理器用于接收采集数据和数据置信度判定筛选，同时在车辆的前、侧、后四个方向安装非单一类型的测距传感器，包括激光雷达、红外传感器、超声波传感器，用于感知车辆周围的环境和障碍物，实时获取障碍物与车辆的距离和位置信息；

交岔口识别状态机布置，布置交岔口识别状态机，状态机包括三个状态：直行状态、左转状态和右转状态，状态机根据车辆所处的状态和传感器数据自动切换到不同的状态，执行相应的转弯指令；

计数变量优化行车路线，在交岔口识别状态机中，预先设定路径表，记录了行车路线上每次经过交岔口时的转弯指令；

灵活路径规划，内置计数命令，根据计数命令的指令和当前车辆所处的状态，实时选择相应的转弯指令。

本发明进一步地设置为：所述传感器安装与感知步骤中，传感器数量根据被控制车辆长度进行选择；

当车辆收到启动运行的信号后，测距传感器开始采集车辆与车辆周围阻挡物体的距离，并启动发动机或者电动机驱动车辆向前行驶；

处理器收集到各个方向测距传感器的数据后，根据各个方向上的测距传感器所采集数据的所在区间不同，判断车辆所处位置，并对转向器执行不同的命令；

通过车辆侧方向上的测距传感器采集的数据，经过微处理器PID运算，输出一个相应的控制值给转向器；

转向器控制车辆转向，使得车辆行驶过程中始终与巷道的岩壁保持一个安全距离；

本发明进一步地设置为：所述传感器安装与感知步骤中的PID算法的控制式为：

式中，e(t)＝r(t)-c(t)，K

本发明进一步地设置为：所述布置交岔口识别状态机具体步骤包括：

定义三个状态，包括直行状态、左转状态和右转状态，每个状态代表车辆在交岔口的不同行驶方向，直行状态表示车辆将继续直行，左转状态表示车辆将左转，右转状态表示车辆将右转；

交岔口识别状态机中，同一位置的转向器输出角度相同，即转向角度相同；

交岔口识别状态机根据车辆在交岔口的行驶状态和传感器数据，确定状态之间的转换条件；

本发明进一步地设置为：所述确定状态之间的转换条件具体为：

设巷道宽度为D，安装在车前方的测距传感器测距值L

路口类型判断：

仅左转：

仅右转：

可直行和左转的T型路口：

可直行和右转的T型路口：

可右转和左转的T型路口：

十字路口：

运行过程中，当任意传感器小于最小安全值D

10秒后若传感器测距值变化，大于D

本发明进一步地设置为：所述灵活路径规划步骤中，当车辆未行驶至巷道交岔口的时候，车辆通过PID控制转向器沿巷道无碰撞向前行驶，当车辆行驶至只有一条路径可选择需要转弯的路段时，系统根据测距传感器测距值类型选择正确的转弯命令通过路口；

本发明进一步地设置为：所述灵活路径规划步骤中，当车辆行驶至十字路口以及有多种行驶路径可选择的巷道交岔口时，按照计数命令执行转向，具体的：

计数命令控制车辆执行当前行驶路线上每次经过此类型巷道交岔口时的预先设定好的转弯指令；

设一条行驶路线上需要经过两次十字路口型巷道交叉口，在第一个十字路口直行，在第二个十字路口左转；

当车辆抵达第一个十字路口时，根据车辆各个方向的测距传感器测距值类型判断车辆正处于十字路口时，十字路口计数指令变量被赋值为“1”，当变量为“1”的时候车辆执行转向、左转、右转的命令。

(三)有益效果

本发明提供了一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法。具备以下有益效果：

本发明所提供的一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法通过在车辆的前、侧、后四个方向安装多个测距传感器来感知车辆周围的环境，并结合PID控制算法来实现自动转向和避免碰撞，本方法通过在四个方向安装多个类型的传感器，可以实现对车辆周围环境的全方位感知，不同类型传感器的融合可以增强感知的准确性和鲁棒性，有效应对地下矿山复杂多变的地质环境，同时利用测距传感器在交岔口处检测的距离变化，结合特定的识别逻辑，实现对不同类型交岔口的识别，从而指导车辆正确执行转弯命令，采用PID控制算法的运用确保了车辆的稳定性和鲁棒性，特别是在地下矿山矿车类型和转向系统多样的情况下，能够较好地适应不同车型的控制，再通过使用计数变量来优化车辆在一条运输路线上的转弯路径，可以实现自动化行驶过程中按照预设的路径规划进行转弯操作，从而使车辆能够按照设定的路线规划自主行驶。

