融合感测多巷分割的井下巷道图及电机车快速定位方法与流程

1.本发明涉及矿用电机车技术领域，具体说是融合感测多巷分割的井下巷道图及电机车 快速定位方法。


背景技术：

2.电机车是井下常见的一种辅助运输工具，承担着井下煤炭、人员、矸石、设备、材料 等运输任务，在井下运输环节中发挥着不可替代的作用，因此，电机车在井下的实时位置 对整个井下运输系统的调度就显得十分重要。但是由于煤矿井下巷道、采掘工作面等作业 区域具有典型的半结构化或非结构化环境特征，且北斗、gps等定位技术无法直接应用于 井下，则亟需构建适用于煤矿井下巷道的自主定位系统方案，发掘一种针对井下电机车快 速定位的方法，解决井下电机车的快速、精准定位等问题。
3.当前用于井下车辆定位的方法主要体现在基于uwb技术的定位方法、基于惯性导航 技术的定位方法、基于rfid技术的定位方法等，每种方法在实现过程中都较为复杂，且 定位速度及定位精度不高，无法在井下实现对电机车的快速精准定位。而在井下这一特定 的环境中，由于巷道轨道的受限空间，电机车在此受限空间内运行，因此只需要依据巷道 地图及电机车的速度、加速度就可以构建电机车在井下的坐标(h,c)，即可实现对电机车 的快速精准定位。
4.目前，蓄电池电机车的使用过程中，由于出入环境的原因，可能会导致蓄电池受潮， 蓄电池一旦受潮轻则使用寿命下降，重则造成短路爆炸，同时机车在运输煤矿时，会有细 小砂砾或石子掉落到轨道上，滚轮碾压或碰撞时，会破坏滚轮表面质量，影响使用寿命或 者导致车体发生侧翻，造成轨道的堵塞，拖慢了工程的进度，造成损失。
5.在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以 包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的问题，本发明提供了融合感测多巷分割的井下巷道图及电机车快速 定位方法，该方法融合多种感测技术以及多巷分割的井下巷道图实现对井下电机车的快速 定位，以获取电机车在巷道中的坐标，进而达到对井下巷道中的电机车快速、精确定位的 目的。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：融合感测多巷分割的井下巷道图及电机 车快速定位方法，包括以下步骤：
8.步骤一、井下巷道图多巷分割。基于井下巷道分布地图，对各巷道在起点岔道处至终 点岔道处分段，并对各分段巷道独立命名，进而绘制多巷分割的井下巷道图。
9.步骤二、多巷分割巷道图加载及系统初始化。电机车启动后，自动加载多巷分割巷道 图，同时激光雷达传感器、rfid阅读器、速度/加速度传感器等初始化，各通信模块建立 通信。
10.步骤三、确定电机车初始位置。rfid阅读器读取轨道处rfid电子标签，确定电机车 所在巷道及初始位置；若rfid阅读器未读取到rfid电子标签，则需人工辅助驾驶或远 程控制电机车行驶至据所在位置最近的rfid电子标签处，以获得电机车所在巷道及初始 位置，进而确定电机车所在位置的初始坐标(h0,c0)。
11.步骤四、岔道处更新h坐标。每当电机车行驶至岔道处，rfid阅读器读取到岔道处 rfid电子标签时，就需要通过无线通信模块获取岔道当前道岔位置状态信息，电机车结 合rfid电子标签内容及道岔位置状态信息，进一步确定所要进入的巷道分段，进而更新 h坐标。
12.步骤五、计算电机车位移确定c坐标。电机车在rfid电子标签处启动后，借助激光 雷达传感器辅助确定电机车行进方向，并利用速度/加速度传感器实时计算电机车行驶的 位移，计算得到与巷道原点的距离，即得到电机车所在位置的c坐标。
13.步骤六、电机车快速定位。融合电机车所在巷道信息(h坐标)及电机车实时位移信 息(c坐标)，获得电机车精确位置坐标(h,c)，通过无线通信模块实时发生位置坐标信 息，实现快速定位。
14.作为优选，所述多巷分割的井下巷道图根据不同煤矿的实际巷道地图及实际岔道分布 进行分段分割。
15.作为优选，所述快速定位方法采取抽象井下巷道及电机车位移得到的(h,c)坐标方式 进行快速定位。其中，h为所在巷道名，c为电机车驶离所在巷道原点处的位移。
