井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法及装置 |
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| 申请号 | CN201410051855.7 | 申请日 | 2014-02-14 | 公开(公告)号 | CN103869282A | 公开(公告)日 | 2014-06-18 |
| 申请人 | 北京矿冶研究总院; 北矿机电科技有限责任公司; | 发明人 | 李建国; 战凯; 顾洪枢; 石峰; 冯孝华; 郭鑫; 段辰玥; 龙智卓; 李恒通; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种井下巷道环境中无轨车辆的航向 角 快速获取方法及装置，该方法包括：在无轨车辆自身 坐标系 下，测量若干个不同角度方向上周围巷道壁上的点与坐标原点之间的对应的若干个距离；根据测量结果计算该无轨车辆的航向角。该装置包括：距离检测模 块 ，用于在无轨车辆自身坐标系下，测量若干个不同角度方向上周围巷道壁上的点与坐标原点之间的对应的若干个距离；航向角计算模块，用于根据测量结果计算该无轨车辆的航向角。本发明可以实现井下巷道工作环境下，无轨车辆的航向角自主获取，特别适用于无人驾驶的自主运行车辆。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法，其特征在于，该方法包括： |
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| 说明书全文 | 井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及矿业工程，具体涉及一种井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法及装置。 背景技术[0002] 近年来，随着矿产资源的大量消耗，地表和浅层矿产资源开发面临的形势日益严峻，现有矿产资源逐渐全面转入地下开采，并向深部和难开采资源延伸，随着井下的工作环境越来越恶劣，同时还有不确定的冒顶等危险因素，不可避免的给从事采矿运输装备工作的人员带来了一定的安全和风险，大力发展无人化无轨运输车辆或远程遥控运输车辆已经成为未来井下开采技术的发展趋势，而基于远程遥控技术的相关技术，由于井下数据的传输容易受到干扰，可靠性下降，另一方面遥控系统需要大量的视频设备相配合，增加了系统的成本和复杂程度。因此，大力发展自主式无人操纵运输车辆已经成为井下无轨车辆技术的发展趋势。 [0003] 在井下自主式无人操纵车辆的相关技术研究开发中，车辆的自身航向角的正确获取是车辆实现自主行驶的基础。而在现有的井下航向角的获取技术中，惯性单元依靠车载系统敏感三轴转向加速率，经过时间积分换算得到角转速，再积分得到转过的角度，在实际应用中，由于每次积分都采用上一周期的数值，故存在误差累积问题，需要对误差进行清零。其他如磁性传感器在地下金属矿中容易受到磁干扰，无法正常使用，而且其车辆的航向角获取过程较为复杂，处理速度很慢。 发明内容[0004] （一）解决的技术问题 [0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法及装置，可以实现井下巷道工作环境下，无轨车辆的航向角自主获取，特别适用于无人驾驶的自主运行车辆。 [0006] （二）技术方案 [0007] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现： [0008] 一种井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法，其特征在于，该方法包括： [0009] 在无轨车辆自身坐标系下，测量若干个不同角度方向上周围巷道壁上的点与坐标原点之间的对应的若干个距离； [0010] 根据测量结果计算该无轨车辆的航向角。 [0011] 优选地，所述测量包括按激光扫描测距的方式进行所述测量。 [0012] 优选地，所述测量只在无轨车辆自身坐标系下的一个预定水平面上进行。 [0013] 优选地，在所述根据测量结果计算该无轨车辆的航向角步骤之前，进一步包括对测量结果进行降噪滤波。 [0014] 优选地，所述根据测量结果计算该无轨车辆的航向角包括： [0015] 根据几何性质从所述若干个不同角度方向和对应的所述若干个距离中任意选取两组或三组计算出一个相对应的航向角数据； [0016] 对不同选取方式计算得到的所述航向角数据进行平均值计算，将计算结果作为该无轨车辆相对于所述周围巷道壁的航向角。 [0017] 一种井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取装置，其特征在于，该装置包括： [0018] 距离检测模块，用于在无轨车辆自身坐标系下，测量若干个不同角度方向上周围巷道壁上的点与坐标原点之间的对应的若干个距离； [0019] 航向角计算模块，用于根据测量结果计算该无轨车辆的航向角。 [0020] 优选地，所述距离检测模块包括激光测距扫描器，用于按激光扫描测距的方式进行所述测量。 [0021] 优选地，所述距离检测模块包括水平距离检测模块，用于在无轨车辆自身坐标系下的一个预定水平面上进行所述测量。 [0022] 优选地，所述装置在所述距离检测模块与所述航向角计算模块之间进一步包括滤波模块，用于对测量结果进行降噪滤波。 [0023] 优选地，所述航向角计算模块包括： [0024] 采样计算模块，用于根据几何性质从所述若干个不同角度方向和对应的所述若干个距离中任意选取两组或三组计算出一个相对应的航向角数据； [0025] 统计计算模块，用于对不同选取方式计算得到的所述航向角数据进行平均值计算，将计算结果作为该无轨车辆相对于所述周围巷道壁的航向角。 [0026] （三）有益效果 [0027] 本发明至少具有如下的有益效果： [0028] 本发明可以实现无轨车辆行驶过程中航向角的获取。在无轨车辆自身坐标系下，本发明先测量了若干个不同角度方向上周围巷道壁上的点与坐标原点之间的对应的若干个距离。也就是说，在这一坐标系下，至少三个巷道壁上的点与原点的角度方向关系、以及该点与原点之间的距离都已经得到了，从而这些点的位置也就相应固定了。仅考虑三个点，由于这三个点相对于原点的角度方向是不同的，从而这三个点可以和原点构成一个四面体。在这个四面体中，由于这三个点在巷道壁上，所以可以视巷道壁平面就是这三个点确定的平面。在设定好的无轨车辆自身坐标系中确定了巷道壁平面之后，就可以由此计算相对于任意方向上的航向角了。或者，结合所有测量点在无轨车辆自身坐标系中确定巷道壁面的数字模型，再根据具体模型确定航向角。 [0029] 在此基础之上，无轨车辆可以在行驶过程中以一定的刷新频率更新所得的航向角，也就实现了井下巷道工作环境下，无轨车辆的航向角自主获取，特别适用于无人驾驶的自主运行车辆。 [0030] 较特殊地，所述测量可以按激光扫描测距的方式进行，其测量精度高，而且测量速度也很快，可以使航向角的获取以很高的频率更新，同时其数值还能保持很高的精度。 [0031] 较特殊地，所述测量只在无轨车辆自身坐标系中的一个预定水平面上进行。通过在水平平面上取若干个距离检测点，结合其角度方向信息任意两个点都可以和原点一同确定一个水平面上的三角形，从而这两个点所在直线与表示车辆行进方向的坐标轴的夹角大小，即为车辆在坐标轴水平面上的航向角大小。这一角度代表了车辆行进方向在自身水平面下偏左或偏右的程度，对于实际应用情景相对于原方案缩小了计算范围，减小了计算量，更具实际应用价值。 [0033] 较特殊地，上述计算过程所需要的最少数据组数都仅为2或3，但实际测量得到的数据可以有很多组，从而可以从中选取不同的原始数据，分别计算出各自的航向角，最终再将计算结果统计平均，将其平均值作为最终得到的计算结果即可。这样可以减少计算过程中的偶然误差，得到的航向角结果精度更高。 [0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。 [0036] 图1是本发明一个实施例中井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法的具体操作方式示意图； [0037] 图2是本发明一个实施例中井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法的具体计算方式示意图。 具体实施方式[0038] 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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。 [0039] 实施例1 [0040] 本发明实施例提出一种井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取方法，该方法包括： [0041] 在无轨车辆自身坐标系下，测量若干个不同角度方向上周围巷道壁上的点与坐标原点之间的对应的若干个距离； [0042] 根据测量结果计算该无轨车辆的航向角。 [0043] 本方法不同于GPS差分等技术或基于惯性单元的航向角测量技术，主要以距离测量数据为计算基础，经过一系列计算得到航向角。 [0044] 首先，需要确定测量所在的坐标系。因为要计算无轨车辆行驶过程中各个时刻的航向角，所以需要把测量参考点固定在无轨车辆上。从而以该测量参考点为原点的无轨车辆自身坐标系就可以构建了，由于该参考系是固定在无轨车辆上的，所以其各坐标轴方向与车辆的行驶方向的相对关系也是完全固定的。 [0045] 然后，就可以在这一坐标系下进行距离的测量了。以原点为起点取一个对应某角度值的方向，然后沿此方向寻找巷道壁上的点，再测量该点与原点之间的距离，如此就采集到了一组角度-距离的数据。当然仅一组数据是不足以计算航向角的，对于三维空间的航向角计算需要至少三组数据（空间内三点确定一个平面，视该平面为巷道面），而仅相对于一个固定平面如坐标系的水平面，其平面内的航向角计算则需要至少两组数据（平面内两点确定一个直线）。或者，也可以根据采集的结果在此坐标系下构建巷道壁面的数字模型，由此数字模型可以计算出所需的航向角。 [0046] 具体的航向角计算方式都是只要根据基础空间几何或平面几何的性质就可以很容易得到的，其属于常用数学方法，在此不再详述。 [0047] 需要说明的是，根据具体的距离测量方式的不同，测量范围会存在不同程度限制，而且对于不同角度上的距离测量精度也会存在差别。所以在选取测量方向的角度时需要考虑到这些问题，并在测量数据组数上取得精度和效率的平衡。 [0048] 从而按此方法可以取得任一时刻下的航向角计算结果，再在车辆行驶过程中将其以一定频率进行刷新，就可以得到航向角实时测量结果。而且这一方法并不依赖于外接其他主控装置的控制信号，就可以自行获取航向角，也就是说实现了井下巷道工作环境下，无轨车辆的航向角自主获取，特别适用于无人驾驶的自主运行车辆。 [0049] 下面结合一个具体装置来说明本发明实施例提出的方法。具体的无轨车辆以铲运机为例，本方法的具体操作方式参见图1。图1中，1代表井下巷道壁，2为井下常用的无轨车辆——铲运机的结构示意，3是安装于铲运机的扫描式距离检测模块。这里的距离测量仅在铲运机自身坐标系的水平面上进行，需要得到的航向角仅代表车辆行进方向在自身水平面下偏左或偏右的程度。 [0050] 实现本方法的具体装置包括距离检测模块和航向角计算模块。所述距离检测模块是指安装于井下无轨车辆上，用于检测车辆相对于巷道壁的距离信息，该距离检测模块可以使用扫描式检测模块，也可以使用多个单点式距离检测模块组合而成，其功能主要是检测移动车辆车上装载的距离检测模块以一定的分辨率相对于一定宽度范围内，处于同一水平面的某段巷道壁的距离。也就是说，理论上通过在水平平面上取若干个距离检测点，结合其角度方向信息任意两个点都可以和原点一同确定一个水平面上的三角形，从而这两个点所在直线与表示车辆行进方向的坐标轴的夹角大小，即为车辆在水平面上的航向角大小。 [0051] 在这里该模块使用激光扫描测距方式测量距离信息，也就是作为激光扫描器安装于移动车辆上，在同一平面以一定周期，连续测量巷道壁相对于激光扫描器自己的距离信息，以铲运机为例的扫描式距离检测模块已经在图1中表示。 [0052] 另外，这里的激光扫描器不仅限于单束激光测量，还可以以一定排列方式组成激光测距阵，同时利用多个单点激光进行距离测量。具体来说，每束激光的射出点都对应一个前文所述的坐标原点，具体处理流程完全相同，可以得到多组相对于不同坐标原点的巷道壁距离信息。这样的方法可以得到更多的原始数据，有利于测量精度的提高，也可以减少由于激光偶然地被折射、吸收、散射或被障碍物遮挡造成的巷道壁无法判断或错误判断的情况。 [0053] 航向角计算模块放置于无轨车辆上，用于结合距离检测模块获取的距离信息，加上每个距离信息上存在的相对测量角度信息来进行航向角计算。首先对测量数据完成降噪滤波，根据几何原理，得到车辆相对于巷道壁的航向角。 [0054] 更具体地，在此情景下的航向角获取过程如下所述： [0055] 参见图2，图中的车辆正在自主行驶。