【技术实现步骤摘要】
一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统
本专利技术属于无人驾驶
，涉及一种汽车驾驶系统，具体来说是一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统。
技术介绍
无人驾驶车辆是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能车辆。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)和汽车工程师协会(SAE)将自动驾驶系统分为L0到L5共6个等级，从L0的全手动驾驶到L5的全自动驾驶。但由于法律原因和技术问题，目前要实现开放道路上的全自动驾驶比较困难，所以相对封闭区域内的全自动驾驶系统成为人们关注重点。在港口、码头这些集装箱运输作业地区，存在着集装箱运输量大、地区空旷、运输路线单一的特点，运输卡车需要将集装箱在两地或多地之间不断运输，需要大量卡车驾驶员不断进行运输工作，劳动强度大，工作效率低，经济效益差。本专利技术提出一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统来提高经济效益、解决集装箱运输卡车司机短缺的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，以达到提高集装箱运输效率、提高经济效益以及解决集装箱运输卡车司机短缺的问题。为实现以上目的，本专利技术采用以下解决方案：一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，其特征在于：包括卡车行驶信息检测系统、集装箱信息采集处理系统、行驶模式切换系统、多卡车协同工作系统、卡车全方向平移系统、信息分级交流系统和卡车防撞处理系统；所述卡车行驶信息检测系统，其用于检测卡车自身的行驶信息，其中卡车自身的...
【技术保护点】
1.一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，其特征在于：包括卡车行驶信息检测系统、集装箱信息采集处理系统、行驶模式切换系统、多卡车协同工作系统、卡车全方向平移系统、信息分级交流系统和卡车防撞处理系统；/n所述卡车行驶信息检测系统，其用于检测卡车自身的行驶信息，其中卡车自身的行驶信息包括卡车车速、卡车车轮转角、卡车所处环境温度、卡车电池电量、卡车的侧向加速度、卡车侧倾角和集装箱运输任务中卡车从出发点到终点的行驶路程信息，根据卡车车速、卡车加速度、卡车横摆角速度、横摆角加速度和卡车各轴车轮转角绝对值的大小计算卡车的实时状态检测频率，在计算得到卡车的实时状态检测频率后卡车按照该频率进行状态检测，根据卡车所处环境温度、卡车电池电量、卡车负载信息和卡车从出发点到终点的行驶路程信息得到卡车电池电量第一、第二、第三阈值，根据计算得到的电量阈值对电池电量状态进行判断，进一步根据卡车电池电量状态控制卡车执行相应的操作；/n所述集装箱信息采集处理系统，其用于采集并计算卡车承载的集装箱的重量信息、集装箱的尺寸信息、集装箱在承载钢板上的位置信息、集装箱底面左右两侧边沿对卡车承载钢板的压力信息以及集装箱内所装货...
