一种轮-轨复合式无人驾驶井下连续运输车及其控制方法与流程

一种轮
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轨复合式无人驾驶井下连续运输车及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种井下连续运输车，具体涉及一种轮
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轨复合式无人驾驶井下连续运输车及其控制方法。


背景技术：

2.煤矿井下路况及其复杂，不同的路况往往需要不同的运输设备。根据井下路况特征的不同，主要辅助运输设备包括电机车、单轨吊车和无轨胶轮车，其中电机车主要运用于可铺设轨道的水平长直巷，无轨胶轮车主要用于坡度较大且不适合铺设轨道的巷道，而部分巷道则需使用单轨吊车。正是由于这种复杂性，几乎所有煤矿都无法实现一车到底式的连续运输，而是由多种运输设备相互配合完成，而在运输设备转换的过程中，需要对物料进行重新装卸，需大量人员，耗时耗力，这严重制约了煤矿运输系统的效率。此外井下工作环境恶劣、照明不充分、道路复杂，造成的煤矿运输的事故率逐年上升，其中很大一部分事故都与驾驶人员操作失误完全或部分有关。因此急需采取措施提高井下辅助运输设备的效率以及安全性。
3.无人驾驶是一种依靠传感器、计算机使车辆能够感知周边环境，根据周边环境规划下一时刻动作且车辆自主完成该动作的技术，其所具有的自动、高效、安全的技术特点正是现今井下运输系统所急需的，经过多年发展，无人驾驶技术在路面车辆上的应用已逐渐趋于成熟。目前，已经有对井下运输车辆无人驾驶技术进行了研究，专利申请号为202010566243.7，名称为“一种井下无人驾驶运料车控制系统”的发明专利，公开了一种包含多个运料车的无人驾驶控制系统，该方案可实现多个运料车的无人驾驶，但仍是针对同一路况下的研究，对于辅助运输连续化帮助不大。专利申请号为201810095006.x，名称为“无轨胶轮车智能车载系统、井下车辆调度系统和控制方法”发明专利，该方案在传统的无轨胶轮车上进行智能化改造，保留了驾驶室，并没有带来的空间优势，而且并没有对多种路况进行研究。
4.就目前井下辅助运输的现状而言，虽然无轨胶轮车、单轨吊以及电机车的研究已经成熟，但是井下多路况自适应的运输车还尚未展开研究，进一步地，针对此类车的无人驾驶更是未成涉及，而研究“天轨
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地轨
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巷道地面”多种路况下自适应运输车，能够实现一车到底式的连续运输，不需要多次转运，可大大提高煤矿井下运输效率，而研究轮轨复合式运输车的无人驾驶技术，将会大大提升运输系统安全性，并能加速推进智能矿山建设。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种轮
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轨复合式无人驾驶井下连续运输车及其控制方法，以解决上述技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种轮
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轨复合式无人驾驶井下连续运输车，包括无人驾驶系统、“天轨
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地轨
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地面”自主转换系统和运输车车体；运输车车体包括底盘、载物平台和胶轨复合轮，胶轨复合轮设置在底盘的两侧，载
物平台设置在底盘的上表面；无人驾驶系统包括多线激光雷达、深度相机、毫米波雷达、摄像头、uwb定位标签、超声波传感器、工控机和整车控制器，无人驾驶系统安装在底盘上且多线激光雷达、深度相机、毫米波雷达、摄像头、uwb定位标签和超声波传感器均与工控机电连接；“天轨
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地轨
‑
地面”自主转换系统包括液压立柱和驱动制动装置，液压立柱底端设置在底盘上，液压立柱顶端设有驱动制动装置。