16.作为优选，所述电机车车载无线通信模块与岔道无线通信模块均采用zigbee无线通信 技术，该通信技术具有时延短、高容量、低功耗等优点，适合用于本发明所应用的场合。
17.作为优选，所述选用的激光雷达传感器模块主要用于辅助电机车井下定位及确定电机 车行进方向；选用的rfid阅读器用于读取分布于轨道内与岔道处的rfid电子标签获取 所在巷道名等信息；选用的速度/加速度传感器用于检测电机车行驶信息，计算电机车行 驶位移。
18.作为优选，所述电子标签主要分布于轨道与岔道处，且轨道处的电子标签以50米为 间距等距排放。轨道处的电子标签主要包括当前巷道名称及距离当前巷道原点的距离，岔 道处的电子标签则包括岔道处分岔的各巷道名称及各巷道的原点坐标定义。
19.作为优选，所述电机车包括轨道，所述轨道顶部设有车体，所述车体底部设有两个清 扫装置，所述车体内部设有防护装置，所述车体外壁一侧设有干燥装置；
20.所述清扫装置包括与车体底部转动连接的第一轴，所述第一轴底端固定连接有定位 片，所述定位片内部贯穿并转动连接有第二轴，所述第二轴中部固定连接有滚轮，所述第 二轴两端均固定连接有曲柄，所述曲柄远离第二轴一端转动连接有连杆，所述连杆远离曲 柄一端转动连接有第一滑杆，所述第一滑杆远离连杆一端固定连接有活塞，所述活塞外部 滑动连接有储气筒，所述储气筒远离曲柄一端固定连接有进气单向阀，所述进气单向阀输 入端固定连接有进气管道，所述进气管道远离进气单向阀一端贯穿车体底部并与车体固定 连接，所述储气筒顶部靠近进气管道一端固定连接有出气单向阀，所述出气单向阀输出端 固定连接有出气管道，所述出气管道输出端顶端固定连接有高压喷头，所述定位片远离储 气筒一侧固定连接有两个对称分布的第一定位块，所述第一定位块内部滑动连接有
术、zigbee无线通信技术、传感器技术等多技术融合的方式，提高了在煤矿井下对电机车 定位的精度以及定位的速度。
28.(2)本发明通过车体在轨道上移动时，清扫装置会先将车体内的空气吸入储气筒， 然后从高压喷头内喷出，对车体前方的细小砂砾及灰尘吹飞，然后利用旋转的金属条将前 方较大没有被吹飞的砂石扫飞，防止滚轮碾压细小砂砾灰尘等造成滚轮表面损伤，提高滚 轮的使用寿命，同时防止撞击到较大砂石发生侧翻或打滑等，从而导致轨道堵塞的情况发 生。
29.(3)本发明所述的融合感测多巷分割的井下巷道图及电机车快速定位方法，通过清 扫装置将车体内的空气吸走，导致车体内部压强小于外界，外界的潮湿空气经过第一通气 金属网和第二通气金属网之间的干燥颗粒被过滤后进入车体内，吹向蓄电池，带走蓄电池 表面的热量，防止蓄电池由于高温而爆炸，实现干燥过滤和风冷的目的。
30.(4)本发明所述的融合感测多巷分割的井下巷道图及电机车快速定位方法，通过车 体开始刹车时，蓄电池在惯性的作用下带动凸轮杆，从而使得筛分片移动，使得干燥效率 降低的干燥颗粒可以从矩形槽内掉落，然后筛分片复位，新的干燥颗粒重新充满第一通气 金属网和第二通气金属网之间，完成干燥颗粒的自动更换。
附图说明
31.为了更清楚的说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要 使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实 施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明提供的整体结构示意图；
33.图2为本发明提供的车体和第二壳体剖视图；
34.图3为本发明提供的局部爆炸示意图；
35.图4为本发明提供的支撑板顶部结构立体图；
36.图5为本发明提供的清扫装置立体图；
37.图6为本发明提供的第二壳体局部爆炸剖视图；
38.图7为本发明井下巷道多巷分割示意图；
39.图8为本发明流程图。
