一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010770367.7
(22)申请日 2020.08.04
(71)申请人 安徽国钜工程机械科技有限公司
地址 230000 安徽省合肥市蜀山区长江西
路499号丰乐世纪公寓1幢1805室
(72)发明人 黄鹤　
(74)专利代理机构 合肥三川专利代理事务所
(普通合伙) 34150
代理人 李霞
(51)Int.Cl.
G05D 1/02(2020.01)
E21D 9/06(2006.01)
(54)发明名称一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统(57)摘要本发明公开了一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，包括机车本体、摄像头、激光雷达、站点传感器、红外雷达、中央处理器和盾构机，所述激光雷达安装与机车本体前方最高处，呈平行状态安装，所述红外雷达安装与机车本体前方且高出底部30cm处，呈平行状态安装。

本发明可实现机车本体行驶过程中对前方障碍物和行人进行检测，保障机车本体的行车安全，可以对机车本体行驶终点进行检测，在终点前一定距离开始减速，在终点处准确停车，并且可以实现前方轨道的自动识别，判断前方行驶路线的曲率，而且通过对盾构机洞口进行识别与距离判断，可以使机车本体在合适位置减速低速驶
入盾构机。

权利要求书2页 说明书4页 附图1页CN 111897338 A 2020.11.06
C N 111897338
A
1.一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，包括机车本体(1)、摄像头
(2)、激光雷达(3)、站点传感器(4)、红外雷达(5)、中央处理器(6)和盾构机，其特征在于：所述激光雷达(3)安装与机车本体(1)前方最高处，呈平行状态安装，所述红外雷达(5)安装与机车本体(1)前方且高出底部30cm处，呈平行状态安装，所述机车本体(1)内部的底部安装有站点传感器(4)，所述摄像头(2)包括监控摄像头和智能摄像头，所述摄像头(2)安装于机车本体(1)的正前方，所述机车本体(1)的内部安装有中央处理器(6)。

2.根据权利要求1所述的一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，其特征在于：所述机车本体(1)高速行驶时工作，通过激光雷达(3)解析返回的点云数据，用于检测机车本体(1)行驶正前方方向30m内的物体。

3.根据权利要求1所述的一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，其特征在于：所述红外雷达(5)安装与机车本体(1)前方高出车底30cm处，平视前方，在机车本体(1)低速行驶时工作，通过预先设置的检测范围，所述红外雷达(5)可检测机车本体(1)行驶正前方方向3m内的物体。

4.根据权利要求1所述的一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，其特征在于：所述机车本体(1)内部的底部安装有站点传感器(4)，所述盾构机内部以及隧道内部安装有限位标签卡，所述站点传感器(4)读取到限位标签卡信息时即禁止机车本体(1)继续前进；在盾构机内出料口处安装盾构机停车标签卡，所述站点传感器(4)读取到停车标签卡信息时机车本体(1)便会刹死停车，进行微调；在距离吊车点合适距离处安装减速标签卡，所述站点传感器(4)读取到减速标签卡信息时机车本体(1)减速进入低速行驶状态；在吊车点处安装吊车停车标签，所述站点传感器(4)读取到吊车停车标签信息时所述机车本体(1)刹死停车，进行微调；在吊车点允许机车本体(1)位置最远处安装限位标签，所述站点传感器(4)读取到限位标签信息时禁止机车本体(1)向前运行，所述盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案。

5.根据权利要求1所述的一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，其特征在于：所述监控摄像头用于监测机车本体(1)运行过程中是否有脱轨现象，可在机车本体(1)内部的中央控制室中查看即时视频，判断是否脱轨；所述智能摄像头用于获取机车本体(1)前方10m的轨道信息与前方50m的障碍物信息。

