矿区无人运输仿真测试平台和矿区无人运输仿真方法

摘要

本发明涉及一种矿区无人运输仿真测试平台和矿区无人运输仿真方法；包括虚拟仿真系统，搭建虚拟矿山、矿卡数学模型、矿卡动力学模块和虚拟矿卡传感器和部署虚拟矿卡，云端智能调度与管理系统，接收所述虚拟仿真系统发送的虚拟矿山数据，生成矿山地图，接收信息，在作业区域内规划虚拟矿卡行驶路径，生成虚拟矿卡行驶路径信息；生成调度指令并发送至矿卡无人驾驶控制系统，矿卡无人驾驶控制系统，生成驱动指令，并将所述驱动指令发送至虚拟仿真系统中的矿卡动力学模块，所述驱动指令用于驱动所述虚拟矿卡在所述虚拟矿山中的行驶；通过矿区无人运输仿真系统设计以解决现有技术中存在仿真测试相对独立，测试有效性低的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其是涉及一种矿区无人运输仿真测试平台和矿区无人运输仿真方法。

背景技术

近年来，致力于矿山无人化、智能化的新兴技术研发机构如雨后春笋般蓬勃发展。其中，无人驾驶矿用自卸卡车(以下简称无人矿卡)作为矿山无人化运输系统中的重要组成部分，对其进行功能测试乃至系统测试的工作对于完成开发至关重要。目前，针对无人矿卡的测试手段主要还是以实车测试、现场调试为主。这种开发测试方式需要大量的人员和资金投入，且容易受到天气、车辆故障等因素的制约，导致开发测试周期缓慢，设备/人员/燃油等各方面投入极大提高了开发成本。其次，软件潜在的错误也可能会导致重大安全事故发生。因此，借助于计算机仿真技术来快速实现开发测试势在必行。

计算机仿真技术可以大幅度提高自动驾驶软件的开发效率，提高测试期间的安全性与可靠性，节省设备/人员/燃油等开发成本。一般地，基于计算机仿真技术的测试可将现场实车调试时间缩短90％，大幅度地缩减现场调试对开发任务与测试进度的影响，提高测试的安全性。目前，行业内部出现了很多仿真矿区无人运输仿真方法及其系统，比如说针对乘用车和城市道路卡车的自动驾驶，国内外卡发了多款商用仿真测试软件，其中，优秀的例如PanoSim、PreScan、CarSim/TruckSim、CarMaker/TruckMakeer等。其中，测试主要集中使用软件内部自带场景，结合自动驾驶算法以及乘用车动力学模块进行算法仿真验证。然而，由于矿区实际环境，以及矿用车辆本身结构以及系统比较复杂、庞大，目前，针对矿区车辆模块以及自动驾驶算法难以在以上仿真软件中验证，以为矿区环境标号比较快、每一个矿区地貌不尽相同，使得上述商业软件很难直接搭建出针对矿区的仿真场景和车辆模块。目前，针对矿用卡车自动驾驶仿真的技术方案/研究相对简单，主要是通过Matlab/simiulink搭建矿卡数学模块进行简单的路径跟踪仿真测试、或基于实车采集数据进行感知算法测试、或单独对路径规划算法测试、抑或采用上述软件搭建城市道路用于矿卡测试。整体而言有的仿真技术方案汇总，目前，大多针对矿卡自动驾驶算法各个模块的仿真测试相对独立，测试场景偏离现实，使得测试有效性打打折扣。

CN107807542A公开了一种自动驾驶仿真系统，其所属系统包括：行驶环境仿真模块、车辆动力仿真模块、控制模块、这种方案是一种结构相对简单的仿真系统方案。201811642263.7公开了一种用于创建矿用车辆动力学模块的方法，该发明将全液压转向系统与车辆动力学结合，提供了一种矿用车辆的建模方法。201811636749.X公开了一种用于验证无人矿卡相关算法的系统，该发明提出了一种具备可视化场景的无人矿卡相关算法块速验证平台，整个平台基于Matlab/Simulink开发。利用该平台可实现无人矿卡算法在规划、决策、控制等方面的有效性进行验证。

采用上述现有的仿真技术方案，所搭建的仿真系统以及矿区无人运输仿真方法，缺点如下：

1)以上所述专利主要侧重点在于自动驾驶算法功能测试或者车辆动力学模块测试，很难结合实践多变的场景进行实际运输流程进行整体仿真测试，矿区无人运输仿真方法过于单一化，难以体现整体流程的仿真模拟。