【技术特征摘要】
1.一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，其特征在于：包括卡车行驶信息检测系统、集装箱信息采集处理系统、行驶模式切换系统、多卡车协同工作系统、卡车全方向平移系统、信息分级交流系统和卡车防撞处理系统；
所述卡车行驶信息检测系统，其用于检测卡车自身的行驶信息，其中卡车自身的行驶信息包括卡车车速、卡车车轮转角、卡车所处环境温度、卡车电池电量、卡车的侧向加速度、卡车侧倾角和集装箱运输任务中卡车从出发点到终点的行驶路程信息，根据卡车车速、卡车加速度、卡车横摆角速度、横摆角加速度和卡车各轴车轮转角绝对值的大小计算卡车的实时状态检测频率，在计算得到卡车的实时状态检测频率后卡车按照该频率进行状态检测，根据卡车所处环境温度、卡车电池电量、卡车负载信息和卡车从出发点到终点的行驶路程信息得到卡车电池电量第一、第二、第三阈值，根据计算得到的电量阈值对电池电量状态进行判断，进一步根据卡车电池电量状态控制卡车执行相应的操作；
所述集装箱信息采集处理系统，其用于采集并计算卡车承载的集装箱的重量信息、集装箱的尺寸信息、集装箱在承载钢板上的位置信息、集装箱底面左右两侧边沿对卡车承载钢板的压力信息以及集装箱内所装货物的信息，并根据所采集到的信息对卡车所装载集装箱可能发生的危险进行判断和处理，在卡车转弯或受到侧向风作用时通过集装箱底面左右两侧边沿对卡车承载钢板的压力差、集装箱高度、卡车车速信息、卡车车身侧倾角信息和集装箱内所装物体的信息对集装箱的侧翻风险指数进行计算和判断，根据集装箱侧翻风险指数的值控制卡车做出相应的动作，在卡车进行制动时，通过卡车制动减速度的大小、集装箱总重量、集装箱在承载钢板上的位置信息和集装箱内所装物体的信息计算集装箱前冲危险指数的大小，卡车根据集装箱前冲危险指数的大小采取相应的安全措施；
所述行驶模式切换系统，其用于根据卡车在港口上的位置、卡车所处环境的光照强度和感应到的电磁信号强度切换卡车的行驶模式，卡车的行驶模式总共有三种，分别为自动行驶模式、导引行驶模式、自动行驶模式和导引行驶模式结合的混合行驶模式，并且在自动行驶模式和导引行驶模式结合的混合行驶模式下，自动行驶模式和导引行驶模式所占的驾驶权限比例按照行驶模式权限公式随环境光照强度和电磁信号强度的变化而变化；
所述多卡车协同工作系统，其用于根据远程控制平台的指令将指定的多辆卡车按照一定的顺序连接在一起形成一辆加长卡车队列，保证可以同时进行多个集装箱的运输工作，其中卡车之间进行连接的方式有两种，分别为机械直接连接和编队间接连接，卡车根据需要进行连接的卡车的数目、地面附着系数、需要连接的卡车的总重量信息，利用加长卡车队列长度公式计算出加长卡车队列总长度，通过比较加长卡车队列总长度和港口卡车连接区域长度的大小关系选择连接方式；
所述卡车全方向平移系统，其用于在接收到远程控制平台下达的平移命令后计算出卡车车轮的目标转角初值和转角偏差幅值，从而得到卡车车轮平移目标转角范围，然后控制卡车的所有车轮均旋转至目标角度初值开始进行平移运动，在平移过程中不断计算实时的车轮目标转角和转角偏差幅值，更新卡车车轮平移目标转角范围，并在车轮实际转角超出车轮平移目标转角范围时对车轮转角进行调整；
所述信息分级交流系统，其用于存储卡车自身状态信息和所载集装箱信息，与远程控制平台、港口塔吊、港口上的其他卡车之间进行信息交流，并对卡车内的信息根据来源进行优先级的排序，在卡车内不同优先级的信息发生冲突时，卡车按照高优先级的信息进行行驶，在每辆卡车完成一次集装箱的运输工作后将本次运输工作的信息上传到远程控制平台的云端进行保存，在云端保存完成后，卡车对本次运输工作的信息进行删除；
