一种矿区无人驾驶系统装载位的标定装置和方法与流程

本公开涉及无人驾驶领域，尤其涉及一种矿区无人驾驶系统装载位的标定装置和方法。

背景技术：

在露天矿区开采作业的穿孔-爆破-采掘-运输-排废五大主要环节中，目前技术较为成熟，最容易在短时间实现无人化作业的就是采掘运输环节。其中采掘环节可实现挖掘设备远程操控，减少现场操作人员；而运输环节中矿用车辆无人驾驶则逐步走入矿山现场开始试验性作业。

对于露天矿车无人驾驶来说，装载-运输-排弃三个环节中，运输、排弃环节依靠上位平台控制和自身感知定位均可自主实现，唯独装载环节需要挖掘设备与运输设备联动。其中装载位精确标定就成为整体环节中的关键节点。由于装载区域地形变动较大，每次装载位均会变化，装载设备需要迅速高效的标定好装载位并发送至无人矿车，使无人矿车精确停靠在装载位，减少二次位置调整带来的装载效率降低的问题。

目前露天矿区单斗-卡车工艺中挖掘装载设备主要使用电铲、挖掘机、装载机及液压铲等，则装载位标定需要精确测量装载设备铲斗位置，通过铲斗位置再另行推算矿车停靠位置，因此对于装载位标定速度和标定精度提出了更高的要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种矿区无人驾驶系统装载位的标定装置和方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种矿区无人驾驶系统装载位的标定装置，包括：

装载设备、所述装载设备用于承载车载计算机系统、车载定位系统及车载无线通讯系统，用于装载位的标定；其中，

所述车载定位系统用于获取装载设备的位置坐标及姿态方向；

所述车载无线通讯系统用于实现车载计算机系统与外界设备的通信；

所述车载计算机系统包括数据采集单元、数据发布单元、信息数据传输控制单元，用于通过所述位置坐标及姿态方向计算所述装载位。

在一些实施例中，所述外界设备为矿区无人驾驶管控平台和/或无人运输设备。

在一些实施例中，所述的标定装置还包括：

矿区无人驾驶管控平台，作为上级指挥控制中心，用于实时下发车辆调度任务，接收所述装载设备上传的状态信息和装载位信息，指挥调度无人运输设备根据标定的装载位定点停靠，进行装载作业。

在一些实施例中，所述矿区无人驾驶管控平台还用于同步下发动态更新的地图，为装载位的标定提供参考。

在一些实施例中，所述车载计算机系统为工业嵌入式平板计算机；和/或

所述车载定位系统兼容gps、北斗、glonass、galileo卫星定位系统中的一种或多种，和/或

所述车载无线通信系统为4g和/或5g通信平台。

在一些实施例中，所述车载定位系统包括定位主天线，定位姿态天线及定位主机。

在一些实施例中，所述车载定位系统为多星gnss接收机，其中，gnss定位主天线设置于装载设备后部发动机舱上方，用于获取装载设备主体位置坐标，所述gnss定位主天线的高度高于发动机舱mcm，其中，m＞0；

所述gnss定位姿态天线设置于装载设备后部发动机舱上方，用于获取挖掘机主体姿态方向，其中，所述gnss定位姿态天线的高度高于发动机舱mcm，与gnss定位主天线1距离n米以上n＞0。

在一些实施例中，所述车载无线通讯系统包括5g模组的天线及5g模组主体，所述5g模组的天线3安装于装载设备驾驶室顶部中间位置，所述5g模组主体通过网口与车载计算机系统相连接，发送差分信号、调度信息及上传标定位置数据。