2)以上所述通过软件自动场景进行自动驾驶仿真测试，大部分主要用于城市道路、固定园区、港口场景所需要、针对矿山无人运输场景并不能直接从软件中创建，虽然提供了一个具备可视化场景的无人矿卡相关算法快速验证平台，但是所搭建的虚拟测试场景不够逼真，但是与实践矿区运输流程、地形地貌等因数，无法仿真模拟整个矿区场景下的功能测试稳定性，仿真场景过于局限、无法搭建出高逼真度的仿真场景，从而无法获得高质量的仿真测试的视觉效果，不具有很强的竞争力。

3)并非针对矿用车辆，无法搭建高复杂度、高精度的矿用卡车动力学模块。且其所述成精和传感器搭建类型在前述公路车软件中均已包括，其不涉及自动驾驶算法模块的集成及方法(只有一个控制模块)。并且，这种仿真技术方案构成比较简单，仅仅能实现车端自动驾驶系统的测试与评估，而无法实现车队规模级别的集群系统测试，仿真精度也受限于车辆动力仿真模块的搭建程度而不是很高，该系统对仿真系统的展示效果并未做过多考量。

4)虽然提供了矿用车辆的建模方法，但是矿卡模块缺乏发动机，驱动电机等电动力传动系统模块，并不具备自动驾驶相关算法的验证或测试能力。

5)现有的仿真技术方案中将运行于车载域控制器硬件汇总各种控制器软件移植到仿真系统软件中，难免需要改变控制器的输入和输出形式，更甚的情况有为了配合其他系统缓解而对控制器本身机构或参数不得已作出略微变更，这些都会或多或少地影响控制效果。再者，实用这样的仿真系统往往不得不忽视简化硬件的信号缓解，由此，仿真接口的信号延迟、滞塞、丢失等现象无法被仿真过程覆盖和验证，会造成仿真实验结果不能全买验证测试系统，缺少说服力和可信度。

6)上述仿真技术方案无法实现大规模无人矿卡车队的系统测试。对于具有大规模矿卡车队的无人矿山运输系统整体解决方案，云端智能调度与管理系统起着至关重要的作用，仿真系统必须将中心端服务器管路系统纳入到仿真测试过程中，才能全面地对所开发系统方案作出准确的评价，然而，由于现有的仿真技术方案的仿真能量过于薄弱，无法实现整体系统的仿真。

因此，针对上述问题本发明急需提供一种矿区无人运输仿真测试平台和矿区无人运输仿真方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿区无人运输仿真测试平台和矿区无人运输仿真方法，通过矿区无人运输仿真系统设计以解决现有技术中存在的大多针对矿卡自动驾驶算法各个模块的仿真测试相对独立，测试场景偏离现实，使得测试有效性打打折扣的技术问题。

本发明提供了一种矿区无人运输测试平台，包括

虚拟仿真系统，用于搭建虚拟矿山，并生成虚拟矿山数据；可视化呈现虚拟矿山；分别创建矿卡数学模型、与虚拟矿卡对应的矿卡动力学模块和虚拟矿卡传感器；部署虚拟矿卡，采集虚拟矿卡自身数据信息，将虚拟矿山数据和虚拟矿卡自身数据信息发送至云端智能调度与管理系统；

云端智能调度与管理系统，用于接收所述虚拟仿真系统发送的虚拟矿山数据，根据所述虚拟矿山数据生成矿山地图，并在矿山地图上划分作业区域；接收虚拟矿卡自身数据信息，在作业区域内规划虚拟矿卡行驶路径，生成虚拟矿卡行驶路径信息；根据调度信息生成调度指令，发送至矿卡无人驾驶控制系统；

矿卡无人驾驶控制系统，用于接收云端智能调度与管理系统下发的虚拟矿卡行驶路径信息和调度指令，生成驱动指令，并将所述驱动指令发送至虚拟仿真系统中的矿卡动力学模块，所述驱动指令用于驱动所述虚拟矿卡在所述虚拟矿山中的行驶。