40.图中：1、轨道，1a、轨道处rfid电子标签，1b、岔道处rfid电子标签，1c、岔道 无线通信模块，2a、车载无线通信模块，2b、激光雷达传感器模块，2c、rfid阅读器模块， 2d、速度/加速度传感器模块，2、车体，3、清扫装置，4、防护装置，5、干燥装置，6、 第一轴，7、定位片，8、第二轴，9、滚轮，10、曲柄，11、连杆，12、第一滑杆，13、 活塞，14、储气筒，15、进气单向阀，16、进气管道，17、出气单向阀，18、出气管道， 19、高压喷头，20、第一定位块，21、限位片，22、第二定位块，23、第一螺纹柱，24、 第一柱，25、第一定位杆，26、第二柱，27、第一顶盖，28、第一壳体，29、第一传动轴， 30、第一齿轮，31、橡胶轮，32、第二传动轴，33、第二齿轮，34、定位轮，35、金属条， 36、第一圆柱，37、第二圆柱，38、第二螺纹柱，39、空心柱，40、实心圆柱，41、支撑 板，42、弹簧，43、定位板，44、第三传动轴，45、凸轮杆，46、扭簧，47、蓄电池，48、 限位板，49、第二壳体，50、第一通气金属网，51、第二通气金属网，52、筛分片，53、 矩形槽，54、齿条，55、不完全齿轮，56、第二滑杆，57、限位块，58、第二顶盖，59、 接料框，60、
干燥颗粒，61、密封盖，62、第二定位杆，63、动力轮。
具体实施方式
41.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合 具体实施方式，进一步阐述本发明。
42.如图1-图8所示，本发明所述的融合感测多巷分割的井下巷道图及电机车快速定位方 法，包括以下步骤：
43.步骤一、井下巷道图多巷分割：基于井下巷道分布地图，对各巷道在起点岔道处至终 点岔道处分段，并对各分段巷道独立命名，进而绘制多巷分割的井下巷道图；
44.步骤二、多巷分割巷道图加载及系统初始化：电机车启动后，自动加载多巷分割巷道 图，同时激光雷达传感器、rfid阅读器、速度/加速度传感器初始化，各通信模块建立通 信；
45.步骤三、确定电机车初始位置：rfid阅读器读取轨道处rfid电子标签，确定电机车 所在巷道及初始位置；若rfid阅读器未读取到rfid电子标签，则需人工辅助驾驶或远程 控制电机车行驶至据所在位置最近的rfid电子标签处，以获得电机车所在巷道及初始位 置，进而确定电机车所在位置的初始坐标；
46.步骤四、岔道处更新h坐标：每当电机车行驶至岔道处，rfid阅读器读取到岔道处 rfid电子标签时，就需要通过无线通信模块获取岔道当前道岔位置状态信息，电机车结合 rfid电子标签内容及道岔位置状态信息，进一步确定所要进入的巷道分段，进而更新h坐 标；
47.步骤五、计算电机车位移确定c坐标：电机车在rfid电子标签处启动后，借助激光 雷达传感器辅助确定电机车行进方向，并利用速度/加速度传感器实时计算电机车行驶的 位移，计算得到与巷道原点的距离，即得到电机车所在位置的c坐标；
48.步骤六、电机车快速定位：融合电机车所在巷道信息，即：h坐标，及电机车实时位 移信息，即：c坐标，获得电机车精确位置坐标h和c，通过无线通信模块实时发生位置 坐标信息，实现快速定位。
49.所述多巷分割的井下巷道图根据不同煤矿的实际巷道地图及实际岔道分布进行分段 分割。
50.所述快速定位方法采取抽象井下巷道及电机车位移得到的h,c坐标方式进行快速定 位，其中，h为所在巷道名，c为电机车驶离所在巷道原点处的位移。
51.所述电机车车载无线通信模块与岔道无线通信模块均采用zigbee无线通信技术，所 述激光雷达传感器模块主要用于辅助电机车井下定位及确定电机车行进方向；选用的rfid 阅读器用于读取分布于轨道内与岔道处的rfid电子标签获取所在巷道名信息；选用的速 度/加速度传感器用于检测电机车行驶信息，计算电机车行驶位移，所述电子标签分布于 轨道与岔道处，且轨道处的电子标签以50米为间距等距排放；轨道处的电子标签主要包 括当前巷道名称及距离当前巷道原点的距离，岔道处的电子标签则包括岔道处分岔的各巷 道名称及各巷道的原点坐标定义。
52.所述电机车包括轨道1，所述轨道1顶部设有车体2，所述车体2底部设有两个清扫 装置3，所述车体2内部设有防护装置4，所述车体2外壁一侧设有干燥装置5，所述轨道 1上