所述卡车防撞处理系统，其用于检测并采集自身卡车附近其他卡车的行驶信息和状态信息，根据自身卡车和附近卡车的行驶状态信息和行驶路径信息分别判断自身卡车与其他各卡车之间发生碰撞的可能性并计算得到与各卡车之间的碰撞危险指数，并根据各卡车碰撞危险指数的大小控制各卡车分别执行相应的防撞操作。
2.根据权利要求1所述的一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，其特征在于：所述卡车行驶信息检测系统利用安装在卡车外部的环境温度传感器测量卡车所处的环境温度，利用安装在卡车底盘上的陀螺仪采集卡车的横摆角速度、侧倾角信息，利用卡车上的加速度传感器测量卡车加速度、卡车角加速度信息，卡车行驶信息检测频率根据卡车横摆角速度、卡车角加速度、卡车车速、卡车加速度和卡车各轴车轮转角绝对值的平均值得到，具体为：
其中，FS为卡车行驶信息检测系统的行驶信息采集频率，单位为Hz，ceil为向上取整函数，ks,v'为卡车加速度频率修正系数，其值取决于卡车车速的变化快慢即卡车加速度绝对值|V′|的大小，当卡车加速度绝对值|V′|满足0m/s2≤|V′|≤0.5m/s2时，判断卡车速度变化较慢即加速度较小，ks,v'＝0.9，当卡车加速度绝对值|V′|满足0.5m/s2＜|V′|≤1m/s2时，判断卡车速度变化适中即加速度正常，ks,v'＝1.2，当卡车加速度绝对值|V′|满足|V′|＞1m/s2时，判断卡车速度变化较快即加速度较大，ks,v'＝1.5，V为车速传感器采集到的卡车车速，单位为Km/h，ks,ω'为卡车角加速度频率修正系数，其值取决于卡车横摆角速度的变化快慢即卡车角加速度ω′的大小，当卡车角加速度ω′满足0°/s2≤ω′≤5°/s2时，ks,ω'＝3.5，当卡车角加速度ω′满足5°/s2＜ω′≤10°/s2时，ks,ω'＝4，当卡车角加速度ω′满足ω′＞10°/s2时，ks,ω'＝4.5，ω为卡车横摆角速度，单位为°/s，k|α|为车轮平均转角频率修正系数，|α1|为卡车第一轴车轮转角绝对值，|α2|为卡车第二轴车轮转角绝对值，|α3|为卡车第三轴车轮转角绝对值，|α4|为卡车第四轴车轮转角绝对值，单位为°；
电量指示模块，其用于采集卡车电池的电量信息，根据电池电量第一阈值BPT1、电池电量第二阈值BPT2、电池电量第三阈值BPT3和电池电量Bp的大小关系判断电池处于电量充足状态、电量提醒状态、电量警告状态还是电量不足状态；
所述的电池电量第一阈值BPT1、电池电量第二阈值BPT2、电池电量第三阈值BPT3分别为
其中，KS1为行驶路程—第一阈值修正系数，KS2为行驶路程—第二阈值修正系数，KS3为行驶路程—第三阈值修正系数，S为集装箱运输任务中从出发点到终点的路程，单位为m，KG1为集装箱重量—第一阈值修正系数，KG2为集装箱重量—第二阈值修正系数，KG3为集装箱重量—第三阈值修正系数，Gj为卡车所载集装箱的重量，KTa为环境温度—电量阈值修正系数，其值随卡车所处环境温度Ta的变化而变化，具体为KTa＝1-0.01Ta，其中Ta的单位为℃；
当检测到Bp≥BPT1时，电量指示模块判断卡车电池处于电量充足状态，卡车不发出信号，继续正常进行集装箱运输工作；当检测到BPT2≤Bp＜BPT1时，电量指示模块判断卡车电池处于电量提醒状态，卡车仍执行所装载集装箱的运输工作并将自身电池电量信息发送给远程控制平台，如果远程控制平台不发出指令则继续执行下一次的集装箱运输工作；当检测到BPT3≤Bp＜BPT2时，电量指示模块判断卡车电池处于电量预警状态，卡车仍执行所装载集装箱的运输工作，但在完成所载集装箱的运输工作后，卡车停止执行下一个集装箱的运输工作并向港口的远程控制平台发出信号“电池电量即将不足，为确保运输工作安全请及时充电或更换电池”；当检测到Bp＜BPT3时，电量指示模块判断卡车电池处于电量不足状态，卡车停止执行集装箱的运输工作并向港口的远程控制平台发出信号“电池电量不足，请立即进入充电站进行充电或更换电池”。
