矿井铲运机的定位装置及其定位方法与流程

1.本发明涉及铲运机定位技术领域，尤其是涉及一种矿井铲运机的定位装置及其定位方法。


背景技术：

2.与地面无人驾驶车辆定位信息的获取不同，矿井中使用的铲运机很难收集gps定位信号，因此现有的矿井铲运机定位信息的获取依靠紫峰技术(zigbee)、射频识别技术(rfid)等，但存在着定位节点布设密度大、设备可靠性差、系统鲁棒性不强及系统成本高的缺点。
3.现有技术中的矿井铲运机逐渐开始使用uwb技术(ultra wide band，超宽带)进行定位，uwb定位技术与传统的定位技术相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、定位精度高等优点，但需要架设较多的uwb定位基站才能实现精准定位，导致成本较高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿井铲运机的定位装置及其定位方法，利用uwb与激光测距相融合实现定位，在保证定位精度的同时减少uwb定位基站的使用数量，减少定位系统的成本。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种矿井铲运机的定位装置，该定位装置包括：至少一个uwb信号发射模组以及至少两个激光雷达；其中，uwb信号发射模组部署在矿井铲运机的车顶区域；激光雷达分别设置在矿井铲运机的前车体和后车体；
6.uwb信号发射模组用于通过发射uwb信号确定矿井铲运机的纵向位置；激光雷达用于通过激光测距确定矿井铲运机的纵向位置。
7.在一些实施方式中，若uwb信号发射模组的数量为1个，则uwb信号发射模组部署在矿井铲运机的驾驶室顶部中心位置。
8.在一些实施方式中，若uwb信号发射模组的数量大于1个，则uwb信号发射模组依次部署在矿井铲运机的驾驶室顶部纵向轴线位置。
9.在一些实施方式中，若设置在矿井铲运机的前车体的激光雷达的数量为1个，则激光雷达部署在矿井铲运机的前机架的中央位置。
10.在一些实施方式中，若设置在矿井铲运机的前车体的激光雷达的数量大于1个，则激光雷达分别部署在矿井铲运机的前机架的两侧位置。
11.在一些实施方式中，若设置在矿井铲运机的后车体的激光雷达的数量为1个，则激光雷达部署在矿井铲运机的后机架的中央位置。
12.在一些实施方式中，若设置在矿井铲运机的后车体的激光雷达的数量大于1个，则激光雷达分别部署在矿井铲运机的后机架的两侧位置。
13.第二方面，本发明实施例提供了一种矿井铲运机的定位方法，该方法应用于第一
方面提到的矿井铲运机的定位装置，该方法包括：
14.利用部署在矿井铲运机的顶部的uwb信号发射模组，确定矿井铲运机的纵向位置信息；
15.利用部署在矿井铲运机的两侧的激光雷达，确定矿井铲运机的横向位置信息；
16.根据纵向位置信息和横向位置信息，计算矿井铲运机的位置坐标。
17.在一些实施方式中，若矿井铲运机处于转弯状态时，利用部署在矿井铲运机的两侧的激光雷达，确定矿井铲运机的横向位置信息的步骤，包括：
18.实时获取处于转弯状态时的矿井铲运机的前车体和后车体的夹角；
19.获取任意一侧的激光雷达与巷道壁之间的距离，并根据激光雷达与uwb信号发射模组之间的距离计算uwb信号发射模组与巷道壁的距离；
20.根据uwb信号发射模组与巷道壁的距离，确定矿井铲运机的横向位置信息。
21.在一些实施方式中，利用部署在矿井铲运机的顶部的uwb信号发射模组，确定矿井铲运机的纵向位置信息的步骤，包括：
22.确定与uwb信号发射模组相连接的至少两个uwb定位基站，并获取uwb定位基站的位置坐标；
23.uwb信号发射模组向uwb定位基站发射uwb信号；uwb定位基站接收到uwb信号后，利用飞行时间法确定uwb信号发射模组与uwb定位基站的距离；
24.根据uwb信号发射模组与uwb定位基站的距离，确定矿井铲运机的纵向位置信息。
25.第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器和存储装置；存储装置上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如第二方面提供的矿井铲运机的定位方法的步骤。
26.第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时实现上述第二方面提供的矿井铲运机的定位方法的步骤。
27.本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种矿井铲运机的定位装置及其定位方法，该定位装置包括：至少一个uwb信号发射模组以及至少两个激光雷达；其中，uwb信号发射模组部署在矿井铲运机的车顶区域；激光雷达分别设置在矿井铲运机的前车体和后车体；uwb信号发射模组用于通过发射uwb信号确定矿井铲运机的纵向位置；激光雷达用于通过激光测距确定矿井铲运机的纵向位置。在获取矿井铲运机的纵向位置信息和横向位置信息后，对纵向位置信息和横向位置信息进行位置计算，得到矿井铲运机的位置坐标，实现了矿井铲运机的定位。该定位装置及其定位方法利用uwb与激光测距相融合的方式实现了定位，在保证定位精度的同时减少uwb定位基站的使用数量，减少定位系统的成本。