安装有轨道处rfid电子标签1a，且所述轨道1的岔道口安装有岔道处rfid电子标签 1b，且岔道口旁安装有岔道无线通信模块1c，所述车体2上安装有车载无线通信模块2a、 激光雷达传感器模块2b、rfid阅读器模块2c和速度/加速度传感器模块2d，所述蓄电池 47电连接车载无线通信模块2a、激光雷达传感器模块2b、rfid阅读器模块2c和速度/加 速度传感器模块2d；通过清扫装置3在车体2前进时，先将轨道1上小颗粒砂石吹走，然 后将大块石子扫开，防止车体2上的滚轮9碰撞到石子后，发生侧翻或打滑等，从而导致 运输效率降低，轨道1堵塞等情况发生，提高了安全性和运输效率，也减少了滚轮9碾压 砂石发生的磨损，从而提高了滚轮9的使用寿命，通过防护装置4减少蓄电池47的震动， 同时在车体2刹车时，启动干燥装置5，通过清扫装置3工作时，将外界空气吸入车体2 内，然后通过干燥装置5将空气进行干燥，利用流动的风对蓄电池47降温，并减少空气 中的水分，从而提高蓄电池47的使用寿命，并在刹车时，防护装置4带动干燥装置5内 的筛分片52完成部分干燥颗粒60的更换；
53.所述清扫装置3包括与车体2底部转动连接的第一轴6，所述第一轴6底端固定连接 有定位片7，所述定位片7内部贯穿并转动连接有第二轴8，所述第二轴8中部固定连接 有滚轮9，所述第二轴8两端均固定连接有曲柄10，所述曲柄10远离第二轴8一端转动 连接有连杆11，所述连杆11远离曲柄10一端转动连接有第一滑杆12，所述第一滑杆12 远离连杆11一端固定连接有活塞13，所述活塞13外部滑动连接有储气筒14，所述储气 筒14远离曲柄10一端固定连接有进气单向阀15，所述进气单向阀15输入端固定连接有 进气管道16，所述进气管道16远离进气单向阀15一端贯穿车体2底部并与车体2固定连 接，所述储气筒14顶部靠近进气管道16一端固定连接有出气单向阀17，所述出气单向阀 17输出端固定连接有出气管道18，所述出气管道18输出端顶端固定连接有高压喷头19， 所述定位片7远离储气筒14一侧固定连接有两个对称分布的第一定位块20，所述第一定 位块20内部滑动连接有限位片21，所述限位片21远离第一定位块20一侧固定连接有第 二定位块22，所述第二定位块22内部转动连接有第一螺纹柱23，所述第一螺纹柱23与 第一定位块20螺纹连接，所述第二定位块22内部贯穿并转动连接有第一柱24，所述第一 柱24顶端固定连接有第一定位杆25，所述第一定位杆25底部远离第一柱24一端转动连 接有第二柱26，所述第一柱24和第二柱26底端转动连接有第一顶盖27，所述第一顶盖 27底部可拆卸连接有第一壳体28，所述第一壳体28底部贯穿并转动连接有第一传动轴29， 所述第一传动轴29中部固定连接有第一齿轮30，所述第一传动轴29底端固定连接有橡胶 轮31，所述橡胶轮31外周面与轨道1外壁贴合，所述第一壳体28底部贯穿并转动连接有 第二传动轴32，所述第二传动轴32中部固定连接有第二齿轮33，所述第二传动轴32底 端固定连接有定位轮34，所述定位轮34外周面固定连接有多个呈环形阵列分布的金属条 35，所述第二定位块22顶部转动连接有第一圆柱36，所述第一定位杆25顶部转动连接有 第二圆柱37，所述第二圆柱37内部转动连接有第二螺纹柱38，所述第二螺纹柱38与第 一圆柱36螺纹连接，通过转动第一螺纹柱23在第一定位块20内旋动，带动第二定位块 22移动，第二定位块22带动限位片21在第一定位块20内滑动，从而调节第二定位块22 与轨道1之间的距离，通过转动第二螺纹柱38，第二螺纹柱38在第一圆柱36内旋动，从 而调节第一圆柱36和第二圆柱37之间的距离，使得第二定位块22和第一定位杆25之间 的夹角变化，第一定位杆25带动第一壳体28，第一壳体28带动第二传动轴32，第二传 动轴32带动定位轮34，从而控制定位轮34与轨道1之间的距离，通过车体2前进
时，橡 胶轮31和滚轮9滚动，滚轮9带动曲柄10转动，曲柄10带动连杆11，连杆11带动第一 滑杆12，第一滑杆12带动活塞13在储气筒14内往复移动，活塞13朝曲柄10一侧移动 时，车体2内的空气经过进气管道16和进气单向阀15被吸入储气筒14内，当活塞13反 向移动时，储气筒14内的空气经过单向出气阀17和出气管道18，从高压喷头19内喷出， 将小颗粒砂石吹飞，橡胶轮31带动第一传动轴29转动，第一传动轴29带动第一齿轮30， 第一齿轮30带动第二齿轮33，第二齿轮33带动第二传动轴32，第二传动轴32带动定位 轮34，定位轮34带动金属条35转动，金属条35将大块石子扫开，从而在车体2前进时 保护滚轮9，防止侧翻或打滑等意外发生，并且可以随时调节橡胶轮31和定位轮34与轨 道1之间的距离，从而使得此装置可以适用于不同的轨道1需求。
