一、研究背景
煤礦輔助運輸是指除煤炭運輸外的其他運輸，包括材料、設(shè)備、人員和矸石運輸?shù)取Ｃ旱V輔助運輸具有如下特點：運輸線路隨采掘工作面推進(jìn)和搬遷而變化；工作地點分散、運輸線路復(fù)雜；待運物料品種繁多、形狀各異；井下巷道空間狹??；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，我國煤礦井下輔助運輸人員占煤礦井下作業(yè)人員1/3以上。礦井車輛無人駕駛，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、研究內(nèi)容
1、礦井車輛無人駕駛特點
煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知、礦井車輛全部受控、礦井軌道運輸設(shè)備只需一維定位、光照條件差、無線傳輸衰減大、無衛(wèi)星信號、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)測距定位具有受粉塵影響小、不受光照影響、不需在動目標(biāo)上設(shè)置定位卡、系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點，但存在測距范圍小、測量精度低、不能識別動目標(biāo)身份、非視距定位誤差大等缺點。因此，煤礦井下車輛和人員等動目標(biāo)定位不宜采用超聲波定位技術(shù)。
②激光定位具有探測距離遠(yuǎn)、精度高、不需在動目標(biāo)上設(shè)置定位卡、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，但存在不能識別動目標(biāo)身份、只能在視距條件下定位、受粉塵影響大等缺點。因此，煤礦井下車輛和人員等動目標(biāo)定位不宜采用激光定位技術(shù)。
③礦井車輛和人員等動目標(biāo)定位系統(tǒng)主要采用RFID，ZigBee，UWB，WiFi6，5G等無線電定位技術(shù)。RFID技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點，但不能連續(xù)測距和定位，僅能區(qū)域定位，用于早期的礦井車輛和人員等動目標(biāo)定位系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)具有連續(xù)測距和定位、無線覆蓋半徑大、定位精度較高、系統(tǒng)成本低于UWB系統(tǒng)等優(yōu)點，但存在定位精度低于UWB系統(tǒng)、非視距誤差等缺點。UWB技術(shù)具有連續(xù)測距和定位、無線覆蓋半徑大、定位精度最高等優(yōu)點，但存在系統(tǒng)成本高于ZigBee系統(tǒng)、非視距誤差等缺點。WiFi6技術(shù)具有連續(xù)測距和定位、無線覆蓋半徑大、定位精度較高等優(yōu)點，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。5G技術(shù)具有連續(xù)測距和定位、定位精度較高等優(yōu)點，但存在無線覆蓋半徑最小、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。因此，煤礦井下車輛和人員等動目標(biāo)定位宜采用定位精度最高的UWB和成本低的ZigBee無線電定位技術(shù)。
④慣性導(dǎo)航技術(shù)具有如下優(yōu)點：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、相對位置等；數(shù)據(jù)更新快，短時精度高，穩(wěn)定性好。但慣性導(dǎo)航技術(shù)存在如下缺點：定位誤差隨時間增加而增大，長期不校準(zhǔn)則定位誤差大；劇烈的車輛振動、顛簸會增加定位誤差；絕對位置需根據(jù)初始位置和相對位置來計算；不輸出時間信息；成本高。因此，慣性導(dǎo)航技術(shù)不宜單獨作為礦井車輛定位技術(shù)。
⑤礦用即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)具有全礦井定位、定位精度高、動態(tài)地圖實時更新等優(yōu)點，但存在受粉塵影響大、需標(biāo)志等問題。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)不宜單獨作為礦井車輛定位技術(shù)。
⑥里程計具有如下優(yōu)點：不依賴外部信息，不受外界干擾；可連續(xù)提供相對位移；可靠性高；成本低。但里程計存在如下缺點：屬一維定位方法，左右位移也計入前后位移；絕對位置需根據(jù)初始位置和相對位置來計算；定位誤差隨時間增加而增大，長期不校準(zhǔn)則定位誤差大。因此，里程計不宜單獨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、里程計和SLAM為輔的礦井車輛聯(lián)合定位方法。
3、礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距技術(shù)
①激光雷達(dá)具有測距精度高、分辨率高等優(yōu)點，但存在受粉塵影響大、價格高、體積大等缺點。激光雷達(dá)是礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距主要設(shè)備。
②毫米波雷達(dá)具有不受光照影響、受粉塵影響小、可同時測距和測速、測距和測速精度較高、體積小、成本低等優(yōu)點。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)可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設(shè)備。
③紅外攝像機通過檢測物體溫度成像，具有受光照影響小、受粉塵影響較小等優(yōu)點，但存在分辨率低、探測距離近等缺點。紅外攝像機是礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設(shè)備，主要用來探測人員、運行的機車和設(shè)備等溫度較高的物體。
④可見光攝像機通過算法識別障礙物，具有分辨率高、有顏色信息、體積小、成本低等優(yōu)點，但存在難以測距、受光照和粉塵影響大、可靠性低等缺點。可見光雙目視覺相機具有可測距、分辨率高、有顏色信息、體積小、成本低等優(yōu)點，但存在受光照和粉塵影響大、可靠性低等缺點?？梢姽鈹z像機與雙目視覺相機可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設(shè)備。
綜上所述，礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距宜采用以激光雷達(dá)為主，毫米波雷達(dá)、紅外攝像機、可見光攝像機、可見光雙目視覺相機、超聲波雷達(dá)為輔的多信息融合方法。
4、地面遠(yuǎn)程控制與無線通信技術(shù)
礦井無人駕駛車輛在自動駕駛過程中，當(dāng)遇到路況復(fù)雜，自動駕駛不能決策時，需自動轉(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、短時延、高可靠的礦用寬帶無線通信系統(tǒng)。礦用5G無線通信系統(tǒng)是礦井車輛地面遠(yuǎn)程控制首選，但存在無線覆蓋半徑小、成本高等缺點，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.礦井車輛無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究[J].工礦自動化,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.
來源：工礦自動化
