一种矿用梭车防碰撞预警方法及系统与流程

1.本发明涉及煤矿采集领域，特别是涉及一种矿用梭车防碰撞预警方法及系统。


背景技术：

2.煤矿井下运煤车是连续采煤机进行房拄式采煤与掘巷的配套设备之一。运煤车按动力分为拖曳电缆式、蓄电池式和内燃机式三种，而拖曳电缆式运煤车习惯又称梭车。
3.梭车是煤矿井下实现短距快速运输的一种无轨胶轮车辆，作为短壁机械化开采的重要设备之一，其主要功能是将连续采煤机的煤转运到给料破碎机上。
4.针对当前“采煤机+锚杆钻车+梭车”的巷道掘进工艺中，梭车驾驶员的视野盲区较大，时常发生碰撞事故。随着人工智能技术的飞速发展，智能化控制已成为各行各业的发展趋势。作为一个传统行业，煤矿采集更应实现智能化建设。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对现有技术中梭车驾驶员由于视野范围有限从而无法准确得知梭车周围的障碍物信息，进而容易发生碰撞的安全隐患的技术问题，本发明提供一种矿用梭车防碰撞预警方法及系统。
6.本发明公开一种矿用梭车防碰撞预警方法，其包括以下步骤：
7.s1：划定多个预警等级，并设置各个预警等级所对应的触发条件。各个预警等级按照碰撞风险由小到大依次为：一级预警、二级预警以及三级预警。触发条件的设置依据为梭车与障碍物之间的距离。
8.s2：设定与各个预警等级相匹配的多项预警响应参数。每项预警响应参数包括听觉警报频率、视觉警报显示内容，以及触觉警报频率。
9.s3：对梭车移动方向上的预设探测范围内进行超声波探测，并采集预设探测范围内障碍物的实时距离。
10.s4：根据实时距离信息对预警等级作出判断，进而得到判断结果。
11.s5：控制预警执行模块调节至与判断结果相匹配的预警响应参数，进而发出对应的防碰撞警报。
12.作为本发明的进一步改进，步骤s1中，一级预警、二级预警和三级预警三者的触发条件依次设置为：
13.当梭车与障碍物间的距离大于一个预设距离一且不大于一个预设距离二时，触发一级预警。
14.当梭车与障碍物间的距离大于一个预设距离三且不大于预设距离一时，触发二级预警。
15.当梭车与障碍物间的距离不大于预设距离三时，触发三级预警。
16.作为本发明的进一步改进，预设距离一为1m。预设距离二为1.5m。预设距离三为0.4m。
17.作为本发明的进一步改进，步骤s3中，还实时采集梭车多个方向上的预设视场角内的视觉图像，并将多个视觉图像融合成一个俯视图像。
18.作为本发明的进一步改进，预警执行模块包括蜂鸣器、显示屏以及震动电机。蜂鸣器的蜂鸣频率可调节，以发出听觉警报。显示屏用于接收并显示视觉图像以及俯视图像，以发出视觉警报。震动电机的震动频率可调节，以发出触觉警报。
19.作为本发明的进一步改进，步骤s5中，预警执行模块调节至与不同判断结果相匹配的预警响应参数时分别满足：
20.当触发一级预警时，蜂鸣器以1hz的频率发出听觉警报，同时显示屏实时显示梭车移动方向上的视觉图像以及俯视图像，并在俯视图像上实时显示梭车与障碍物之间的绿色标示线。
21.当触发二级预警时，蜂鸣器以2hz的频率发出听觉警报，同时显示屏实时显示梭车移动方向上的视觉图像以及俯视图像，并在俯视图像上实时显示梭车与障碍物之间的黄色标示线。震动电机以每隔1s震动两次的形式间歇式震动。
22.当触发三级预警时，蜂鸣器以4hz的频率发出听觉警报，同时显示屏实时显示梭车移动方向上的视觉图像以及俯视图像，并在俯视图像上实时显示梭车与障碍物之间的红色标示线。震动电机持续式震动，震动频率为4hz。
23.本发明还公开一种矿用梭车防碰撞预警系统，其采用上述任意一项矿用梭车防碰撞预警方法。矿用梭车防碰撞预警系统包括：环境感知模块、预警执行模块以及预警决策模块。
24.环境感知模块包括超声波雷达。超声波雷达用于对梭车移动方向上的预设探测范围进行超声波探测，并采集预设探测范围内障碍物的实时距离。
25.预警执行模块包括蜂鸣器、显示屏以及震动电机。蜂鸣器的蜂鸣频率可调节，以发出听觉警报。显示屏用于接收并显示视觉图像，以发出视觉警报。震动电机的震动频率可调节，以发出触觉警报。
