一种露天矿山车辆车路协同的安全包络生成系统及方法与流程

1.本发明涉及矿山运输领域，更具体地的说，涉及露天矿山无人驾驶系统中作业车辆基于车云协同的安全包络生成系统及方法。


背景技术：

2.露天矿山运输领域中，安全作为最关键因素，目前通过合理的调度和精准的路权管控，可以规避大部分安全隐患。
3.但是每当首次对矿区开展无人驾驶项目或版本更新迭代不稳定时，不可避免会因为各种因素，而导致出现安全隐患。如车辆间因为双向道路设置不合理导致对向车辆剐蹭，电铲规划装载位置过近导致装载时矿卡与电铲发生碰撞，弯道的曲率过大而导致车辆与路边挡墙发生碰撞，以及排土时停靠不够精准或停靠位规划不合理而导致车辆碰撞排土挡墙或掉落。每当类似情况发生需要提供一种提前预防机制，在要发生危险之前及时控制车辆刹车。于是需要根据每辆车的实时位置快速形成防冲撞包络，并且实时检测车辆包络之间、和道路边界、排土线是否出现冲突。发现冲突自动下发紧急停车任务，避免发生危险。
4.安全包络的计算，需要考虑车辆当前所处位置，航向角，车辆所属型号，以及当前速度，作业状态等等。例如作业车辆在道路行驶时，速度越快，车辆前向的包络便会成比例扩大。当车辆在排土时，按照最佳的排土效果需要对后向包络进行部分的收缩。在作业中既不影响生产效率，也能确保最大的安全。
5.为了解决上述问题，本发明针对露天矿山车辆运行时避免发生事故和预知安全隐患的需求，提出一种安全包络生成系统及方法。


