一种煤矿井下防爆蓄电池轨道电机车自主定位方法与流程

1.本发明涉及一种定位系统，具体涉及一种煤矿井下防爆蓄电池轨道电机车自主定位方法，属于煤矿电机车领域。


背景技术：

2.电机车是煤矿辅助运输的主要方式，承担着人员、设备和材料等运输的重要任务。目前完全依赖司机控制车辆，而司机疲劳等人为因素易导致非主观超速、闯红灯、车辆追尾等安全问题。
3.现有的煤矿电机车在使用中主要采用射频指纹匹配方法实现定位，多应用于室外环境或环境良好室内场所；在限定空间定位方面，主要通过wifi、蓝牙或nfc等技术提供无线定位。定位的精度有待提高，对于电机车的定位精度不够精确，易引发电机车事故。电机车的刹车系统也是引起事故的主要原因之一，在电机车行驶过程中，车辆无法对轨道上的杂物进行清理，使得轨道上堆积的煤炭杂物会影响车轮和刹车部件的正常使用，严重的情况下会导致车辆脱轨。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的问题，本发明提供了一种煤矿井下防爆蓄电池轨道电机车自主定位方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种煤矿井下防爆蓄电池轨道电机车自主定位方法，该定位方法包括以下步骤：
7.s1、煤矿井下动态地图构建，激光雷达以10hz以上的频率扫描周边环境，并将数据传递给车载控制器，车载控制器根据点云分布图进行动态地图构建；
8.s2、井下电机车精准定位，采用静态精确定位、动态精确定位以及多轨道横向定位方式进行定位；
9.s3、多种动态定位方式的融合，井下电机车正常行驶时，大多采用激光雷达定位的方式，在巷道特征不明显、激光雷达不能有效分别的区段采用惯性定位；在巷道关键点位置采用无源标识卡rfid校正，多种动态定位技术融合，从而实现电机车自主定位；其中，
10.所述的电机车包括刹车机构，所述刹车机构包含有车轮和刹车盘，电机车的底部两侧均转动安装有若干个车轮，刹车盘通过固定轴与电机车的车轴连接，车轮安装在刹车盘远离车轴的一端；
11.所述电机车的一端底部安装有铲板，且电机车的端部在铲板的上方安装有两个可水平移动的推板，推板的一端连接有横杆，电机车的内部下方设置有安装槽，横杆的一端延伸至安装槽的内部且通过若干根拉簧与安装槽的内端连接，安装槽的两侧内壁均沿长度方向设置有滑轨，横杆的两侧均沿长度方向设置有与滑轨相适配的滑槽，滑轨滑动安装在滑槽的内部，横杆远离推板的一端底部两侧均连接有竖杆，竖杆远离推板的一侧底部转动安装有滚轮，且安装槽内部靠近推板的一端与竖杆之间安装有第一气囊，第一气囊的底部连
接有多根风管；电机车的底部两侧均转动安装有粉碎杆，粉碎杆的顶部延伸至安装槽的内部连接有齿轮，且横杆的外壁连接有与齿轮相啮合的齿条；
12.靠近所述推板一端的固定轴外部沿圆周方向连接有若干个支撑杆，支撑杆远离固定轴的一端连接有端部锤，端部锤可与滚轮接触。
13.优选的，所述s1中煤矿井下动态地图构建的具体步骤如下：
14.①
激光雷达扫描井下巷道，将三维空间物体分布转换成点云图；
15.②
环境特征提取；
16.车载控制器对点云图进行处理，进行环境特征提取，比如巷道墙壁特征，轨道特征、特殊标识物等；
17.③
特征匹配对齐；
18.电机车速度已知，通过can通信实时发送给车载控制器；激光雷达产生的点云图包含物体坐标(x,y,z,roll,pitch,yaw)，分别为三维坐标x，y，z，x旋转角度，y旋转角度，z旋转角度；
19.电机车移动时，在雷达扫描范围内进行特征提取的同时，需结合电机车速度、rfid标识卡在不同位置进行对比匹配，依次建立煤矿井下巷道地图模型。所述s2中的静态精确定位如下：