26.预警决策模块包括预警控制器。预警控制器用于：先划定多个预警等级，并设置各个预警等级所对应的触发条件。再设定与各个预警等级相匹配的多项预警响应参数。然后根据实时距离信息对预警等级作出判断，进而得到判断结果。再然后控制预警执行模块调节至与判断结果相匹配的预警响应参数，进而发出对应的防碰撞警报。
27.作为本发明的进一步改进，环境感知模块还包括环视摄像头；环视摄像头用于采集梭车上其中一侧预设视场角内的视觉图像。
28.作为本发明的进一步改进，超声波雷达和环视摄像头的数量均设置有至少四组，且均分别安装在所述梭车的四周。
29.作为本发明的进一步改进，蜂鸣器设置在梭车的驾驶舱内，且安装于驾驶座椅上靠近驾驶员头部的位置。显示屏安装在驾驶舱的仪表台上。震动电机安装在梭车的方向盘上。
30.与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：
31.1、该矿用梭车防碰撞预警方法通过将梭车与障碍物之间的距离作为触发条件，划分多个预警等级，再设定与不同预警等级相匹配的预警响应参数，并且预警响应参数从听觉、视觉以及触觉三个层面出发进行设定。在梭车在矿洞中运行时，通过对梭车移动方向上
的预定探测范围进行超声波探测，从而检测出该探测范围内障碍物的实时距离信息，进而根据该实时距离信息作出预警等级的判断结果，最后利用一个预警执行模块执行并调节至匹配的预警响应参数。该预警方法综合考虑了梭车的行驶工况以及工作环境，利用听觉、视觉以及触觉的综合预警方式来实现梭车的碰撞预警，可以辅助驾驶员判断梭车与障碍物之间的距离，避免梭车发生碰撞，有效减少煤矿采集时的安全隐患。
32.2、该矿用梭车防碰撞预警系统的有益效果与上述预警方法的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
33.图1为本发明实施例1中矿用梭车防碰撞预警方法的流程图；
34.图2为本发明实施例1中预警控制器的预警逻辑框图；
35.图3为本发明实施例1中梭车上各组环视摄像头的取景范围示意图；
36.图4为本发明实施例1中俯视图像的示意图；
37.图5为本发明实施例2中矿用梭车防碰撞预警系统的系统框图；
38.图6为本发明实施例4中主动安全系统、预警系统以及梭车的制动系统、电子驻车系统的框架图；
39.图7为本发明实施例4中线控制动控制器的交互逻辑图。
具体实施方式
40.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，所描述的实施例仅仅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。
41.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
42.实施例1
43.请参阅图1，本实施例提供一种矿用梭车防碰撞预警方法，其包括步骤s1～s5：
44.s1：划定多个预警等级，并设置各个预警等级所对应的触发条件。各个预警等级按照碰撞风险由小到大依次为：一级预警、二级预警以及三级预警。触发条件的设置依据为梭车与障碍物之间的距离。
45.本实施例中，可通过梭车上安装的超声波雷达获取梭车行驶的周边环境信息，并进行分析计算。受限于超声波雷达的感知条件，可将超声波雷达的探测有效距离设置为0.2m-1.5m，根据探测的有效距离将碰撞预警的区域划分为三级。一级预警、二级预警和三级预警三者的触发条件依次设置为：
46.当梭车与障碍物间的距离大于一个预设距离一且不大于一个预设距离二时，触发一级预警。
47.当梭车与障碍物间的距离大于一个预设距离三且不大于预设距离一时，触发二级
预警。
48.当梭车与障碍物间的距离不大于预设距离三时，触发三级预警。
49.本实施例中，预设距离一可设置为1m。预设距离二可设置为1.5m。预设距离三可设置为0.4m。当然，在其他实施例中预设距离的值也可以设置为其他大小，具体根据超声波雷达的感知参数适应性调整。
50.s2：设定与各个预警等级相匹配的多项预警响应参数。每项预警响应参数包括听觉警报频率、视觉警报显示内容，以及触觉警报频率。
51.本实施例中，可通过设置一个预警执行模块的参数来实现听觉、视觉以及触觉三种不同的警报。预警执行模块可以包括蜂鸣器、显示器以及震动电机。
