一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统及其控制方法，包括自动驾驶控制部分、车辆部分，自动驾驶控制部分包括HMI人机界面、主控制器，HMI人机界面连接于主控制器；车辆部分包括胶轮车、气压制动系统、液压转向机构、电子方向盘、动力驱动机构，气压制动系统、液压转向机构、电子方向盘、动力驱动机构安装于胶轮车，电子方向盘、气压制动系统、动力驱动机构分别通过CAN总线连接于主控制器，胶轮车的四周分别安装前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器，胶轮车的车头两角位置处安装前向激光雷达，胶轮车的车尾两角位置处安装后向激光雷达；总体上，本发明避免了人为操控胶轮车在行进过程中容易发生碰撞的问题。

说明书

技术领域

本发明属于无人驾驶技术领域，涉及一种驾驶激光导航系统及其控制方法，特别是一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统及其控制方法。

背景技术

在隧道施工过程中，多轮胶轮车运行在盾构机内部，用于运输混凝土预制块、钢材、混凝土罐等施工用材料，盾构机内部空间狭小，两侧为盾构机金属支柱，因多轮胶轮车车身较长，人工操作困难，需要具备自动驾驶功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统及其控制方法，该导航系统及其控制方法能够有效解决背景技术中的问题，具有极高的使用价值。

本发明的目的是这样实现的：一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统，包括自动驾驶控制部分、车辆部分，所述自动自动驾驶控制部分与车辆部分之间通过CAN总线连接；

所述自动驾驶控制部分包括HMI人机界面、主控制器，所述HMI人机界面连接于主控制器；

所述车辆部分包括胶轮车、气压制动系统、液压转向机构、电子方向盘、动力驱动机构，所述气压制动系统、液压转向机构、电子方向盘、动力驱动机构安装于胶轮车，所述电子方向盘连接液压转向机构，所述电子方向盘、气压制动系统、动力驱动机构分别通过CAN总线连接于主控制器，所述胶轮车的四周分别安装前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器，所述前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器分别连接于主控制器，所述胶轮车上安装速度传感器，所述速度传感器连接于主控制器，所述胶轮车的车头两角位置处安装前向激光雷达，所述胶轮车的车尾两角位置处安装后向激光雷达，所述前向激光雷达、后向激光雷达分别连接于主控制器。

所述前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器等间距设置。

所述主控制器为单片机。

所述胶轮车的驾驶室前控制面板上设置显示屏，所述显示屏连接于主控制器。

所述HMI人机界面安装于胶轮车驾驶室的前控制面板上，所述前控制面板上设置有“总电源”按钮、“驾驶室选择”按钮、“转向对中”按钮、“驻车制动”按钮、“驾驶模式”按钮，所述“总电源”按钮、“驾驶室选择”按钮、“转向对中”按钮、“驻车制动”按钮、“驾驶模式”按钮均通过CAN总线连接于主控制器。

“驾驶模式”按钮按下之后，HMI人机界面上会显示出“启动”图标、“停止”图标、“自动倒车”图标，按下“启动”图标，胶轮车进入自动驾驶模式；卸载完成后，触发“自动倒车”，胶轮车开始倒车；按下“停止”图标，胶轮车退出自动驾驶模式。

一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统的控制方法，包括多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统：

第一步，胶轮车的车头在进入盾构机的入口时，司机按下“驾驶模式”按钮，HMI人机界面上会显示出“启动”图标、“停止”图标，以及车辆3D模型，按下“启动”图标，胶轮车进入自动驾驶模式；

第二步，当触发自动驾驶模式时，多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统接管胶轮车运行，胶轮车四周的前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器实时探测胶轮车四周与盾构机立柱之间的距离，获取盾构机内侧壁的相对位置及精确距离，根据获取的胶轮车相对于周边位置建立坐标点，实时显示在显示屏上；

第三步，胶轮车在行进过程中，应保持胶轮车在盾构机中部行驶，即要保持车身两侧与相应的盾构机内侧壁距离相等，主控制器实时计算胶轮车的运行轨迹是否发生偏离，并控制胶轮车转向机构实时调整转向角，保持车辆安全平稳运行；

