一种基于激光雷达和超声波雷达的自动落矸控制系统的制作方法

1.本发明涉及矸石装运控制技术领域，具体来说，涉及一种基于激光雷达和超声波雷达的自动落矸控制系统。


背景技术：

2.在未来很长一段时间内，煤炭仍将是我国的主体能源和重要工业原料。煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。随着矿井岩巷掘进量增加，造成矿井的掘进矸石产出增加，有些矿井矸石率(矸石与产量比值)达到12％～18％左右，因此及时将煤矸石运输到地面矸石堆积区域是煤矿生产的一个重要环节。
3.落矸控制系统是煤矸石运输系统的一个重要子系统，其功能是通过控制矸石仓下料口开关和矸石运输车辆的位置，将矸石准确的装载到运输车辆车厢里面，同时要保证车厢满载而不溢出，其运行效率不仅关系到煤矿生产的安全性，且对企业经济效益及社会效益的实现也有很大影响。目前，常用的落矸控制系统是人工通过监控视频，判断运输车辆在矸石装载点的位置，当运输车辆到达第一个装载位置的时候，人工控制电铃给驾驶员发信号让车子停下，接着人工点击开关打开矸仓下料口，矸石开始从矸石仓向运输车辆车厢内下落，当人工判断矸石堆积高度等于车厢高度时，人工关闭矸仓下料口，同时发送铃声信号给驾驶员，让运输车辆继续前进到第二个装载位置，后面的装载过程和第一个装载位置类似。当车辆装满后，人工发送响铃信号让驾驶员驶离装载点。这种基于人工操作的传统落矸控制系统，虽然在煤矿生产过程中应用较为广泛，但是其具有诸多的缺点包括(1)人员占用多，工作时间每个装载点需要配置1名操作人员，每人工作8小时，共需要安排3名操作人员；(2)劳动强度大，工作期间操作人员专注盯着监控视频，并且需要不停的操作按键；(3)整个系统需要人工操作，自动化程度低，效率不高且容易出错，已经不能满足“绿色、安全、高效”的现代化煤矿生产过程。
4.针对相关技术中的问题，目前业界尚未提出有效的解决方案，相关的参考文献也没有检索到。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光雷达和超声波雷达的自动落矸控制系统，本发明利用激光雷达的高精度点云匹配技术检测车体相关标志物来确定车辆在装载点的精确位置，利用超声波雷达来检测车厢内堆积矸石的高度，进而通过计算单元对电磁继电器的控制来实现矸石排放端口的自动化开闭，最终实现无人驾驶矿卡自动落矸。
7.(二)技术方案
8.为实现上述优点，本发明采用的具体技术方案如下：它包含矿车、安装在装点出口左右两侧的激光雷达、安装在排矸口四周的超声波雷达、云数据记录模块、计算单元、obu模块和安装在排矸口的电磁继电器，所述obu模块安装在矿卡驾驶台内部，所述激光雷达和超
声波雷达与云数据记录模块电性连接，计算单元与云数据记录模块和电磁继电器电性连接。
9.进一步的，所述安装在排矸口四周的超声波雷达的线束发射垂直向下，超声波雷达利用超声波测距原理来计算车厢内堆积矸石的高度。
10.进一步的，所述安装在装点出口左右两侧的激光雷达为用于识别车辆在通过的过程中的特征，激光雷达的具体姿态根据装载点的空间和矿卡的尺寸进行定位调整。
11.进一步的，所述矿车装载箱外部通过激光雷达扫描拟定三个装载位置。
12.进一步的，所述云数据记录模块用于记载激光雷达采集点的云数据，并通过计算单元进行处理分析。
13.进一步的，所述拟定三个装载位置的方法包含以下步骤：
14.第一步，根据车辆的装载箱特征，人工在卸矸口的下方标记a、b、c三个基准点；
15.第二步，人工驾驶车辆从装载口的入口进入，左右两个激光雷达不停扫描并记录点云数据；
16.第三步，驾驶车辆进入到a点时，停止车辆，左右两个激光雷达不停扫描并记录点云数据；
17.第四步，驾驶车辆进入到b点时，停止车辆，左右两个激光雷达不停扫描并记录点云数据；
18.第五步，驾驶车辆进入到c点时，停止车辆，左右两个激光雷达不停扫描并记录点云数据。
19.(三)有益效果
20.与现有技术相比，本发明提供了一种基于激光雷达和超声波雷达的自动落矸控制系统，具备以下有益效果：
21.(1)本发明提出了一种基于激光雷达和毫米波雷达的自动落矸控制系统，适用于无人驾驶矿卡运输矸石的自动化装载；
22.(2)本系统可以24小时无人化自主运行，基于激光雷达测量车辆位置，基于超声波雷达测量矸石高度，系统可靠性高，测量准确度高，可省去枯燥的人工重复工作；
23.(3)本系统基于低成本的固态激光雷达和超声波雷达，整个系统成本较低；
24.(4)本系统环境适应能力强，不受光线、温度、气候等因素影响。
附图说明
25.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，下面描述中的附图仅仅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。
26.图1是本发明中激光雷达和超声波雷达的安装位置结构示意图；