根据本公开的另一个方面，提供了一种矿区无人驾驶系统装载位的标定方法，采用如前所述的标定装置，所述装载设备端执行的方法包括：

s100，装载设备接收下发的生产任务，根据生产任务行驶至生产地点，达到指定地点后，装载设备设置为预定的装车姿态，启动生产工作；

s101，车载计算机系统根据车载定位系统获取的位置坐标及姿态方向，结合所述预定的装车姿态，通过装载位生成算法生成装载位信息；

s102，通过车载无线通讯系统上传所述装载位信息；

s103，接收已挖掘部分变化的地形数据，作为下一次装载位标定提供地形基础数据。

在一些实施例中，所述步骤s2包括：

s1021，通过所述位置坐标及姿态方向，结合所述预定的装车姿态，获取预设装载位；

s1022，通过人机交互界面获取预设装载位修正数据，通过预设装载位修正数据确定标定的装载位。

在一些实施例中，所述矿区无人驾驶管控平台执行的方法包括：

s201，根据生产计划下发装载任务至装载设备；

s202，接收标定后装载位信息，根据装载位的位置，规划出无人运输设备至所述装载位的行车轨迹，同步下发轨迹；

s203，接收已挖掘部分变化的地形数据，作为下一次装载位标定提供地形基础数据。

在一些实施例中，所述无人运输设备执行的方法包括：

s301，接收行驶至至所述装载位的行车轨迹；

s302按所述行车轨迹向所述装载位行驶，在行驶过程中，实时感知并扫描周边地形；

s303，装车完成后，驶离装载位，同时扫描已挖掘部分变化的地形数据并上传。

根据本公开的另一个方面，提供了一种矿区无人驾驶系统装载位的标定方法，采用如前所述的标定装置，包括：

矿区无人驾驶管控平台根据生产计划下发装载任务至装载设备；

装载设备根据生产任务行驶至生产地点，开始生产作业；到达指定挖掘装载地点后，装载设备按规定标准装姿态动作工作，车载计算机采集车载定位系统输出的位置信息和姿态信息，并通过装载位生成算法，计算拟最佳装车地点，同时参照装车地点实时的地形地貌，在车载计算机人机交互界面上自动生成预制装载位，上传至矿区无人驾驶管控平台；

矿区无人驾驶管控平台接受到标定后装载位信息，根据装载位位置，规划出无人运输设备至装载位的行车轨迹，同步下发轨迹；

无人运输设备接收到规划轨迹后，按轨迹规划路径行驶至装载位；行驶过程中，无人运输设备感知系统实时扫描周边地形；

无人运输设备就位后，装载设备开始装车工作；

装车完成后，无人运输设备驶离，驶离同时扫描已挖掘部分变化的地形数据并上传至矿区无人驾驶管控平台及同步传输至装载设备，作为下一次装载位标定提供地形基础数据。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开矿区无人驾驶系统装载位的标定装置和方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)对于无人矿卡来说，装载位是整体运输循环起点，精确快速标定装载位，是提升无人矿卡运输效率的重要途径，本公开能够大大降低装载位标定的难度，并提高标定精度及速度，有效提升整体工艺环节的效率；。

(2)使用姿态位置模型拟合、地形数据匹配，装载位模型计算等方式快速标定，减少其他铲斗定位方式的繁琐的传感器标定过程，同步减少相应维护保养工作。

(3)本公开生成的装载位兼容目前矿区通用的坐标系和测量参数，能够迅速的转化为上位平台所需的调度目标。

附图说明

图1为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定装置的结构示意图。

图2为本公开矿区无人驾驶系统装载位的标定装置一具体实施例的硬件结构安装示意图。

图3为本公开矿区无人驾驶系统装载位的标定装置一具体实施例的硬件结构连接示意图。

图4为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定过程示意图。

图5a为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法中装载设备端的流程图。

图5b为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法中矿区无人驾驶监控平台的流程图。

图5c为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法中无人运算设备端的流程图。

图5d为本公开一具体实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法的总体流程图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-gnss定位主天线；2-gnss定位姿态天线；3-5g模组天线；4-工业嵌入式触摸平板计算机；5-控制箱体；6-标定的装载位；7-动臂；8-斗杆；9-铲斗。

具体实施方式

由于无人驾驶矿车工作效率高于人工，对于装载位标定速度和标定精度具有更高的要求，而装载位标定需要精确测量装载设备铲斗位置。目前，出现了一些推算铲斗位置的方法，包括通过液压驱动装置测量推算或倾角变化计算铲斗位置，但该些方法均具有计算精度不高的缺陷。同时，上述方法需安装的传感器众多，一方面，众多传感器的安装意味着成本的增加，同时也会增加传感器的标定复杂性；另一方面，众多传感器的安装意味着成本的增加，同时也会增加传感器的标定复杂性；再一方面，大量测量传感器在恶劣工况环境下长时间工作，将大大增加传感器故障发生的几率而影响计算结果，并且众多传感器自身测量精度的差异也可能影响计算结果，最终影响装载位的标定效率。此外，单一无线电定位及单gps定位不能确定装载设备姿态方向，需要其他测量手段配合，计算及坐标转换繁琐。

本公开提供了一种矿区无人驾驶系统装载位的标定装置及方法，能够大大降低装载位标定的难度和提高标定精度及速度，减化铲斗定位方式的繁琐的传感器标定过程。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种矿区无人驾驶系统装载位的标定装置。图1为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定装置的结构示意图。如图1所示，本公开矿区无人驾驶系统装载位的标定装置包括装载设备、车载计算机系统、车载定位系统、车载无线通讯系统及矿区无人驾驶监控平台。

