一种无人矿卡转向安全控制系统及方法与流程

本发明属于采矿机械转向安全控制领域，具体涉及一种无人矿卡转向安全控制系统及方法。

背景技术：

1、随着无人驾驶技术不断的发展，采矿机械领域越来越多地开始采用无人驾驶技术的矿石运输车辆，既可以有效地减少人力成本，也可以提高矿区作业生产效率。由于矿山路况复杂、条件恶劣，加上商业化应用落地的迫切需求，矿山无人驾驶对线控转向控制及检测安全性要求越来越高，特别对转向失效判定的及时性、准确性及处理的合理性、有效性要求越来越高，一般的无人驾驶转向安全控制策略很难适应商业化应用的需要，因此需要设计一种可靠的无人矿卡转向安全控制系统。

2、在授权公告号为cn110654456b的中国发明专利中，公开了一种无人驾驶商用车循环球式转向安全冗余系统，包括：无人驾驶控制器；eps控制器，电气连接至所述无人驾驶控制器；第一油泵装置，连接至储油罐，包括第一驱动装置其相连的第一油泵；第二油泵装置，连接至储油罐，包括第二驱动装置及其相连的第二油泵；二位三通电控电磁阀，电气连接至所述eps控制器；电机转向装置，包括第一电机转向装置与第二电机转向装置，分别电气连接至eps控制器及无人驾驶控制器，提供转向力矩；动力执行机构，包括循环球转向器及执行机构。通过从液压动力源、转向力矩输出、转向控制器三个方面增加安全冗余度，为无人驾驶商用车辆的转向安全提供了有力的保障。该无人驾驶商用车循环球式转向安全冗余系统，主要应用在小型轿车上，在大型的矿石运输车辆增加转向冗余系统，改造困难、成本高，并不适用；另外，仅靠增加冗余转向系统并不能解决由于非转向系统外的转向失控引起的故障。

3、在授权公告号为cn112278072b的中国发明专利中，公开了一种智能车转向安全控制系统及控制方法，所述控制系统包括由车速传感器、采集车轮转台的传感器、车辆参数单元和摄像头组成的数据采集模块，决策控制单元、模拟计算单元和轨迹规划单元组成的中央处理模块，以及制动系统控制单元、转向系统控制单元、车速控制单元和蜂鸣器组成的执行模块；所述控制方法包括：数据采集；数据处理；依次根据车轮的径向轮跳量、轮胎胎压控制车辆安全行驶；路面附着识别；根据目标变道轨迹下目标变道时域内车辆质心侧偏角和横摆角速度控制车辆安全行驶。该智能车转向安全控制系统主要针对于乘用车及商用车，侧重于阐述对转向故障的判断，并未对于车辆断轴、传感器失效等故障进行针对性检测；另外，对于故障处理仅进行蜂鸣器报警和制动减速行驶，对于如何制动减速行驶并没有具体阐述。

4、在授权公告号cn109278859b的中国发明专利中，公开了一种车辆安全控制方法、装置、设备及可读存储介质。通过获取车辆转向过程中的预设时间段内方向盘的实际转向角度和所述车辆的实际转向角度；根据所述车辆的方向盘转向角度与车辆转向角度的对应关系，以及所述方向盘的实际转向角度和所述车辆的实际转向角度，确定所述车辆是否发生转向故障；若确定所述车辆出现转向故障，则对所述车辆进行转向故障处理，能够实时地检测车辆的转向故障，并在确定车辆出现转向故障时，对车辆进行紧急驻车或者紧急刹车等转向故障处理，实现了车辆转向故障的实时检测和自动处理，从而可以避免车辆因转向故障导致重大事故的发生，提高了车辆行驶的安全性。该车辆安全控制方法针对于乘用车及商用车，根据车辆的方向盘转向角度与车辆转向角度的对应关系，以及方向盘的实际转向角度和车辆的实际转向角度的对比来确定车辆是否发生转向故障，对于方向盘转角不变的无人驾驶的矿石运输车辆并不适用，且对于车辆断轴、传感器失效等故障无法检测；另外，对于故障处理仅提到进行紧急驻车或者紧急刹车，对于如何进行紧急驻车或者紧急刹车策略并没有具体阐述。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种无人矿卡转向安全控制系统及方法，能够实现对转向失效故障的判定更加及时、准确、有效，以及对转向失效故障的处理更合理、有效。