7.进一步的，所述底盘前后两端上面中间位置分别安装第一传感器箱与第二传感器箱，多线激光雷达分别安装在第一传感器箱与第二传感器箱上方；深度相机分别安装在第一传感器箱与第二传感器箱前侧面中轴线上；毫米波雷达安装在第一传感器箱前侧面中轴线上；摄像头分别安装在底盘前后左右四个侧面上；uwb定位标签安装在底盘侧面中轴线上；超声波传感器安装在底盘前后左右四个侧面上，工控机和整车控制器设置在底盘内部。
8.进一步的，所述驱动制动装置包括驱动轮、承载轮组、红外传感器、支承底座、伺服电机、驱动电机、支撑板、制动电机和制动块；支承底座左右两侧边前后分别设有伺服电机，支承底座左右两侧边分别铰接支撑板，伺服电机输出端与支撑板连接，支承底座顶面前部和后部分别设有红外传感器，支撑板的内侧面设有承载轮组，支撑板的外侧面前后分别设有驱动电机和制动电机，驱动电机输出端与驱动轮连接，制动电机输出端与摩擦块连接；伺服电机、驱动电机、制动电机分别通过伺服电机控制器、驱动电机控制器、制动电机控制器与整车控制器电连接，红外传感器与工控机电连接。
9.进一步的，所述液压立柱为线控支柱，液压支柱连接有电磁比例阀，电磁比例阀通过电磁比例阀控制器与整车控制器电连接。
10.进一步的，所述胶轨复合轮为一体车轮，胶轮在外侧，轨道轮在内侧，且胶轮直径大于轨道轮直径。
11.进一步的，所述液压立柱至少包括两个，液压立柱纵向排列且底端设置在底盘上，最前面的液压立柱顶端设有驱动制动装置，其余液压立柱顶端均设有承载装置。
12.一种轮
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轨复合式无人驾驶井下连续运输车控制方法：步骤一：运输车自料场装上物料之后，根据全局地图进行全局路径规划，在地面由胶轨复合轮的胶轮行驶；步骤二：当运输车行驶至井口时，根据全局路径，转至天轨行驶；运输车调整自身姿态，凭借驱动制动装置对天轨进行抱轨，并利用液压立柱将运输车进行提升，接着由驱动制动装置驱动运输车在天轨上行驶；步骤三：当行驶至巷道平面时，运输车由天轨下降至地面，并调整自身姿态，找准地轨的位置，由胶轨复合轮的轨道轮与地轨接触，并由轨道轮驱动运输车行驶；步骤四：运输车驶出地轨，由胶轨复合轮的胶轮在巷道地面行驶至工作面。
13.进一步的，所述步骤一中，运输车在料场装载好物料之后，车载工控机根据全局地图规划好路径，并由胶轮在地面行驶至井口，在行驶过程中，当工控机探测到周围有障碍物时，将数据信号传输至工控机，由工控机将多个传感器的信息融合处理，并将解算出来的结果发送至整车控制器，整车控制器将控制信号发送到底盘驱动电机控制器、底盘制动电机控制器，底盘驱动电机控制器、底盘制动电机控制器解析指令并分别发送给底盘驱动电机、
底盘制动电机，底盘驱动电机降低输出扭矩及转速，底盘制动电机输出扭矩控制刹车回路阀门的开度，进而车辆减速慢行，底盘转向电机控制器接收整车控制器下达的转向动作信息，并控制底盘转向电机输出扭矩；底盘转向电机通过转向泵带动转向拉杆动作，完成转向，车辆避障之后恢复至正常速度行驶。
14.进一步的，所述步骤二中，提前在工控机设置天轨距离巷道壁的距离，当运输车行驶至天轨段时，利用车载超声波传感器检测车身与两侧巷道壁的距离，并调整姿态，使车辆中心位置位于天轨正下方，此时，整车控制器发送指令给电磁比例阀控制器，电磁比例阀控制器解析指令并控制电磁比例阀动作，进而控制液压立柱升高，支承底座上的红外传感器发射红外光，检测支承底座与天轨的距离，并实时将数据发送给工控机，当距离达到既定的数值时，液压立柱停止上升；此时整车控制器发送指令给伺服电机控制器，伺服电机控制器解析指令，并控制伺服电机驱动支承板向上转动，使其完成“抱轨”动作，并保持此姿态；接着，液压立柱动作，开始收缩，进而将运输车整体提升；当车辆在天轨行驶时，整车控制器发送指令给驱动电机控制器与制动电机控制器，并控制驱动制动装置在天轨的调速与制动。
15.进一步的，所述步骤三中，车辆到达指定地点需换到地轨时，整车控制器发送指令至电磁比例阀控制器，电磁比例阀控制器解析指令并控制电磁比例阀动作，液压立柱缓慢升长，车辆慢慢下降至所有车轮完全着地，此时伺服电机控制器解析整车控制器指令，并控制伺服电机转动，支撑板完成“脱轨”动作，接着液压立柱收缩，车载超声波传感器检测车身与两侧巷道壁的距离，深度相机检测地轨的位置与距离信息，将检测到的数据发送至工控机，工控机将解算的数据发送至整车控制器，整车控制器将控制信号发送至底盘驱动电机控制器、底盘制动电机控制器、底盘转向电机控制器，并调整车辆姿态，使得胶轨复合轮的轨道轮到巷道壁的距离与地轨到巷道壁的距离一致，使其能顺利驶上地轨。
16.与现有技术相比，本发明结合井下电机车、无轨胶轮车和单轨吊的三种辅助运输的优势，设计了能够在“天轨
”‑“
地轨
