一种卸载安全控制系统及卸载区地面下沉的检测方法与流程

1.本发明涉及一种卸载安全控制系统及卸载区地面下沉的检测方法，属于采矿机械无人驾驶技术领域。


背景技术：

2.随着矿山无人技术的飞速发展、矿山无人化内在需求的高速增长，无人矿卡越来越多的落地矿山实际生产。卸载区是无人矿卡的主要工作场景之一，卸载区地面存在沉降甚至产生滑坡塌陷，对无人矿卡运行产生极大威胁，有可能造成车轮沉陷无法驶离、甚至从地面塌陷处跌落。有人卸载时，依靠卸载指挥人员的不断巡检、无人矿卡驾驶员眼睛识别或驾驶体感识别，矿山实现无人化后此方法已经不适应。因此，一种及时有效的检测无人化矿区卸载区的下沉塌陷，并能及时进行处置的系统显得很重要。
3.cn201410390296.2，一种基于无人机的矿区塌陷监测方法，基于无人机进行矿区塌陷监，通过搭载在无人机上的遥感设备对矿区进行监测，从而实时获取矿区地面图像；当无人机监测至矿区地面存在裂缝时，通过无人机下降至裂缝位置，通过搭载在无人机上的检测设备对裂缝数据进行收集；从而对矿区内出现塌陷的现状，以及其后续可能的变化做出相应判断。
4.cn202110500192.2，无人驾驶车辆的控制方法及控制装置、无人驾驶车辆，在道路断面信息指示待行驶的道路存在非常规路面时，获取非常规路面的路面图片，其中，非常规路面包括下述之一：障碍物路面、道路塌陷路面、坑道路面；识别非常规路面的路面图片，得到非常规路面的路面面积和路面所处子车道；基于导航态势图、非常规路面的路面面积和路面所处子车道，调整避碰策略；控制无人驾驶车辆按照调整后的避碰策略行驶。
5.现有无人机检查塌陷不能保证实时性，而且不能及时采取安全措施。基于无人矿卡的塌陷检测未对卸载全过程提出塌陷检测和安全处置措施。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种卸载安全控制系统及卸载区地面下沉的检测方法，通过无人矿卡、卸载辅助设备、调度中心三者配合，实时检测并判断车辆行驶路径地面以及卸载点附近地面是否发生沉降塌陷，并自动处置。
7.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
8.第一方面，本发明提供了一种卸载安全控制系统，包括：
9.无人矿卡：在执行入场路径、卸载过程中对地面进行塌陷下沉检测和安全处置；
10.卸载辅助车辆：平整卸载区地面、修建挡墙，设置卸载点并分配给无人矿卡、在设置卸载点附近进行塌陷预防检测；
11.调度中心：向无人矿卡提供到达卸载点的入场路径、离开卸载点的出场路径，并收集无人矿卡的车辆运行信息及其故障供监控人员监控。
12.进一步的，所述无人矿卡包含：提供定位信息的定位系统，提供地面原始点云的感
知传感器，提供位姿信息的车身位姿传感器，提供点云初步处理的感知初步处理模块，提供执行入场路径且抵达第一邻域时进行塌陷下沉检测的第一、第二、第三塌陷检测单元，提供停在卸载点第二邻域时塌陷检测的第四塌陷检测单元，提供卸载过程塌陷检测的第五塌陷检测单元，提供无人矿卡行为决策的无人矿卡决策单元，提供路径循迹及停车的横纵向控制单元，提供无线通信的无线通信单元。
13.进一步的，所述第一塌陷检测单元从感知初步处理单元获取的地面数据中读取第一邻域内的栅格，并对栅格进行八邻域法求取连通域，遍历所有的连通域，如果某个连通域i连通域内的栅格面积累加si》s
null
，则认定为有大的空洞，其中si＝n
×ss
，ss为单个栅格的面积，s
null
为空洞的判断阈值。
14.进一步的，所述第二塌陷检测单元从感知初步处理单元获取的地面数据中读取第一邻域内的栅格，在以车辆前进方向，对称选取多条地面线评判是否为下坡，只要有一条地面线发生则认定为下坡；其中，所述地面线为以车体前进方向选取栅格并选取栅格坐标所对应点为待拟合点拟合成的直线；判断地面线是否为下坡：将地面线在栅格x坐标范围对应的线段离散化为的地面线点集，地面线点集的开始点(xb,yb,zb)，结束点(xe,ye,ze)，则认定为下坡，其中p
