圖 1 磁尋跡定位技術(shù)原理
Figure 1. Magnetic tracking and positioning technologyprinciple
0. 引言
煤礦輔助運輸系統(tǒng)是煤礦日常生產(chǎn)經(jīng)營的重要組成部分，除煤炭運輸外，人員、材料、設(shè)備、物資等都通過輔助運輸系統(tǒng)進行運送。輔助運輸分為有軌電車、無軌膠輪車輔助運輸，無軌膠輪車輔助運輸具有機動、靈活、效率高等優(yōu)勢，陜北地區(qū)尤為適用。隨著輔助運輸車輛的增多和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對井下輔助運輸自動駕駛車輛的需求也逐漸增多[1-5]。車輛自動駕駛系統(tǒng)主要包含環(huán)境感知系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、車輛決策系統(tǒng)及車輛控制系統(tǒng)4個部分[6-9]，其中車輛定位系統(tǒng)是車輛自動駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，由車輛定位系統(tǒng)獲取車輛實時位置，以控制車輛按照合理路線行駛。煤礦輔助運輸車輛大多采用無線定位方式，普遍動態(tài)定位精度為3 m以上，不能滿足煤礦自動駕駛定位精度的需求，且實時車輛定位數(shù)據(jù)發(fā)送到地面上位機，由上位機進行判斷分析后通過礦井網(wǎng)絡(luò)再下發(fā)至輔助運輸車輛，該過程耗時約400 ms以上，不能滿足自動駕駛車輛對定位信息實時獲取的需求[10-11]。因此，實現(xiàn)煤礦車輛精準定位對井下輔助運輸自動駕駛具有重要意義。通過查閱大量參考文獻，發(fā)現(xiàn)目前對車輛定位的相關(guān)研究主要集中在地面和露天等場景[12-13] ，并以GPS定位為主。但煤礦井下巷道沒有GPS定位信號，且煤礦井下巷道環(huán)境條件比地面場景更復雜、惡劣。
針對上述問題，本文提出了一種煤礦自動駕駛磁尋跡定位技術(shù)。通過在井下巷道布置具有ID編號的無源感應(yīng)磁釘，在輔助運輸車輛上安裝磁感應(yīng)天線，當裝有磁感應(yīng)天線的車輛經(jīng)過巷道中預先布置的無源感應(yīng)磁釘時，磁感應(yīng)天線的磁場將產(chǎn)生脈沖信號，實時獲取該脈沖信號在磁感應(yīng)天線磁場范圍內(nèi)的具體位置，計算出車輛所在巷道位置和行駛路線中心的偏差位置，從而達到定位尋跡的目的。
1. 磁尋跡定位技術(shù)原理
通過在煤礦巷道適當位置布置磁釘，在車輛合適位置安裝磁感應(yīng)天線裝置，磁感應(yīng)天線下方區(qū)域持續(xù)發(fā)送具有傳輸頻率的能量場，當磁感應(yīng)天線經(jīng)過磁釘時，磁釘受磁感應(yīng)天線磁場的作用產(chǎn)生脈沖信號，該脈沖信號將對天線持續(xù)輸出的能量場，產(chǎn)生脈沖式能量變化，磁感應(yīng)天線實時感知能量場脈沖式能量變化，根據(jù)該變化來判斷磁釘所在能量場范圍內(nèi)的具體位置，磁感應(yīng)天線產(chǎn)生能量場的范圍是已知的，通過磁釘和磁感應(yīng)天線中心點的相對位置可判斷出磁感應(yīng)天線中心點所處的巷道位置，磁釘所在巷道的位置已提前布置。磁感應(yīng)天線將定位信息通過CAN總線通信接口轉(zhuǎn)發(fā)給車輛控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)磁感應(yīng)天線中心點與磁釘?shù)南鄬ξ恢?，計算出車輛所在巷道位置和行駛路線中心點的偏差位置，從而達到定位尋跡的目的。磁尋跡定位技術(shù)原理如圖1所示，圖中X和Y分別為車輛行駛橫向和縱向距離，△X為磁感應(yīng)天線距磁釘?shù)木嚯x。