27.图2是本发明中a、b、c位置处点云特征采集流程图；
28.图3是本发明运行示意框图；
29.图4是本发明的电源拓扑图，其中上半部分是安装在落矸点的部分器件的电源拓扑图，下半部分是车载部分的电源拓扑图。
具体实施方式
30.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
31.根据本发明的实施例，提供了一种基于激光雷达和超声波雷达的自动落矸控制系统。
32.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的基于激光雷达和超声波雷达的自动落矸控制系统，首先在装载点出口内侧的左右两边(墙角)顶角处，分别安装一个激光雷达，激光雷达的线束发射面倾斜朝下，激光雷达的具体姿态根据装载点的空间和矿卡的尺寸在安装前调整好，使得车辆在通过的过程中点云可以识别到整车的顶部，在排矸口的四周安装一组超声波雷达，发射端垂直向下。
33.如图2所示，根据本发明实施例的基于激光雷达和超声波雷达的自动落矸控制系统，由于矿卡车厢较长，在一个位置排矸口不能将整个车厢填满，所以一般情况下需要在三个位置进行三次装载，这三个位置分别记作a点、b点和c点。在落矸系统投入使用之前，需要首先标定a、b和c点的点云特征，具体做法是：首先根据以往作业工况，人工确定a、b和c点三点的位置，然后将这三点的位置在矸石装载点的地面上标出，当矿卡驶入装载点入口时，左右两个激光雷达不停扫描并记录点云数据，当矿卡行驶到a点的位置时，此时矿卡停车，记录下左右两个激光雷达的点云特征；然后矿卡继续前进，当行驶到b点的位置时，此时矿卡停车，记录下左右两个激光雷达的点云特征；接着，矿卡继续前进，当行驶到c点的位置时，此时矿卡停车，记录下左右两个激光雷达的点云特征，到这里就完成了a、b和c点三个位置点云特征的标定，是后续基于点云匹配确定落矸点的基础。
34.如图3所示，当落矸系统正式投入使用时，整个落矸系统的工作流程如下：从矿卡驶入装载点通道入口开始，激光雷达不停的采集点云数据并记录下来，当点云数据特征与a点之前标定时记录的点云特征匹配的时候，通过落矸系统的车载单元(on board unit，obu)模块向矿卡的obu模块发送停车指令，然后矿卡obu将该指令传输到矿卡整车控制器(vehicle control unit，vcu)，通过vcu给线控底盘发送停车命令，线控地盘控制矿卡停车；同时由落矸系统的计算单元给电磁继电器发送指令，进而控制排矸口打开；在a位置装载矸石的过程中，超声波雷达不停的扫描车厢内矸石，利用超声波测距原理来计算车厢内堆积矸石的高度，当矸石的高度超出车厢高度的时候，落矸系统计算单元发送指令给电磁继电器，控制排矸口关闭，同时通过落矸系统obu模块向矿卡obu模块发送前进指令，该指令传输到矿卡vcu，通过vcu给线控底盘发送前进信号，线控底盘驱动矿卡继续向前运行；
35.当左右激光雷达记录的点云数据特征与b点之前标定时记录的点云特征匹配的时候，通过落矸系统的obu模块向矿卡的obu模块发送停车指令，然后矿卡obu将该指令传输到矿卡vcu，通过vcu给线控底盘发送停车命令，线控地盘控制矿卡停车；同时由落矸系统的计算单元给电磁继电器发送指令，进而控制排矸口打开；在b位置装载矸石的过程中，超声波雷达不停的扫描车厢内矸石，利用超声波测距原理来计算车厢内堆积矸石的高度，当矸石的高度超出车厢高度的时候，落矸系统计算单元发送指令给电磁继电器，控制排矸口关闭，同时通过落矸系统obu模块向矿卡obu模块发送前进指令，该指令传输到矿卡vcu，通过vcu
给线控底盘发送前进信号，线控底盘驱动矿卡继续向前运行；
36.当左右激光雷达记录的点云数据特征与c点之前标定时记录的点云特征匹配的时候，通过落矸系统的obu模块向矿卡的obu模块发送停车指令，然后矿卡obu将该指令传输到矿卡vcu，通过vcu给线控底盘发送停车命令，线控地盘控制矿卡停车；同时由落矸系统的计算单元给电磁继电器发送指令，进而控制排矸口打开；在c位置装载矸石的过程中，超声波雷达不停的扫描车厢内矸石，利用超声波测距原理来计算车厢内堆积矸石的高度，当矸石的高度超出车厢高度的时候，落矸系统计算单元发送指令给电磁继电器，控制排矸口关闭，同时通过落矸系统obu模块向矿卡obu模块发送前进指令，该指令传输到矿卡vcu，通过vcu给线控底盘发送前进信号，线控底盘驱动矿卡继续向前运行，矿卡逐渐驶离装载点，向卸载点行驶。
37.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，从而实现本发明利用激光雷达的高精度点云匹配技术检测车体相关标志物来确定车辆在装载点的精确位置，利用超声波雷达来检测车厢内堆积矸石的高度，进而通过计算单元对电磁继电器的控制来实现矸石排放端口的自动化开闭，最终实现无人驾驶矿卡自动落矸。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。