20.以下两种情况采用uwb定位：一：处于静止状态，uwb定位静态误差较小(小于30cm)；二：电机车处于刚开机状态，电机车刚开机时，激光雷达处于刚开启状态，此时不能精准判别出自身位置，此时采用uwb定位，当电机车运行速度上升后采用动态精准定位。
21.优选的，所述s2中的动态精准定位包括基于激光雷达动态地图的定位、惯性定位以及无源标识卡rfid校正；所述基于激光雷达动态地图的定位过程和地图构建过程类似，主要过程如下：
22.①
激光雷达扫描井下巷道，将三维空间物体分布转换成点云图；
23.②
环境特征提取；
24.③
特征匹配对齐，将提取的环境特征和建立的地图模型进行匹配，从而实现精确定位；所述惯性定位为：通过can总线将转速、方向发送给无人驾驶控制器，控制器根据运行方向和转速可计算得到电机车的运行距离；
25.所述无源标识卡rfid校正为：在巷道特征不明显、巷道关键位置，如：巷道转弯处，限速区段，禁行区段等采用无源标识卡rfid进行定位校正；无源标识卡rfid安装在井下巷道轨道中间，矿用本安型读卡器放于电机车底部用于扫描rfid无源标识卡；每个无源标识卡rfid拥有唯一地址信息id，结合已创建地图在巷道关键点处放置rfid卡；电机车运行过程中通过矿用本安型读卡器扫描rfid卡，通过tcp/ip协议将rfid的内置地址编码发送给无人驾驶控制器，控制器反向解析得到电机车的位置，以此对激光雷达定位进行修正并对巷道关键点进行雷达定位和rfid定位，提高自主定位系统的可靠性；
26.所述多轨道横向定位采用无源标识卡rfid技术；每个轨道中间间隔布置带有轨道标识信息的无源标识卡rfid，电机车运行时，车载读卡器依次扫描相应的rfid,这样车载无人驾驶控制器即可判断所处具体轨道，实现横向定位。
27.包括刹车机构，所述刹车机构包含有车轮和刹车盘，电机车的底部两侧均转动安装有若干个车轮，刹车盘通过固定轴与电机车的车轴连接，车轮安装在刹车盘远离车轴的
一端。
28.优选的，所述端部锤为球形设置，且滚轮安装在端部锤与推板之间，风管在第一气囊的底部呈倾斜设置，且风管的出风口朝向车轮。
29.优选的，所述粉碎杆的上方通过轴承与电机车转动安装，粉碎杆的下方外壁连接有螺旋形的破碎刀。
30.优选的，所述推板朝向电机车的一端连接有套筒，套筒套装在承载杆的外部，承载杆的另一端与电机车固定连接，横杆从承载杆的内部贯穿。
31.优选的，所述电机车的底部安装有装载箱，装载箱的两侧端部均安装有安装杆，安装杆的外部安装有若干个摄像头，且电机车的两侧均转动安装有侧板。
32.优选的，所述侧板的上方两侧均连接有第一支架，第一支架与电机车的侧壁转动安装，侧板靠近电机车一侧的上方转动两侧均通过第二支架转动安装有液压柱，液压柱的另一端与电机车连接，侧板靠近电机车一侧的下方还安装有第二气囊，且侧板在第二气囊的两侧均开设有收纳槽，收纳槽的内部转动安装有受力杆，受力杆远离液压柱的一端通过销轴与侧板转动安装，受力杆的另一端与磁铁板磁力粘接，且磁铁板与收纳槽的内部上方固定连接。
33.优选的，所述刹车盘的外部卡接有刹车钳，刹车钳与电机车固定连接；且电机车的顶部一端设置有用于安装电气元件的控制箱。
34.本发明的有益效果：
35.1、通过设置推板和铲板，使得车轮转动过程中，支撑杆端部的端部锤与滚轮接触，对滚轮进行推动，进而带动竖杆以及横杆向铲板的一端进行移动，从而带动推板进行移动。端部锤与滚轮脱离后，拉簧拉动推板向电机车移动，竖杆和横杆回到原来的位置。推板的前后移动能对电机车前方的堆积的杂物进行推动，将杂物推倒，随后电机车底部的铲板能将电机车移动轨道上的杂物进行铲除，避免杂物影响电机车的正常运行。