2. 磁尋跡定位流程
煤礦自動駕駛車輛磁尋跡定位流程如圖2所示。操作人員通過上位機軟件或車輛啟動按鈕啟動車輛，車輛啟動后供電系統(tǒng)給磁感應(yīng)天線上電進行程序初始化，當初始化完成且自動駕駛系統(tǒng)完成自檢，車輛開始運行自動駕駛程序，當安裝有磁感應(yīng)天線的自動駕駛車輛經(jīng)過預先布置在行駛路線的磁釘時，磁感應(yīng)天線根據(jù)磁感應(yīng)脈沖信號獲取磁釘所在位置信息及編碼數(shù)據(jù)，通過磁尋跡定位技術(shù)相關(guān)算法計算車輛當前行駛位置，判斷數(shù)據(jù)是否異常，若數(shù)據(jù)異常重新進行數(shù)據(jù)獲取和判斷，否則將定位信息推送給車輛控制系統(tǒng)。車輛控制系統(tǒng)根據(jù)定位信息控制車輛繼續(xù)進行自動駕駛，如系統(tǒng)判斷當前位置未到達車輛行駛終點，控制車輛繼續(xù)進行自動駕駛過程，否則自動停車，完成本次自動駕駛。
圖 2 磁尋跡定位流程
Figure 2. Magnetic tracking and positioning process
3. 磁尋跡定位試驗
磁尋跡定位技術(shù)在實際應(yīng)用時，磁釘需在磁感應(yīng)天線的檢測范圍內(nèi)才能被檢測到。在車輛以正常速度行駛情況下，對磁釘能否在磁感應(yīng)天線有效范圍內(nèi)及時產(chǎn)生感應(yīng)脈沖信號，磁感應(yīng)天線能否有效捕捉到該感應(yīng)脈沖信號等方面進行研究。在響應(yīng)時間為50 ms的情況下，對磁釘響應(yīng)速度進行了試驗研究。當磁感應(yīng)天線經(jīng)過編號為2080的磁釘時，在主感應(yīng)區(qū)間電導率達700 μS/cm，說明只要在磁感應(yīng)天線范圍內(nèi)布置磁感應(yīng)強度大小合適的磁釘，磁感應(yīng)天線可有效捕捉磁釘脈沖信號，電導率越高磁感應(yīng)天線就越容易捕獲磁釘?shù)拿}沖信號，磁感應(yīng)天線獲取磁釘脈沖信號的響應(yīng)速度也就越快。
在單個磁釘滿足磁感應(yīng)天線檢測響應(yīng)時間（50 ms）的前提下，在車輛行駛線路上布置編號為1632，2049 2顆磁感應(yīng)強度大小不同的磁釘，且在安裝在車輛上的磁感應(yīng)天線距地面約30 cm的狀況下進行井下車輛行駛速度為40 km/h的模擬試驗。當磁感應(yīng)天線經(jīng)過編號為1632的磁釘時，1632號磁釘能產(chǎn)生350 μS/cm電導率信號，當磁感應(yīng)天線經(jīng)過編號為2049的磁釘時，2049號磁釘能產(chǎn)生650 μS/cm電導率信號，磁感應(yīng)天線均能有效捕捉獲取磁釘脈沖信號，說明磁感應(yīng)強度大小不同的磁釘會產(chǎn)生不同的電導率，磁釘磁感應(yīng)強度過小產(chǎn)生的電導率低、產(chǎn)生的脈沖信號弱，磁感應(yīng)天線捕獲脈沖信號的難度增大，但磁釘磁感應(yīng)強度過大會導致磁釘成本增加，磁感應(yīng)強度過大的磁釘導致現(xiàn)場安裝難度加大，因此通過設(shè)計合理的磁感應(yīng)強度磁釘，得到合理的電導率，以保證磁感應(yīng)天線有效捕捉脈沖信號，并達到降低成本易于安裝的效果。