第四步，前向距离传感器测量车头距工作面距离，到达设定距离值时，主控制器控制制动机构平稳停车；

第五步，卸载完成后，触发自动倒车，系统沿原轨迹返回至隧道入口处，车辆完全退出盾构机后，按下HMI人机界面上“停止”图标，胶轮车退出自动驾驶模式，由司机操控胶轮车。

所述胶轮车在盾构机中匀速移动，其速度设置为3～5km/h。

本发明产生的有益效果是：一是，本发明车身前部设置了前向测距传感器，尾部设置了后向测距传感器，车身两侧设置了侧向测距传感器，能够测量胶轮车的车体距盾构机壁，以及胶轮车在行进过程中距盾构机支柱的距离，根据测距传感器测得的车辆距前方工作面的距离、距盾构机两侧的距离，并将这些数据传输给主控制器，可以对胶轮车进行定位；胶轮车在盾构机中正常行驶时，应保证车辆沿盾构机中部行驶，以免胶轮车及其上部的货物与盾构机发生碰撞，因此，行驶过程中要保证车体两侧的侧向测距传感器测量的距离数值相等，若出现距离差值，则由主控制器控制转向机构做出相应的转向操作，以使车辆重新沿盾构机中部行驶。二是，胶轮车的车头两角位置处安装前向激光雷达，车尾两角位置处安装后向激光雷达，前向激光雷达向前发射激光脉冲，后向激光雷达向后发射激光脉冲，且激光脉冲的传播方向与车身的行进方向平行，前向激光雷达或者后向激光雷达照射到盾构机的支柱时，则表明胶轮车的车身发生偏离，由主控制器根据偏离信息对车身进行调整。三是，多轮胶轮车接近盾构机入口时，胶轮车驾驶模式由人工操作转为自动驾驶控制模式，实现自动驾驶控制系统控制胶轮车运行至工作面指定位置并停车，卸载完毕后，再驶出盾构机内部空间，解决在盾构机中人工操作胶轮车行驶的困难问题。

附图说明

图1为本发明的框架结构示意图。

图2为胶轮车在盾构机中的正视结构示意图。

图3为胶轮车在盾构机内部的结构示意图。

图4为驾驶室的控制面板的正视结构示意图。

图5为胶轮车在盾构机中正常行驶时的结构示意图。

图6为胶轮车的整体发生横向偏移时的结构示意图。

图7为胶轮车的前向激光雷达探测到支柱时的结构示意图。

图8为胶轮车的后向激光雷达探测到支柱时的结构示意图。

图9为胶轮车的前向激光雷达和后向激光雷达均探测到支柱时的结构示意图。

图5、图6、图7、图8、图9中箭头表示信号发射方向。

图中：1、盾构机 2、胶轮车 3、立柱 4、工作面 5、前向激光雷达 6、侧向测距传感器 7、后向激光雷达 8、后向测距传感器 9、前向测距传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

实施例1

如附图1-9所示，一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统，包括自动驾驶控制部分、车辆部分，所述自动自动驾驶控制部分与车辆部分之间通过CAN总线连接；

所述自动驾驶控制部分包括HMI人机界面、主控制器，所述HMI人机界面连接于主控制器，主控制器为单片机；

所述车辆部分包括胶轮车、气压制动系统、液压转向机构、电子方向盘、动力驱动机构，所述气压制动系统、液压转向机构、电子方向盘、动力驱动机构安装于胶轮车，所述电子方向盘连接液压转向机构，所述电子方向盘、气压制动系统、动力驱动机构分别通过CAN总线连接于主控制器，所述胶轮车的四周分别等间距安装前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器，所述前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器分别连接于主控制器，所述胶轮车上安装速度传感器，所述速度传感器连接于主控制器，所述胶轮车的车头两角位置处安装前向激光雷达，所述胶轮车的车尾两角位置处安装后向激光雷达，所述前向激光雷达、后向激光雷达分别连接于主控制器。

所述胶轮车的驾驶室前控制面板上设置显示屏，所述显示屏连接于主控制器。

所述HMI人机界面安装于胶轮车驾驶室的前控制面板上，所述前控制面板上设置有“总电源”按钮、“驾驶室选择”按钮、“转向对中”按钮、“驻车制动”按钮、“驾驶模式”按钮，所述“总电源”按钮、“驾驶室选择”按钮、“转向对中”按钮、“驻车制动”按钮、“驾驶模式”按钮均通过CAN总线连接于主控制器。