36.2、通过安装第一气囊，使得竖杆在安装槽的内部向粉碎杆进行移动时，对第一气囊进行压缩，进而使得第一气囊内部的气体从风管向外排出，排出的气体对轨道上的煤渣或者其他的一些杂物吹动脱落，使得轨道干净整洁，车轮在轨道上移动时更加稳定，不易发生晃动。煤渣不会因车轮的挤压堆积在轨道上，省去了后续轨道的清理，使得电机车在运行过程中不易脱轨，安全性和稳定性得到提升。第一气囊内部的气体可以自由的进出，方便第一气囊可以循环使用。
37.3、通过安装粉碎杆，使得横杆在安装槽的内部移动时，能带动粉碎杆进行转动。粉碎杆转动后能对轨道上的杂物进行破碎，使得体积较大的杂物能被粉碎成小颗粒，方便后续风管排出的气体对杂物进行吹动，最终使得轨道上不易堆积残留杂质，轨道清洁，电机车运行平稳。轨道的清洁过程随着车轮同时进行，车轮转动后能保证轨道的清洁保持清洁。
38.4、通过设置侧板，若发生故障需要工作人员进入运煤巷道的内部进行检修时，工作人员在检修过程中可利用液压柱将侧板支撑开来，侧板在上部能防止上方掉落的物体对工作人员造成损伤，特别是发生煤矿坍塌后，工作人员在侧板的下方能避免被砸伤，侧板下方的空间能为工作人员提供良好的庇护场所。且装载箱内部储存水和食物以及其他的生活必须品可以为工作人员提供良好的生活保障，工作人员检修电机车时具有较高的安全保障。侧板展开后，可向第二气囊的内部充入气体，第二气囊展开后具有缓冲的作用，使得侧
板的防护作用更好。
39.5、本发明采用激光雷达定位，并且融合惯性定位、无源标识卡rfid定位，极大地提高系统定位精度(在30cm以内)。激光雷达定位用于巷道环境特征易区分的巷道区间；惯性定位主要应用于巷道环境特征不明显地方且没有rfid标识卡区段；无源标识卡rfid定位应用于巷道关键位置(巷道转弯处，限速区段，禁行区段等)，对激光雷达定位和惯性定位进行校正。通过三种定位方式进行有机融合提供系统适应性，稳定性及可靠性。
40.电机车的精准定位技术为实现煤矿井下电机车辅助驾驶及自主驾驶提供有力的技术支持，对建设智慧矿山、煤矿减人增效、提高辅助运输安全性能有重要意义。
附图说明
41.为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
42.图1为本发明煤矿井下电机车自主定位方法框图。
43.图2为本发明电机车整体结构示意图。
44.图3为本发明推板与电机车安装结构示意图。
45.图4为本发明支撑杆安装结构示意图。
46.图5为本发明侧板结构示意图。
47.图6为本发明动态地图建图流程图。
48.图7为本发明多种动态定位方式结合示意图。
49.图8为本发明煤矿井下电机车自主定位框图。
50.图9为本发明电机车轨道运行系统示意图。
51.图中：1、电机车；2、控制箱；3、侧板；4、推板；5、套筒；6、铲板；7、车轮；8、安装杆；9、装载箱；10、横杆；11、承载杆；12、滑槽；13、齿条；14、齿轮；15、轴承；16、粉碎杆；17、风管；18、第一气囊；19、竖杆；20、滚轮；21、安装槽；22、拉簧；23、滑轨；24、刹车盘；25、端部锤；26、支撑杆；27、固定轴；28、刹车钳；29、第一支架；30、第二支架；31、液压柱；32、第二气囊；33、磁铁板；34、受力杆；35、收纳槽。
具体实施方式
52.下面将结合实施例对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
