一种矿井下机车无人驾驶系统及控制方法与流程

本发明涉及矿井机车无人驾驶技术领域，具体涉及一种矿井下机车无人驾驶系统及控制方法。

背景技术：

现阶段我国矿井下机车运输作业存在工作环境恶劣和安全保障缺乏问题，这也导致运输事故频发并带来了诸多严重的社会影响。运用信息与控制技术提高运输自动化水平是减少此类事故的根本措施。矿井无人驾驶机车系统的运行，有助于降低因人工调度、人为操作失误而发生运输事故的概率并减少井下作业人员数，具有巨大的经济效益和社会效益。

机车车载通信控制器是整套系统的核心单元，地面调度信息、系统联锁与进路状态、各类车载工况都要最终进入车载控制单元作分析。对上述诸多车载信息的分析离不开一个前提：机车位置的实时跟踪，即机车位置校准与定位。现有的地面轨道列车，对列车位置修正主要通过在轨道上安装应答器，当列车上的查询器通过轨道地面应答器时，应答器被查询器瞬态功率激活进入工作状态，并向查询器发送行车数据，进而实现列车定位校准。这种校准方式对车载查询器、轨道应答器硬件本身要求较高，前者需要车载单独供电，后者需要具备防水、防尘等功能，因此设备及维护成本高。

uwb技术是一种基于纳秒级超窄脉冲的无线通信技术，该技术具有抗干扰能力强、传输距离远等特点，uwb测距精度误差理论上可达10cm。该技术相比采用轨上查询器与应答器而言，设备功耗与成本更低。因此，可用uwb无线通信测距技术并根据测距距离数据规律特性进行矿井无人驾驶机车位置校准定位，并指导系统行车过程。

技术实现要素：

本发明提出的一种矿井下机车无人驾驶系统，可对矿井下无人机车行车过程中车辆位置实时跟踪与校准，并以此来监控与指导行车。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种矿井下机车无人驾驶系统，包括地面设备和井下设备，所述地面设备包括：远程操作控制台rcc、调度管理软件doms、数据通信服务器comserver、视频服务器vsm；

所述井下设备包括：无人驾驶机车，所述无人驾驶接车的车上有车载通信控制器vobc，车载通信控制器vobc内含uwb测距标签模块；

井下设备还包括控制分站，所述控制分站内含wifi基站和uwb测距基站；

所述远程操作控制台rcc、调度管理软件doms、数据通信服务器comserver、视频服务器vsm分别经交换机与控制分站通信连接；

无人驾驶机车在接收派车任务前，按照预设的发车点停靠在相应股道上，无人驾驶机车上的车载通信控制器vobc内的uwb测距标签模块与井下巷道上控制分站内的uwb测距基站进行实时通信，并测得当前机车uwb标签与巷道uwb基站的距离，并由uwb标签将测距结果上报到车载通信控制器vobc；

当无人驾驶机车行驶接近uwb测距基站时，测量距离渐进变小，且通过基站正下方时，测得距离为最小，由于巷道内各个uwb基站安装位置已知，据此可实现对机车位置进行校准；

机车位置校准后，位置参考信息回零，后续通过安装在车上的速度编码器累计车轮滚动产生的脉冲频率量并结合轮经系数来推算机车相对最近一次uwb基站校准点所行驶过的距离，据此实现对机车行车全过程的位置跟踪。

进一步的，所述数据通信服务器comserver一方面用于系统的基础数据存储用；

另一方面，数据通信服务器comserver还对系统内进路与设备状态作联锁运算来指导doms调度工作。

进一步的，所述调度管理软件doms负责对系统内所有无人机车、遥控驾驶台进行统筹调度，根据系统运输要求对各个无人驾驶机车进行任务派发，并负责对远程操作控制台rcc进行授权，同时，根据comserver反馈的进路与设备状态联锁运算结果并结合机车当前上报的实时位置信息来对机车进行移动授权，控制机车行驶的允许最大行车速度。

