一、研究背景
煤礦輔助運(yùn)輸是指除煤炭運(yùn)輸外的其他運(yùn)輸，包括材料、設(shè)備、人員和矸石運(yùn)輸?shù)?。煤礦輔助運(yùn)輸具有如下特點(diǎn)：運(yùn)輸線路隨采掘工作面推進(jìn)和搬遷而變化；工作地點(diǎn)分散、運(yùn)輸線路復(fù)雜；待運(yùn)物料品種繁多、形狀各異；井下巷道空間狹小；光照條件差；有瓦斯和煤塵等爆炸性物質(zhì)，礦塵大，有淋水，環(huán)境潮濕等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦井下輔助運(yùn)輸人員占煤礦井下作業(yè)人員1/3以上。礦井車輛無(wú)人駕駛，是減少煤礦井下作業(yè)人員，建設(shè)安全、高效、綠色、智能化礦井的需要。
二、研究?jī)?nèi)容
1、礦井車輛無(wú)人駕駛特點(diǎn)
煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知、礦井車輛全部受控、礦井軌道運(yùn)輸設(shè)備只需一維定位、光照條件差、無(wú)線傳輸衰減大、無(wú)衛(wèi)星信號(hào)、電磁環(huán)境復(fù)雜、電氣防爆、環(huán)境潮濕、有淋水和粉塵。
2、礦井車輛定位技術(shù)
①超聲波雷達(dá)測(cè)距定位具有受粉塵影響小、不受光照影響、不需在動(dòng)目標(biāo)上設(shè)置定位卡、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在測(cè)距范圍小、測(cè)量精度低、不能識(shí)別動(dòng)目標(biāo)身份、非視距定位誤差大等缺點(diǎn)。因此，煤礦井下車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位不宜采用超聲波定位技術(shù)。
②激光定位具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高、不需在動(dòng)目標(biāo)上設(shè)置定位卡、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但存在不能識(shí)別動(dòng)目標(biāo)身份、只能在視距條件下定位、受粉塵影響大等缺點(diǎn)。因此，煤礦井下車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位不宜采用激光定位技術(shù)。
③礦井車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)主要采用RFID，ZigBee，UWB，WiFi6，5G等無(wú)線電定位技術(shù)。RFID技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但不能連續(xù)測(cè)距和定位，僅能區(qū)域定位，用于早期的礦井車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)具有連續(xù)測(cè)距和定位、無(wú)線覆蓋半徑大、定位精度較高、系統(tǒng)成本低于UWB系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在定位精度低于UWB系統(tǒng)、非視距誤差等缺點(diǎn)。UWB技術(shù)具有連續(xù)測(cè)距和定位、無(wú)線覆蓋半徑大、定位精度最高等優(yōu)點(diǎn)，但存在系統(tǒng)成本高于ZigBee系統(tǒng)、非視距誤差等缺點(diǎn)。WiFi6技術(shù)具有連續(xù)測(cè)距和定位、無(wú)線覆蓋半徑大、定位精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但存在定位精度低于UWB系統(tǒng)、系統(tǒng)成本高于ZigBee系統(tǒng)、非視距誤差等缺點(diǎn)。5G技術(shù)具有連續(xù)測(cè)距和定位、定位精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但存在無(wú)線覆蓋半徑最小、系統(tǒng)成本最高、定位精度低于UWB系統(tǒng)、非視距誤差等缺點(diǎn)。因此，煤礦井下車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位宜采用定位精度最高的UWB和成本低的ZigBee無(wú)線電定位技術(shù)。
④慣性導(dǎo)航技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：不依賴外部信息，不受外界電磁干擾；可連續(xù)提供加速度、方向角、速度、相對(duì)位置等；數(shù)據(jù)更新快，短時(shí)精度高，穩(wěn)定性好。但慣性導(dǎo)航技術(shù)存在如下缺點(diǎn)：定位誤差隨時(shí)間增加而增大，長(zhǎng)期不校準(zhǔn)則定位誤差大；劇烈的車輛振動(dòng)、顛簸會(huì)增加定位誤差；絕對(duì)位置需根據(jù)初始位置和相對(duì)位置來(lái)計(jì)算；不輸出時(shí)間信息；成本高。因此，慣性導(dǎo)航技術(shù)不宜單獨(dú)作為礦井車輛定位技術(shù)。
