一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法与系统与流程

1.本发明涉及智慧矿山、无人驾驶技术领域，特别是涉及一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法与系统。


背景技术：

2.矿石露天铲装作业是矿山生产环节中的重要一环，也是影响矿石质量、职业健康安全的关键环节。在露天水泥矿山无人运输生产作业中，铲装作业是唯一的动态作业环节，只有解决了自动铲装作业，才能够真正的实现露天矿山无人运输、自动开采。
3.当前，挖机远程驾驶技术落地条件尚不成熟，在矿区多采用人工驾驶挖机配合无人驾驶矿车，完成无人运输作业；目前无人矿车与人工驾驶挖机作业多局限于调度员人工调度，该调度方案存在以下缺陷：1)装载效率低，需要频繁的人工介入才能完成装载工作；2)人员成本高；3)存在较多安全隐患。
4.借助5g通讯、gnss定位、融合感知、v2x通讯等技术，无人驾驶在矿山生产区域内的运输行驶已趋于成熟，本发明中提供的方法将人工驾驶挖机与无人驾驶矿卡有序融合、协同工作，能够保障无人运输系统在动态装载区域的智能、高效、安全作业，其优势与数字矿山“高效、安全、绿色、可持续”的建设目标充分契合。


技术实现要素：

5.技术问题
6.为解决无人运输系统在矿山动态装载区域的高效、稳定作业，本技术提供了一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法与系统，能够保证装载作业的高效、有序、智能及安全性，同时能够显著提高矿区无人驾驶运输作业的装载效率。
7.技术方案
8.本发明的第一目的是提供一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载系统，包括：
9.控制无人驾驶矿卡工作状态的车端控制系统；
10.控制人工驾驶挖机工作状态的挖机协同控制系统；
11.带有人机交互模块的挖机控制交互终端；
12.机群决策调度平台；其中：
13.在所述人工驾驶挖机上安装有挖机动臂倾角检测终端、挖机斗杆倾角检测终端、挖机定位定向终端、和挖机控制交互终端；所述机群决策调度平台分别与挖机协同控制系统、车端控制系统进行无线数据交互；所述挖机控制交互终端与挖机协同控制系统进行数据交互。
14.优选地，所述挖机协同控制系统用于实时解算装载点定位，维护挖机工作状态，并同机群决策调度平台实时通讯；所述挖机动臂倾角检测终端，挖机斗杆倾角监测终端，挖机定位定向终端用于实时获取挖机全球定位、装载点定位、铲斗方向；所述挖机控制交互终端
输出当前挖机工作状态并获取系统用户输入数据。
15.优选地，所述铲装点定位计算公式为：
16.loc
x
＝ori
x
+off
x
+r
exc
×
cos(θ
sen03
)
17.locy＝oriy+offy+r
exc
×
sin(θ
sen03
)
18.上述公式中，r
exc
计算公式为：
19.r
exc
＝len
sen01
×
cos(θ
sen01
)+len
sen02
×
cos(θ
sen02
)
20.其中，loc
x
,locy为挖机铲装定位点坐标，ori
x
,oriy为挖机动臂倾角检测终端所获取的挖机定位点坐标，θ
sen01
,θ
sen02
,θ
sen03
为上述挖机动臂倾角检测终端，
21.机斗杆倾角检测终端，挖机定位定向终端所获取的角度值，len
sen01
,len
sen02
,off
x
,offy为挖机尺寸数据。
22.本发明的第二目的是提供一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法，执行如下步骤：
23.步骤1：人工驾驶挖机就位后，通过挖机控制交互终端，设置无人驾驶矿卡进入角度并将挖机状态设置为“允许驶入”；
24.步骤2：无人驾驶矿卡驶入装载等待区，并发送请求装载指令；
25.步骤3：机群决策调度平台获取挖机协同控制系统解算的铲装点定位；
26.步骤4：机群决策调度平台向无人驾驶矿卡发送动态停靠指令；
27.步骤5：无人驾驶矿卡的车端控制系统接收指令驶入装载区，并将对应挖机的状态设置为“繁忙”；
28.步骤6：无人驾驶矿卡装载完成后，通过挖机控制交互终端，发送“装载完成”指令；
29.步骤7：无人驾驶矿卡的车端控制系统收到指令，驶离装载区。
30.优选地，所述步骤1具体为：操作员将人工驾驶挖机就位，具体为：操作员已准备好开展装载工作，挖机位置已确认，挖机装载斗姿态已确认，并用于指示装载点定位；操作员获取所开辟装载区域角度φ
lo
；操作员通过交互终端，将装载区域角度φ
lo
发送至机群决策调度平台；操作员通过交互终端，将挖机状态设置为“允许驶入”。