6.根据权利要求1或4所述的一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，其特征在于：所述中央处理器(6)的输入端与轨道自动识别模块(7)、障碍物检测模块(9)和盾构机洞口识别与测距模块(10)的输出端信号连接，所述中央处理器(6)的输出端与数据接口模块(8)输入端信号连接，所述轨道自动识别模块(7)使用基于Hough变换的曲线检测算法，用于识别机车前方10m的轨道信息并解析出轨道的曲线曲率，根据前方轨道曲率调节激光雷达(3)的检测范围；所述障碍物检测模块(9)用于在轨道实际信息中采集正负样本图片，使用深度学习算法实现对机车本体(1)行驶方向前方的障碍物检测，并与激光雷达(3)相互配合，在高速行驶时检测机车本体(1)前方障碍物，提高检测的准确率，降低误检率，所述盾构机洞口识别与测距模块(10)使用图像检测算法识别该图案实现对盾构机洞口的识别，所述盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案，轴心距离1m，通过图案间轴心距离的计算实现与盾构机距离的测距，当距离盾构机50m时机车本体(1)减速低速行驶；所述数据接口模块(8)又包括轨道自动识别接口、障碍物检测接口和盾构机结构识别与
测距接口，所述轨道自动识别接口用于接收一个浮点型数据输出前方轨道的曲率，所述障碍物检测接口用于输出一个开关量判断机车前方是否存在障碍物，所述盾构机结构识别与测距接口用于接收一个浮点型数据输出机车到盾构机洞口的距离。

一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种感知系统，具体为一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统。

背景技术
[0002]盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。

它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。

同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

[0003]在盾构机工作的时候需要用到无人电动车，将土质等运出隧道内部，而在无人电动车在运作的时候无法准确的对前方行人以及障碍物进行准确判断，无法保证行车安全，并且无法对隧道内部无法实现行驶终点的检测，在终点前无法预留安全距离，导致无人电动车在在终点处无法准确停车，并且无法实现对前方轨道和盾构机洞口进行识别，造成无人电动车无法在合适位置减速低速驶入盾构机，为此，我们提出一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统。

发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，以解决背景技术中提出的问题。

[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机车的感知系统，包括机车本体、摄像头、激光雷达、站点传感器、红外雷达、中央处理器和盾构机，所述激光雷达安装与机车本体前方最高处，呈平行状态安装，所述红外雷达安装与机车本体前方且高出底部30cm处，呈平行状态安装，所述机车本体内部的底部安装有站点传感器，所述摄像头包括监控摄像头和智能摄像头，所述摄像头安装于机车本体的正前方，所述机车本体的内部安装有中央处理器。

[0006]优选的，所述机车本体高速行驶时工作，通过激光雷达解析返回的点云数据，用于检测机车本体行驶正前方方向30m内的物体。

[0007]优选的，所述红外雷达安装与机车本体前方高出车底30cm处，平视前方，在机车本体低速行驶时工作，通过预先设置的检测范围，所述红外雷达可检测机车本体行驶正前方方向3m内的物体。

[0008]优选的，所述机车本体内部的底部安装有站点传感器，所述盾构机内部以及隧道内部安装有限位标签卡，所述站点传感器读取到限位标签卡信息时即禁止机车本体继续前进；在盾构机内出料口处安装盾构机停车标签卡，所述站点传感器读取到停车标签卡信息时机车本体便会刹死停车，进行微调；在距离吊车点合适距离处安装减速标签卡，所述站点传感器读取到减速标签卡信息时机车本体减速进入低速行驶状态；在吊车点处安装吊车停车标签，所述站点传感器读取到吊车停车标签信息时所述机车本体刹死停车，进行微调；在
吊车点允许机车本体位置最远处安装限位标签，所述站点传感器读取到限位标签信息时禁止机车本体向前运行，所述盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案。

[0009]优选的，所述监控摄像头用于监测机车本体运行过程中是否有脱轨现象，可在机车本体内部的中央控制室中查看即时视频，判断是否脱轨；所述智能摄像头用于获取机车本体前方10m的轨道信息与前方50m的障碍物信息。