本发明所采用的地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法仅依靠数个测距传感器作为感知设备，对车辆的转向机构和动力装置进行有限的无人化改造，在固定的路线内，控制车辆循环自动运行，在无驾驶员情况下实现车辆自主避障和行驶，低成本实现地下无轨胶轮运输车辆的自动驾驶自主运行。

解决了现有技术中心存在的有轨车辆进行运输，成本较高，路线变更不易，而不同规格的无轨车辆或者进行线路变更时要同步的进行里程数调整的问题。

附图说明

图1为本发明的地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法的流程图；

图2为本发明的车辆自动运行方法执行器转向判断流程图；

图3为本发明的车辆自动运行方法中PID算法的控制原理图；

图4为本发明的执行器转向输出图；

图5为本发明的车辆自动运行方法中T路口示意图；

图6为本发明的车辆自动运行方法中十字路口示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。

实施例

请参阅图1-图6，本发明提供一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法，包括如下步骤：

S1、传感器安装与感知，车内内置微处理器用于接收采集数据和数据置信度判定筛选，同时在车辆的前、侧、后四个方向安装非单一类型的测距传感器，包括激光雷达、红外传感器、超声波传感器，用于感知车辆周围的环境和障碍物，实时获取障碍物与车辆的距离和位置信息；

传感器数量根据被控制车辆长度进行选择；数量越多车辆防碰撞效果越好；

当车辆收到启动运行的信号后，测距传感器开始采集车辆与车辆周围阻挡物体的距离，并启动发动机或者电动机驱动车辆向前行驶；

处理器收集到各个方向测距传感器的数据后，根据各个方向上的测距传感器所采集数据的所在区间不同，判断车辆所处位置，并对转向器执行不同的命令；

其过程如图2所示，通过车辆侧方向上的测距传感器采集的数据，经过微处理器PID运算，输出一个相应的控制值给转向器；

转向器控制车辆转向，使得车辆行驶过程中始终与巷道的岩壁保持一个安全距离，不会发生碰撞，实现沿墙壁行走；

PID控制算法结构简单，对误差和扰动模型的建立具有稳定性容易操作，同时PID控制算法的运用确保了车辆的稳定性和鲁棒性，特别是在地下矿山矿车类型和转向系统多样的情况下，能够较好地适应不同车型的控制，PID算法在矿山矿车场景下较为适用；

传感器安装与感知步骤中的PID算法的控制式为：

式中，e(t)＝r(t)-c(t)，K

S2、交岔口识别状态机布置，布置交岔口识别状态机，状态机包括三个状态：直行状态、左转状态和右转状态，状态机根据车辆所处的状态和传感器数据自动切换到不同的状态，执行相应的转弯指令；

S3、计数变量优化行车路线，在交岔口识别状态机中，预先设定路径表，记录了行车路线上每次经过交岔口时的转弯指令，例如，对于经过两次十字路口型巷道交叉口的行车路线，路径表中第一个交岔口对应直行指令，第二个交岔口对应左转指令；

定义三个状态，包括直行状态、左转状态和右转状态，每个状态代表车辆在交岔口的不同行驶方向，直行状态表示车辆将继续直行，左转状态表示车辆将左转，右转状态表示车辆将右转；

交岔口识别状态机中，同一位置的转向器输出角度相同，即转向角度相同；

交岔口识别状态机根据车辆在交岔口的行驶状态和传感器数据，确定状态之间的转换条件；

在行车巷道内，巷道转角是固定的，车辆每次经过相同的路口需要转向器转过的角度以及持续时间几乎是相同的，即使有略微的偏差，转弯过程结束后，系统转到PID控制时，误差会被修复，被控制车辆的转弯半径是固定的，同一位置巷道转角是固定的，所以同一位置需要转向器输出的转向角度是一样的，转向器在巷道交岔口处会执行左转、右转和直行三类命令，微处理器根据不同位置测距传感器的数据所在的区间特征，来判断车辆所处交岔口类型，对转向器下达相应的转向命令。

确定状态之间的转换条件具体为：

设巷道宽度为D，安装在车前方的测距传感器测距值L

车辆在一条巷道内行驶，未经过巷道交岔点时，车辆通过位于车辆两侧的L

路口类型判断：

仅左转：

仅右转：

可直行和左转的T型路口：

可直行和右转的T型路口：

可右转和左转的T型路口：

十字路口：

运行过程中，当任意传感器小于最小安全值D

10秒后若传感器测距值变化，大于D

对交岔口的识别逻辑：

车辆在巷道内行驶，巷道宽度有限，安装在车两侧的测距传感器连续检测车辆距巷道岩壁的距离，巷道宽度一定，测距传感器传回的数据不会大于巷道宽度，且连续和相对稳定，当车辆行驶至交岔点处，与车辆行驶方向垂直的横向空间会迅速扩大，这样的空间变化会直接反应在测距传感器检测的数值上。