4. 磁尋跡定位關(guān)鍵技術(shù)
4.1 磁釘及磁感應(yīng)天線設(shè)計
結(jié)合目前礦用車輛行駛速度最高為40 km/h的實際情況，將磁感應(yīng)天線布置在車輛前方，將磁釘嵌入在巷道地面以下，這樣既能滿足磁感應(yīng)強度和磁釘防護的需求，又不影響車輛正常行駛。
研究并開發(fā)了適用于煤礦自動駕駛帶編號的無源感應(yīng)磁釘，其外觀為黑色圓柱形，高度為50 mm，直徑為10 mm，具備防塵防水功能。無源感應(yīng)磁釘安裝于巷道地面以下，磁釘上端部距地面5 mm，在無源感應(yīng)磁釘與磁感應(yīng)天線無障礙物遮擋情況下信號發(fā)射范圍為300~500 mm。
研究并開發(fā)了煤礦自動駕駛用磁感應(yīng)天線，其外形尺寸為600 mm×250 mm×120 mm（長×寬×高），有效讀取范圍為500 mm×175 mm，IP等級為65，磁感應(yīng)天線經(jīng)過無源感應(yīng)磁釘?shù)乃俣葹? m/s，定位精度為±5 mm，整體重量為10 kg。磁尋跡定位精度受磁感應(yīng)天線磁場生成周期影響，即磁場發(fā)生的頻率越高，定位周期越短，獲得定位精度也就越高。在磁感應(yīng)天線和無源感應(yīng)磁釘數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時間固定的情況下，定位精度主要受車輛行駛速度影響，車輛行駛速度越快，磁感應(yīng)天線和無源感應(yīng)磁釘?shù)南鄬σ苿铀俣染驮娇?，獲得定位精度就越低。
當磁感應(yīng)天線直接安裝在金屬上，易受強電磁干擾的影響，因此在使用過程中應(yīng)在磁感應(yīng)天線周圍300 mm內(nèi)，特別是在外殼周圍沒有強電磁干擾。為避免與煤礦現(xiàn)有系統(tǒng)頻段產(chǎn)生接收信號沖突，磁感應(yīng)天線選用64±4 kHz的頻段，以避免其他信號的干擾。通過加大磁感應(yīng)天線體積的方式提高磁感應(yīng)天線檢測可靠性。磁感應(yīng)天線在自動駕駛車輛正前方通過支架連接布置，磁感應(yīng)天線通過連接車輛電源進行供電，通過CAN總線與自動駕駛系統(tǒng)進行通信。經(jīng)測試，當2根磁感應(yīng)天線之間的距離為100 mm時，總電壓波動降低達±5%~?15%，2根磁感應(yīng)天線之間的距離小于200 mm時，總電壓最高波動降低6%，將會影響測量結(jié)果。根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)、硬件要求、車輛定位系統(tǒng)需求及現(xiàn)場條件，確定磁感應(yīng)天線具體安裝位置：2根磁感應(yīng)天線之間距離應(yīng)大于200 mm，但磁感應(yīng)天線距地面應(yīng)不大于20 cm。將磁感應(yīng)天線安裝于車輛前部，既保證了磁感應(yīng)天線與無源感應(yīng)磁釘?shù)木嚯x和無障礙物遮擋的要求，又解決了車輛抖動易造成精度波動大的問題，提高了磁尋跡定位的穩(wěn)定性。
4.2 磁尋跡定位算法