技术实现要素：

6.本发明要解决矿区运输中根据车辆、道路等场景动态生成安全包络，在确保作业效率的同时，做好车辆行驶安全保障。
7.本发明提供一种露天矿山车辆车路协同的安全包络生成系统，包括：网关、安全包络检测服务模块、分布式缓存模块：
8.(1)网关，作业车辆上报的数据由网关统一接收、再由网关转化为消息队列，推送至安全包络检测服务模块；
9.(2)安全包络检测服务模块，基于作业车辆上报的数据生成安全包络，并将安全包络保存至分布式缓存模块中，获取分布式缓存模块的冲突信息，作为碰撞风险的先验信息判断当前是否有碰撞风险，向检测到碰撞风险的车辆进行包络碰撞风险指令下发；
10.(3)分布式缓存模块，将作业车辆的安全包络存储至分布式缓存中，作为其他作业车辆检测的对比数据；以及实时同步高精地图数据，获取周围环境信息，判断作业车辆是否与周围环境有碰撞风险。
11.进一步，所述作业车辆上报的数据包括当前车辆对应的型号参数、位置信息、航向角、车辆速度、车辆规划轨迹。
12.进一步，所述分布式缓存模块为redis。
13.本发明还提供一种露天矿山车辆车路协同的安全包络生成方法，包括以下步骤：
14.第一步，接收车辆位置信息、车辆调度信息、高精地图数据，根据车辆位置信息定位车辆中心点所在位置，根据车辆调度信息的设备型号生成环绕车辆的包络边框，根据高精地图数据生成贴合道路的车辆前方包络边框，从而得到车辆静态安全包络；
15.第二步，判断当前车辆所处任务状态，基于车辆静态安全包络，使用相应的安全包络生成策略，生成对应不同任务状态的车辆动态安全包络；
16.第三步，将生成的车辆动态安全包络进行更新存储，确保动态安全包络和当前车辆位置匹配，存储时采用rtree空间索引；
17.第四步，判断当前车辆的动态安全包络与其他作业车辆生成的动态安全包络、感知地图边界图形是否发生空间重合，进行告警或停车。
18.进一步，所述第一步，基于环绕车辆的包络边框及车辆前向包络边框得到车辆静态安全包络，车辆静态安全包络是根据车辆轮廓向外延伸相应距离而形成的封闭矩形，具体计算如下：
19.(1)尾部安全包络为车辆尾部轮廓向后延伸距离lr，lr为定位误差与车辆最大后溜距离db之和；
[0020][0021]
(2)侧方安全包络为车辆两侧轮廓向外延伸距离ls，ls为定位误差与车辆最大横向控制误差之和：
[0022][0023]
(3)前方安全包络为车辆前方轮廓向前延伸距离lh，lh为车辆基于当前速度v，并考虑定位误差及控制误差最大安全距离ds；
[0024][0025]
进一步，所述第二步，所述安全包络生成策略包括：
[0026]
(1)正常道路行驶：根据车辆当前速度，得到车辆所在道路的车前行驶路线包络形状点，对车辆前向包络进行动态延展，延展的形状根据自动驾驶行驶轨迹形状进行实时计算；
[0027]
(2)倒入装载停靠位：根据倒入车道和车辆当前速度，对车辆后方包络进行延展，延展的形状根据自动驾驶行驶轨迹形状进行实时计算；随车辆逐渐减速，停靠到位后恢复成静态包络形状；
[0028]
(3)倒入排土停靠位：根据倒入车道和车辆当前速度，对车辆后方包络进行延展，延展的形状根据自动驾驶行驶轨迹形状进行实时计算；随车辆逐渐减速，停靠到位后后向包络恢复至静态包络形状，同时回缩车辆后轮到尾部的距离，便于排土。
[0029]
进一步，对于正常道路行驶，尾部动态包络lr与静态安全包络lr保持一致：
[0030]
lr＝lr[0031]
两侧动态包络延伸距离ls与静态安全包络侧方距离ls一致：
[0032]
ls＝ls[0033]
前方延伸距离为：
[0034]
lh＝(1+k)lh+(ts+tc)
·v[0035]
其中k为地面摩擦系数，ts为系统响应延时，tc通信延时。
[0036]
本发明提供了一种露天矿车辆安全包络生成系统及方法，相比现有交通态势生成的缓冲不同点在于除了使用车辆自身相关参数进行决策之外，还引入了高精地图的道路数据，排土线等地理因素和车辆任务状态，致使最终决策更合理更具有全局性，不是以单车的数据做判断，矿区内所有的元素都会成为决策的一部分。本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
[0037]
1、提出一种基于车辆的当前状态的安全包络生成策略，策略模式包括正常行驶区域、装载区及卸载区三种。
[0038]
2、提出一种矿区多源实时数据获取模块，通过实时获取感知模块、规划模块及平台端数据，确保用于决策的数据鲜度和多样性。
[0039]
3、提出一种基于安全包络冲突的风险预判机制，通过安全包络的冲突作为碰撞风险的先验信息判断当前是否有碰撞风险，若存在碰撞风险时，给检测到的存在风险的车辆进行包络碰撞风险指令下发，包络碰撞风险检测为实际车辆碰撞检测提供了缓冲时间。
附图说明
[0040]
图1为安全包络生成系统的整体架构；
[0041]
图2为安全包络生成检测流程图；
[0042]