[0010]优选的，所述中央处理器的输入端与轨道自动识别模块、障碍物检测模块和盾构机洞口识别与测距模块的输出端信号连接，所述中央处理器的输出端与数据接口模块输入端信号连接，所述轨道自动识别模块使用基于Hough变换的曲线检测算法，用于识别机车前方m的轨道信息并解析出轨道的曲线曲率，根据前方轨道曲率调节激光雷达的检测范围；所述障碍物检测模块用于在轨道实际信息中采集正负样本图片，使用深度学习算法实现对机车本体行驶方向前方的障碍物检测，并与激光雷达相互配合，在高速行驶时检测机车本体前方障碍物，提高检测的准确率，降低误检率，所述盾构机洞口识别与测距模块使用图像检测算法识别该图案实现对盾构机洞口的识别，所述盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案，轴心距离1m，通过图案间轴心距离的计算实现与盾构机距离的测距，当距离盾构机50m时机车本体减速低速行驶；所述数据接口模块又包括轨道自动识别接口、障碍物检测接口和盾构机结构识别与测距接口，所述轨道自动识别接口用于接收一个浮点型数据输出前方轨道的曲率，所述障碍物检测接口用于输出一个开关量判断机车前方是否存在障碍物，所述盾构机结构识别与测距接口用于接收一个浮点型数据输出机车到盾构机洞口的距离。

[0011]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0012](1)本发明可实现机车本体行驶过程中对前方障碍物和行人进行检测，保障机车本体的行车安全。

[0013](2)对机车本体行驶终点进行检测，在终点前一定距离开始减速，在终点处准确停车。

[0014](3)实现前方轨道的自动识别，判断前方行驶路线的曲率。

[0015](4)对盾构机洞口进行识别与距离判断，在合适位置减速低速驶入盾构机。

附图说明
[0016]图1为本发明正视图结构示意图；
[0017]图2为本发明系统原理示意图。

[0018]图中：1机车本体、2摄像头、3激光雷达、4站点传感器、5红外雷达、6中央处理器、7轨道自动识别模块、8数据接口模块、9障碍物检测模块、10盾构机洞口识别与测距模块。

具体实施方式
[0019]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。

[0020]请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种用于盾构工法自动驾驶水平运输机
车的感知系统，包括机车本体1、摄像头2、激光雷达3、站点传感器4、红外雷达5、中央处理器6和盾构机，所述激光雷达3安装与机车本体1前方最高处，呈平行状态安装，所述红外雷达5安装与机车本体1前方且高出底部30cm处，呈平行状态安装，所述机车本体1内部的底部安装有站点传感器4，所述摄像头2包括监控摄像头和智能摄像头，所述摄像头2安装于机车本体1的正前方，所述机车本体1的内部安装有中央处理器6。

[0021]优选的，所述机车本体1高速行驶时工作，通过激光雷达3解析返回的点云数据，用于检测机车本体1行驶正前方方向30m内的物体。

[0022]优选的，所述红外雷达5安装与机车本体1前方高出车底30cm处，平视前方，在机车本体1低速行驶时工作，通过预先设置的检测范围，所述红外雷达5可检测机车本体1行驶正前方方向3m内的物体。

[0023]优选的，所述机车本体1内部的底部安装有站点传感器4，所述盾构机内部以及隧道内部安装有限位标签卡，所述站点传感器4读取到限位标签卡信息时即禁止机车本体1继续前进；在盾构机内出料口处安装盾构机停车标签卡，所述站点传感器4读取到停车标签卡信息时机车本体1便会刹死停车，进行微调；在距离吊车点合适距离处安装减速标签卡，所述站点传感器4读取到减速标签卡信息时机车本体1减速进入低速行驶状态；在吊车点处安装吊车停车标签，所述站点传感器4读取到吊车停车标签信息时所述机车本体1刹死停车，进行微调；在吊车点允许机车本体1位置最远处安装限位标签，所述站点传感器4读取到限位标签信息时禁止机车本体1向前运行，所述盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案。

[0024]优选的，所述监控摄像头用于监测机车本体1运行过程中是否有脱轨现象，可在机车本体1内部的中央控制室中查看即时视频，判断是否脱轨；所述智能摄像头用于获取机车本体1前方10m的轨道信息与前方50m的障碍物信息。