p
为卸载点地面下坡阈值。
15.进一步的，所述第三塌陷检测单元从感知初步处理单元获取的地面数据中读取第一邻域内的栅格，按列遍历所有栅格，计算每一列中相邻栅格z坐标差，并将每列中相邻栅格z坐标差δz》zz的栅格进行保存，其中zz为认定落差存在区域性阶梯下沉的高度变化阈值，下一步判断保存的栅格否存在连续性，若栅格点集中存在较为连续的高程变化较大的栅格即发生区域性阶梯状下沉。
16.进一步的，所述第三塌陷检测单元判断栅格是否存在连续性的步骤包括：
17.对筛选出并保存的栅格点集按x坐标排序得到点集{(x,y)}，一般的阶梯型下沉会按y坐标延伸，然后从第一个点开始逐次搜索最近点，若找到j点(xj，yj)满足d(i,j)≤d
max
则为最近点，进行标记；跳到j点，继续搜索最近点；其中，d(i,j)为两个栅格之间欧式距离，d
max
为认定两点连续的阈值；
18.若遍历完{(x,y)}并未找到满足要求的最近点，当前点和本次循环已标记的点保存为相近点点集{(x,y)}k，k为序号，再从当前点的下一个点进行搜索，直到遍历完点集{(x,y)}中所有的点；
19.遍历并统计所有相近点点集内的栅格数量，如果相近点点集{(x,y)}k内的栅格数量≥n
min
，则判断点集{(x,y)}中存在较为连续的高程变化较大的栅格即发生区域性阶梯状下沉。
20.进一步的，所述第四塌陷检测单元检查车辆刚抵达第二邻域内时地面是否已经发生塌陷下沉，包括：获取实时俯仰角p
t
、横滚角r
t
，如果p
t
《p
p
或|r
t
|》rr，则地面已经发生塌陷下沉，其中，p
p
为卸载点地面下坡阈值，rr为卸载点地面倾斜阈值。
21.进一步的，所述第五塌陷检测单元检查卸载过程中是否发生塌陷下沉，包括：当刚进入卸载模式时，记录初始俯仰角p0、第二邻域栅格坐标z值初始集合{z0}，过程中采集实时俯仰角p
t
、第一邻域栅格坐标z值实时集合{z
t1
}；未完成卸载任务前，周期性遍历第二邻域栅格坐标z值实时集合{z
t2
}与第一邻域栅格坐标z值实时集合{z
t1
}对比，求取每一个对应
栅格的z轴极差δz1，并将δz1≥zz的栅格标记，zz为认定落差存在区域性阶梯下沉的高度变化阈值；如果|p
t-p0|》角阈值θ
p
或当被标记栅格与栅格总数量的比值大于阈值n
num
，则认定为发生塌陷下沉。
22.进一步的，所述卸载辅助设备包含：提供定位信息的定位系统，提供地面原始点云的感知传感器，提供点点云初步处理的感知初步处理模块，对卸载点地面进行塌陷检测的塌陷预防检测单元，提供人机交互的交互与警示单元，提供无线通信功能的无线通信模块，提供卸载点设置、分配及塌陷检测警示的卸载辅助车辆控制单元。
23.第二方面，本发明提供了一种卸载区地面下沉的检测方法，包括：
24.s1：卸载辅助车辆和无人矿卡的感知初步处理-雷达数据预处理、地面分割、栅格化：通过定位系统获取车辆在map坐标系下的位置坐标、行驶方向、车辆运动状态；通过感知传感器采集车辆周围环境点云数据，并进行滤波等预处理；接着，进行地面分割分离出地面点云数据；然后，对提取的地面点云数据进行预处理和二维栅格化处理，以车体坐标系将第一邻域内的地面以车体坐标系进行栅格化，周期性遍历栅格，并随机选取每个栅格内一个点云数据，并计算栅格的map坐标系以及车体坐标系下坐标；
25.s2：卸载点未分配无人矿卡前预防塌陷的检测与处置：卸载辅助车辆平整卸载场地、修筑挡墙；当卸载辅助车辆经过已经设置的卸载点的第一邻域时，会启动塌陷预防检测单元的检测，如果发生塌陷风险，将提示操作员重修场地或取消卸载点，期间机手也可以依靠眼睛观察地面审查是否塌陷，如果发生塌陷通过交互与警示单元上传调度中心；如果无塌陷，跳转s3；