优选地，虚拟仿真系统，还用于创建虚拟挖机，与虚拟挖机一一对应的挖机运动学模块和虚拟挖机传感器；在虚拟矿山部署虚拟挖机，采集虚拟挖机自身数据信息，将挖机自身数据信息发送至挖机作业管理系统；还包括：

挖机协同作业管理系统，用于在矿山地图的作业区域内设置入场点、装载点、装载完毕出场点和铲斗位置；接收挖机自身数据信息，生成矿卡进场/出场指令，并将矿卡进场/出场指令分别发送至矿卡动力学模块和挖机运动学模块，其中，所述进场指令以及所述出场指令用于控制所述虚拟挖机完成整个装载过程；

云端智能调度与管理系统，用于根据虚拟仿真系统和挖机协同作业管理系统提供的矿卡信息和挖机的车铲信息，自动匹配，使矿车与挖机的车铲以最优的方式协同作业。

优选地，虚拟仿真系统包括：

虚拟矿山搭建模块，用于接收真实矿山数据，搭建虚拟矿山，并将虚拟矿山数据发送至所述云端智能调度与管理系统；

虚拟矿卡创建模块，用于接收真实矿卡数据，创建矿卡数学模型、矿卡动力学模块和虚拟矿卡传感器；

虚拟挖机创建模块，用于接收真实挖机数据，创建挖机数学模型、挖机运动学模块和挖机虚拟传感器。

优选地，挖机协同作业管理系统包括

挖机作业管理模块，用于在作业区域中规划挖机作业区域，在挖机作业区域内设置入场点、装载点、装载完毕出场点和铲斗位置，并将入场点、装载点、装载完毕出场点和铲斗位置发送至云端智能调度与管理系统；

挖机辅助模块，用于接收虚拟矿卡自身数据信息和挖机自身数据信息，生成挖机控制指令，并将所述挖机控制指令发送至挖机运动学模块。

优选地，云端智能调度与管理系统包括：

地图场景划分模块，用于接收虚拟矿山数据，生成矿山地图，在矿山地图上划分作业区域；

路径规划模块，用于接收矿卡自身数据信息和挖机协同作业管理系统发送的入场点、装载点、装载完毕出场点、铲斗位置信息，在作业区域规划矿卡行驶路径，生成路径信息，并将所述路径信息发送至矿卡无人驾驶控制系统；

调度管理模块，用于接收调度信息，生成调度指令，发送至矿卡无人驾驶控制系统；

车铲匹配管理模块，用于根据虚拟仿真系统和挖机协同作业管理系统提供的矿卡信息和挖机的车铲信息，自动匹配，使矿车与挖机的车铲以最优的方式协同作业；

设备监测安全管理模块，用于接收虚拟仿真系统、矿卡无人驾驶控制系统和挖机协同作业管理系统实时传送的数据，显示数据，根据预设阈值进行报警；

数据统计分析模块，用于接收设备监测安全管理模块传送的数据，对数据分析以及生成报表。

优选地，矿卡无人驾驶控制系统包括

环境感知子模块，用于接收虚拟矿卡自身数据信息，获取虚拟矿卡周围环境信息，发送至决策规划子模块；

决策规划子模块，用于环境感知子模块发送的虚拟矿卡自身数据信息和云端智能调度与管理系统发送的路径数据信息和调度指令，规划虚拟矿卡行驶路径；

控制子模块，用于接收决策规划子模块发送的虚拟矿卡行驶路径，标记矿卡控制指令，发送至底层子系统模块；

底层子系统模块，用于接收控制子模块发送的矿卡控制指令，解析矿卡控制指令，生成解析控制指令，并将所述解析控制指令发送至矿卡动力学模型。

优选地，虚拟矿卡自身数据信息包括虚拟矿卡在虚拟矿山中的位置，状态和航向角；虚拟挖机自身数据信息包括虚拟挖机在虚拟矿山中的位置，挖机上的铲斗的位置。

优选地，所述虚拟矿卡传感器包括摄像头模块，激光雷达模块，毫米波雷达模块或定位导航模块中的至少一种；虚拟挖机传感器包括摄像头模块，激光雷达模块，毫米波雷达模块或定位导航模块中的至少一个。