53.请参阅图1
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9所示，一种煤矿井下防爆蓄电池轨道电机车自主定位方法，该定位方法包括以下步骤：
54.s1、煤矿井下动态地图构建，激光雷达以10hz以上的频率扫描周边环境，并将数据传递给车载控制器，车载控制器根据点云分布图进行动态地图构建；
55.s2、井下电机车精准定位，采用静态精确定位、动态精确定位以及多轨道横向定位方式进行定位；
56.s3、多种动态定位方式的融合，井下电机车正常行驶时，大多采用激光雷达定位的方式，在巷道特征不明显、激光雷达不能有效分别的区段采用惯性定位；在巷道关键点位置
采用无源标识卡rfid校正，多种动态定位技术融合，从而实现电机车自主定位；其中，
57.所述的电机车包括刹车机构，刹车机构包含有车轮7和刹车盘24，电机车1的底部两侧均转动安装有若干个车轮7，刹车盘24通过固定轴27与电机车的车轴连接，车轮7安装在刹车盘24远离车轴的一端。
58.电机车1的一端底部安装有铲板6，且电机车1的端部在铲板6的上方安装有两个可水平移动的推板4，推板4的一端连接有横杆10，电机车1的内部下方设置有安装槽21，横杆10的一端延伸至安装槽21的内部且通过若干根拉簧22与安装槽21的内端连接，安装槽21的两侧内壁均沿长度方向设置有滑轨23，横杆10的两侧均沿长度方向设置有与滑轨23相适配的滑槽12，滑轨23滑动安装在滑槽12的内部，横杆10远离推板4的一端底部两侧均连接有竖杆19，竖杆19远离推板4的一侧底部转动安装有滚轮20，且安装槽21内部靠近推板4的一端与竖杆19之间安装有第一气囊18，第一气囊18的底部连接有多根风管17；电机车1的底部两侧均转动安装有粉碎杆16，粉碎杆16的顶部延伸至安装槽21的内部连接有齿轮14，且横杆10的外壁连接有与齿轮14相啮合的齿条13。
59.靠近推板4一端的固定轴27外部沿圆周方向连接有若干个支撑杆26，支撑杆26远离固定轴27的一端连接有端部锤25，端部锤25可与滚轮20接触。
60.作为本发明的一种技术优化方案，端部锤25为球形设置，且滚轮20安装在端部锤25与推板4之间，风管17在第一气囊18的底部呈倾斜设置，且风管17的出风口朝向车轮7，第一气囊18内部的气体从风管17向外排出，排出的气体对轨道和车轮7上的煤渣或者其他的一些杂物吹动脱落，使得轨道干净整洁，车轮7在轨道上移动时更加稳定，不易发生晃动。
61.作为本发明的一种技术优化方案，粉碎杆16的上方通过轴承15与电机车1转动安装，粉碎杆16的下方外壁连接有螺旋形的破碎刀，破碎刀有利于将块状的杂质进行粉碎。
62.作为本发明的一种技术优化方案，推板4朝向电机车1的一端连接有套筒5，套筒5套装在承载杆11的外部，承载杆11的另一端与电机车1固定连接，横杆10从承载杆11的内部贯穿，套筒5在承载杆11的外部移动时有利于横杆10的牢固性，使得横杆10受力不易变形。
63.作为本发明的一种技术优化方案，电机车1的底部安装有装载箱9，装载箱9的两侧端部均安装有安装杆8，安装杆8的外部安装有若干个摄像头，且电机车1的两侧均转动安装有侧板3，装载箱9可以放置工作人员日常的生活用品和一些使用的工具。摄像头可以查看电机车1底部的情况，发生状况时可以通过摄像头进行查看。