3.根据权利要求1所述的一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，其特征在于：所述集装箱信息采集处理系统包括集装箱位置测量模块、集装箱重量信息采集模块、压力差计算模块、信息扫描识别模块、集装箱侧翻计算模块和集装箱前冲计算模块；
集装箱位置测量模块，其用于测量集装箱前端面到承载钢板前沿的距离、集装箱后端面到承载钢板后沿的距离，并通过两距离的大小得到集装箱在承载钢板上的位置，集装箱位置测量模块由两个沿固定轨道滑动的可移动挡块组成，在左右方向上，轨道位于承载钢板中间位置，当卡车检测到卡车上装载有集装箱后，两可移动挡块开始从承载钢板前后边沿出发沿固定轨道相向滑动，直到接触到集装箱前后端面停止，根据两可移动挡块滑动过的距离可以测量出集装箱前端面到承载钢板前沿的距离、集装箱后端面到承载钢板后沿的距离和集装箱的长度；
集装箱重量信息采集模块，其利用安装在承载钢板下的可移动式载重传感器采集卡车所载集装箱的重量信息，并根据采集到的集装箱重量信息判断卡车的承载状态；所述可移动式载重传感器总共有六个，在左右方向上，载重传感器分别位于承载钢板的左侧边沿和右侧边沿且关于承载钢板中心线左右对称，承载钢板左侧边沿前、中、后三个载重传感器分别为第一载重传感器、第二载重传感器、第三载重传感器，测得的重量分别为Gj1、Gj2、Gj3，右侧边沿前、中、后三个载重传感器分别为第四载重传感器、第五载重传感器、第六载重传感器，分别测得的重量为Gj4、Gj5、Gj6，在集装箱位置测量模块测量出集装箱在卡车承载钢板上的位置后，可移动式载重传感器开始沿导轨滑动至指定位置，其中第一、第四载重传感器滑动至集装箱前端面所在位置，第三、第六载重传感器滑动至集装箱后端面所在位置，第二、第五载重传感器滑动至集装箱中间平面所在位置，则集装箱的总质量为：
Gj＝Gj1+Gj2+Gj3+Gj4+Gj5+Gj6
根据集装箱的总质量Gj和卡车最低、第一、第二载重阈值的大小关系将卡车的载重状态分为四个等级：
卡车最低、第一、第二载重阈值的值分别为：
其中，G0为卡车最低载重阈值，单位为Kg，Ta为卡车所处环境的温度，单位为℃，Ga为卡车第一载重阈值，单位为Kg，Gb为卡车第二载重阈值，单位为Kg，KT-Ga为第一温度载重阈值系数，其值为20(1+0.02Ta)，KT-Gb为第二温度载重阈值系数，其值为15(1+0.015Ta)，Bp为卡车电池电量百分比，其范围为0-100；
a)当Gj≤G0时，所述集装箱重量采集模块判断卡车处于未装载集装箱状态；
b)当G0＜Gj≤Ga时，所述集装箱重量采集模块判断卡车处于轻度装载状态；
c)当Ga＜Gj≤Gb时，所述集装箱重量采集模块判断卡车处于中度装载状态；
d)当Gj＞Gb时，所述集装箱重量采集模块判断卡车处于重度装载状态；
压力差计算模块，其用于根据载重传感器采集到的集装箱重量信息计算集装箱底面左右两侧边沿对承载钢板的压力FNL、FNR以及集装箱底面左右两侧边沿对承载钢板的压力的差值，其中FNL＝Gj1+Gj2+Gj3，FNR＝Gj4+Gj5+Gj6，则集装箱底面左右两侧边沿对承载钢板的压力差为|FNL-FNR|，单位为Kg；