另一方面，本发明的一种矿井下机车无人驾驶控制方法，包括以下步骤：

s1：根据井下巷道工况，规划出行车任务路线、每条行车路线始末点、行经的线路区段划分，并据此来施工；

s2：无人驾驶机车上安装车载通信控制器vobc，与机车上变频器装置完成对接通信，车载vobc上集成安装uwb标签模块，车载vobc通过wifi客户端模块连接上巷道内的wifi基站以实现与地面网络互连；

s3：s1和s2步骤完成后，将站场内各设备信息录入comserver中，作为系统各条任务进路的基础数据；

s4：登陆进doms与rcc软件，rcc开启后，默认会进入待机模式，可操作其进入控制模式，控制模式下会启动与doms的通信连接，连接上后，doms根据comserver中存储的rcc控车映射关系给rcc下发机车控制授权，rcc获得授权后连接上相应的车载vobc系统；

s5：通过车载摄像头确认机车停靠在预定任务发车点股道后，doms软件下达派车任务到vobc与rcc，派车任务中含任务号与任务执行时间，vobc收到后，根据任务号提取其内存中对应该任务号的进路基础数据；

rcc获悉任务执行时间，计时到点后，向doms软件正式申请控车进路，doms软件会先等待comserver返回的当前进路联锁运算结果；若联锁运算结果显示当前机车前方进路允许行车，则doms正式应答rcc允许控车信号，否则不应答；

s6：在发车点前方，rcc获得控车授权后，按实际路况启动机车沿上行行程os行驶，当行经第一个uwb-a1基站正下方附近时，车载vobc接收uwb标签测得的距离为dn(a1)，vobc遍历其自身基础数据找到uwb-a1基站，并与其校准参考范围[d1-δl1,d1+δl1]核对，若dn(a1)在[d1-δl1,d1+δl1]范围内，再获取当前测量帧时刻往前3次的测量结果dn-1(a1)、dn-2(a1)、dn-3(a1)；

若满足dn(a1)<dn-1(a1)、dn-1(a1)<dn-2(a1)、dn-2(a1)<dn-3(a1)，则判定机车行经了第一个位置校准参考点uwb-a1，vobc更新机车位置信息为(id(a1),0)，其中id(a1)为uwb-a1基站的id号，0表示机车刚行驶过uwb-a1基站正下方，偏移量为0，随着机车继续行进，vobc会根据车上的速度编码器脉冲累计车辆轨道走行距离l，并实时更新位置为(id(a1),lx)；

s7：在经s6步骤校准机车初始位置后，vobc会根据所派os任务行程进行区段查找，初始校准后，机车应行驶在区段os1上，则后续vobc会监控uwb-a2基站的测距距离；

在机车行驶到达uwb-a2基站正下方附近时，车载vobc接收uwb标签测得的距离为dn(a2)，vobc核对uwb-a2基站的校准参考范围[d2-δl2,d2+δl2]，若dn(a2)在[d2-δl2,d2+δl2]范围内，则再获取当前测量帧时刻往前3次的测量结果dn-1(a2)、dn-2(a2)、dn-3(a2)；

若满足dn(a2)<dn-1(a2)、dn-1(a2)<dn-2(a2)、dn-2(a2)<dn-3(a2)，则vobc更新机车位置信息为(id(a2),0)，其中id(a2)为uwb-a2基站的id号，0表示机车刚行驶过uwb-a2基站正下方，偏移量为0；

在上述任一次校准判断中，若在天线正下方常规测量值基础上加上一小的波动区间的校准判断范围和根据机车由远及近接近某一uwb基站时的距离由大变小的规律无法同时满足，则本次校准判断不成功，则机车位置信息仍然保持为(id(a1),lx)；

随着机车继续行进，机车轨道走行距离lx继续增大，直至大于设定区段的长度，车载vobc正式认定uwb-a2基站校准失效，判定机车已驶离uwb-a2基站，且已驶入s1s2区段，自动根据所派任务进路基础数据查找uwb-a2下一站uwb-a3基站，并开始监控vobc接收uwb标签与uwb-a3基站测得的距离dn(a3)，并重复上述过程；

s8：无人驾驶机车在整个任务行车过程中通过上述s7过程进行位置校准或运算，并将其上报地面doms软件，doms软件根据所派任务的线路基础数据信息结合comserver给出的联锁运算结果，给机车下发合理的移动限速授权值，直至到达任务终点，vobc始终要在移动限速授权值以内行车；在机车到达任务终点时，vobc自行根据机车位置结合基础数据判定，在确认到站后，自动停车结束任务执行。

由上述技术方案可知，本发明的一种矿井下机车无人驾驶系统及控制方法，包括无人驾驶机车根据预设的行车任务从发车点发车，通过uwb测距距离值获取机车初始参考位置，行车期间根据机车速度编码器脉冲计数累计车辆走行距离，并根据行车任务进行推算得到当前机车所在精确区段，后将精确位置信息实时上报，从而指导机车安全限速行驶。同时考虑到轨道路况、机械条件会影响速度编码器脉冲频率量计数，进而影响机车行车位置判断，行车过程中会多次利用uwb测距值对机车参考位置进行重新校准，以提高行车位置计算准确性及行车安全性。