以下对本实施例无人驾驶系统装载位的标定装置的各个部分进行详细说明。

所述装载设备用于承载车载计算机系统、车载定位系统及车载无线通讯系统，在满足装载位标定的需求同时，可与上级矿区无人驾驶监控平台进行信息交互和生产任务发布，同时能够与无人矿车进行信息交互。可以理解的是，此处的装载设备包括但不限于目前矿区主流装载设备，例如电铲、挖掘机、装载机、液压铲等，其装载方式和生产工艺流程具备通用属性。本实施例中，以挖掘机为例进行说明。

所述车载计算机系统具备数据采集、数据发布、信息数据传输控制功能及相应的可扩展性，满足车载控制中心需求的同时，也作驾驶员与上级矿区无人驾驶监控平台的人机交互平台。本实施例中，采用8寸工业嵌入式平板计算机作为车载计算机系统。

所述车载定位系统用于获取装载设备的位置坐标及姿态方向。本实施例中，以挖掘机作为装置设备，其主体可绕中心轴线转动360°。其中，其位置坐标即挖掘机主体的位置坐标，姿态方向即挖掘机主体朝向的方向角。进一步的，本实施例中动臂7、斗杆8及铲斗9的位置与挖掘机主体之间的位置设置为预定值，因此，在获取了挖掘朝向的方向角的情况下，即可获取铲斗的位置坐标及方向角。

在本实施例中，车载共精度定位系统可以选用多星gnss接收机，兼容gps、北斗、glonass、galileo多种卫星定位系统，定位精度可以到达1cm±1ppm，同时具备厘米级定位精度和静态航向角输出功能，能够精确测定设备的姿态方向。

所述车载无线通信系统用于实现无人驾驶系统装载位标定装置与上级矿区无人驾驶监控平台的通信，以及与无人矿车之间的通信。在一些实施例中，所述车载无线通信系统可以选用成熟的公网4g/5g通信平台，车载安装5g模组，兼容4g网络。利用5g覆盖带来的大容量接入、高带宽、低时延的网络优势，实现车端与平台端高速数据交换。

所述矿区无人驾驶管控平台作为上级指挥控制中心，实时下发车辆调度任务，接收车端上传状态信息和装载位信息，指挥调度无人车辆根据标定的装载位精确定点停靠进行装载作业。所述矿区无人驾驶管控平台还能够同步下发动态更新的高精度地图，为装载位的标定提供参考。

图2为本公开矿区无人驾驶系统装载位的标定装置一具体实施例的硬件结构安装示意图。如图2所示，所述装载设备为挖掘机，其上承载有车载计算机系统、车载定位系统、车载无线通讯系统。

具体地，所述车载定位系统包括gnss定位主天线1及gnss定位姿态天线2及gnss定位主机。其中，gnss定位主天线1设置于挖掘机后部发动机舱上方，用于获取挖掘机主体位置坐标。gnss定位主天线1的高度高于发动机舱mcm，以防止发动机舱遮挡天线，造成定位数据偏差或不定位的情况。其中，m＞0，其具体数值根据实际情况而定。gnss定位姿态天线2设置于挖掘机后部发动机舱上方，用于获取挖掘机主体姿态方向。gnss定位姿态天线2的高度高于发动机舱mcm，与gnss定位主天线1距离n米以上。其中，n＞0，具体数值根据实际情况确定。

车载计算机系统包括8寸工业嵌入式触摸平板计算机4，安装于驾驶室内部操作台右手边，方便司机操作。

车载无线通讯系统包括5g模组的天线3及5g模组主体，所述5g模组的天线3安装于挖掘机驾驶室顶部中间位置，用于实现无人驾驶系统装载位标定装置与上级矿区无人驾驶监控平台以及与无人矿车之间的通信。

此外，所述装载设备上还设置控制箱体，安装于驾驶位后方，用于容置gnss定位主机，5g模组主体，供电模块(图未示)等。

图3为本公开矿区无人驾驶系统装载位的标定装置一具体实施例的硬件结构连接示意图。如图3所示，供电模块采用装载设备24v电池供电，经控制箱内24-12v直流电源转换后为gnss接收机、工业嵌入式平板触摸计算机4以及5g模组供电。gnss接收机通过双串口与工业嵌入式平板触摸计算机4相连接，接收差分信号和发送定位数据，同时通过同轴电缆外接定位主天线1和定位姿态天线2。此外，5g模组通过网口与工业嵌入式平板触摸计算机相连接，发送差分信号、调度信息及上传标定位置数据。