28.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
31.图1为本发明实施例提供的一种矿井铲运机的定位装置的结构示意图；
32.图2为本发明实施例提供的一种矿井铲运机的定位方法的流程图；
33.图3为本发明实施例提供的矿井铲运机处于转弯状态时前车体和后车体的结构示意图；
34.图4为本发明实施例提供的一种矿井铲运机的定位方法中，步骤s202的流程图；
35.图5为本发明实施例提供的一种矿井铲运机的定位方法中，步骤s201的流程图；
36.图6为本发明实施例提供的利用uwb定位基站确定矿井铲运机的纵向位置信息的结构示意图；
37.图7为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
38.图标：
39.100-uwb信号发射模组；200-激光雷达；300-矿井铲运机；210-第一激光雷达；220-第二激光雷达；610-第一uwb定位基站；620-第二uwb定位基站；
40.101-处理器；102-存储器；103-总线；104-通信接口。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
42.铲运机是地下金属矿山的主力装备，主要用于矿石的运输任务，工作过程包括：矿石铲装、矿石运输、矿石卸载。随着人工智能相关技术与矿山生产的深度结合，智能矿山是未来矿山的发展方向，智能化铲运机是智能矿山建设的重要装备支撑。智能化铲运机可以实时感知自身状态信息、自主决策、无人驾驶，铲运机自身实时高精度定位信息的获得是智能铲运机无人驾驶的关键。
43.与地面无人驾驶车辆定位信息的获取不同，矿井中使用的铲运机很难收集gps定位信号，因此现有的矿井铲运机定位信息的获取依靠紫峰技术(zigbee)、射频识别技术(rfid)等，但存在着定位节点布设密度大、设备可靠性差、系统鲁棒性不强及系统成本高的缺点。
44.现有技术中的矿井铲运机逐渐开始使用uwb技术(ultra wide band，超宽带)进行定位，uwb定位技术与传统的定位技术相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、定位精度高等优点，但需要架设较多的uwb定位基站才能实现精准定位，导致成本较高。
45.针对上述问题，本发明提出一种矿井铲运机的定位装置及其定位方法，利用uwb与激光测距相融合实现定位，在保证定位精度的同时减少uwb定位基站的使用数量，减少定位
系统的成本。
46.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种矿井铲运机的定位装置进行详细介绍，该装置的结构示意图如图1所示，包括：
47.至少一个uwb信号发射模组100以及至少两个激光雷达200；其中，uwb信号发射模组100部署在矿井铲运机300的车顶区域；激光雷达200分别设置在矿井铲运机300的前车体和后车体；uwb信号发射模组100用于通过发射uwb信号确定矿井铲运机300的纵向位置；激光雷达200用于通过激光测距确定矿井铲运机300的纵向位置。
48.具体的说，图1中的矿井铲运机的激光雷达200分别部署在矿井铲运机前车体和后车体后，激光雷达200实时扫描巷道的环境参数，与预先存储在处理器中的巷道环境参数信息进行比对，进行实时的巷道环境参数匹配，进而实现车辆位置信息的实时感知。在矿井铲运机300的车顶部布置uwb信号发射模组100。uwb信号发射模组100只负责获取矿井铲运机300的纵向位置信息，即矿井铲运机300的前后方向的定位信息；横向位置信息即矿井铲运机300的两侧方向的定位信息，由激光雷达200给出。
49.由于井下铲运机的工作环境主要是在地下巷道中，针对地下巷道狭长的特点，结合实际场景来对uwb信号发射模组以及激光雷达的数量进行调整，具体的说，在一些实施方式中，若uwb信号发射模组的数量为1个，则uwb信号发射模组部署在矿井铲运机的驾驶室顶部中心位置；若uwb信号发射模组的数量大于1个，则uwb信号发射模组依次部署在矿井铲运机的驾驶室顶部纵向轴线位置。
50.在使用uwb进行定位时，需要与uwb相关定位基站进行测距，因此需要尽可能的将uwb信号发射模组100设置在矿井铲运机300的车顶区域，一般来说设置在车顶的中心位置；如果设置有多个uwb信号发射模组时，也需要将其尽可能设置在车顶处。具体的说，将多个uwb信号发射模组依次设置在驾驶室顶部纵向轴线位置。一般来说，uwb信号发射模组100部署的越多、uwb相关定位基站的数量越多，其定位效果越好；但本发明主要目的是减少uwb相关设备的使用数量，因此在保证定位精度的前提下，尽可能的使用1个uwb信号发射模组。