图3为车辆的包络边框示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明进行详细描述。
[0044]
本发明提供一种露天矿山作业车辆安全包络生成系统，整体架构如图1所示，包括网关、安全包络检测服务模块、分布式缓存模块：
[0045]
(1)网关，作业车辆上报的数据由网关统一接收、再由网关转化为消息队列，推送至安全包络检测服务模块。所述作业车辆上报的数据包括当前车辆对应的型号参数、位置信息、航向角、车辆速度、车辆规划轨迹等基础数据。
[0046]
(2)安全包络检测服务模块，主要负责基于作业车辆上报的数据生成安全包络，并将安全包络保存至分布式缓存模块redis中间件中，获取redis的冲突信息并进行指令下发。通过获取redis中间件的冲突信息，作为碰撞风险的先验信息判断当前是否有碰撞风险，给检测到碰撞风险的车辆进行包络碰撞风险指令下发。
[0047]
(3)分布式缓存模块，将作业车辆的安全包络存储至分布式缓存中，作为其他作业车辆检测的对比数据。除此之外还通过实时同步高精地图数据，获取精准的道路边界和排土线、挡墙等信息，判断作业车辆是否与周围环境有碰撞风险。本方案中使用redis，用于作业车辆安全包络存储以及通过空间索引快速定位发生冲突的其他作业车辆包络。即支持后期服务横向扩展，又可以提升获取、存储数据的速度。
[0048]
本发明还提供一种露天矿山作业车辆安全包络生成方法，首先通过设备当前状态判断包络生成策略，确认策略后加载当前设备型号参数。。具体包括以下步骤：
[0049]
第一步接收信息，信息源包括车辆定位位置信息，航向角，用于定位车辆具体位置。
[0050]
其中车辆定位位置信息由车载gps提供，上报为wgs84坐标系下定位位置，定位精度为米级，不能直接进行包络边界点构建，且与高精地图数据坐标系不一致因此将车辆位置转换到utm坐标系下，进行包络构建。
[0051]
当前车辆所处位置的高精地图数据，用于根据车道线的航向坡度曲率，当前设备对应的型号参数，用于判断车辆实际长宽高等。如图3所示，根据位置信息定位车辆中心点所在位置，根据设备型号生成图中环绕车辆的包络边框，再根据处在的道路高精地图生成贴合道路的车辆前向包络边框。
[0052]
基于环绕车辆的包络边框及车辆前向包络边框得到车辆静态安全包络，车辆静态安全包络是根据车辆轮廓向外延伸相应距离而形成的封闭矩形，具体计算如下：
[0053]
(1)尾部静态安全包络为车辆尾部轮廓向后延伸距离lr，lr为定位误差与车辆最大后溜距离db之和；
[0054][0055]
(2)侧方静态安全包络为车辆两侧轮廓向外延伸距离ls，ls为定位误差与车辆最大横向控制误差之和；
[0056][0057]
(3)前方静态安全包络为车辆前方轮廓向前延伸距离lh，lh为车辆基于当前速度v，并考虑定位误差及控制误差最大安全距离ds。
[0058][0059]
第二步，将矿卡定位参数上传至高精地图中，确认车辆所处任务状态，根据不同任务状态下的道路类型及高精地图中可行驶区域边界信息，自动驾驶行驶轨迹信息，使用相应的安全包络生成策略，基于车辆静态安全包络，生成对应不同任务状态的车辆动态安全包络：
[0060]
(1)正常道路行驶：参考车辆所在道路的车前行驶路线包络形状点，形状点个数与车辆当前速度正相关。对车辆前向包络进行动态延展，延展的形状根据自动驾驶行驶轨迹形状进行实时计算：
[0061]
尾部动态包络lr与静态安全包络lr保持一致：
[0062]
lr＝lr[0063]
两侧动态包络延伸距离ls与静态安全包络侧方距离ls一致：
[0064]
ls＝ls[0065]
前方延伸距离为：
[0066]
lh＝(1+k)lh+(ts+tc)
·v[0067]
其中k为地面摩擦系数，与地面状态有关，ts为系统响应延时，tc通信延时。
[0068]
(2)倒入装载停靠位：参考倒入车道，和速度大小，对车辆后方包络进行延展，计算方式与(1)相同，随车辆逐渐减速，停靠到位后恢复成静态包络形状。
[0069]
(3)倒入排土停靠位：与(2)类似，区别于停靠到位后，后向包络不仅会恢复至静态包络形状，后向还会回缩车辆后轮到尾部的距离，便于排土。
[0070]
第三步将生成的动态安全包络进行更新存储，确保动态安全包络和当前车辆位置匹配，存储时采用rtree空间索引。rtree能够把b树的思想扩展至多维空间，采用b树分割空间的思想(如果b树在一维的线段进行分割，r树就是在二维甚至多维度的空间)，并在添加、
删除操作时采用合并、分解结点的方法，保证树的平衡性；因此，r树就是一棵用来存储高维数据的平衡树，能够有效解决高维空间搜索问题。
[0071]
第四步通过判断当前车辆的动态安全包络与其他作业车辆生成的动态安全包络和感知地图边界图形是否发生空间重合，进行告警或停车。
[0072]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