64.作为本发明的一种技术优化方案，侧板3的上方两侧均连接有第一支架29，第一支架29与电机车1的侧壁转动安装，侧板3靠近电机车1一侧的上方转动两侧均通过第二支架30转动安装有液压柱31，液压柱31的另一端与电机车1连接，侧板3靠近电机车1一侧的下方还安装有第二气囊32，且侧板3在第二气囊32的两侧均开设有收纳槽35，收纳槽35的内部转动安装有受力杆34，受力杆34远离液压柱31的一端通过销轴与侧板3转动安装，受力杆34的另一端与磁铁板33磁力粘接，且磁铁板33与收纳槽35的内部上方固定连接，侧板3对工作人员具有防护的作用。
65.作为本发明的一种技术优化方案，刹车盘24的外部卡接有刹车钳28，刹车钳28与电机车1固定连接；且电机车1的顶部一端设置有用于安装电气元件的控制箱2。
66.本发明在使用时，将电机车1下方的车轮7安装在煤矿巷道内部的轨道上，电机车1内部的蓄电池为电机供电，进而电机能通过车轴带动车轮7在轨道上滚动，从而使得电机车
1在煤矿巷道中中移动。车轮7转动过程中，支撑杆26随之一起转动。支撑杆26转动的过程中，其端部的端部锤25与滚轮20接触，对滚轮20进行推动，进而带动竖杆19以及横杆10向铲板6的一端进行移动，从而带动推板4进行移动。端部锤25与滚轮20脱离后，拉簧22拉动推板4向电机车1移动，竖杆19和横杆10回到原来的位置。推板4的前后移动能对电机车1前方的堆积的杂物进行推动，将杂物推倒，随后电机车1底部的铲板6能将电机车1移动轨道上的杂物进行铲除，避免杂物影响电机车1的正常运行。
67.竖杆19在安装槽21的内部向粉碎杆16进行移动时，对第一气囊18进行压缩，进而使得第一气囊18内部的气体从风管17向外排出，排出的气体对轨道上的煤渣或者其他的一些杂物吹动脱落，使得轨道干净整洁，车轮7在轨道上移动时更加稳定，不易发生晃动。煤渣不会因车轮7的挤压堆积在轨道上，省去了后续轨道的清理，使得电机车在运行过程中不易脱轨，安全性和稳定性得到提升。竖杆19回到原位时，第一气囊18被拉动展开，外部的气体从风管17进入到第一气囊18的内部，使得第一气囊18内部的气体可以自由的进出，方便第一气囊18可以循环使用。
68.横杆10在安装槽21的内部移动时，齿条13随之一起移动，齿条13移动过程中带动齿轮14转动，进而带动粉碎杆16进行转动。粉碎杆16转动后能对轨道上的杂物进行破碎，使得体积较大的杂物能被粉碎成小颗粒，方便后续风管17排出的气体对杂物进行吹动，最终使得轨道上不易堆积残留杂质，轨道清洁，电机车1运行平稳。
69.若电机车1刹车后，车轮7不再转动，横杆10、竖杆19以及粉碎杆16停止运行，轨道的清洁过程随着车轮7同时进行，车轮7转动后能保证轨道的清洁保持清洁。
70.车辆停止后，若发生故障需要工作人员进入运煤巷道的内部进行检修时，工作人员在检修过程中可利用液压柱31将侧板3支撑开来，侧板3在巷道的内部展开后，将受力杆34从收纳槽35的内部拉出，受力杆34与运煤巷道的墙壁抵接，在侧板3的端部进行支撑，使得侧板3展开后稳定性能更好。侧板3在上部能防止上方掉落的物体对工作人员造成损伤，特别是发生煤矿坍塌后，工作人员在侧板3的下方能避免被砸伤，侧板3下方的空间能为工作人员提供良好的庇护场所。且装载箱9内部储存水和食物以及其他的生活必须品可以为工作人员提供良好的生活保障，工作人员检修电机车1时具有较高的安全保障。侧板3展开后，可向第二气囊32的内部充入气体，第二气囊32展开后具有缓冲的作用，使得侧板3的防护作用更好。
71.电机车1在轨道上运行时，需要实时的知道电机车1在轨道上所处的位置，发生意外后能及时的做出补救措施。对电机车1进行定位前，需要建立井下矿用电机车运行区域轨道地图，随后基于井下轨道地图实现静态及动态双精确定位。静态及动态双精确定位通过静态精确定位和动态精确定位以及多轨道横向定位三种定位方式进行实现。具体通过以下步骤操作：