52.s3：对梭车移动方向上的预设探测范围内进行超声波探测，并采集预设探测范围内障碍物的实时距离。本实施例中，在超声波探测的同时，还可通过安装在梭车四周的环视摄像头来实时采集梭车多个方向上的预设视场角内的视觉图像，并且可以被调用在显示屏上显示。还可以将多个视觉图像融合成一个俯视图像。
53.请参阅图3，本实施例中，超声波雷达和环视摄像头的数量均可设置为四组。四组超声波雷达分别安装在梭车的前后左右四侧，且安装位置可以分别与四组环视摄像头对应。图3中展示的是梭车的俯视图，其四组环视摄像头分别拍摄前视画面、后视画面、左侧画面、右侧画面，各个画面的取景范围均可以呈一定角度的扇形。超声波雷达的安装位置可以与对应侧的环视摄像头对应，探测范围也可与取景范围对应。
54.另外需要说明的是，请参阅图4，本实施例中，多个环视摄像头拍摄到的画面，可以通过现有的汽车360度全景影像技术融合为一个第三人称视角的俯视图像。多段弧形的标示线即显示在该俯视图像中的梭车存在障碍物的一侧，根据不同预警等级设置标示线的颜色，以向驾驶员提供视觉预警提醒。此外，标示线也可以以一定频率闪烁。
55.s4：根据实时距离信息对预警等级作出判断，进而得到判断结果。
56.本实施例中，可以将实时距离信息与预设距离一、预设距离二以及预设距离三的大小作比较，进而判断出当前的距离是否触发预警，以及触发的预警等级。
57.s5：控制一个预警执行模块调节至与判断结果相匹配的预警响应参数，进而发出对应的防碰撞警报。
58.上文中已介绍，预警执行模块可以包括蜂鸣器、显示屏以及震动电机。蜂鸣器可以安装驾驶舱的驾驶座椅上靠近驾驶员头部的位置。显示屏可以安装在驾驶舱的仪表台上。显示屏可以接收并显示视觉图像以及俯视图像，以发出所述视觉警报。蜂鸣器的蜂鸣频率可调节，以发出听觉警报。显示屏用于接收并显示周围视觉图像，以发出视觉警报。震动电机的震动频率可调节，以发出触觉警报。
59.请参阅图2，预警执行模块调节至与不同判断结果相匹配的预警响应参数时可以分别满足：
60.当触发一级预警时，梭车驾驶舱内的蜂鸣器以1hz的频率发出听觉警报，同时可将环视摄像头获取的梭车移动方向上的视觉图像以及俯视图像显示在显示屏上，并在俯视图像上实时显示梭车与障碍物之间的绿色标示线，以向驾驶员表示障碍物距离在1m-1.5m。当梭车行驶方向为向前时，则调取前视摄像头的视觉图像显示在显示屏上；当梭车行驶方向为向后时，则自动调取后视摄像头的视觉图像显示在显示屏上，其他方向同理。
61.本实施例中，可以利用超声波探测近距离障碍物，当障碍物距离在设置的预警等级范围内时，在显示屏的人机交互显示界面上实时添加梭车与障碍物之间的标示线，并根据预警等级设置标示线的颜色。
62.当触发二级预警时，梭车驾驶舱内的蜂鸣器以2hz的频率发出听觉警报，同时显示屏实时显示梭车移动方向上的视觉图像以及俯视图像，并在俯视图像上的梭车与障碍物之间实时显示黄色标示线，以向驾驶员表示障碍物距离在0.4m-1m。震动电机可以带动方向盘间歇式震动，可以每隔1s进行两次的短促震动，进而在触感层面初步提醒梭车驾驶员。
63.当触发三级预警时，梭车驾驶舱内的蜂鸣器以4hz的频率发出听觉警报，同时显示屏实时显示梭车移动方向上的视觉图像以及俯视图像，并在俯视图像上的梭车与障碍物之间实时显示红色标示线，以向驾驶员表示障碍物距离在0.4m以内。震动电机可以带动方向盘持续式震动，进而在触感层面进一步提醒梭车驾驶员。另外，间隔式震动和持续式震动的振幅也可作出区分，间隔式振动的振幅可相对小一些。
64.综上所述，本实施例提供的矿用梭车防碰撞预警方法具有如下有益效果：
65.该矿用梭车防碰撞预警方法通过将梭车与障碍物之间的距离作为触发条件，划分多个预警等级，再设定与不同预警等级相匹配的预警响应参数，并且预警响应参数从听觉、视觉以及触觉三个层面出发。在梭车在矿洞中运行时，通过对梭车移动方向上的预定探测范围进行超声波探测，从而检测出该探测范围内障碍物的实时距离信息，进而根据该实时距离信息作出预警等级的判断结果，最后利用一个预警执行模块执行并调节至匹配的预警响应参数，利用听觉、视觉以及触觉的综合预警方式来实现梭车的碰撞预警，可以辅助驾驶员判断梭车与障碍物之间的距离，避免梭车发生碰撞，有效减少煤矿采集时的安全隐患。