26.s3：卸载点的选择与分配：卸载辅助车辆机手选择卸载点，如果机手认定不适合再分配卸载点或不适合继续卸载将通知调度中心；如果有合适的卸载点，将分配无人矿卡，调度中心对此卸载点进行路径规划发送给无人矿卡，并对将此路径加入交通管制避免相互碰撞；跳转s4；
27.s4：执行去卸载点路径时塌陷检测与处置：无人矿卡向卸载点行驶，无人矿卡进入卸载点第一邻域时，启动第一、第二、第三塌陷检测单元，如果认定发生塌陷，立即停车，清除原卸载点及其路径，申请新的卸载点，跳转s3，若申请超时立即按已行驶目标路径反向行驶紧急避险直至安全距离，申请新的卸载点，跳转s3；如果无塌陷，且抵达卸载点第二邻域时，跳转s5；
28.s5：抵达卸载点但未卸载的塌陷检测与处置：无人矿卡进入卸载点第二邻域时，启动第四检测单元，如果认定发生塌陷，立即按已行驶目标路径反向行驶紧急避险直至安全距离，申请新的卸载点，跳转s3；如果无塌陷，则跳转s6；
29.s6：无人矿卡卸载过程中的塌陷检测与处置：无人矿卡进入卸载模式进行卸载，启动第五塌陷检测单元，如果认定塌陷，立即按已行驶目标路径反向行驶紧急避险直至安全距离，申请新的卸载点，跳转s3；如果无塌陷，则跳转s7；
30.s7：无人矿卡正常卸载，申请出场路径，并沿出场路径出场。
31.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
32.本发明通过一种卸载安全控制系统，在卸载区，基于感知和车辆姿态等传感器，通过无人矿卡、卸载辅助设备、调度中心三者配合，实时检测并判断车辆行驶路径地面以及卸载点附近地面是否发生沉降塌陷，并自动处置，使无人矿卡安全运行；在卸载整个过程中，
确保规避因地面沉降引起的卸载安全问题。在卸载点分配无人矿卡前，确保卸载点附近地面分配前进行下沉塌陷检测和处置；无人矿卡未到达卸载点前，实时检测行驶路径上地面是否发生下沉塌陷，若发生则及时采取安全处置措施。无人矿卡在执行卸载任务时，实时检测是否发生下沉塌陷，若发生应立即采取安全处置措施。
附图说明
33.图1是本发明实施例一提供的卸载安全控制系统的实现框图；
34.图2是本发明实施例一提供的卸载安全控制系统的实现步骤图；
35.图3是本发明实施例一提供的第一、第二邻域示意图；
36.图4是本发明实施例一提供的车辆停靠在卸载点地面状态检测的示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
38.实施例一：
39.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描述。如图1，一种卸载安全控制系统，本发明主要由无人矿卡、卸载辅助车辆、调度中心组成，三者之间可以进行无线通信。
40.所述调度中心，提供到达卸载点的入场路径、离开卸载点的出场路径，并收集车辆运行信息及其故障供监控人员监控。含调度中心及其无线通信模块；
41.所述无人矿卡，为执行无人运输、卸载任务的无人驾驶矿用卡车，是实现卸载安全的主体。具备在执行入场路径、卸载过程中对地面进行塌陷下沉检测和安全处置的功能。无人矿卡包含提供定位信息的定位系统，提供地面原始点云的感知传感器，提供位姿信息的车身位姿传感器，提供点云初步处理(含滤波、地面分割、栅格化等)的感知初步处理模块，提供执行入场路径且抵达第一邻域时进行塌陷下沉检测的第一、第二、第三塌陷检测单元，提供停在卸载点第二邻域(以下简称，第二邻域)时塌陷检测的第四塌陷检测单元，提供卸载过程塌陷检测的第五塌陷检测单元，提供无人矿卡行为决策(停车、路径管理、路径申请等)的无人矿卡决策单元，提供路径循迹及停车的横纵向控制单元，提供无线通信的无线通信单元。