”‑
地面三种路况下都能行驶的轮
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轨复合式无人驾驶井下连续运输车，运输车可实现“天轨
”‑
巷道路面、“天轨
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地轨”及巷道路面
‑“
地轨”之间的自主切换。因此，该运输车在井下运行时，无需多次转运便可实现了一车到底自主连续运输，大大提高了运输效率；此外，该运输车在实现智能化运输的同时还能实现连续化、标准化运输，是一种完全智能化和连续化的辅助运输设备，不仅可以大大提高煤矿井下运输效率，还可以减少驾驶人员，不仅可以减少人力成本，还能提升运输系统安全性。
附图说明
17.图1为本发明结构示意图；图2为本发明立体结构示意图；图3为本发明前视图；图4为本发明驱动制动装置结构示意图；图5为本发明驱动制动装置后视图；图6为本发明电连接示意图；图中：1、驱动制动装置；2、承载装置；3、天轨；4、液压立柱；5、多线激光雷达；6、第一传感器箱；7、深度相机；8、毫米波雷达；9、摄像头；10、uwb定位标签；11、超声波传感器；12、胶轨复合轮；13、底盘；14、第二传感器箱；15、载物平台；16、装载容器；17、地轨；18、底盘
驱动电机；19、底盘制动电机；20、底盘转向电机；21、电磁比例阀；22底盘驱动电机控制器；23、底盘制动电机控制器；24、底盘转向电机控制器；25、电磁比例阀控制器；26、工控机；27、整车控制器；28、蓄电池；29、照明灯；30、制动灯；31、转向灯；101、驱动胶轮；102、承载轮组；103、红外传感器；104、支承底座；105、伺服电机；106、驱动电机；107、支承板；108、制动电机；109、制动块；110、蜗轮蜗杆机构；111、伺服电机控制器；112、驱动电机控制器；113、制动电机控制器。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明作进一步说明。
19.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。
20.如图1至图6所示，本发明提供一种技术方案：包括无人驾驶系统、“天轨
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地轨
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地面”自主转换系统和运输车车体；运输车车体为无座舱式，包括底盘13、载物平台15和胶轨复合轮12，胶轨复合轮12为一体车轮，胶轮在外侧，轨道轮在内侧，且胶轮直径大于轨道轮，胶轨复合轮12设置在底盘13的两侧，载物平台15设置在底盘13的上表面，载物平台15上方设有装载容器16，底盘13前后两端上面中间位置分别安装第一传感器箱6与第二传感器箱14，传感器箱采用防爆处理，具有防爆功能；如图6所示，无人驾驶系统包括多线激光雷达5、深度相机7、毫米波雷达8、摄像头9、uwb定位标签10、超声波传感器11、工控机26和整车控制器27，无人驾驶系统安装在底盘13上且多线激光雷达5、深度相机7、毫米波雷达8、摄像头9、uwb定位标签10和超声波传感器11均与工控机26电连接；多线激光雷达5为两个，分别安装在第一传感器箱6与第二传感器箱14上方；深度相机7分别安装在第一传感器箱6与第二传感器箱14前侧面中轴线上；毫米波雷达8安装在第一传感器箱6前侧面中轴线上；摄像头9分别安装在底盘13前后左右四个侧面上；uwb定位标签10安装在底盘13侧面中轴线上；超声波传感器11安装在底盘13前后左右四个侧面上，工控机26和整车控制器27设置在底盘13内部；摄像头9能够获取车辆周围的图像信息，能够实时传输到远程控制中心，并具有行车记录功能；超声波传感器11用于检测车身与两侧巷道壁的距离；深度相机7用于寻找地轨17的位置与距离信息；底盘13上还设置蓄电池28，蓄电池28给工控机26和整车控制器27供电。
[0021]“天轨
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地轨
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地面”自主转换系统包括液压立柱4和驱动制动装置1，液压立柱4至少包括两个，优选为三个，液压立柱4沿运输车车体纵向排列且底端设置在底盘13上，最前面的液压立柱4顶端设有驱动制动装置1，其余两个液压立柱4顶端均设有承载装置2。
[0022]