“驾驶模式”按钮按下之后，HMI人机界面上会显示出“启动”图标、“停止”图标、“自动倒车”图标，按下“启动”图标，胶轮车进入自动驾驶模式；卸载完成后，触发“自动倒车”，胶轮车开始倒车；按下“停止”图标，胶轮车退出自动驾驶模式。

一种用于多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统的控制方法，包括多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统：

第一步，胶轮车的车头在进入盾构机的入口时，司机按下“驾驶模式”按钮，HMI人机界面上会显示出“启动”图标、“停止”图标，以及车辆3D模型，按下“启动”图标，胶轮车进入自动驾驶模式；

第二步，当触发自动驾驶模式时，多轮胶轮车无人驾驶激光导航系统接管胶轮车运行，胶轮车四周的前向测距传感器、侧向测距传感器、后向测距传感器实时探测胶轮车四周与盾构机立柱之间的距离，获取盾构机内侧壁的相对位置及精确距离，根据获取的胶轮车相对于周边位置建立坐标点，实时显示在显示屏上；

第三步，胶轮车在行进过程中，应保持胶轮车在盾构机中部行驶，即要保持车身两侧与相应的盾构机内侧壁距离相等，主控制器实时计算胶轮车的运行轨迹是否发生偏离，并控制胶轮车转向机构实时调整转向角，保持车辆安全平稳运行；

第四步，前向距离传感器测量车头距工作面距离，到达设定距离值时，主控制器控制制动机构平稳停车；

第五步，卸载完成后，触发自动倒车，系统沿原轨迹返回至隧道入口处，车辆完全退出盾构机后，按下HMI人机界面上“停止”图标，胶轮车退出自动驾驶模式，由司机操控胶轮车。

所述胶轮车在盾构机中匀速移动，其速度设置为4km/h。

本发明在使用时：自动驾驶控制部分与车辆部分之间通过CAN总线连接，当车辆进入到盾构机入口时，司机按下HMI人机界面上的驾驶模式”按钮，“驾驶模式”按钮按下之后，HMI人机界面上会显示出“启动”图标、“停止”图标、“自动倒车”图标，按下“启动”图标，胶轮车进入自动驾驶模式。为了避免胶轮车和胶轮车上装载的货物与盾构机之间发生碰撞，胶轮车应沿盾构机的中心行驶，即胶轮车的两侧应距同侧盾构机的侧壁具有相等的距离，两侧向距离传感器测得的距离数值应当相等。胶轮车在盾构机中行进时，胶轮车两侧的距离传感器会实时监测胶轮车距盾构机侧壁和立柱之间的距离，前向距离传感器会实时监测胶轮车距工作面的距离，并将距离数据传输给主控制器，主控制器对数据进行分析、处理，并将车辆的数据信息显示在显示屏上。整个行进过程中，应保证胶轮车匀速行驶，行驶速度设置为4km/h。当胶轮车行进到工作面预定位置处时（一般为距工作面5米），点下“驻车制动”按钮，车辆停止，卸载完成后，解除“驻车制动”按钮，触发“自动倒车”，胶轮车开始倒车；胶轮车倒出盾构机后，按下“停止”图标，胶轮车退出自动驾驶模式，改为人为操控。

在胶轮车的行进过程中，若一侧的侧向距离传感器测得的距离数值都大于另一侧的距离数值，则表明车辆整体发生横向偏移，一侧的侧向距离传感器探测到距盾构机侧壁过近，系统控制车辆前后轮均向另一侧行驶，使车辆整体向另一侧移动，以使车辆回中。

在胶轮车的行进过程中，若车辆的前向激光雷达探测到支柱、或后向激光雷达探测到支柱、或前向激光雷达和后向激光雷达均探测到支柱，表明胶轮车在行进过程中，车身相对于盾构机发生了斜向偏移，则主控制器控制电子方向盘转动，电子方向盘控制液压转向机构，使车辆回中。

总体上，本发明具有可操控性能好，具备自动驾驶和导航功能，能够使胶轮车在狭小空间中移动，避免了人为操控胶轮车在行进过程中容易发生碰撞的问题。