本发明还提供了一种基于如上述中任一项所述的矿区无人运输仿真测试平台的矿区无人运输仿真方法，包括如下步骤：

虚拟仿真系统搭建虚拟矿山，并生成虚拟矿山数据；可视化呈现虚拟矿山；分别创建矿卡数学模型、与虚拟矿卡对应的矿卡动力学模块和虚拟矿卡传感器；部署虚拟矿卡，采集虚拟矿卡自身数据信息，将虚拟矿山数据和虚拟矿卡自身数据信息发送至云端智能调度与管理系统；

云端智能调度与管理系统，接收所述虚拟仿真系统发送的虚拟矿山数据，根据所述虚拟矿山数据生成矿山地图，并在矿山地图上划分作业区域；接收虚拟矿卡自身数据信息，在作业区域内规划虚拟矿卡行驶路径，生成虚拟矿卡行驶路径信息；根据调度信息生成调度指令，发送至矿卡无人驾驶控制系统；

矿卡无人驾驶控制系统接收云端智能调度与管理系统下发的虚拟矿卡行驶路径信息和调度指令，生成驱动指令，并将所述驱动指令发送至虚拟仿真系统中的矿卡动力学模块，所述驱动指令用于驱动所述虚拟矿卡在所述虚拟矿山中的行驶。

优选地，虚拟仿真系统根据真实的挖机，创建虚拟挖机，与各虚拟挖机一一对应的挖机运动学模型和虚拟挖机传感器，将虚拟挖机部署于虚拟矿山中，采集虚拟挖机自身数据发送至挖机协同作业管理系统；

挖机协同作业管理系统在虚拟矿山中规划装载区域，在装载区域设置虚拟矿卡的入场点、装载点、装载完毕出场电和铲斗位置，并将入场点、装载点、装载完毕出场电和铲斗位置，并将规划装载信息发送至云端智能调度与管理系统；接收虚拟挖机自身数据信息和矿卡自身数据信息，生成挖机驱动指令发送至挖机运动学模块；

挖机运动学模块接收挖机驱动指令，驱动挖机配合虚拟矿卡完成装载动作。

本发明提供的一种矿区无人运输仿真测试平台与现有技术相比具有以下进步：

1、本发明的虚拟仿真系统搭建虚拟矿山，在可视化系统中呈现，根据实际的矿山中的矿卡车辆，将各虚拟矿卡在虚拟矿山中正确部署，完成和真实矿山运输状况的训化对应，并根据车辆实际传感器安装位置，在虚拟矿卡创建一一对应的传感器，矿卡动力学模块通过接收控制指令，实现虚拟矿卡在虚拟矿山场景中的行驶视觉效果，与此同时虚拟仿真系统中的虚拟传感器通过以太网/CAN将数据传送给矿卡无人驾驶控制系统，实现虚拟数据信息的实时交互。

2、本发明的云端智能调度与管理系统置于服务器中，根据虚拟矿山搭创建虚拟矿区地图，并进行作业区域场景划分，其中，作业区域场景包括行驶区域、装载区域、卸载区域、破碎区域、加油区域、维修区域、停车区域等多个场景；路径规划模块接收虚拟传感器发送的车辆在虚拟矿区的位置、状态、航向角等信息，然后在虚拟矿区行驶区域进行规划合理行驶路径，进而将路径下发给路径规划模块，同时调度管理模块拥有对虚拟矿区所有车辆的随时调度主动权，以保证矿区虚拟矿卡行驶合理化。

3、本发明的矿区无人运输仿真测试平台是针对无人矿山、智慧矿山等的整体化的无人矿山运输系统而设计的，所以能够针对无人矿山运输系统进行车队规模级别诸如车队管理、交叉路口车辆安全调度、生成任务管理仿真测试等全局性的系统测试；通过矿区无人运输仿真测试平台进行前瞻性的系统测试工作，其后再进行现场验证测试，可以大大缩短演示验收测试所花费的时间与资金投入，这样的科学的开发流程可以节省大量的开发时间，从而加快无人矿山运输系统解决方案的开发进程，并降低产品开发成本，从而提高公司竞争力。