31.优选地，所述步骤1具体为：挖机状态包含“允许驶入”与“繁忙”两种模式，当挖机状态为“允许驶入”时，率先进入装载等待区的无人矿车将被允许进入装载区域，并且挖机装载将在此矿车进入后自动进入“繁忙”状态；当挖机装载为“繁忙”时，表示此时操作员不允许其他车辆进去装载区，无人矿卡将在装载等待区等待。
32.优选地，所述步骤6具体为：挖机操作员通过用户协同终端，点击“装载完成”指令；机群决策调度平台收到指令后，匹配装载车辆，并从任务池中搜寻该车辆的后续任务，并下发给无人矿卡。
33.本发明的优点及积极效果为：
34.通过采用上述技术方案，本发明具有如下的技术效果：
35.1)本发明实现了无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机在装载区的协同配合作业，能有效减少人工参与，提升无人运输作业的效率与安全性；
36.2)本发明是矿区无人运输系统的重要组成部分，结合5g通讯、传感器融合、v2x等前沿技术，助力矿区生产向智慧矿山转型升级。
附图说明
37.图1为本发明优选实例中的无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机在装载区协同工作的流程示意图；
38.图2为本发明的系统结构示意图；
39.图3为挖机控制交互终端设置界面示意图；
具体实施方式
40.以下将结合说明书附图及具体实施例对本发明技术方案做进一步的详细阐述。需要说明的是，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
41.请参阅图1至图3；
42.一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载系统，包括：
43.控制无人驾驶矿卡工作状态的车端控制系统；
44.控制人工驾驶挖机工作状态的挖机协同控制系统；
45.带有人机交互模块的挖机控制交互终端；
46.机群决策调度平台；其中：
47.在所述人工驾驶挖机上安装有挖机动臂倾角检测终端、挖机斗杆倾角检测终端、挖机定位定向终端、和挖机控制交互终端；所述机群决策调度平台分别与挖机协同控制系统、车端控制系统进行无线数据交互；所述挖机控制交互终端与挖机协同控制系统进行数据交互。
48.所述挖机协同控制系统用于实时解算装载点定位，维护挖机工作状态，并同机群决策调度平台实时通讯；所述挖机动臂倾角检测终端，挖机斗杆倾角监测终端，挖机定位定向终端用于实时获取挖机全球定位、装载点定位、铲斗方向；所述挖机控制交互终端输出当前挖机工作状态并获取系统用户输入数据。
49.所述铲装点定位计算公式为：
50.loc
x
＝ori
x
+off
x
+r
exc
×
cos(θ
sen03
)
51.locy＝oriy+offy+r
exc
×
sin(θ
sen03
)
52.上述公式中，r
exc
计算公式为：
53.r
exc
＝len
sen01
×
cos(θ
sen01
)+len
sen02
×
cos(θ
sen02
)
54.其中，loc
x
,locy为挖机铲装定位点坐标，ori
x
,oriy为挖机动臂倾角检测终端所获取的挖机定位点坐标，θ
sen01
,θ
sen02
,θ
sen03
为上述挖机动臂倾角检测终端，
55.机斗杆倾角检测终端，挖机定位定向终端所获取的角度值，len
sen01
,len
sen02
,off
x
,offy为挖机尺寸数据。
56.如图2所示，本发明专利中涉及的露天水泥矿山无人驾驶多车调度系统，包括：机群决策调度平台，挖机协同控制系统，挖机动臂倾角检测终端sen01，挖机斗杆倾角检测终端sen02，挖机定位定向终端sen03，挖机控制交互终端，无人驾驶车端控制系统。其中，
57.机群决策调度平台可以为与无人驾驶矿卡、挖机协同控制系统进行通信连接的服务器。该服务器包括如cpu(central processing unit)那样的处理器的运算处理装置；包
括如rom(readonly memory)或ram(random access memory)那样的内存及存储器的存储装置；包括输入、输出接口。该服务器配置有通讯模块，用于与运载车辆上的车载通讯装置建立无线通讯连接。可选地，服务器还具有用于输入输出的人机接口；
58.该挖机协同控制系统能够提取挖机(铲车)运行数据，具有云端通信模块，可以同调度中心实时通信，并可以报告自身工作状态；
59.该挖机动臂倾角检测终端sen01用于感知挖机动臂倾角，辅助挖机协同控制系统进行装载点定位；
60.该挖机斗杆倾角检测终端sen02用于感知挖机斗杆倾角，辅助挖机协同控制系统进行装载点定位；
61.该挖机定位定向终端sen03用于感知挖机定位及朝向，用于挖机定位解算及确定装载点；
62.该挖机控制交互终端是人机互相交换信息用的一种终端，其常见的形式为安装在平板电脑或手机端的应用程序；
63.该无人驾驶车端控制系统具有预先配置用于唯一标识该车辆的车辆id；配置有车载传感系统、车载远程通讯系统以及车载底盘控制系统。