66.实施例2
67.本实施例提供一种矿用梭车防碰撞预警系统，其可以采用实施例1中的矿用梭车防碰撞预警方法。
68.请参阅图5，本实施例的矿用梭车防碰撞预警系统可以包括：环境感知模块、预警执行模块以及预警决策模块。
69.环境感知模块包括超声波雷达和环视摄像头。超声波雷达用于对梭车移动方向上的预设探测范围进行超声波探测，并采集预设探测范围内障碍物的实时距离。环视摄像头用于采集梭车移动方向上的预设视场角内的视觉图像。
70.预警执行模块包括蜂鸣器、显示屏以及震动电机。蜂鸣器的蜂鸣频率可调节，以发出听觉警报。显示屏用于接收并显示视觉图像，以发出视觉警报。震动电机的震动频率可调节，以发出触觉警报。蜂鸣器设置在梭车的驾驶舱内，且安装于驾驶座椅上靠近驾驶员头部的位置。显示屏安装在驾驶舱的仪表台上。震动电机安装在梭车的方向盘上。
71.预警决策模块包括预警控制器。预警控制器用于：先划定多个预警等级，并设置各个预警等级所对应的触发条件。再设定与各个预警等级相匹配的多项预警响应参数。然后根据实时距离信息对预警等级作出判断，进而得到判断结果。再然后控制预警执行模块调节至与判断结果相匹配的预警响应参数，进而发出对应的防碰撞警报。
72.实施例3
73.本实施例提供一种矿用梭车防碰撞预警系统的构建方法，通过该构建方法可以构建出实施例2中的矿用梭车防碰撞预警系统。构建方法可以包括以下步骤：
74.步骤一：构建环境感知模块
75.根据超声波雷达的探测角度在梭车前、后选取布置位置，尽可能避免存在超声波雷达探测盲区；根据所选取的环视摄像头的fov(视场角)在梭车上选取安装位置，避免存在摄像头视野盲区。
76.步骤二：构建预警决策模块
77.通过梭车上安装的超声波雷达获取梭车行驶的周边环境信息，并进行分析计算。根据超声波雷达的感知条件，将超声波雷达的探测有效距离设置为0.2m-1.5m，根据探测的有效距离将防碰撞预警的区域划分为三级。当障碍物距离梭车1m-1.5m时，此时预警决策模块发出一级报警信号。当障碍物距离梭车0.4m-1m时，此时预警决策模块发出二级报警信号。当障碍物距离梭车0.4m以内时，此时预警决策模块发出三级报警信号。
78.步骤三：构建预警执行模块
79.首先将蜂鸣器安装在驾驶舱内驾驶员座椅上靠近驾驶员头部的位置，将显示屏安装在驾驶舱仪表台上，将震动电机安装在梭车方向盘上。当预警决策模块发出一级报警信号，通过安装在梭车驾驶舱内的蜂鸣器以1赫兹的频率发出声音警报，同时将环视摄像头获取的周围视觉信息显示安装在梭车驾驶舱内的显示屏上，在梭车与障碍物之间实时显示绿色标示线以向驾驶员表示障碍物距离在1m-1.5m，当梭车行驶方向向前时，则调取前视摄像头的图像显示在显示屏上，当梭车行驶方向向后时，则自动获取后视摄像头的图像显示在显示屏上；当预警决策模块发出二级报警信号，梭车驾驶舱内的蜂鸣器以2赫兹频率发出声音警报，并在梭车与障碍物之间实时显示黄色标示线以向驾驶员表示障碍物距离在0.4m-1m，考虑到煤矿掘进工作过程中噪音比较大，梭车驾驶舱内的驾驶员可能会没注意到蜂鸣器发出的警报，在二级报警信号发出时，利用安装在梭车方向盘上的震动电机，使得方向盘间歇式震动，用以初步提醒梭车驾驶员；当预警决策模块发出三级报警信号，梭车驾驶舱内的蜂鸣器则以4赫兹的频率发出声音警报，同时梭车驾驶舱内的显示屏显示在梭车与障碍物之间红色标示线表示障碍物距离为0.4m以内，方向盘也持续震动，进一步警示驾驶员当前障碍物距离梭车较近，存在碰撞风险。
80.本实施例提供的构建方法综合考虑了梭车的行驶工况以及工作环境，分别通过听觉、视觉、触觉的方式实现梭车的碰撞预警，从而辅助驾驶员判断梭车与障碍物之间的距离，避免梭车碰撞，造成煤矿采集的安全隐患。
81.实施例4
82.请参阅图6，本实施例提供一种矿用梭车防碰撞主动安全系统，当梭车驾驶员由于视觉盲区以及井下灯光较暗而无法准确判断梭车周围行驶环境时，通过此主动安全系统可以实现梭车行驶时的主动安全避让。该主动安全系统包括：主动安全决策模块以及主动安全执行模块。