4、本发明矿区无人运输仿真测试平台采用硬件在环(HIL)的技术手段实现，仿真系统具有很高的仿真计算能力，搭建了高复杂度、高精度的矿卡动力学模块，对于矿卡无人驾驶控制系统的功能测试具有很高的仿真精度与仿真能力，大大提高了矿卡自动驾驶开发的效率，以及开发测试过程中的安全性。真实的矿卡车辆或者其主要部件价格昂贵，使用虚拟矿卡可以大大节省成本，提高安全性，并有利于数据采集和分析。本矿区无人运输仿真测试平台可实现对矿卡自动驾驶各个模块的集成化测试，也可基于完整的仿真测试系统对每个单独的算法模块有效性、准确度进行测试；采用实际的硬件通信设备进行通信的方式可以有效地覆盖硬件通信信号可能出现的延迟、滞塞、丢失等现象问题，相比于现有仿真技术方案大大提高了仿真实验的可信度与准确性。

5、本发明将通常的虚拟仿真测试子系统与无人矿卡运输系统中的云端智能调度与管理系统、以及矿卡无人驾驶控制系统，通过真实的物理交互环节结合为一个完整的大型仿真系统平台；仿真系统直接使用了真实的无人矿卡自动驾驶域控制器以硬件在环的仿真形式来执行自动驾驶操纵；本矿区无人运输仿真测试平台既能完成矿卡车端的自动驾驶功能测试，又能完成无人运输系统的全局系统测试，从而加速了矿山无人化的无人矿卡运输系统解决方案的产品开发过程，并保证了开发过程中的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中所述一种矿区无人运输仿真测试平台的系统连接关系框图；

图2为本发明中所述虚拟矿山搭建流程图；

图3为本发明中所述矿区无人运输仿真方法的步骤框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种矿区无人运输仿真测试平台，包括

虚拟仿真系统，用于搭建虚拟矿山，可视化呈现虚拟矿山；将虚拟矿山数据发送至云端智能调度与管理系统；创建虚拟矿卡，与虚拟矿卡对应的矿卡动力学模块和虚拟矿卡传感器；部署虚拟矿卡，采集虚拟矿卡自身数据信息发送至云端智能调度与管理系统；

云端智能调度与管理系统，用于接收虚拟矿山数据，生成矿山地图，在矿山地图上划分作业区域；接收虚拟矿卡自身数据信息，在作业区域内规划虚拟矿卡行驶路径，将规划好的行驶路径信息发送至矿卡无人驾驶控制系统；根据调度信息生成调度指令，发送至矿卡无人驾驶控制系统；

矿卡无人驾驶控制系统，用于接收云端智能调度与管理系统下发的行驶路径信息和调度指令，生成驱动指令发送至虚拟仿真系统中的矿卡动力学模块，驱动虚拟矿卡在虚拟矿山中行驶。

虚拟仿真系统，主要通过将搭建好的真实虚拟矿山模型在可视化系统中呈现，将创建好的虚拟车辆在虚拟矿山中正确部署，完成和真实矿山运输状况的虚拟化对应，并根据车辆实际的传感器安装位置，在虚拟仿真系统中创建一一对应的虚拟矿卡传感器；创建矿卡动力学模块，通过接收驱动指令实现虚拟矿卡在虚拟矿山中的行驶视觉可见效果，虚拟仿真系统的传感数据可以通过太网/CAN将数据传送给云端智能调度与管理系统，实现虚拟数据信息的实时交互。

云端智能调度与管理系统，通过采集与真实矿区按照1:1搭建的虚拟矿山的数据信息，创建虚拟矿区地图，并进行作业区域场景划分，场景包括行驶区域、装载区域、卸载区域、破碎区域、加油区域、维修区域、停车区域等多个场景；接收虚拟矿卡自身的数据信心，包括虚拟矿卡在虚拟矿山的位置、状态、航向角等信息，对虚拟矿区行驶区域进行规划合理的行驶路径，进而将规划好的行驶路径发送给矿卡无人驾驶控制系统；同时拥有对虚拟矿区所有虚拟矿卡的随时调度主动权，进而保证矿区车队行驶合理化。

矿卡无人驾驶控制系统，接收云端智能调度与管理系统下发的路径信息，处理后生成驱动指令，发送至矿卡动力学模块。

本发明的矿卡动力学模块，专利CN201811642263.7已经公开了矿卡动力学模块建立方法，自主开发搭建完成，依据具体车型而不同，具有高精度与准确度；基于虚拟矿卡，本仿真系统可以实现软件/硬件在环方式的无人矿卡自动驾驶的各项功能测试。