信息扫描识别模块，其用于利用卡车上的扫描仪扫描集装箱来识别集装箱的具体类型从而得到其尺寸信息，其中集装箱的尺寸信息包括集装箱的长度、宽度和高度，同时识别并判断集装箱内装载货物的基本信息，首先判断集装箱内所装载货物为固体还是液体，若判断出为液体后识别该液体货物的种类并得到液体密度信息，然后进一步判断该液体为安全液体还是危险液体；
集装箱侧翻计算模块，其用于根据集装箱内所装载货物的种类、集装箱底面左右两侧边沿对承载钢板的压力差、集装箱高度、卡车车速和卡车车身侧倾角计算集装箱的侧翻危险指数，并且根据卡车侧翻危险指数的大小控制卡车做出相应的动作，卡车侧翻危险指数的值为：
其中，Kρ为装载货物加权系数，其值取决于集装箱内货物的种类，当货物为固体时，Kρ＝0.85，当货物为液体时，其中ρ为集装箱内装载液体的密度，单位为Kg/m3，ρC为参考液体密度，其值为850Kg/m3，KH为卡车高度加权系数，其值取决于卡车所载集装箱的类型，当集装箱为普通箱时，KH＝0.8，当集装箱为高箱时，KH＝1，V为卡车车速，单位为Km/h，VC为卡车参考车速，其值为35Km/h，为卡车车身侧倾角系数，当卡车车身侧倾角满足时，当卡车车身侧倾角满足时，当卡车车身侧倾角满足时，在计算得到卡车侧翻危险指数IR的值后，根据IR的大小卡车采取相应的防侧翻措施：
当卡车侧翻危险指数IR＜0.4时，判断卡车所载集装箱发生侧翻的危险性较低，卡车不做出任何措施，继续正常行驶，当卡车侧翻危险指数0.4≤IR≤0.6时，判断卡车所载集装箱发生侧翻的危险性为中等，卡车以0.5m/s2的安全制动减速度减速直到卡车侧翻危险指数降低至安全范围IR＜0.4后停止减速，然后保持该车速继续行驶，当卡车侧翻危险指数IR＞0.6时，判断卡车所载集装箱发生侧翻的危险性较高，卡车以0.7m/s2的制动减速度减速的同时卡车的转向轮开始转动，使得转向轮转向角度的绝对值减小为原来的三分之二，直到卡车侧翻危险指数降低至安全范围IR＜0.4后停止减速，然后保持该车速和车轮转角继续行驶；
集装箱前冲计算模块，其用于根据集装箱内所装载货物的种类、集装箱在承载钢板上的位置、集装箱的重量、卡车的制动减速度信息计算集装箱的前冲危险指数，并且根据卡车前冲危险指数的大小控制卡车做出相应的动作，卡车前冲危险指数的值为：
其中，Lrr为集装箱后端面到承载钢板后沿的距离，Lff为集装箱前端面到承载钢板前沿的距离，LC为承载钢板的长度，Gjc为集装箱重量参考值，其值为15000Kg，ab为卡车制动减速度，acb为卡车参考制动减速度，其值为2m/s2，在计算得到卡车前冲危险指数IF的值后，根据IF的大小采取相应的防前冲措施：
当卡车前冲危险指数IF＜0.8时，判断卡车所载集装箱发生前冲的危险性较低，卡车不做出任何措施，当卡车前冲危险指数0.8≤IF≤1.2时，判断卡车所载集装箱发生前冲的危险性为中等，此时卡车承载钢板前边沿保持不动、后边沿降低，使得承载钢板与水平面夹角为3°，同时集装箱位置测量模块中两可移动挡块固定不动对集装箱的前冲位移进行限制，当卡车前冲危险指数IF＞1.2时，判断卡车所载集装箱发生前冲的危险性较高，此时卡车承载钢板前边沿保持不动、后边沿降低，使得承载钢板与水平面夹角为5°，同时集装箱位置测量模块中两可移动挡块固定不动对集装箱的前冲位移进行限制。
4.根据权利要求1所述的一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，其特征在于：所述多卡车协同工作系统用于将远程控制平台指定的多辆卡车按照机械直接连接或编队间接连接的方式进行连接形成加长卡车队列来同时进行多个集装箱的运输工作，多卡车协同工作系统包括附着系数测量模块、激光对齐模块、卡车连接信息交流模块、机械连接装置、压力感应模块、激光测距模块、编队距离计算模块和卡车连接状态检测模块；