如图5所示，当车辆继续向前行驶，安装于车身左侧的测距传感器在车辆刚刚进入路口时，其检测到的距离值会从小于巷道宽度的D

当车辆行驶至如图6所示的十字路口，车辆两侧的测距传感器测距值会同时从小于巷道宽度的距离值D跳变至一个大于巷道宽度的值，车辆前方的测距传感器会检测到前方依旧有很大空间，系统以这样的传感器测距值特征判断车辆到达了一个十字路口；

S4、灵活路径规划，内置计数命令，根据计数命令的指令和当前车辆所处的状态，实时选择相应的转弯指令；

当车辆未行驶至巷道交岔口的时候，车辆通过PID控制转向器沿巷道无碰撞向前行驶，当车辆行驶至只有一条路径可选择需要转弯的路段时，系统根据测距传感器测距值类型选择正确的转弯命令通过路口；

当车辆行驶至十字路口以及有多种行驶路径可选择的巷道交岔口时，按照计数命令执行转向，具体的：

计数命令控制车辆执行当前行驶路线上每次经过此类型巷道交岔口时的预先设定好的转弯指令；

设一条行驶路线上需要经过两次十字路口型巷道交叉口，在第一个十字路口直行，在第二个十字路口左转；

当车辆抵达第一个十字路口时，根据车辆各个方向的测距传感器测距值类型判断车辆正处于十字路口时，十字路口计数指令变量被赋值为“1”，当变量为“1”的时候车辆执行转向、左转、右转的命令；

行车路线：车辆在一条运输路线上往复运行时，其每次循环经过的各种类型的巷道交岔口类型和次数是一样的，当车辆未行驶至巷道交岔口的时候，车辆通过PID控制转向器沿巷道无碰撞向前行驶，当车辆行驶至只有一条路径可选择需要转弯的路段时，比如左转或者右转路口，系统根据测距传感器测距值类型选择正确的转弯命令通过路口；

而当车辆行驶至十字路口或者有多种行驶路径可选择的巷道交岔口时，程序内部有一个计数命令，程序会控制车辆执行当前行驶路线上每次经过此类型巷道交岔口时的预先设定好的转弯指令，例如一条行驶路线上需要经过两次十字路口型巷道交叉口，在第一个十字路口直行，在第二个十字路口左转，当车辆抵达第一个十字路口时，根据车辆各个方向的测距传感器测距值类型判断车辆正处于十字路口时，程序内的代表十字路口的用于计数指令的变量会被赋值为“1”，程序设定当这个变量为“1”的时候车辆执行直行的命令，由此就完成了车辆在第一个路口直行，同理完成在第二个路口的左转，一条路线上的程序中，路线上有几种类型多种行驶路径选择的路口就设定几个这样计数变量，再根据行驶路线要求，分别对这些变量对应的值设定相应的转向命令。

综合以上内容，在本申请中：

本发明所提供的一种地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法通过在车辆的前、侧、后四个方向安装多个测距传感器来感知车辆周围的环境，并结合PID控制算法来实现自动转向和避免碰撞，本方法通过在四个方向安装多个类型的传感器，可以实现对车辆周围环境的全方位感知，不同类型传感器的融合可以增强感知的准确性和鲁棒性，有效应对地下矿山复杂多变的地质环境，同时利用测距传感器在交岔口处检测的距离变化，结合特定的识别逻辑，实现对不同类型交岔口的识别，从而指导车辆正确执行转弯命令，采用PID控制算法的运用确保了车辆的稳定性和鲁棒性，特别是在地下矿山矿车类型和转向系统多样的情况下，能够较好地适应不同车型的控制，再通过使用计数变量来优化车辆在一条运输路线上的转弯路径，可以实现自动化行驶过程中按照预设的路径规划进行转弯操作，从而使车辆能够按照设定的路线规划自主行驶。

本发明所采用的地下矿山无轨胶轮车辆自动运行方法仅依靠数个测距传感器作为感知设备，对车辆的转向机构和动力装置进行有限的无人化改造，在固定的路线内，控制车辆循环自动运行，在无驾驶员情况下实现车辆自主避障和行驶，低成本实现地下无轨胶轮运输车辆的自动驾驶自主运行。

在本发明的实施例的描述中，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。