技术特征：
1.一种露天矿山车辆车路协同的安全包络生成系统，其特征在于，包括：网关、安全包络检测服务模块、分布式缓存模块：(1)网关，作业车辆上报的数据由网关统一接收、再由网关转化为消息队列，推送至安全包络检测服务模块；(2)安全包络检测服务模块，基于作业车辆上报的数据生成安全包络，并将安全包络保存至分布式缓存模块中，获取分布式缓存模块的冲突信息，作为碰撞风险的先验信息判断当前是否有碰撞风险，向检测到碰撞风险的车辆进行包络碰撞风险指令下发；(3)分布式缓存模块，将作业车辆的安全包络存储至分布式缓存中，作为其他作业车辆检测的对比数据；以及实时同步高精地图数据，获取周围环境信息，判断作业车辆是否与周围环境有碰撞风险。2.根据权利要求1所述的露天矿山车辆车路协同的安全包络生成系统，其特征在于，所述作业车辆上报的数据包括当前车辆对应的型号参数、位置信息、航向角、车辆速度、车辆规划轨迹。3.根据权利要求1所述的露天矿山车辆车路协同的安全包络生成系统，其特征在于，所述分布式缓存模块为redis。4.一种露天矿山车辆车路协同的安全包络生成方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，接收车辆位置信息、车辆调度信息、高精地图数据，根据车辆位置信息定位车辆中心点所在位置，根据车辆调度信息的设备型号生成环绕车辆的包络边框，根据高精地图数据生成贴合道路的车辆前方包络边框，从而得到车辆静态安全包络；第二步，判断当前车辆所处任务状态，基于车辆静态安全包络，使用相应的安全包络生成策略，生成对应不同任务状态的车辆动态安全包络；第三步，将生成的车辆动态安全包络进行更新存储，确保动态安全包络和当前车辆位置匹配，存储时采用rtree空间索引；第四步，判断当前车辆的动态安全包络与其他作业车辆生成的动态安全包络、感知地图边界图形是否发生空间重合，进行告警或停车。5.根据权利要求4所述的露天矿山车辆车路协同的安全包络生成方法，其特征在于，所述第一步，基于环绕车辆的包络边框及车辆前向包络边框得到车辆静态安全包络，车辆静态安全包络是根据车辆轮廓向外延伸相应距离而形成的封闭矩形，具体计算如下：(1)尾部安全包络为车辆尾部轮廓向后延伸距离l
r
，l
r
为定位误差与车辆最大后溜距离d
b
之和；(2)侧方安全包络为车辆两侧轮廓向外延伸距离l
s
，l
s
为定位误差与车辆最大横向控制误差之和；(3)前方安全包络为车辆前方轮廓向前延伸距离l
h
，l
h
为车辆基于当前速度v，并考虑定位误差及控制误差最大安全距离d
s
；6.根据权利要求4或5所述的露天矿山车辆车路协同的安全包络生成方法，其特征在
于，所述第二步，所述安全包络生成策略包括：(1)正常道路行驶：根据车辆当前速度，得到车辆所在道路的车前行驶路线包络形状点，对车辆前向包络进行动态延展，延展的形状根据自动驾驶行驶轨迹形状进行实时计算；(2)倒入装载停靠位：根据倒入车道和车辆当前速度，对车辆后方包络进行延展，延展的形状根据自动驾驶行驶轨迹形状进行实时计算；随车辆逐渐减速，停靠到位后恢复成静态包络形状；(3)倒入排土停靠位：根据倒入车道和车辆当前速度，对车辆后方包络进行延展，延展的形状根据自动驾驶行驶轨迹形状进行实时计算；随车辆逐渐减速，停靠到位后后向包络恢复至静态包络形状，同时回缩车辆后轮到尾部的距离，便于排土。7.根据权利要求6所述的露天矿山车辆车路协同的安全包络生成方法，其特征在于，对于正常道路行驶，尾部动态包络l
r
与静态安全包络l
r
保持一致：l
r
＝l
r
两侧动态包络延伸距离l
s
与静态安全包络侧方距离l
s
一致：l
s
＝l
s
前方延伸距离为：l
h
＝(1+k)l
h
+(t
s
+t
c
)
·
v其中k为地面摩擦系数，t
s
为系统响应延时，t
c
通信延时。

技术总结
本发明公开了一种露天矿山车辆车路协同的安全包络生成系统及方法，该系统包括网关、安全包络检测服务模块、分布式缓存模块，作业车辆上报的数据由网关统一接收、再由网关转化为消息队列，推送至安全包络检测服务模块；安全包络检测服务模块，基于作业车辆上报的数据生成安全包络，并将安全包络保存至分布式缓存模块中，获取分布式缓存模块的冲突信息，作为碰撞风险的先验信息判断当前是否有碰撞风险，向检测到碰撞风险的车辆进行包络碰撞风险指令下发。相对于现有技术中以单车的数据做判断，本发明中矿区内所有的元素都会成为决策的一部分，使得最终决策更合理更具有全局性。使得最终决策更合理更具有全局性。使得最终决策更合理更具有全局性。


技术研发人员：苗嘉龙 梁启君 蒋锟 韩俊汝 张飞
受保护的技术使用者：北京踏歌智行科技有限公司
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/6/26