51.由于矿井铲运机是由前车体以及后车体构成，前车体与后车体之间通过二者之间的摆动体进行连通，并通过摆动体实现矿井铲运机的转向操作。而在使用激光雷达对巷道壁进行测距时，需要对矿井铲运机的四周都进行测距，因此对于单个激光雷达来说，其位置尽可能的处于车体的中心位置；对于多个激光雷达来说，可在车体两侧进行对称摆放，因此多个激光雷达的数量尽可能是偶数。具体的说，对于前车体而言，在一些实施方式中，若设置在矿井铲运机的前车体的激光雷达的数量为1个，则激光雷达部署在矿井铲运机的前机架的中央位置；若设置在矿井铲运机的前车体的激光雷达的数量大于1个，则激光雷达分别部署在矿井铲运机的前机架的两侧位置。
52.后车体与前车体类似，在一些实施方式中，若设置在矿井铲运机的后车体的激光雷达的数量为1个，则激光雷达部署在矿井铲运机的后机架的中央位置；若设置在矿井铲运机的后车体的激光雷达的数量大于1个，则激光雷达分别部署在矿井铲运机的后机架的两侧位置。
53.通过上述实施例中提到的矿井铲运机的定位装置可知，利用uwb与激光测距相融合实现定位，在保证定位精度的同时减少uwb定位基站的使用数量，减少定位系统的成本。
54.本实施例还提供一种矿井铲运机的定位方法，该方法应用于上述实施例中提到的
矿井铲运机的定位装置，如图2所示，该方法包括：
55.步骤s201，利用部署在矿井铲运机的顶部的uwb信号发射模组，确定矿井铲运机的纵向位置信息。
56.uwb信号发射模组与相关uwb定位基站进行测距，得到矿井铲运机纵向位置信息。该纵向位置信息主要表征矿井铲运机前后方向的位置信息，矿井铲运机行驶过程中，利用uwb信号发射模组实时获取矿井铲运机前后行驶方向的位置信息；而横向位置信息则利用激光雷达进行获取，具体如下。
57.步骤s202，利用部署在矿井铲运机的两侧的激光雷达，确定矿井铲运机的横向位置信息。
58.激光雷达主要用于确定矿井铲运机的横向位置信息，利用激光雷达实时扫描巷道的环境参数，与预先存储在处理器中的巷道环境参数信息进行比对，进行实时的巷道环境参数匹配，进而实现车辆位置信息的实时感知。
59.步骤s203，根据纵向位置信息和横向位置信息，计算矿井铲运机的位置坐标。
60.纵向位置信息和横向位置信息的获取过程可同时进行，在获取纵向位置信息和横向位置信息后，即可计算得到矿井铲运机的位置坐标。实际场景下，矿井铲运机行驶过程中利用uwb信号发射模组完成测距，结合uwb相关基站的位置即可获得矿井铲运机的纵向位置坐标。
61.通过激光雷达对巷道壁进行测距，并结合预先存储在处理器中的巷道环境参数信息，可确定矿井铲运机的横向位置坐标。可见，由于横向坐标的获取是通过激光雷达确定的，因此可有效减少uwb相关基站的部署数量。
62.当矿井铲运机处于转弯状态时，其前车体和后车体会产生一定的角度，具体如图3所示。因此在确定矿井铲运机的横向位置时需要考虑该角度带来的位移变化。在一些实施方式中，若矿井铲运机处于转弯状态时，利用部署在矿井铲运机的两侧的激光雷达，确定矿井铲运机的横向位置信息的步骤s202，如图4所示，包括：
63.步骤s401，实时获取处于转弯状态时的矿井铲运机的前车体和后车体的夹角。
64.如图3中可见，部署在前车体中的第一激光雷达210和部署在后车体的第二激光雷达220之间与uwb信号发射模组100之间的夹角为a；需注意的是此时的uwb信号发射模组100部署在车顶中央位置并靠近摆动体。
65.步骤s402，获取任意一侧的激光雷达与巷道壁之间的距离，并根据激光雷达与uwb信号发射模组之间的距离计算uwb信号发射模组与巷道壁的距离。
66.以第一激光雷达210对巷道壁进行测距来距离，第一激光雷达210与巷道壁之间的距离为l1，而第一激光雷达210与uwb信号发射模组100之间的距离为cl，则uwb信号发射模组100距离巷道壁的距离为：
67.d3＝d1+d2＝cl*cos(a/2)+l1，
68.其中，d3为uwb信号发射模组100距离巷道壁的距离；d1为uwb与巷道壁的垂直方向上cl的投影距离；d2为uwb与巷道壁的垂直方向上l1的投影，即d2＝l1。
69.步骤s403，根据uwb信号发射模组与巷道壁的距离，确定矿井铲运机的横向位置信息。
70.利用后车体的第二激光雷达220确定其横向位置信息的过程与第一激光雷达210
类似，不再赘述。实际使用中，可实时计算这两个激光雷达对于巷道壁的测距结果，选取其中测距距离最小的结果作为最终的横向位置信息。
71.纵向位置信息的确定过程需要结合uwb定位基站来实现，uwb定位基站至少包含两个，具体如图6所示。在一些实施方式中，利用部署在矿井铲运机的顶部的uwb信号发射模组，确定矿井铲运机的纵向位置信息的步骤s201，如图5所示，包括：