54.具体的说，所述防护装置4包括与车体2内腔顶部固定连接的四个空心柱39，所述空 心柱39内部滑动连接有实心圆柱40，所述实心圆柱40顶端固定连接有支撑板41，所述 支撑板41和车体2之间固定连接有弹簧42，所述弹簧42套在空心柱39外部，所述支撑 板41顶部固定连接有四个定位板43，所述每两个定位板43之间转动并贯穿连接有第三传 动轴44，所述第三传动轴44中部固定连接有凸轮杆45，所述凸轮杆45两端均固定连接 有扭簧46，所述扭簧46远离凸轮杆45一端与支撑板41固定连接，所述支撑板41顶部放 置有蓄电池47，所述支撑板41顶部可拆卸连接有限位板48，所述限位板48和凸轮杆45 外壁均与蓄电池47外壁贴合，通过弹簧42对垂直方向上的震动进行减震，当车体2刹车 或刚启动时，会带动凸轮杆45转动，凸轮杆45带动扭簧46，从而对车体2前进方向上的 力进行缓冲，从而减少冲击对蓄电池47的损伤，提高蓄电池47的使用寿命。
55.具体的说，所述干燥装置5包括与车体2外壁一侧固定连接的第二壳体49，所述第二 壳体49内部固定连接有第一通气金属网50，所述车体2外壁靠近第一通气金属网50一侧 固定连接有第二通气金属网51，所述车体2外壁位于第二通气金属网51底部滑动连接有 筛分片52，所述筛分片52内部贯穿有矩形槽53，所述筛分片52靠近第三传动轴44一侧 固定连接有两个对称分布的齿条54，所述齿条54顶部啮合有不完全齿轮55，所述不完全 齿轮55与第三传动轴44固定连接，所述齿条54远离筛分片52一端固定连接有第二滑杆 56，所述第二滑杆56外部滑动连接有限位块57，所述限位块57与车体2内壁固定连接， 当车体2刹车时凸轮杆45带动不完全齿轮55转动，不完全齿轮55带动齿条54移动，齿 条54带动筛分片52，当筛分片52的矩形槽53与第一通气金属网50和第二通气金属网 51之间连通时，第一通气金属网50和第二通气金属网51之间干燥效率降低的干燥颗粒 60掉落，顶部未使用的干燥颗粒60重新掉落到第一通气金属网50和第二通气金属网51 之间，当凸轮杆45复位时，筛分片52重新将未使用的干燥颗粒60挡住，防止未使用的 干燥颗粒60下落。
56.具体的说，所述车体2顶部和第二壳体49顶部均可拆卸连接有第二顶盖58，所述第 二壳体49内部滑动连接有接料框59，所述第二壳体49内腔顶部放置有干燥颗粒60，所 述接料框59顶部设有密封盖61，所述密封盖61与第二壳体49可拆卸连接，通过接料框 59收集干燥效率降低的干燥颗粒60，通过干燥颗粒60使得潮湿空气经过第一通气金属网 50和第二通气金属网51后会被干燥，从而防止蓄电池47因潮湿短路。
57.具体的说，所述定位片7两侧均固定连接有两个第二定位杆62，所述出气管道18贯 穿两个第二定位杆62并与第二定位杆62固定连接，所述车体2底部固定连接有动力轮63， 通过两个第二定位杆62对出气管道18进行支撑，防止出气管道18因长度较长而在重力 的
rfid电子标签信息；在电机车行驶过程中，需时刻利用激光雷达传感器模块2b辅助确定 电机车行进方向，一旦行驶至岔道处，就需要车载无线通信模块2a与岔道无线通信模块 1c建立通信，获取岔道处的道岔状态信息并结合岔道处rfid电子标签1b确定下一状态所 要进入巷道中的h坐标；利用激光雷达传感器模块2b，速度/加速度传感器模块2d获取电 机车在所在巷道行驶的时间、速度、加速度信息，进而计算出电机车在所在巷道发生的位 移量，即电机车在井下巷道中的c坐标；将获得的电机车所在巷道信息与电机车在该巷道 中发生的位移相结合，即得到电机车在井下巷道中的详细坐标，这样便能够在井下实现对 电机车的快速精确定位。
62.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的 普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述 的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权 利要求保护范围的限制。