液压立柱4为线控支柱，液压支柱4连接有电磁比例阀21，电磁比例阀21通过电磁比例阀控制器25与整车控制器27电连接。
[0023]
如图4和图5所示，驱动制动装置1包括驱动轮101、承载轮组102、红外传感器103、支承底座104、伺服电机105、驱动电机106、支撑板107、制动电机108和制动块109；支承底座104左右两侧边前后分别设有伺服电机105，支承底座104左右两侧边分别铰接支撑板107，
伺服电机105输出端与支撑板107连接，伺服电机105控制支承板107的转动；支承底座104顶面前部和后部分别设有一列多个红外传感器103，红外传感器103用于探测天轨3的位置与距离；支撑板107的内侧面设有承载轮组102，支撑板107的外侧面前后分别设有驱动电机106和制动电机108，驱动电机106输出端与驱动轮101连接，制动电机108输出端通过蜗轮蜗杆装置110与摩擦块109连接；伺服电机105、驱动电机106、制动电机108分别通过伺服电机控制器111、驱动电机控制器112、制动电机控制器113与整车控制器27电连接，红外传感器103与工控机26电连接；支承底座104的底面与液压立柱4顶端连接。承载装置2的结构与驱动制动装置1基本一致，相对驱动制动装置1，承载装置2的支撑板107外侧面不设置驱动用的驱动电机106和驱动轮101，也不设置制动用的制动电机108和制动块109。
[0024]
如图2和图3所示，还包括照明灯29、制动灯30和转向灯31，照明灯29、转向灯30和制动灯31设置在底盘13上且均与整车控制器27连接。
[0025]
运输车在料场装载好物料之后，车载工控机26根据全局地图规划好路径，并由胶轮在地面行驶至井口，在行驶过程中，当工控机26探测到周围有障碍物时，将数据信号传输至工控机26，由工控机26将多个传感器的信息融合处理，并将解算出来的结果发送至整车控制器27，整车控制器27将控制信号发送到底盘驱动电机控制器22、底盘制动电机控制器23，底盘驱动电机控制器22、底盘制动电机控制器23解析指令并分别发送给底盘驱动电机18、底盘制动电机19，底盘驱动电机18降低输出扭矩及转速，底盘制动电机19输出扭矩控制刹车回路阀门的开度，进而车辆减速慢行，底盘转向电机控制器24接收整车控制器27下达的转向动作信息，并控制底盘转向电机20输出扭矩；底盘转向电机20通过转向泵带动转向拉杆动作，完成转向，车辆避障之后恢复至正常速度行驶；提前在工控机26设置天轨3距离巷道壁的距离，当运输车行驶至井口时，根据全局路径，转至天轨7行驶；利用车载超声波传感器11检测车身与两侧巷道壁的距离，并调整姿态，使车辆中心位置位于天轨3正下方，此时，整车控制器27发送指令给电磁比例阀控制器25，电磁比例阀控制器25解析指令并控制电磁比例阀21动作，进而控制液压立柱4升高，支承底座104上的红外传感器103发射红外光，检测支承底座104与天轨3的距离，并实时将数据发送给工控机26，当距离达到既定的数值时，液压立柱4停止上升；此时整车控制器27发送指令给伺服电机控制器111，伺服电机控制器111解析指令，并控制伺服电机105驱动支承板107向上转动，使其完成“抱轨”动作，并保持此姿态；接着，液压立柱4动作，开始收缩，进而将运输车整体提升；当车辆在天轨3行驶时，整车控制器27发送指令给驱动电机控制器112与制动电机控制器113，并控制驱动制动装置1在天轨3的调速与制动。
[0026]
当车辆行驶至巷道平面到达指定地点需换到地轨17时，整车控制器27发送指令至电磁比例阀控制器25，电磁比例阀控制器25解析指令并控制电磁比例阀21动作，液压立柱4缓慢升长，车辆慢慢下降至所有车轮完全着地，此时伺服电机控制器111解析整车控制器27指令，并控制伺服电机105转动，支撑板107完成“脱轨”动作，接着液压立柱4收缩，车载超声波传感器11检测车身与两侧巷道壁的距离，深度相机7检测地轨17的位置与距离信息，将检测到的数据发送至工控机26，工控机26将解算的数据发送至整车控制器27，整车控制器27将控制信号发送至底盘驱动电机控制器22、底盘制动电机控制器23、底盘转向电机控制器24，并调整车辆姿态，使得胶轨复合轮12的轨道轮到巷道壁的距离与地轨17到巷道壁的距离一致，使其能顺利驶上地轨17并由轨道轮驱动运输车行驶。
[0027]
运输车驶出地轨17，由胶轨复合轮12的胶轮在巷道地面行驶至工作面。
[0028]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0029]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。