本发明实现了矿井下机车的远程无人驾驶控制，减少井下作业人员数且降低因人为操作失误而发生运输事故的概率，改善了司机的工作环境。同时，采用uwb测距作为机车校准定位手段相比地面轨道列车校准方式，硬件及后期维护成本更低。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明ads-twr测距示意图；

图3和4所示分别为一井下站场施工布置示意图和站场行车示意图；

其中，图2中，

d＝c*tof(c为光速)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的矿井下机车无人驾驶系统，包括：

系统内含的地面设备有远程操作控制台rcc、调度管理软件doms、数据通信服务器comserver、视频服务模块vsm；井下设备有机车，车上有车载通信控制器vobc(内含uwb测距标签模块)与车载摄像头、控制分站(内含wifi基站和uwb测距基站)、信号机与转辙机相关设备。

所述远程操作控制台rcc、调度管理软件doms、数据通信服务器comserver、视频服务器vsm分别经交换机与控制分站通信连接；

以下具体说明：

comserver软件一方面用于系统的各类基础数据存储用，系统管理员可随时更新。服务器上数据的更新需同步到系统内的doms、rcc、vobc软件，另一方面，comserver还对系统内各进路与设备状态作联锁运算来指导doms调度工作。

doms软件负责对系统内所有无人机车、遥控驾驶台进行统筹调度，根据系统运输要求对各个无人驾驶机车进行任务派发，并负责对rcc控车进行授权。同时，根据comserver反馈的进路与设备状态联锁运算结果(主要是行车前方信号机位置与状态、道岔位置与状态)并结合机车当前上报的实时位置信息来对机车进行移动授权，控制机车行驶的允许最大行车速度。

rcc软件接收doms软件的派车任务，按照其赋予的控车授权信息去连接相应的无人驾驶机车，通过其界面的驾控按钮控制机车上、下行方向行驶、鸣笛、加减速、停车、撒砂等操作。在行车期间，实时接收doms软件下发的机车移动授权限速信息，并以此信息来作为其驾控机车的参考，若监测到机车超速或者人为驾控加速超过限速值，则发出报警。在考虑系统运行安全与效率平衡基础上，rcc软件同时刻只控制一台车行驶，但是每个rcc软件可同时与多辆无人机车保持连接，并可将机车的各类车况信息上传显示，包括电压、电流、温度等信息。

机车车载通信控制器vobc通过其内部的wifi客户端来连接巷道内的wifi基站网路接入系统大网与地面各设备通信，接收doms软件的派车任务，并据此提取自身存储的相匹配的任务进路信息作为行车参考。另，接收doms软件的控车授权许可，并与已授权的rcc软件连接通信。对机车那边，通过控制车载变频器来控制机车各类驾驶行为，行车过程中，将机车的实时位置上报doms软件，以便其作移动授权计算。

在机车头前后两端，各安装一车载摄像头，摄像头也通过vobc内部的wifi客户端连接wifi基站进入系统环网。在地面控车前进时，操作员可实时观察前方路况。

如图2所示，vobc内的uwb标签与控制分站上的uwb基站通过ads-twr(asymmetricdoublesidedtwo-wayranging)原理实时进行测距通信，通过计算信息空中飞行时间来计算二者间距离，后由uwb标签将测距结果上报vobc处理器。

无人驾驶机车在接收派车任务前，按照预设的发车点停靠在相应股道上，机车上的vobc内含uwb测距标签模块，可与井下巷道上控制分站内的uwb测距基站进行实时通信，并测得当前机车uwb标签与巷道uwb基站的距离。当机车行驶接近uwb测距基站天线时，测量距离渐进变小，且通过基站正下方时，测得距离为最小，由于巷道内各个uwb基站安装位置已知，据此可实现对机车位置进行校准。机车位置校准后，位置参考信息回零，后续通过安装在车上的速度编码器累计车轮滚动产生的脉冲频率量并结合轮经来推算机车相对最近一次校准点所行驶过的距离，据此实现对机车行车全过程的位置跟踪。