72.1、煤矿井下动态地图构建
73.激光雷达以10hz以上的频率扫描周边环境，并将数据传递给车载控制器，车载控制器根据点云分布图进行动态地图构建。步骤如下：
74.①
激光雷达扫描井下巷道，将三维空间物体分布转换成点云图；
75.②
环境特征提取；
76.车载控制器对点云图进行处理，进行环境特征提取，比如巷道墙壁特征，轨道特
征、特殊标识物等。
77.③
特征匹配对齐。
78.电机车速度已知，通过can通信实时发送给车载控制器。激光雷达产生的点云图包含物体坐标(x,y,z,roll,pitch,yaw)，分别为三维坐标x，y，z，x旋转角度，y旋转角度，z旋转角度。
79.不同于地面建图方式，煤矿井下存在特征不明显的区间，电机车移动时，在雷达扫描范围内进行特征提取的同时，需结合电机车速度、rfid标识卡在不同位置进行对比匹配，依次建立煤矿井下巷道地图模型。下图6为建图流程。
80.2.井下电机车精准定位
81.2.1静态精确定位
82.以下两种情况采用uwb定位：
83.2.1.1、电机车处于静止状态；
84.uwb定位静态误差较小(小于30cm)，uwb定位完全满足系统需求。
85.2.1.2、电机车处于刚开机状态。
86.电机车刚开机时，激光雷达处于刚开启状态，此时不能精准判别出自身位置，此时采用uwb定位，当电机车运行速度上升后采用动态精准定位。
87.2.2动态精准定位
88.2.2.1.基于激光雷达动态地图的定位
89.基于激光雷达动态地图的定位过程和地图构建过程类似，主要过程如下：
90.①
激光雷达扫描井下巷道，将三维空间物体分布转换成点云图；
91.②
环境特征提取；
92.③
特征匹配对齐，将提取的环境特征和建立的地图模型进行匹配，从而实现精确定位。
93.2.2.2.惯性定位
94.电机车转速已知，通过can总线将转速、方向发送给无人驾驶控制器，控制器根据运行方向和转速可计算得到电机车的运行距离。can总线速度、方向帧发送周期为20ms，500kbps，具有实时性高、定位可靠等优点，主要在没有无源标识卡rfid区段，结合激光雷达定位使用。
95.2.2.3.无源标识卡rfid校正。
96.在巷道特征不明显、巷道关键位置(巷道转弯处，限速区段，禁行区段等)采用无源标识卡rfid进行定位校正。
97.无源标识卡rfid安装在井下巷道轨道中间，矿用本安型读卡器放于电机车底部用于扫描rfid无源标识卡。每个无源标识卡rfid拥有唯一地址信息id，结合已创建地图在巷道关键点处放置rfid卡。电机车运行过程中通过矿用本安型读卡器扫描rfid卡，通过tcp/ip协议将rfid的内置地址编码发送给无人驾驶控制器，控制器反向解析得到电机车的位置，以此对激光雷达定位进行修正并对巷道关键点进行双重判断(雷达定位和rfid定位)，提高自主定位系统的可靠性。
98.2.3多轨道横向定位
99.多轨道横向定位采用无源标识卡rfid技术。每个轨道中间间隔布置带有轨道标识
信息的无源标识卡rfid，电机车运行时，车载读卡器依次扫描相应的rfid,这样车载无人驾驶控制器即可判断所处具体轨道，实现横向定位。
100.2.4多种动态定位方式的融合
101.井下电机车正常行驶时，大多采用激光雷达定位的方式，在巷道特征不明显、激光雷达不能有效分别的区段采用惯性定位。在巷道关键点位置采用无源标识卡rfid校正，多种动态定位技术融合，提高系统定位精度和可靠性，适应不同的工矿环境。
102.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。