2、为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种无人矿卡转向安全控制系统，包括：

4、数据采集模块，用于采集转向系统状态信息、轮转角传感器信息和横向控制信息，并发送至转向失效判定模块；

5、转向失效判定模块，用于基于接收到的转向系统状态信息、轮转角传感器信息和横向控制信息，分别生成对应的转向系统故障处理策略、轮转角传感器故障处理策略和横向误差故障处理策略，并基于各处理策略给出转向失效等级及对应的转向失效量化值；其中，所述转向失效等级和对应的转向失效量化值随着时间的变化进行动态变化，且所述转向失效等级只升不降且限制转向失效量化值的变化；

6、转向失效控制模块，用于根据转向失效判定模块输出的转向失效量化值，生成对应的制动策略，并给出最终的电制动及液压制动百分比，用于控制无人矿卡的制动执行机构。

7、可选地，所述转向失效判定模块包括：

8、数据处理单元，用于根据所述转向系统状态信息判断转向系统故障等级，确定转向系统故障处理策略，还用于根据所述轮转角传感器信息判断传感器故障等级，确定轮转角传感器故障处理策略，还用于根据所述横向控制信息判断横向误差故障等级，确定横向误差故障处理策略；

9、决策输出单元，用于将所述数据处理单元输出的处理策略，滤波处理后带入决策输出算法器中，最终给出转向失效等级及相应的转向失效量化值，每个转向失效等级对应不同范围的转向失效量化值。

10、可选地，所述转向系统故障等级、传感器故障等级、横向误差故障等级均包括：警示、轻微故障、一般故障、严重故障；

11、当故障等级为警示时，对应的处理策略为限速；

12、当故障等级为轻微故障时，对应的处理策略为降速；

13、当故障等级为一般故障时，对应的处理策略为缓停；

14、当故障等级为严重故障时，对应的处理策略为急停。

15、可选地，所述转向失效控制模块包括：

16、故障处理单元，用于根据转向失效判定模块输出的转向失效量化值，执行不同的制动策略，并给出最终的电制动及液压制动百分比；所述制动策略包括：

17、当0＜e≤e1时，仅为部分电制动输出，电制动百分比输出为：teb＝a1*e％，0＜teb≤t1，液压制动输出百分比为0，其中，e为转向失效量化值，e1为仅执行电制动时e的上限值，teb为电制动百分比，a1为经验系数，t1为仅执行电制动输出时teb的上限值；

18、当e1＜e≤e2时，为全电制动输出，电制动百分比输出为：teb＝100％，液压制动输出百分比为0，其中，e2为执行全电制动时e的上限值；

19、当e2＜e≤e3时，为全电制动和部分液压制动输出，电制动百分比输出为：teb＝100％，液压制动输出百分比为thb＝b1*(e-e2)％，0＜thb≤t2，其中，e3为执行全电制动和部分液压制动输出时e的上限值，thb为液压制动输出百分比，b1为经验系数，t2为执行全电制动和部分液压制动输出时thb的上限值；

20、当e3＜e≤100时，为全电制动和全液压制动输出，电制动百分比输出为：teb＝100％，液压制动输出百分比为thb＝100％，0＜e1＜e2＜e3＜100；

21、采用制动控制仿人控制策略，结合车速、载重、故障等级对电制动百分比teb及液压制动百分比thb进行二次处理，获得最终的电制动及液压制动百分比，并发送至无人矿卡的电制动执行单元与液压制动执行单元。

22、可选地，所述故障处理单元，还用于根据所述数据处理单元接收到的横向控制信息中的车辆速度、车辆外接圆半径，车辆空载质量、车辆装载时总质量，以及转向失效判定系统输出的转向失效量化值，得出车辆故障保护圈半径，所述车辆故障保护圈半径的计算公式为：