72.步骤s501，确定与uwb信号发射模组相连接的至少两个uwb定位基站，并获取uwb定位基站的位置坐标。
73.uwb定位基站实现部署在巷道中，因此需要使用uwb信号发射模组100来对周围的定位基站进行搜寻，确定uwb定位基站后即可获得其相关位置坐标，并将该位置坐标作为定位的基准。
74.步骤s502，uwb信号发射模组向uwb定位基站发射uwb信号；uwb定位基站接收到uwb信号后，利用飞行时间法确定uwb信号发射模组与uwb定位基站的距离。
75.图6中包含两个uwb定位基站，分别为第一uwb定位基站610和第二uwb定位基站620，利用飞行时间法分别得到uwb信号发射模组100距离第一uwb定位基站610的距离d1、以及uwb信号发射模组100距离第二uwb定位基站620的距离d2。
76.步骤s503，根据uwb信号发射模组与uwb定位基站的距离，确定矿井铲运机的纵向位置信息。
77.第一uwb定位基站610的坐标为(xa,ya)，第二uwb定位基站620的坐标为(xb,yb)，这两个坐标是已知的；uwb信号发射模组100距离第一uwb定位基站610的距离d1，uwb信号发射模组100距离第二uwb定位基站620的距离d2，这两个距离也是已知的；因此，uwb信号发射模组100的坐标(x,y)就可根据上述数据计算得到，具体如下：
78.(x-xa)2+(y-ya)2＝d1279.(x-xb)2+(y-yb)2＝d2280.通过对上式进行求解，即可得到uwb信号发射模组100的坐标(x,y)。
81.通过上述实施例提到的矿井铲运机的定位方法可知，该方法利用uwb与激光测距相融合实现定位，在保证定位精度的同时减少uwb定位基站的使用数量，减少定位系统的成本。
82.本发明实施例所提供的矿井铲运机的定位方法，其实现原理及产生的技术效果和前述矿井铲运机的定位装置的实施例相同，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。
83.本实施例还提供一种电子设备，为该电子设备的结构示意图如图7所示，该设备包括处理器101和存储器102；其中，存储器102用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器执行，以实现上述矿井铲运机的定位方法。
84.图7所示的服务器还包括总线103和通信接口104，处理器101、通信接口104和存储器102通过总线103连接。
85.其中，存储器102可能包含高速随机存取存储器(ram，random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。总线103可以是isa总线、pci总线或eisa总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总
线。
86.通信接口104用于通过网络接口与至少一个用户终端及其它网络单元连接，将封装好的ipv4报文或ipv4报文通过网络接口发送至用户终端。
87.处理器101可能是一种集成电路模组，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器101可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本公开实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本公开实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器102，处理器101读取存储器102中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
88.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行前述实施例的方法的步骤。
89.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
90.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
91.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
92.功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以用软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
93.最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进
行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。