本发明通过虚拟仿真系统、矿卡动力学模块、心端智能调度系统、矿卡无人驾驶控制系统真实的物理交换，形成一个完整的大型仿真测试平台，矿卡无人驾驶控制系统提供了真实的无人矿卡自动驾驶控制器，以硬件在环的仿真行驶执行自动驾驶操纵。本平台既能完成矿卡车端的自动驾驶功能测试，又能完成无人运输系统的全局系统测试，从而加速了矿山无人化的无人矿卡运输系统解决方案的产品开发过程，保证了开发过程中的安全性。

本发明通过与真实矿卡车辆主机厂以及实际矿山调研测量，确定矿卡的整车尺寸、载重、轴距、轮距、控制方式、传感器安装方式和位置信息等，然后通过工程三维建模软件，先针对矿卡的虚拟矿卡子模块进行一一建模，然后再进行整车装配，其次，利用相关软件对矿卡车辆各个系统部件进行关节创建，约束处理、外观渲染等工作，使得执行方式与实车基本一致；最后将创建好的车辆模型加载到虚拟仿真系统中，完成虚拟矿卡车辆的创建，与实车达到真实匹配度。

本发明的虚拟矿卡传感器，与实车搭载的真实传感器种类一致，主要有毫米波雷达，激光雷达，惯性导航与GPS定位装置，以及工业相机等。所开发的虚拟传感器模型可以输出基本的测量信息，并且通过缆线(缆线种类依据传感器种类型号而定，例如，CAN总线、以太网等)将数据传输给矿卡动力学模块和云端智能调度与管理系统。

本发明的云端智能调度与管理系统位于服务器上，与虚拟仿真系统和矿卡无人驾驶控制系统之间主要通过网路通信行驶传输大量的作业控制指令和地图数据等信息，虚拟仿真平台与矿卡无人驾驶控制系统之间通过线缆，如CAN总线、网口等来传输各种数据。

本发明仿真测试平台采用一种自上而下的结构设计方式，中心端智能调度平台单独运行在服务器中，通过局域网实现与矿卡无人驾驶控制系统之间的数据传输，从而解决了云端智能调度与管理系统、矿卡无人驾驶控制系统和虚拟仿真系统三者之间的联合仿真测试验证，解决了目前仿真领域无法实现整套运输系统联合仿真的一个瓶颈。

本发明的虚拟矿山是通过真实矿山信息采集，采用高逼真贴图渲染技术建模制作，可以达到照片级的高逼真效果。根据创建的虚拟矿区模型，对虚拟矿区模型中的道路、路沿、斜坡等路面数据进行细节划分，划分精度达到0.1m,通过对地面大量数据提取处理，加载到虚拟仿真系统中，完成虚拟矿山路面的创建。虚拟矿山具有高度的灵活度，可以用用实际矿山道路缺少的地势特征，这些可以提供给矿卡无人驾驶控制系统功能测试非常全面的测试道路类别。虚拟矿山的地图数据信息经过计算机处理后，通过物理通信环节传输到中心端智能调度平台，解决了中心端智能调度平台所需的矿山现场地图测绘，道路边界数据等问题。

如图2所示，提供了高逼真度虚拟矿山模型搭建流程图，包括真实信息采集，采集的信息包括矿山点云数据、矿山运输道路、矿山作业场景、矿山素材拍摄等；根据采集的的真实信息，进行虚拟场景的搭建，搭建完成后，生成场景数据，场景数据包括矿山模型场景、道路基础数据、场景标示数据、运输流程节点数据、路面栅格数据等；灵活度，保证给云端智能调度与管理系统提供精准的数据。

本发明提出了一种矿区无人运输仿真测试平台，可以通过中心端智能调度平台进行车队管理、交叉路口车辆安全调度、生产任务管理仿真测试等全局性测试。

如图1所示，本实施例中的虚拟仿真系统，还用于创建虚拟挖机，与虚拟挖机一一对应的挖机运动学模块和虚拟挖机传感器；在虚拟矿山部署虚拟挖机，采集虚拟挖机自身数据信息，将挖机自身数据信息发送至挖机作业管理系统；挖机协同作业管理系统，用于在矿山地图的作业区域内设置入场点、装载点、装载完毕出场点和铲斗位置；接收挖机自身数据信息，生成矿卡进场/出场指令，并将矿卡进场/出场指令分别发送至矿卡动力学模块和挖机运动学模块，控制虚拟矿卡和虚拟挖机完成装载过程。