23、

24、其中，rpr为保护圈半径为保护圈半径，v为车辆速度，r为车辆外接圆半径，m为车辆空载质量，mr为车辆装载时总质量，m和n均为车辆速度系数，smax为最大刹车距离，k为最大刹车距离系数，e为转向失效量化值。

25、可选地，所述无人矿卡转向安全控制系统还包括机群中心，分别与所述数据采集模块和转向失效控制模块相连；

26、所述转向失效控制模块根据转向失效量化值及车速动态划定出故障车辆保护圈，并实时将故障车辆保护圈及位置信息上传到机群中心；

27、所述机群中心同步将故障车辆保护圈大小及位置标记入地图，并基于故障车辆保护圈大小及位置修改车辆原始的任务路径生成的新的任务路径，同时规划出车辆在地图不同点的最高限速，最终将各车辆新的任务路径、车辆在地图不同点的最高限速及其自身的状态信息发送给编队中对应的无人矿卡的数据采集模块。

28、可选地，所述转向失效控制模块包括：

29、故障报警单元，用于根据所述转向失效判定模块输出的转向失效等级，通过模式灯不同颜色及不同周期的变化向周围发出警示。

30、第二方面，本发明提供了一种无人矿卡转向安全控制系方法，包括：

31、利用数据采集模块采集转向系统状态信息、轮转角传感器信息和横向控制信息，并发送至转向失效判定模块；

32、利用转向失效判定模块基于接收到的转向系统状态信息、轮转角传感器信息和横向控制信息，分别生成对应的转向系统故障处理策略、轮转角传感器故障处理策略和横向误差故障处理策略，并基于各处理策略给出转向失效等级及对应的转向失效量化值；其中，所述转向失效等级和对应的转向失效量化值随着时间的变化进行动态变化，且所述转向失效等级只升不降且限制转向失效量化值的变化；

33、利用转向失效控制模块根据转向失效判定模块输出的转向失效量化值，生成对应的制动策略，并给出最终的电制动及液压制动百分比，用于控制无人矿卡的制动执行机构。

34、可选地，所述转向失效判定模块包括数据处理单元和决策输出单元；所述转向失效等级及对应的转向失效量化值的给出方法包括：

35、利用数据处理单元根据所述转向系统状态信息判断转向系统故障等级，确定转向系统故障处理策略，还用于根据所述轮转角传感器信息判断传感器故障等级，确定轮转角传感器故障处理策略，还用于根据所述横向控制信息判断横向误差故障等级，确定横向误差故障处理策略；

36、利用决策输出单元，将所述数据处理单元输出的处理策略，滤波处理后带入决策输出算法器中，最终给出转向失效等级及相应的转向失效量化值，每个转向失效等级对应不同范围的转向失效量化值。

37、可选地，所述转向系统故障等级、传感器故障等级、横向误差故障等级均包括：警示、轻微故障、一般故障、严重故障；

38、当故障等级为警示时，对应的处理策略为限速；

39、当故障等级为轻微故障时，对应的处理策略为降速；

40、当故障等级为一般故障时，对应的处理策略为缓停；

41、当故障等级为严重故障时，对应的处理策略为急停。

42、可选地，所述转向失效控制模块包括：故障处理单元，用于根据转向失效判定模块输出的转向失效量化值，执行不同的制动策略，并给出最终的电制动及液压制动百分比；所述制动策略包括：

43、当0＜e≤e1时，仅为部分电制动输出，电制动百分比输出为：teb＝a1*e％，0＜teb≤t1，液压制动输出百分比为0，其中，e为转向失效量化值，e1为仅执行电制动时e的上限值，teb为电制动百分比，a1为经验系数，t1为仅执行电制动输出时teb的上限值；

44、当e1＜e≤e2时，为全电制动输出，电制动百分比输出为：teb＝100％，液压制动输出百分比为0，其中，e2为执行全电制动时e的上限值；

45、当e2＜e≤e3时，为全电制动和部分液压制动输出，电制动百分比输出为：teb＝100％，液压制动输出百分比为thb＝b1*(e-e2)％，0＜thb≤t2，其中，e3为执行全电制动和部分液压制动输出时e的上限值，thb为液压制动输出百分比，b1为经验系数，t2为执行全电制动和部分液压制动输出时thb的上限值；