所述加长卡车队列由两辆或两辆以上卡车连接而成，加长卡车队列中最前面的卡车为牵引卡车，后面的卡车均为跟随卡车；
所述附着系数测量模块，其用于收集卡车所行驶路面的路面信息，并根据收集到的路面信息计算路面附着系数μ地，根据路面附着系数μ地的大小将路面分为三个等级：
当μ地＜0.5时，判断该路面为光滑路面，当0.5≤μ地≤0.7时，判断该路面为普通路面，当μ地＞0.7时，判断该路面为干燥路面；
所述激光对齐模块，其用于检验两辆即将连接在一起的卡车是否实现对齐，激光对齐模块分为两部分，分别位于卡车前部和卡车后部，位于卡车前部的激光对齐模块用于发射激光信号，位于卡车后部的激光对齐模块用于接收激光信号，并且在卡车后部的激光对齐模块接收到激光信号后将这一信息发送给卡车连接信息交流模块；
所述卡车连接信息交流模块，其用于在远程控制平台确定需要进行连接的卡车后，在需要进行连接的多辆卡车之间传递信息；
所述机械连接装置，其用于在检测到压力感应模块的数值发生变化后将两辆待拼接卡车中前车的后部和后车的前部铰接在一起形成加长卡车，机械装置分为两部分，分别位于每辆卡车本体的前部与后部，沿着左右方向，机械连接装置位于卡车的中间；
所述压力感应模块，位于卡车本体前部的机械连接装置上，用于测量卡车本体前部上的机械连接装置的压力变化，判断本车的机械连接装置与前车的机械连接装置之间是否发生接触；
所述激光测距模块位于卡车本体的前部，其用于实时测量前方卡车后部与卡车本体前部的距离，并且激光测距模块的工作频率随待连接卡车之间的距离和卡车速度的变化而变化，激光测距模块发射激光的频率为：
其中，flaser为激光测距模块发射激光的频率，单位为Hz，XC为激光测距参考距离，其值为150m，X为前方卡车后端面与卡车本体前端面的距离，单位为m，KV为车速—频率修正系数，其值为1.7，V为卡车车速，单位为Km/h，μc为参考地面附着系数，其值为0.9，int为取整函数；
所述编队距离计算模块，其用于计算编队间接连接方式下相邻两辆卡车之间应保持的最小间距，通过计算卡车队列中全部的相邻两辆卡车之间的最小间距，并结合卡车的数目以及卡车的长度计算出卡车编队队列的总长度，通过卡车编队队列总长度与港口连接区域长度的大小关系选择卡车之间的连接方式；
所述连接状态检测模块，其用于对自身卡车的连接状态进行检测识别，首先连接状态检测模块判断自身卡车处于未连接状态还是连接状态，然后当判断出卡车处于连接状态后进一步判断自身卡车属于加长卡车队列中的牵引卡车还是跟随卡车。
5.根据权利要求4所述的一种无人纯电动集装箱运输卡车的驾驶系统，其特征在于：所述多卡车协同工作系统进行卡车之间的连接的工作步骤如下：
首先，远程控制平台按照指定的顺序选定需要进行连接的卡车，第一辆被选中的卡车为牵引卡车，之后被选中的卡车均为跟随卡车，在远程控制平台完成卡车的选定后，所有的跟随卡车均将自身卡车车长信息、所载集装箱重量信息和集装箱内的货物种类信息通过卡车连接信息交流模块发送给牵引卡车；
然后，牵引卡车中的编队距离计算模块通过...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟强，洪旺，郑宏宇，郭中阳，宗长富，宋娟娟，王剑波，吴竟启，束琦，
申请(专利权)人：吉林大学，江苏超力电器有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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