83.主动安全决策模块包括主动安全控制器。主动安全控制器用于在一个预警系统发出表征即将碰撞的三级预警信号时，向一个主动安全执行模块发送减速请求信号。
84.本实施例中的预警系统可以采用实施例2中的矿用梭车防碰撞预警系统。当然也可采用实施例1中提供的矿用梭车防碰撞预警方法。
85.其中，在预警系统的预警决策模块控制预警执行模块发出表示三级预警的防碰撞警报时，还同时向主动安全控制器发送三级预警信号，进而通过线控制动控制器将梭车刹
停，刹停梭车后再通过电子驻车控制器实现梭车驻车。
86.主动安全执行模块用于根据减速请求信号控制梭车进行制动驻车，进而实现规避碰撞。主动安全执行模块包括线控制动控制器以及电子驻车控制器。线控制动控制器和电子驻车控制器分别用于控制梭车的制动系统和电子驻车系统。线控制动控制器的状态包括四种：初始化状态、不可控状态、可控状态以及激活状态。
87.请参阅图7，线控制动控制器(eb)的控制交互逻辑如下：
88.线控制动控制器的默认状态为：上电后自动进入初始化状态。初始化过程中的决策如下：
89.(a).当满足表征信号接收异常或设备状态异常的第一条件集中的任意条件时，将线控制动控制器切换至不可控状态。第一条件集可以包括以下条件：
90.c1：当线控制动控制器自检失败，或出现较为严重故障导致无建压能力时，线控制动控制器由初始化状态跳转到不可控状态，即t1。
91.c2：当线控制动控制器自检成功，且主动安全控制器状态发生错误或减速请求状态与减速请求值不一致或信号校验不正常时，线控制动控制器由初始化状态跳转至不可控状态，即t1。
92.c3：当线控制动控制器自身存在较为严重故障导致无建压能力时，线控制动控制器发送驻车指令给电子驻车控制器，进而实现梭车驻车，此时线控制动控制器由可控状态跳转至不可控状态，即t4。
93.c4：当主动安全控制器的节点丢失时，线控制动控制器由可控状态跳转至不可控状态，即t4。
94.c5：当线控制动控制器接收电子驻车控制器的信号发生丢失，或线控制动控制器发生校验故障时，线控制动控制器由可控状态跳转至不可控状态，即t4。
95.c6：当线控制动控制器处于激活状态时，若主动安全控制器发送的减速请求信号丢失或信号校验不正常，则线控制动控制器继续制动以确保梭车刹停，当梭车停止后，线控制动控制器从激活状态跳转至不可控状态，即t5。
96.(b).当满足表征信号接收正常以及设备状态正常的第二条件集中的任意条件时，将线控制动控制器切换至可控状态。第二条件集包括以下条件：
97.c7：当线控制动控制器接收信号正常，并持续预设时长时，线控制动控制器由不可控状态跳转至可控状态，即t2。本实施例中，线控制动控制器接收信号正常时的预设时长为对应50帧信号的时长。
98.c8：当线控制动控制器自检成功，且主动安全控制器和电子驻车控制器的状态均正常时，线控制动控制器由初始化状态跳转至可控状态，即t6。
99.c9：当线控制动控制器处于激活状态时，主动安全控制器的减速请求信号取消，且此时的系统校验信号、握手逻辑信号以及各控制器状态信号均正常，则线控制动控制器由激活状态跳转至可控状态，即t7。
100.(c).当线控制动控制器处于可控状态，且接收到主动安全控制器发送的请求减速信号时，将线控制动控制器由可控状态跳转至激活状态，即t3。
101.综上所述，本实施例提供的主动安全系统具有如下优点：
102.该矿用梭车防碰撞主动安全系统的主动安全控制器通过接收来自预警系统所发
出的三级预警信号，向主动安全执行模块发送减速请求信号，从而线控制动控制器和电子驻车控制器根据减速请求信号分别对梭车的制动系统和电子驻车系统进行控制，实现了梭车的主动制动驻车。该矿用梭车防碰撞主动安全系统综合考虑梭车的行驶工况以及工作环境，在通过预警系统警示驾驶员，并在梭车即将发生碰撞且驾驶员没有对梭车进行制动控制时主动实现制动控制，避免造成梭车碰撞，进而减少梭车在煤矿井下进行采集运输过程中的安全隐患。
103.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
104.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。