64.一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机在装载区协同工作的系统，包括：
65.机群决策调度平台：能获取无人矿卡机群信息、车铲协同控制系统信息，并进行分析、处理、决策的云端中心；
66.车铲协同控制系统：实时提供挖机信息，反馈挖机工作状态，并同调度中心通讯；
67.无人驾驶车端控制系统：能够完成指定任务并同调度中心通讯；
68.挖机动臂倾角检测终端sen01：获取挖机动臂倾角，辅助解算装载点定位；
69.挖机斗杆倾角检测终端sen02：获取挖机斗杆倾角，辅助解算装载点定位；
70.挖机定位定向终端sen03：获取挖机驾驶室定位及挖机朝向；
71.挖机控制交互终端：面向用户的交互终端，通常为安装于平板操作终端或手机操作终端的程序；
72.本发明实施例中，一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法，包含下列步骤：
73.s1、挖机就位后，通过挖机控制交互终端，设置矿卡进入角度并将挖机状态设置为“允许驶入”，包含以下步骤：
74.步骤s11、操作员将挖机就位，其具体含义为：操作员已准备好开展装载工作，挖机位置已确认，挖机装载斗姿态已确认，并可用于指示装载点定位；
75.步骤s12、操作员获取所开辟装载区域角度φ
lo
；
76.步骤s13、操作员通过交互终端，将装载区域角度φ
lo
发送至机群决策调度平台；
77.步骤s14、操作员通过交互终端，将挖机状态设置为“允许驶入”；
78.其中，挖机控制交互终端设置装载区域角度及设置挖机状态可见图3；
79.s2、矿卡驶入装载等待区，并发送请求装载指令，包含以下步骤：
80.步骤s21、无人矿卡发送请求装载指令；
81.步骤s22、机群决策调度平台从任务池中获取该车辆即将执行的任务；
82.步骤s23、机群决策调度平台判断此路径是否可以驶入，若不能驶入，则使车辆进
入等待状态；
83.步骤s24、机群决策调度平台判断挖机状态是否为“允许驶入”，若不能驶入，则车辆进入等待状态；
84.s3、调度中心获取挖机终端解算的铲装点定位；
85.其中挖机铲装点定位计算规则为：
86.loc
x
＝ori
x
+off
x
+r
exc
×
cos(θ
sen03
)
87.locy＝oriy+offy+r
exc
×
sin(θ
sen03
)
88.上述公式中，r
exc
计算规则为：
89.r
exc
＝len
sen01
×
cos(θ
sen01
)+len
sen02
×
cos(θ
sen02
)
90.其中，loc
x
,locy为挖机铲装定位点坐标，ori
x
,oriy为sen01所获取的挖机定位点坐标，θ
sen01
,θ
sen02
,θ
sen03
为上述sen01，sen02，sen03三个硬件设备所获取的角度值，len
sen01
,len
sen02
,off
x
,offy为挖机外表尺寸值；
91.s4、机群决策调度平台向无人矿卡车端发送动态停靠指令；
92.特别地，该指令应通过由机群决策调度平台统一规划制定的通讯协议下发，并经稳定、可靠的5g或4g专网传输，该通讯传输方式应能保证在动态、变化的网络中，信息必定可达。
93.s5、无人矿卡接收指令驶入装载区，并将此挖机的状态设置为“繁忙”；
94.其中，机群决策调度平台收到无人矿卡已进入装载区消息后，自动向挖机协同控制中心发送消息，将挖机状态设置为“繁忙”，在“繁忙”状态下，挖机装载区不允许任何其他车辆驶入；
95.s6、矿卡装载完成后，通过用户协同终端，发送“装载完成”指令，其具体步骤为；
96.步骤s61、无人矿卡按路线驶入指定装载位；
97.步骤s62、操作员装载矿石至满载；
98.步骤s63、操作员装载完成后，通过用户协同终端，发送“装载完成”指令；
99.s7、无人矿卡车端收到指令，驶离装载区，其具体步骤为：
100.步骤s71、机群决策调度平台收取“装载完成”指令；
101.步骤s72、机群决策调度平台从任务池中，取出该矿卡后续任务；
102.步骤s73、机群决策调度平台向无人矿卡发送后续任务指令；
103.步骤s74、无人矿卡接收后续行驶指令，按路径驶离装载区；
104.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介
质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