考虑到uwb无线通信在车辆移动下产生的测距数据抖动情形，尤其在矿井巷道狭窄工况下易受外界因素干扰导致数据波动、跳变更频繁，这也导致机车即便两次行经同一个uwb基站正下方时，测距的距离并非完全相同(测量数值为厘米级)。因此vobc在机车位置校准时，在天线正下方常规测量值基础上加上一小的波动区间作为一个校准判断范围，这是位置校准的条件之一(下述简称“条件一”)；另外，根据机车由远及近接近某一uwb基站时的距离由大变小的规律，并将该规律作为机车位置校准的条件之二(下述简称“条件二”)。综合上述两条件，可有效避免行车过程中因uwb自身测距数据突变抖动造成的机车误校准问题。另外，为了减小机车速度编码器长时间累计频率量脉冲带来的累积误差，系统路线规划时考虑进行多次校准操作。

本发明实施例提出的一种基于uwb测距校准与定位的矿井下机车无人驾驶系统的行实施步骤为：

s1：根据井下巷道工况，规划出若干条行车任务路线、每条行车路线始末点、行经的线路区段划分，并据此来施工。如图2的示例中，os、so为规划的两条行车任务路线，每按照一定距离安装控制分站，包括wifi基站与uwb基站，距离大小以保证整个行车过程中wifi无缝覆盖即可。同时根据巷道路况安装信号机，如拐弯处、道岔处。设备安装完毕后，wifi基站、uwb基站、信号机、道岔设备的状态应都能上传至地面comserver。

s2：无人驾驶机车上安装车载通信控制器vobc，与机车上变频器装置完成对接通信，车载vobc上集成安装uwb标签模块，车载vobc通过wifi客户端模块连接上巷道内的wifi基站以实现与地面网路互连。机车在巷道内行驶，车载摄像头、车载工况信息应都能上传至地面，供读取与存储，且机车行进间车载摄像头画面流畅无卡顿。

图3和4所示分别为一井下站场施工布置示意图和站场行车示意图，o点为规划任务线路的发车点(亦是返程线路的到站终点)，s点为到站终点(亦是返程线路的发车点)，可约定从o发出终到s为上行方向，从s发出终到o为下行方向。其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6为uwb测距基站，每一个uwb基站作为机车位置的校准点，其与wifi基站一同集成于控制分站内；x1、x2、x3、x4为任务从发车点o发出终到s点路线(行程os)行经的信号机，x5、x6、x7、x8为任务从发车点s发出终到o点路线(行程so)行经的信号机；c1、c2为行程os和so都行经的道岔；上行行程os可分为os1、s1s2、s2s3、s3s4、s4s共5个区段，下行行程so可分为ss4、s4s3、s3s2、s2s1、s1o共5个区段。

s3：s1和s2步骤完成后，将站场内各设备相关信息录入comserver中，这些信息作为系统各条任务进路的基础数据。有：各个设备id号、ip地址和端口号、各条任务行程表、各个uwb基站位置(相对井下任务发车点的距离)、信号灯及道岔的位置(相对井下任务发车点的距离)；系统内rcc软件连接控制机车的映射关系也需录入comserver，如1号rcc控制台控制1-4号机车，2号rcc控制台控制5-8号机车；vobc用于机车位置校准的uwb参考测距距离范围信息。

示例中，机车所规划任务os和so途中会行经a1、a2、a3、a4、a5、a6共6个uwb测距基站，可将机车路过这些站正下方时uwb通信测得的距离参考值di,i＝1,2,...6,考虑到uwb测距数据自身波动性，最终录入comserver的校准范围值为di+δli,i＝1,2,...6。

s4：管理员登陆进doms与rcc软件，rcc开启后，默认会进入待机模式，可操作其进入控制模式，控制模式下会启动与doms的通信连接，连接上后，doms根据comserver中存储的rcc控车映射关系给rcc下发机车控制授权，rcc获得授权后连接上相应的车载vobc系统。

s5：通过车载摄像头确认机车停靠在预定任务发车点股道后，doms软件下达派车任务到vobc与rcc，派车任务中含任务号与任务执行时间，vobc收到后，根据任务号提取其内存中对应该任务号的进路基础数据。rcc获悉任务执行时间，计时到点后，向doms软件正式申请控车进路，doms软件会先等待comserver返回的当前进路联锁运算结果(主要是当前任务进路前方的信号机是否绿灯、道岔状态正确与否)。若联锁运算结果显示当前机车前方进路允许行车，则doms正式应答rcc允许控车信号，否则不应答。

s6：如图4所示为井下站场行车示意图，在发车点o前方，rcc获得控车授权后，可按实际路况启动机车沿上行行程os行驶，当行经第一个uwb-a1基站正下方附近时，车载vobc接收uwb标签测得的距离为dn(a1)，vobc遍历其自身基础数据找到uwb-a1基站，并与其校准参考范围[d1-δl1,d1+δl1]核对，若dn(a1)在[d1-δl1,d1+δl1]范围内，则认为当前测距结果满足条件一。再获取当前测量帧时刻往前3次的测量结果dn-1(a1)、dn-2(a1)、dn-3(a1)。