[0025]优选的，所述中央处理器6的输入端与轨道自动识别模块7、障碍物检测模块9和盾构机洞口识别与测距模块10的输出端信号连接，所述中央处理器6的输出端与数据接口模块8输入端信号连接，所述轨道自动识别模块7使用基于Hough变换的曲线检测算法，用于识别机车前方10m的轨道信息并解析出轨道的曲线曲率，根据前方轨道曲率调节激光雷达3的检测范围；所述障碍物检测模块9用于在轨道实际信息中采集正负样本图片，使用深度学习算法实现对机车本体1行驶方向前方的障碍物检测，并与激光雷达3相互配合，在高速行驶时检测机车本体1前方障碍物，提高检测的准确率，降低误检率，所述盾构机洞口识别与测距模块10使用图像检测算法识别该图案实现对盾构机洞口的识别，所述盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案，轴心距离1m，通过图案间轴心距离的计算实现与盾构机距离的测距，当距离盾构机50m时机车本体1减速低速行驶；所述数据接口模块8又包括轨道自动识别接口、障碍物检测接口和盾构机结构识别与测距接口，所述轨道自动识别接口用于接收一个浮点型数据输出前方轨道的曲率，所述障碍物检测接口用于输出一个开关量判断机车前方是否存在障碍物，所述盾构机结构识别与测距接口用于接收一个浮点型数据输出机车到盾构机洞口的距离。

[0026]使用时，首先，将摄像头2、激光雷达3、站点传感器4、红外雷达5和中央处理器6安装于机车本体1的相应位置，随后在机车本体1沿着地面上铺设的轨道上，随后在机车本体1高速行驶时工作，通过激光雷达3解析返回的点云数据，用于检测机车本体1行驶正前方方
向30m内的物体，而在机车本体1低速行驶时工作，通过预先设置的检测范围，所述红外雷达5可检测机车本体1行驶正前方方向3m内的物体，机车本体1内部的底部安装有站点传感器4，随后将限位标签卡安装于盾构机内部以及隧道内部，随后机车本体1在前进的时候，其内部的站点传感器4读取到限位标签卡信息时即禁止机车本体1继续前进；而盾构机内出料口处安装盾构机停车标签，当机车呢提1内部的站点传感器4读取到限位标签卡信息时机车本体1便会刹死停车，进行微调；随后在距离吊车点合适距离处安装减速标签卡，当站点传感器4读取到减速标签卡信息时机车本体1减速进入低速行驶状态；在吊车点处安装吊车停车标签，当站点传感器4读取到吊车停车标签信息时所述机车本体1刹死停车，进行微调；在吊车点允许机车本体1位置最远处安装限位标签，所述站点传感器4读取到限位标签信息时禁止机车本体1向前运行，而监控摄像头用于监测机车本体1运行过程中是否有脱轨现象，可在机车本体1内部的中央控制室中查看即时视频，判断是否脱轨；智能摄像头用于获取机车本体1前方10m的轨道信息与前方50m的障碍物信息，而盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案，轨道自动识别模块7使用基于Hough变换的曲线检测算法，用于识别机车前方10m的轨道信息并解析出轨道的曲线曲率，根据前方轨道曲率调节激光雷达3的检测范围；所述障碍物检测模块9用于在轨道实际信息中采集正负样本图片，使用深度学习算法实现对机车本体1行驶方向前方的障碍物检测，并与激光雷达3相互配合，在高速行驶时检测机车本体1前方障碍物，提高检测的准确率，降低误检率，所述盾构机洞口识别与测距模块10使用图像检测算法识别该图案实现对盾构机洞口的识别，所述盾构机机体上安装明显且易于识别的一对标志记号图案，轴心距离1m，通过图案间轴心距离的计算实现与盾构机距离的测距，当距离盾构机50m时机车本体1减速低速行驶。

[0027]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

图1
图2。