初始启动时，车辆的航向为正向，并与巷道中轴线重合，则图中的θ角为实际车辆的航向角，O点为距离检测模块，距离检测模块的坐标和车体坐标在安装时保证重合，即距离检测模块的最边缘测量方向和车的航向方向成90度夹角（图2中的OC与OO1）。距离测量模块中OO1和OOn的夹角为固定值φ，分辨率可根据距离测量模块设定。在实际应用中，考虑到巷道壁的弯曲程度，实际固定值φ一般小于30度，分辨率可以取1度，这样保证根据测量数据拟合出的O1On段巷道更能够准确地代表实际巷道情况。 [0056] 航向角的获取步骤如下(以φ=30°检测范围为例)： [0057] 1）假设检测范围为30度，分辨率为1度的距离检测模块的距离检测结果为L1、L2......Ln(n=30)，L1在图中为OO1，L30为OOn。 [0058] 2）根据余弦定理，在三角形OOiOn（i=1,2,3....15）中，αi代表角OOnOi的数值[0059] [0060] 3）再次根据余弦定理，在三角形OOiOn（i=1,2,3....15）中 [0061] [0062] 4）平均滤波后的α角的大小为 [0063] [0064] 5）则航向角 [0065] θ=90-φ-α [0066] 在车辆实时行走的过程中，由于距离检测模块检测的距离为不断更新，则航向角也为实时更新。 [0067] 可见，计算中测量了若干组数据并取了平均，数据选取组数通过对φ和分辨率的设置进行了设定，已经过实际测试，这样的方法可以同时保证计算精度和计算效率，取得比较好的处理效果。 [0068] 实施例2 [0069] 本发明实施例提出了一种井下巷道环境中无轨车辆的航向角快速获取装置，该装置包括： [0070] 距离检测模块，用于在无轨车辆自身坐标系下，测量若干个不同角度方向上周围巷道壁上的点与坐标原点之间的对应的若干个距离； [0071] 航向角计算模块，用于根据测量结果计算该无轨车辆的航向角。 [0072] 其中： [0073] 所述距离检测模块包括激光测距扫描器，用于按激光扫描测距的方式进行所述测量。 [0074] 所述距离检测模块包括水平距离检测模块，用于在无轨车辆自身坐标系下的一个预定水平面上进行所述测量。 [0075] 所述装置在所述距离检测模块与所述航向角计算模块之间进一步包括滤波模块，用于对测量结果进行降噪滤波。 [0076] 所述航向角计算模块包括：采样计算模块，用于根据几何性质从所述若干个不同角度方向和对应的所述若干个距离中任意选取两组或三组计算出一个相对应的航向角数据；统计计算模块，用于对不同选取方式计算得到的所述航向角数据进行平均值计算，将计算结果作为该无轨车辆相对于所述周围巷道壁的航向角。 [0077] 本装置采用的技术不同于GPS差分等技术或基于惯性单元的航向角测量技术，主要以距离测量数据为计算基础，经过一系列计算得到航向角。 [0078] 首先，需要确定测量所在的坐标系。因为要计算无轨车辆行驶过程中各个时刻的航向角，所以需要把测量参考点固定在无轨车辆上。从而以该测量参考点为原点的无轨车辆自身坐标系就可以构建了，由于该参考系是固定在无轨车辆上的，所以其各坐标轴方向与车辆的行驶方向的相对关系也是完全固定的。 [0079] 然后，就可以在这一坐标系下进行距离的测量了。以原点为起点取一个对应某角度值的方向，然后沿此方向寻找巷道壁上的点，再测量该点与原点之间的距离，如此就采集到了一组角度-距离的数据。当然仅一组数据是不足以计算航向角的，对于三维空间的航向角计算需要至少三组数据（空间内三点确定一个平面，视该平面为巷道面），而仅相对于一个固定平面如坐标系的水平面，其平面内的航向角计算则需要至少两组数据（平面内两点确定一个直线）。或者，也可以根据采集的结果在此坐标系下构建巷道壁面的数字模型，由此数字模型可以计算出所需的航向角。 [0080] 具体的航向角计算方式都是只要根据基础空间几何或平面几何的性质就可以很容易得到的，其属于常用数学方法，在此不再详述。 [0081] 需要说明的是，根据具体的距离测量方式的不同，测量范围会存在不同程度限制，而且对于不同角度上的距离测量精度也会存在差别。所以在选取测量方向的角度时需要考虑到这些问题，并在测量数据组数上取得精度和效率的平衡。 [0082] 从而依此装置可以取得任一时刻下的航向角计算结果，再在车辆行驶过程中将其以一定频率进行刷新，就可以得到航向角实时测量结果。而且这一装置并不依赖于外接其他主控装置的控制信号，就可以自行获取航向角，也就是说实现了井下巷道工作环境下，无轨车辆的航向角自主获取，特别适用于无人驾驶的自主运行车辆。 [0083] 下面结合一个具体装置来说明本发明实施例提出的装置。具体的无轨车辆以铲运机为例，本装置的具体工作方式参见图1。图1中，1代表井下巷道壁，2为井下常用的无轨车辆——铲运机的结构示意，3是安装于铲运机的扫描式距离检测模块。这里的距离测量仅在铲运机自身坐标系的水平面上进行，需要得到的航向角仅代表车辆行进方向在自身水平面下偏左或偏右的程度。 [0084] 本装置包括距离检测模块和航向角计算模块。所述距离检测模块是指安装于井下无轨车辆上，用于检测车辆相对于巷道壁的距离信息，该距离检测模块可以使用扫描式检测模块，也可以使用多个单点式距离检测模块组合而成，其功能主要是检测移动车辆车上装载的距离检测模块以一定的分辨率相对于一定宽度范围内，处于同一水平面的某段巷道壁的距离。也就是说，理论上通过在水平平面上取若干个距离检测点，结合其角度方向信息任意两个点都可以和原点一同确定一个水平面上的三角形，从而这两个点所在直线与表示车辆行进方向的坐标轴的夹角大小，即为车辆在水平面上的航向角大小。 [0085] 在这里该模块使用激光扫描测距方式测量距离信息，也就是作为激光扫描器安装于移动车辆上，在同一平面以一定周期，连续测量巷道壁相对于激光扫描器自己的距离信息，以铲运机为例的扫描式距离检测模块已经在图1表示。 [0086] 另外，这里的激光扫描器不仅限于单束激光测量，还可以以一定排列方式组成激光测距阵，同时利用多个单点激光进行距离测量。具体来说，每束激光的射出点都对应一个前文所述的坐标原点，具体处理流程完全相同，可以得到多组相对于不同坐标原点的巷道壁距离信息。这样的方法可以得到更多的原始数据，有利于测量精度的提高，也可以减少由于激光偶然地被折射、吸收、散射或被障碍物遮挡造成的巷道壁无法判断或错误判断的情况。 [0087] 航向角计算模块放置于无轨车辆上，用于结合距离检测模块获取的距离信息，加上每个距离信息上存在的相对测量角度信息来进行航向角计算。首先对测量数据完成降噪滤波，根据几何原理，得到车辆相对于巷道壁的航向角。 [0088] 更具体地，在此情景下的航向角获取过程如下所述： [0089] 参见图2，图中的车辆正在自主行驶。初始启动时，车辆的航向为正向，并与巷道中轴线重合，则图中的θ角为实际车辆的航向角，O点为距离检测模块，距离检测模块的坐标和车体坐标在安装时保证重合，即距离检测模块的最边缘测量方向和车的航向方向成90度夹角（图2中的OC与OO1）。距离测量模块中OO1和OOn的夹角为固定值φ，分辨率可根据距离测量模块设定。在实际应用中，考虑到巷道壁的弯曲程度，实际固定值φ一般小于30度，分辨率可以取1度，这样保证根据测量数据拟合出的O1On段巷道更能够准确地代表实际巷道情况。 [0090] 航向角的获取步骤如下(以φ=30°检测范围为例)： [0091] 6）假设检测范围为30度，分辨率为1度的距离检测模块的距离检测结果为L1、L2......Ln（n=30），L1在图中为OO1，L30为OOn。 [0092] 7）根据余弦定理，在三角形OOiOn（i=1,2,3....15）中，αi代表角OOnOi的数值[0093] [0094] 8）再次根据余弦定理，在三角形OOiOn（i=1,2,3...15）中 [0095] [0096] 9）平均滤波后的α角的大小为 [0097] [0098] 10）则航向角 [0099] θ=90-φ-α [0100] 在车辆实时行走的过程中，由于距离检测模块检测的距离为不断更新，则航向角也为实时更新。 [0101] 可见，计算中测量了若干组数据并取了平均，数据选取组数通过对φ和分辨率的设置进行了设定，已经过实际测试，这样的装置可以同时保证计算精度和计算效率，取得比较好的处理效果。 [0102] 本发明的目的在于针对井下巷道特殊的环境，提出一种适用于井下无轨车辆的的航向角获取技术。本方法除具有前文已经叙述过的有益效果之外，还可以方便地获取车辆在井下的实时航向角，本发明所涉及的工作装置结构简单，工作稳定可靠，能够满足井下无人驾驶车辆的自主行驶要求。 [0103] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0104] 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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