若满足dn(a1)<dn-1(a1)、dn-1(a1)<dn-2(a1)、dn-2(a1)<dn-3(a1)，则认为当前测距结果满足条件二，判定机车行经了第一个位置校准参考点uwb-a1，vobc更新机车位置信息为(id(a1),0)，其中id(a1)为uwb-a1基站的id号，0表示机车刚行驶过uwb-a1基站正下方，偏移量为0，随着机车继续行进，vobc会根据车上的速度编码器脉冲累计车辆轨道走行距离l，并实时更新位置为(id(a1),lx)。

s7：在经s6步骤校准机车初始位置后，vobc会根据所派os任务行程进行区段查找，初始校准后，机车应行驶在区段os1上，则后续vobc会重点监控uwb-a2基站的测距距离。

在某时刻，机车行驶到达uwb-a2基站正下方附近时，车载vobc接收uwb标签测得的距离为dn(a2)，vobc核对uwb-a2基站的校准参考范围[d2-δl2,d2+δl2]，若dn(a2)在[d2-δl2,d2+δl2]范围内，则再获取当前测量帧时刻往前3次的测量结果dn-1(a2)、dn-2(a2)、dn-3(a2)。

若满足dn(a2)<dn-1(a2)、dn-1(a2)<dn-2(a2)、dn-2(a2)<dn-3(a2)，则vobc更新机车位置信息为(id(a2),0)，其中id(a2)为uwb-a2基站的id号，0表示机车刚行驶过uwb-a2基站正下方，偏移量为0。

在上述任一次校准判断中，若条件一和二无法同时满足，则本次校准判断不成功，则机车位置信息仍然保持为(id(a1),lx)。

随着机车继续行进，机车轨道走行距离lx继续增大，直至明显大于图中os1区段的长度，车载vobc正式认定uwb-a2基站校准失效，判定机车已驶离uwb-a2基站(离开os1区段)，且已驶入s1s2区段，自动根据所派任务进路基础数据查找uwb-a2下一站uwb-a3基站，并开始监控vobc接收uwb标签与uwb-a3基站测得的距离dn(a3)，并重复上述过程。

s8：无人驾驶机车在整个任务行车过程中会通过上述s7过程进行位置校准或运算，并将其上报地面doms软件，doms软件根据所派任务的线路基础数据信息结合comserver给出的联锁运算结果，给机车下发合理的移动限速授权值，直至到达任务终点，vobc始终要在移动限速授权值以内行车。在机车到达任务终点时，vobc自行根据机车位置结合基础数据判定，在确认到站后，自动停车结束任务执行。

上述机车校准方法在理论上会有机率存在校准失败情形，如车速很慢通过某一uwb基站正下方附近时，虽然当前时刻测距距离满足校准参考标准范围(上述s6中条件一)，但由于车速过慢，前后几次测距距离变化不明显，加上uwb测距数据自身的突变与波动性，判定当前时刻往前最近三次测距距离值时，或许不能满足前述s6中的依次递减关系(上述s6中条件一)。但若仅仅采用条件一来作为校准条件，在井下复杂巷道环境下，uwb测距数据会有机率出现突变与波动，实际行车中会有可能导致某时刻机车接收到一帧突变数据，恰好满足某uwb基站的校准参考范围，这样系统会产生误判，更新错误的位置校准信息，错误的位置信息到达doms引发上位机错误的联锁运算与移动授权运算，存在安全隐患。

总的来说，采用s6中条件一和条件二相结合的方式，增加了机车位置校准条件的苛刻性，虽然极端情况下会有漏校准可能，但是即便这样，如s7中所述，机车仍可以根据上次校准位置及基础数据中任务区段长度自行推算位置信息，并可继续等待下次校准，不会明显影响系统运行，安全隐患低。且条件二中可自行设置监控当前次测量距离前次的距离的次数，本例中是三次，可根据需要增加或减少，增加意味着理论上校准条件更严苛，误校准机率更低，反之校准条件更宽松，误校准机率增加。

综上所述，本发明实现了矿井下机车的远程无人驾驶控制，减少井下作业人员数且降低因人为操作失误而发生运输事故的概率，改善了司机的工作环境。同时，采用采用uwb测距作为机车校准定位手段相比地面轨道列车校准方式，硬件及后期维护成本更低。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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