通过采用矿区无人驾驶系统装载位的标定装置，使用姿态位置模型拟合、地形数据匹配，装载位模型计算等方式快速标定装载位，减少了其他铲斗定位方式的繁琐的传感器标定过程，大大降低了装载位标定的难度，并提高了标定精度及速度，有效提升了整体工艺环节的效率。

在本公开的又一个示例性实施例中，提供了一种矿区无人驾驶系统装载位的标定方法。图4为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定过程示意图。如图4所示，本实施例的标定方法中，包括用于挖掘的装载设备、与用于运输的无人运输设备及进行上位监控的矿区无人驾驶管控平台(图未示)三个执行端。图5a为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法中装载设备端的流程图。如图5a所示，所述装载设备端执行的方法包括：

s100，装载设备接收下发的生产任务，根据生产任务行驶至生产地点，达到指定地点后，装载设备设置为预定的装车姿态，启动生产工作；

s101，车载计算机系统根据车载定位系统获取的位置坐标及姿态方向，结合所述预定的装车姿态，通过装载位生成算法生成装载位信息；

s102，通过车载无线通讯系统上传所述装载位信息；

s103，接收已挖掘部分变化的地形数据，作为下一次装载位标定提供地形基础数据。

进一步的，在一些情况下，为了避免标定设备自动计算生成预设装载位存在误差，还可以通过操作人员手动对装载位进行微调。具体地，所述步骤s2包括：

s1021，通过所述位置坐标及姿态方向，结合所述预定的装车姿态，获取预设装载位；

s1022，通过人机交互界面获取预设装载位修正数据，通过预设装载位修正数据确定标定的装载位。

图5b为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法中矿区无人驾驶管控平台的流程图。如图5b所示，所述矿区无人驾驶管控平台执行的方法包括：

s201，根据生产计划下发装载任务至挖掘设备；

s202，接收标定后装载位信息，根据装载位的位置，规划出无人运输设备至所述装载位的行车轨迹，同步下发轨迹；

s203，接收已挖掘部分变化的地形数据，作为下一次装载位标定提供地形基础数据。

图5c为本公开实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法中无人运输设备端的流程图。如图5c所示，所述无人运输设备执行的方法包括：

s301，接收行驶至所述装载位的行车轨迹；

s302，按所述行车轨迹向所述装载位行驶，在行驶过程中，实时感知并扫描周边地形；

s303，装车完成后，驶离装载位，同时扫描已挖掘部分变化的地形数据并上传。

图5d为本公开一具体实施例矿区无人驾驶系统装载位的标定方法的总体流程图。如图5d所示，所述标定方法包括：

矿区无人驾驶管控平台根据生产计划下发装载任务至挖掘设备；

挖掘设备根据生产任务行驶至生产地点，开始生产作业；到达指定挖掘装载地点后，挖掘设备按规定标准装姿态动作，动臂、斗杆、铲斗动作姿态角度统一标准，车载计算机采集高精度定位设备输出的位置信息和姿态信息，根据位置和姿态信息，通过装载位生成算法，精确计算拟最佳装车地点，同时参照装车地点实时的地形地貌，在车载计算机人机交互界面上自动生成预制装载位。装载位生成算法主要有以下步骤：

1.获取挖机高精度定位信息和姿态信息；

2.根据挖机型号调取挖机各项参数：动臂长度、斗杆长度、铲斗宽度、转轴中心距离动臂转轴距离；

3.获取无人车辆激光雷达扫描的挖掘设备工作面三维数据；

4.在矿区三维坐标系下标记出挖机位置、铲斗位置、挖掘设备工作面位置；

5.在矿区三维坐标系下，根据标记出来的挖掘设备位置、铲斗位置、工作面边界，结合无人车辆外形轮廓，生成预设装载位三维坐标点及方向。

装车地点实时的地形地貌可由上次装车的无人驾驶卡车使用激光雷达进行扫描并上传。挖掘设备驾驶员根据车载计算机显示的预制装载位和实时高精度地图，手动微调预制装载位位置，确定后上传至矿区无人驾驶管控平台；

矿区无人驾驶管控平台接受到标定后装载位信息，根据装载位位置，规划出无人矿卡至装载位的行车轨迹，同步下发轨迹；

无人矿卡接收到规划轨迹后，按轨迹规划路径行驶至装载位；行驶过程中，无人矿卡感知系统实时扫描周边地形，保障安全；

无人矿卡就位后，挖掘设备开始装车工作；

装车完成后，无人矿卡驶离，驶离同时扫描已挖掘部分变化的地形数据并上传至平台及同步传输至挖掘设备，作为下一次装载位标定提供地形基础数据。

为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。