本发明中的挖机协同作业管理系统采用实际的作业管理系统程序，以硬件在环的方式嵌入仿真系统中，虚拟挖机将自身的数据信息上报给挖机作业管理系统，挖机作业管理系统根据挖机自身的数据信息对虚拟矿卡进行入场或出场指令的下发，引导虚拟矿卡进入或者使出，控制虚拟挖机完成模拟装载过程等，挖机协同作业管理系统可以直接与中心端管理系统通信交互，共同完成挖掘作业区域的规划，生产任务作业管理，各类控制指令传输等功能；模拟实际矿区装载流程。

云端智能调度与管理系统，用于根据虚拟仿真系统和挖机协同作业管理系统提供的矿卡信息和挖机的车铲信息，自动匹配，使矿车与挖机的车铲以最优的方式协同作业；通过计算机优化运算自动匹配，使车、铲协同作业，避免在矿山生产过程中出现大车配小铲作业、小车配大铲作业等行为，造成的效率浪费的情况，可以保证电铲输出最大工作能力。

如图1所示，本实施例的虚拟仿真系统包括：虚拟矿山搭建模块，用于接收真实矿山数据，搭建虚拟矿山，并将虚拟矿山数据发送至云端智能调度与管理系统；虚拟矿卡创建模块，用于接收真实矿卡数据，创建矿卡数学模型、矿卡动力学模块和虚拟矿卡传感器；虚拟挖机创建模块，用于接收真实挖机数据，创建挖机数学模型、挖机运动学模块和挖机虚拟传感器。

如图1所示，本实施例的挖机协同作业管理系统包括挖机作业管理模块，用于在作业区域中规划挖机作业区域，在挖机作业区域内设置入场点、装载点、装载完毕出场点和铲斗位置，并将入场点、装载点、装载完毕出场点和铲斗位置，将设置的装载信息发送至云端智能调度与管理系统；挖机辅助模块，用于接收虚拟矿卡自身数据信息和挖机自身数据信息，生成挖机控制指令，发送至挖机运动学模块。

如图1所示，本实施例的云端智能调度与管理系统包括地图场景划分模块，用于接收虚拟矿山数据，生成矿山地图，在矿山地图上划分作业区域；路径规划模块，用于接收矿卡自身数据信息和挖机协同作业管理系统发送的入场点、装载点、装载完毕出场点、铲斗位置信息，在作业区域规划矿卡行驶路径，将规划的路径信息发送至矿卡无人驾驶控制系统；调度管理模块，用于根据调度信息，生成调度指令，发送至矿卡无人驾驶控制系统；车铲匹配管理模块，用于根据虚拟仿真系统和挖机协同作业管理系统提供的矿卡信息和挖机的车铲信息，自动匹配，使矿车与挖机的车铲以最优的方式协同作业；设备监测安全管理模块，用于接收虚拟仿真系统、矿卡无人驾驶控制系统和挖机协同作业管理系统实时传送的数据，显示数据，根据预设阈值进行报警；数据统计分析模块，用于接收设备监测安全管理模块传送的数据，对数据分析以及生成报表。

车铲匹配管理模块，用于构建车、铲协同作业模型，通过计算机优化运算自动匹配，使车、铲协同作业，避免在矿山生产过程中出现大车配小铲作业、小车配大铲作业等行为，造成的效率浪费的情况，可以保证电铲输出最大工作能力。设备监测安全管理模块，用于承接云端智能调度与管理系统-监控中心的职责，主要分为运行实时监视与显示、运营实时报警提醒、通信状态监测三个部分。数据统计分析模块，通过对整个生产作业系统的实时监控和数据收集，提供对矿山的生产情况进行分类统计、数据分析以及报表功能，使矿山各级部门及时、准确掌握生产装矿数据，实现生产过程数字化管理。

如图1所示，本实施例的矿卡无人驾驶控制系统包括环境感知子模块，用于接收虚拟矿卡自身数据信息，获取虚拟矿卡周围环境信息，发送至决策规划子模块；决策规划子模块，用于环境感知子模块发送的虚拟矿卡自身数据信息和云端智能调度与管理系统发送的路径数据信息和调度指令，规划虚拟矿卡行驶路径，将虚拟矿卡行驶路径发送至控制子模块；控制子模块，用于接收决策规划子模块发送的虚拟矿卡行驶路径，标记矿卡控制指令，发送至底层子系统模块；底层子系统模块，用于接收控制子模块发送的矿卡控制指令，解析矿卡控制指令，将解析的矿卡控制指令发送至矿卡动力学模块。