42.所述卸载辅助车辆为人驾驶的装载机或推土机，用来平整卸载区地面、修建挡墙，具备设置卸载点并分配给无人矿卡、在设置卸载点附近进行塌陷预防检测等功能。卸载辅助设备包含提供定位信息的定位系统，提供地面原始点云的感知传感器，提供点点云初步处理(含滤波、地面分割、栅格化等)的感知初步处理模块，对卸载点地面进行塌陷检测的塌陷预防检测单元，提供人机交互的交互与警示单元，提供无线通信功能的无线通信模块，提供卸载点设置、分配及塌陷检测警示的卸载辅助车辆控制单元。特别的，一般的卸载点附近地面修建为有向上坡度的斜面，卸载辅助车辆会在卸载区往复作业，当经过已经设置的卸载点第一邻域(以下简称，第一邻域)时，塌陷预防检测单元，审查卸载点附近地面坡度是否超出阈值。所述塌陷预防检测单元与无人矿卡第二塌陷检测单元的检测原理相同。
43.如图2所示，所述第一邻域以无人矿卡目标路径为基准线，横向超过单车道范围，
纵向超过3倍车长的区域；所述第二邻域，以卸载点为为中心，横向超过单车道区域，纵向超过1.5倍车长的矩形区域；
44.所述第一塌陷检测单元(下称，第一单元)，检查第一邻域内点云是否有大的空洞。从感知初步处理单元获取的地面数据中读取第一邻域内的栅格，并对栅格进行八邻域法求取连通域，遍历所有的连通域，如果某个连通域i连通域内的栅格面积累加si》s
null
，则认定为有大的空洞。其中si＝n
×ss
，ss为单个栅格的面积，与划分的栅格大小有关，当前实例取30cm栅格。s
null
为是否为空洞的判断阈值为经验值，与选取的传感器点云特点有关，当前实例取5。
45.所述第二塌陷检测单元(下称，第二单元)，检查第一邻域内的地面坡度是否达标。为了卸载安全，矿区排土场挡墙卸载点附近地面不能设计为下坡，若地面为下坡可以间接判定地面出现塌陷下沉。从感知初步处理单元获取的地面数据中读取第一邻域内的栅格，在以车辆前进方向，对称选取多条地面线评判是否为下坡，只要有一条地面线发生则认定为下坡。所述地面线为，以车体前进方向，选取栅格并选取栅格坐标所对应点为待拟合点，拟合成直线。判断地面线是否为下坡，将地面线在栅格x坐标范围对应的线段离散化为的地面线点集，地面线点集的开始点(xb,yb,zb)，结束点(xe,ye,ze)，则认定为下坡，其中p
p
为卸载点地面下坡阈值，为经验值，当前实例取0.0。
46.所述第三塌陷检测单元(下称，第三单元)，检查第一邻域内地面是否有发生区域性阶梯状下沉。从感知初步处理单元获取的地面数据中读取第一邻域内的栅格，按列遍历所有栅格，计算每一列中相邻栅格z坐标差，并将每列中相邻栅格z坐标差δz》zz的栅格进行保存，其中zz为认定落差存在区域性阶梯下沉的高度变化阈值。下一步判断保存的栅格否存在连续性，判断栅格是否存在连续性的方法为：
47.首先，对筛选出并保存的栅格点集按x坐标排序得到点集{(x,y)}，一般的阶梯型下沉会按y坐标延伸。然后从第一个点开始逐次搜索最近点，若找到j点(xj，yj)满足d(i,j)≤d
max
则为最近点，进行标记；跳到j点，继续搜索最近点。其中，d(i,j)为两个栅格之间欧式距离，d
max
为认定两点连续的阈值。
48.接着，若遍历完{(x,y)}并未找到满足要求的最近点，当前点和本次循环已标记的点保存为相近点点集{(x,y)}k，k为序号，再从当前点的下一个点进行搜索，直到遍历完点集{(x,y)}中所有的点。
49.最后，遍历并统计所有相近点点集内的栅格数量，如果相近点点集{(x,y)}k内的栅格数量≥n
min
，则判断点集{(x,y)}中存在较为连续的高程变化较大的栅格即发生区域性阶梯状下沉。
50.所述第四塌陷检测单元(下称，第四单元)，检查车辆刚抵达第二邻域内时，地面是否已经发生塌陷下沉，包括：获取实时俯仰角p
t
、横滚角r
t
，如果p
t
《p
p
或|r
t
|》rr，则地面已经发生塌陷下沉，其中，p
p
为卸载点地面下坡阈值，rr为卸载点地面倾斜阈值，为经验值，当前实例取5.0。