⑤礦用即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)具有全礦井定位、定位精度高、動(dòng)態(tài)地圖實(shí)時(shí)更新等優(yōu)點(diǎn)，但存在受粉塵影響大、需標(biāo)志等問(wèn)題。巷道分支、固定設(shè)備和設(shè)施具有標(biāo)志作用，但在缺少標(biāo)志的巷道中，需人為增加反光等標(biāo)志。因此，SLAM技術(shù)不宜單獨(dú)作為礦井車輛定位技術(shù)。
⑥里程計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：不依賴外部信息，不受外界干擾；可連續(xù)提供相對(duì)位移；可靠性高；成本低。但里程計(jì)存在如下缺點(diǎn)：屬一維定位方法，左右位移也計(jì)入前后位移；絕對(duì)位置需根據(jù)初始位置和相對(duì)位置來(lái)計(jì)算；定位誤差隨時(shí)間增加而增大，長(zhǎng)期不校準(zhǔn)則定位誤差大。因此，里程計(jì)不宜單獨(dú)作為礦井車輛定位技術(shù)，可作為礦井車輛輔助定位技術(shù)。
綜上所述，礦井車輛定位宜采用以UWB為主，慣性導(dǎo)航、里程計(jì)和SLAM為輔的礦井車輛聯(lián)合定位方法。
3、礦井無(wú)人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距技術(shù)
①激光雷達(dá)具有測(cè)距精度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在受粉塵影響大、價(jià)格高、體積大等缺點(diǎn)。激光雷達(dá)是礦井無(wú)人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距主要設(shè)備。
②毫米波雷達(dá)具有不受光照影響、受粉塵影響小、可同時(shí)測(cè)距和測(cè)速、測(cè)距和測(cè)速精度較高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但毫米波雷達(dá)分辨率較低，難以區(qū)分物體形狀。人、煤和巖等非金屬物體電磁波反射率低，毫米波雷達(dá)容易漏檢。毫米波雷達(dá)可作為礦井無(wú)人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距輔助設(shè)備。
③紅外攝像機(jī)通過(guò)檢測(cè)物體溫度成像，具有受光照影響小、受粉塵影響較小等優(yōu)點(diǎn)，但存在分辨率低、探測(cè)距離近等缺點(diǎn)。紅外攝像機(jī)是礦井無(wú)人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距輔助設(shè)備，主要用來(lái)探測(cè)人員、運(yùn)行的機(jī)車和設(shè)備等溫度較高的物體。
④可見光攝像機(jī)通過(guò)算法識(shí)別障礙物，具有分辨率高、有顏色信息、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在難以測(cè)距、受光照和粉塵影響大、可靠性低等缺點(diǎn)?？梢姽怆p目視覺相機(jī)具有可測(cè)距、分辨率高、有顏色信息、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在受光照和粉塵影響大、可靠性低等缺點(diǎn)?？梢姽鈹z像機(jī)與雙目視覺相機(jī)可作為礦井無(wú)人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距輔助設(shè)備。
綜上所述，礦井無(wú)人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距宜采用以激光雷達(dá)為主，毫米波雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、可見光攝像機(jī)、可見光雙目視覺相機(jī)、超聲波雷達(dá)為輔的多信息融合方法。
4、地面遠(yuǎn)程控制與無(wú)線通信技術(shù)
礦井無(wú)人駕駛車輛在自動(dòng)駕駛過(guò)程中，當(dāng)遇到路況復(fù)雜，自動(dòng)駕駛不能決策時(shí)，需自動(dòng)轉(zhuǎn)入地面遠(yuǎn)程控制模式。地面人員遠(yuǎn)程控制車輛，需將車載攝像機(jī)圖像和聲音、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、車輛位置、車輛工況、信號(hào)燈等信息上傳至地面，將控制命令下傳至車輛。因此，需采用大寬帶、短時(shí)延、高可靠的礦用寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。礦用5G無(wú)線通信系統(tǒng)是礦井車輛地面遠(yuǎn)程控制首選，但存在無(wú)線覆蓋半徑小、成本高等缺點(diǎn)，今后可研究WiFi7在礦井車輛地面遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用。
引用格式
孫繼平,江嬴.礦井車輛無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究[J].工礦自動(dòng)化,2022,48(5):1-6.
SUN Jiping,JIANG Ying.Research on key technologies of mine unmanned vehicle[J].Journal of Mine Automation,2022,48(5):1-6.
來(lái)源：工礦自動(dòng)化