105.以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载系统，其特征在于，包括：控制无人驾驶矿卡工作状态的车端控制系统；控制人工驾驶挖机工作状态的挖机协同控制系统；带有人机交互模块的挖机控制交互终端；机群决策调度平台；其中：在所述人工驾驶挖机上安装有挖机动臂倾角检测终端、挖机斗杆倾角检测终端、挖机定位定向终端、和挖机控制交互终端；所述机群决策调度平台分别与挖机协同控制系统、车端控制系统进行无线数据交互；所述挖机控制交互终端与挖机协同控制系统进行数据交互。2.根据权利要求1所述的无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载系统，其特征在于，所述挖机协同控制系统用于实时解算装载点定位，维护挖机工作状态，并同机群决策调度平台实时通讯；所述挖机动臂倾角检测终端，挖机斗杆倾角监测终端，挖机定位定向终端用于实时获取挖机全球定位、装载点定位、铲斗方向；所述挖机控制交互终端输出当前挖机工作状态并获取系统用户输入数据。3.根据权利要求2所述的无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载系统，其特征在于，所述铲装点定位计算公式为：loc
x
＝ori
x
+off
x
+r
exc
×
cos(θ
sen03
)loc
y
＝ori
y
+off
y
+r
exc
×
sin(θ
sen03
)上述公式中，r
exc
计算公式为：r
exc
＝len
sen01
×
cos(θ
sen01
)+len
sen02
×
cos(θ
sen02
)其中，loc
x
,loc
y
为挖机铲装定位点坐标，ori
x
,ori
y
为挖机动臂倾角检测终端所获取的挖机定位点坐标，θ
sen01
,θ
sen02
,θ
sen03
为上述挖机动臂倾角检测终端，机斗杆倾角检测终端，挖机定位定向终端所获取的角度值，len
sen01
,len
sen02
,off
x
,off
y
为挖机尺寸数据。4.一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载系统，执行如下步骤：步骤1：人工驾驶挖机就位后，通过挖机控制交互终端，设置无人驾驶矿卡进入角度并将挖机状态设置为“允许驶入”；步骤2：无人驾驶矿卡驶入装载等待区，并发送请求装载指令；步骤3：机群决策调度平台获取挖机协同控制系统解算的铲装点定位；步骤4：机群决策调度平台向无人驾驶矿卡发送动态停靠指令；步骤5：无人驾驶矿卡的车端控制系统接收指令驶入装载区，并将对应挖机的状态设置为“繁忙”；步骤6：无人驾驶矿卡装载完成后，通过挖机控制交互终端，发送“装载完成”指令；步骤7：无人驾驶矿卡的车端控制系统收到指令，驶离装载区。5.根据权利要求4所述无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法，其特征在于，所述步骤1具体为：操作员将人工驾驶挖机就位，具体为：操作员已准备好开展装载工作，挖机位置已确认，挖机装载斗姿态已确认，并用于指示装载点定位；操作员获取所开辟装载区域角度φ
lo
；操作员通过交互终端，将装载区域角度φ
lo
发送至机群决策调度平台；操作员通过交互终端，将挖机状态设置为“允许驶入”。
6.根据权利要求4所述无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法，其特征在于，所述步骤1具体为：挖机状态包含“允许驶入”与“繁忙”两种模式，当挖机状态为“允许驶入”时，率先进入装载等待区的无人矿车将被允许进入装载区域，并且挖机装载将在此矿车进入后自动进入“繁忙”状态；当挖机装载为“繁忙”时，表示此时操作员不允许其他车辆进去装载区，无人矿卡将在装载等待区等待。7.根据权利要求4所述无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法，其特征在于，所述步骤6具体为：挖机操作员通过用户协同终端，点击“装载完成”指令；机群决策调度平台收到指令后，匹配装载车辆，并从任务池中搜寻该车辆的后续任务，并下发给无人矿卡。

技术总结
本发明公开了一种无人驾驶矿卡与人工驾驶挖机协同装载方法与系统，属于智慧矿山、无人驾驶技术领域，其特征在于，包括：控制无人驾驶矿卡工作状态的车端控制系统；控制人工驾驶挖机工作状态的挖机协同控制系统；带有人机交互模块的挖机控制交互终端；机群决策调度平台；其中：在所述人工驾驶挖机上安装有挖机动臂倾角检测终端、挖机斗杆倾角检测终端、挖机定位定向终端、和挖机控制交互终端；所述机群决策调度平台分别与挖机协同控制系统、车端控制系统进行无线数据交互；所述挖机控制交互终端与挖机协同控制系统进行数据交互。本发明能够保证装载作业的高效、有序、智能及安全性，同时能够显著提高矿区无人驾驶运输作业的装载效率。效率。效率。


技术研发人员：何小龙 刘涛 胡亚东 孙利波 张明生 王涛 向拓宇 王灵剑 刘子豪 董运涛
受保护的技术使用者：天津水泥工业设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/7