51.所述第五塌陷检测单元(下称，第五单元)，检查卸载过程中是否发生塌陷下沉。当刚进入卸载模式时，记录初始俯仰角p0、第二邻域栅格坐标z值初始集合{z0}，过程中采集实时俯仰角p
t
、第一邻域栅格坐标z值实时集合{z
t1
}。未完成卸载任务前，周期性遍历第二邻
域栅格坐标z值实时集合{z
t2
}与第一邻域栅格坐标z值实时集合{z
t1
}对比，求取每一个对应栅格的z轴极差δz1，并将δz1≥zz的栅格标记。如果|p
t-p0|》角阈值θ
p
或当被标记栅格与栅格总数量的比值大于阈值n
num
，则认定为发生塌陷下沉。本例中，n
num
取30％。
52.实施例二：
53.一种卸载区地面下沉的检测方法，基于实施例一所述的卸载安全控制系统，包括以下步骤：
54.s1：感知初步处理-雷达数据预处理、地面分割、栅格化等。通过定位系统获取车辆在map坐标系下的位置坐标、行驶方向、车辆运动状态；通过感知传感器采集车辆周围环境点云数据，并进行滤波等预处理；接着，进行地面分割分离出地面点云数据；然后，对提取的地面点云数据进行预处理和二维栅格化处理，以车体坐标系将第一邻域内的地面以车体坐标系进行栅格化，周期性遍历栅格，并随机选取每个栅格内一个点云数据，并计算栅格的map坐标系以及车体坐标系下坐标；卸载辅助车辆和无人矿卡均具备此过程。
55.s2：卸载点未分配无人矿卡前预防塌陷的检测与处置：卸载辅助车辆平整卸载场地、修筑挡墙；当卸载辅助车辆经过已经设置的卸载点的第一邻域时，会启动塌陷预防检测单元的检测，如果发生塌陷风险，将提示操作员重修场地或取消卸载点，期间机手也可以依靠眼睛观察地面审查是否塌陷，如果发生塌陷通过交互与警示单元上传调度中心；如果无塌陷，跳转s3；
56.s3：卸载点的选择与分配：卸载辅助车辆机手选择卸载点，如果机手认定不适合再分配卸载点或不适合继续卸载将通知调度中心；如果有合适的卸载点，将分配无人矿卡，调度中心对此卸载点进行路径规划发送给无人矿卡，并对将此路径加入交通管制避免相互碰撞；跳转s4；
57.s4：执行去卸载点路径时塌陷检测与处置：无人矿卡向卸载点行驶，无人矿卡进入卸载点第一邻域时，启动第一、第二、第三塌陷检测单元，如果认定发生塌陷，立即停车，清除原卸载点及其路径，申请新的卸载点，跳转s3，若申请超时立即按已行驶目标路径反向行驶紧急避险直至安全距离，申请新的卸载点，跳转s3；如果无塌陷，且抵达卸载点第二邻域时，跳转s5；
58.s5：抵达卸载点但未卸载的塌陷检测与处置：无人矿卡进入卸载点第二邻域时，启动第四检测单元，如果认定发生塌陷，立即按已行驶目标路径反向行驶紧急避险直至安全距离，申请新的卸载点，跳转s3；如果无塌陷，则跳转s6；
59.s6：无人矿卡卸载过程中的塌陷检测与处置：无人矿卡进入卸载模式进行卸载，启动第五塌陷检测单元，如果认定塌陷，立即按已行驶目标路径反向行驶紧急避险直至安全距离，申请新的卸载点，跳转s3；如果无塌陷，则跳转s7；
60.s7：无人矿卡正常卸载，申请出场路径，并沿出场路径出场。
61.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
62.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程
图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
63.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
64.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
65.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。