46、当e3＜e≤100时，为全电制动+全液压制动输出，电制动百分比输出为：teb＝100％，液压制动输出百分比为thb＝100％，0＜e1＜e2＜e3＜100；

47、采用制动控制仿人控制策略，结合车速、载重、故障等级对电制动百分比teb及液压制动百分比thb进行二次处理，获得最终的电制动及液压制动百分比，并发送至无人矿卡的电制动执行单元与液压制动执行单元。

48、可选地，所述无人矿卡转向安全控制系方法还包括：

49、利用所述故障处理单元根据所述数据处理单元接收到的横向控制信息中的车辆速度、车辆外接圆半径，车辆空载质量、车辆装载时总质量，以及转向失效判定系统输出的转向失效量化值，得出车辆故障保护圈半径，所述车辆故障保护圈半径的计算公式为：

50、

51、其中，rpr为保护圈半径为保护圈半径，v为车辆速度，r为车辆外接圆半径，m为车辆空载质量，mr为车辆装载时总质量，m和n均为车辆速度系数，smax为最大刹车距离，k为最大刹车距离系数，e为转向失效量化值。

52、可选地，所述无人矿卡转向安全控制系方法还包括：

53、利用转向失效控制模块根据转向失效量化值及车速动态划定出故障车辆保护圈，并实时将故障车辆保护圈及位置信息上传到机群中心；

54、利用分别与所述数据采集模块和转向失效控制模块相连的机群中心，将故障车辆保护圈大小及位置标记入地图，并基于故障车辆保护圈大小及位置修改车辆原始的任务路径生成的新的任务路径，同时规划出车辆在地图不同点的最高限速，最终将各车辆新的任务路径、车辆在地图不同点的最高限速及其自身的状态信息发送给编队中对应的无人矿卡的数据采集模块。

55、可选地，所述无人矿卡转向安全控制系方法还包括：

56、利用转向失效控制模块中故障报警单元根据所述转向失效判定模块输出的转向失效等级，通过模式灯不同颜色及不同周期的变化向周围发出警示。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果：

58、本发明利用转向失效判定模块对转向系统状态信息、轮转角传感器信息、横向控制信息的综合判断处理，从而可以识别因断轴、转角传感器失效等转向系统外的转向失控故障，同时结合横向误差及车速的大小，提前对转向故障做出预判，对转向失效的判定更加及时、准确、有效。

59、本发明转向失效控制模块根据转向失效等级及转向失效量化值，执行不同的制动策略，所述制动策略包括部分电制动、全电制动、全电制动+部分液压制动、全电制动+全液压制动，并计算出合理的电制动百分比teb及液压制动百分比thb，然后采用制动控制仿人控制策略对teb及thb进行二次处理，将处理后的teb及thb发送至电制动执行单元与液压制动执行单元，以实现安全、经济、合理、有效的制动处理，大大降低车辆因制动过猛导致剧烈震荡甚至侧翻的风险。且本发明提出针对不同情况采用不同的制动策略，一方面可避免过制动带来的资源浪费及运输效率的降低，另一方面可有效降低欠制动带来的碰撞风险。

60、本发明提出利用故障处理单元根据数据处理单元接收到的横向控制信息中的车辆速度、车辆外接圆半径，车辆空载质量、车辆装载时总质量,以及转向失效判定模块输出的转向失效量化值，得出车辆故障保护圈半径，生成动态划定保护圈策略，能够实时动态合理的给出故障车辆保护圈的大小，不至于保护圈过大导致其他车辆过渡避让，降低运输效率，也不至于护圈过小导致与其他车辆碰撞的风险增加。

61、本发明中的机群中心根据所管辖车辆的转向健康状况信息、地图信息进行交通管制指令生成，实时对系统中的无人矿卡进行监控及调度管理，大大提升整个无人矿卡编队运输的安全性和可靠性。