具体地，本实施例的虚拟矿卡自身数据信息包括虚拟矿卡在虚拟矿山中的位置，状态和航向角；虚拟挖机自身数据信息包括虚拟挖机在虚拟矿山中的位置，挖机上的铲斗的位置。

具体地，本实施例的虚拟矿卡传感器包括摄像头模块，激光雷达模块，毫米波雷达模块或定位导航模块中的至少一种；虚拟挖机传感器包括摄像头模块，激光雷达模块，毫米波雷达模块或定位导航模块中的至少一种。

如图3所示，本发明还提供了一种基于如上述中任一项所述的矿区无人运输仿真测试平台的矿区无人运输仿真方法，包括如下步骤：

S101)虚拟仿真系统根据真实的矿山和矿卡，按照1:1搭建虚拟矿山和虚拟矿卡，与虚拟矿卡一一对应的矿卡动力学模块和虚拟矿卡传感器，将各虚拟矿卡部署于虚拟矿山中，采集虚拟矿卡自身数据信息分别发送至云端智能调度与管理系统；

S1012)云端智能调度与管理系统根据虚拟矿山模型，生成矿山地图，在矿山地图上划分出作业区域，接收虚拟矿卡自身数据信息，在作业区域内规划虚拟矿卡行驶路径，并将行驶路径发送至矿卡无人驾驶控制系统，根据调度信息，生成调度指令，发送至矿卡无人驾驶控制系统；

S103)矿卡无人驾驶控制系统接收调度指令和路径规划信息，生成驱动指令发送至虚拟仿真系统中创建的矿卡动力学模块；

S104)矿卡动力学模块接收驱动指令，驱动虚拟矿卡在虚拟矿山中行驶。

S105)虚拟仿真系统根据真实的挖机，创建虚拟挖机，与各虚拟挖机一一对应的挖机运动学模型和虚拟挖机传感器，将虚拟挖机部署于虚拟矿山中，采集虚拟挖机自身数据发送至挖机协同作业管理系统；

S106)挖机协同作业管理系统在虚拟矿山中规划装载区域，在装载区域设置虚拟矿卡的入场点、装载点、装载完毕出场电和铲斗位置，并将入场点、装载点、装载完毕出场电和铲斗位置，并将规划装载信息发送至云端智能调度与管理系统；接收虚拟挖机自身数据信息和矿卡自身数据信息，生成挖机驱动指令发送至挖机运动学模块；挖机运动学模块接收挖机驱动指令，驱动挖机配合虚拟矿卡完成装载动作。

本发明提出了一种矿区整体化的无人运输仿真测试系统的矿区无人运输仿真方法，采用一种自上而下、局部与整体互相结合的设计方法，通过云端智能调度与管理系统对整个矿区车辆的管理、运输路线的规划、启动、停车、装载、卸载等仿真，保证每一个无人驾驶矿卡在整个矿区有条不紊的进行运输、装载、卸载等过程；同时，能够模拟矿卡与挖机的协同配合仿真，使得与实际无人矿山功能完全一致，通过仿真测试验证，可以大大加速实际矿山无人化运输落地的进程。

本发明可以实现对车端无人驾驶系统进行硬件/软件在环仿真测试验证，又能实现无人矿山运输系统的整体性、全局性的车队规模的系统测试，以解决现有仿真技术方案只能对单车自驾软件进行初步性的软件在环测试验证。

本发明通过HIL在环方式进行仿真测试，系统中每一种硬件设备与自动驾驶实际矿车上一致，硬件中的自动驾驶算法与实车完全一致，通过对矿山的实际模拟，提供了虚拟矿区每一种工况下的可靠性、通过性、鲁棒性，包括十字路口、丁字路口、长上坡、长下坡、等障停车、跟车、超车、装载人字倒车、举升卸载等多种工况。

本发明加入了挖机协同作业管理系统仿真，针对挖机装载区域与无人矿卡的协同仿真测试，包括入场点、出场电、停车点、装载点、装载动作等功能仿真测试，即验证了挖机与矿卡的协同流程测试，也间接测试了矿卡与挖机运动控制的精度、算法测试。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。