通過磁感應(yīng)的方式獲取車輛位置信息，采用批通知樹（Batch Informed Tree，BIT*）算法對定位路線和軌跡進行計算，并根據(jù)車輛定位信息選擇自動駕駛路徑，磁尋跡路徑搜索過程如圖3所示。首先，在可通行空間內(nèi)進行磁釘原有布置位置采樣，采樣點包括起點和目標點。其次，根據(jù)X_samples?X_free函數(shù)計算方法從起點 x_start 開始建立空間樹結(jié)構(gòu)，該空間樹將從起點 x_start 開始不斷向終點 x_goal 進行搜索，直到搜索到目標點或該樹再無法拓展為止，即確定了最終路線。再次，根據(jù)起點 x_start 和終點 x_goal 的相對關(guān)系縮小搜索域，剔除不在新搜索域內(nèi)的磁感應(yīng)點，在縮小后的搜索域內(nèi)重新尋跡采樣磁釘，更新空間樹節(jié)點的父子關(guān)系，根據(jù)迭代的結(jié)果縮小搜索域，在計算過程中不斷重復上述迭代和計算過程，直至路徑收斂至最優(yōu)，停止迭代計算，至此完成尋跡路徑的搜索過程。最后，對搜索結(jié)果進行平滑處理即得到最終結(jié)果，車輛按照計算結(jié)果，根據(jù)最優(yōu)路徑按軌跡行駛。
圖 3 磁尋跡路徑搜索過程
Figure 3. Magnetic tracking path search process
5. 現(xiàn)場應(yīng)用
5.1 磁釘布置方案
結(jié)合陜煤集團神木張家峁煤礦的巷道實際情況進行方案設(shè)計，無源感應(yīng)磁釘具體布置如圖4所示。常規(guī)路段采用單排等間距布置無源感應(yīng)磁釘。輔助運輸車輛從地面進入井口時，GPS定位信號消失，因此，在距井口20 m左右重點布置無源感應(yīng)磁釘。由于在巷道轉(zhuǎn)彎處自動駕駛對測量精度要求提高，在巷道彎道前后6 m處重點布置無源感應(yīng)磁釘。在車輛行駛路線的終點前后30 m處重點部置無源感應(yīng)磁釘。在井口、彎道和車輛行駛路線的終點重點布置場景處，采用5排4磁釘和2排5磁釘相結(jié)合的方案布置無源感應(yīng)磁釘。4磁釘布置方式具體分2排，每排與巷道中心線交錯排布，一個磁釘距巷道中心線24 cm，另一個磁釘距巷道中心線72 cm，2排間距為52 cm。5磁釘布置方式具體為2排，第1排3磁釘，第2排2磁釘，且與巷道中心線對稱，距離分別為96，48 cm，前后兩排間距為52 cm，既滿足自動駕駛響應(yīng)速度、定位精度、低延時的需求，又滿足不妨礙礦上生產(chǎn)且經(jīng)濟性最優(yōu)的效果。
圖 4 磁釘具體布置
Figure 4. Specific arrangement of magnetic nails
5.2 應(yīng)用效果
在張家峁煤礦進行了工業(yè)性試驗，在實施過程中，磁感應(yīng)天線安裝在燃油料車車頭部位，無源感應(yīng)磁釘與磁感應(yīng)天線之間無障礙物或金屬干擾，磁感應(yīng)天線在自動駕駛車輛上抖動不明顯，保證磁感應(yīng)天線的穩(wěn)定性。
在自動駕駛車輛行駛的巷道中心線預先布置帶有編號的無源感應(yīng)磁釘，然后將無源感應(yīng)磁釘相對于巷道中心線的坐標轉(zhuǎn)換為自動駕駛統(tǒng)一坐標。自動駕駛車輛按照正常程序啟動，給磁感應(yīng)天線等裝置上電，自動駕駛車輛開始正常行駛，當自動駕駛車輛進入巷道時，車輛定位系統(tǒng)由GPS定位自動切換至磁尋跡定位，此時自動駕駛車輛經(jīng)過無源感應(yīng)磁釘并接收脈沖信號，車輛控制系統(tǒng)根據(jù)BIT*算法計算出車輛所在巷道的相對位置，達到定位尋跡的目的。如磁感應(yīng)天線的數(shù)據(jù)異常，則會再次重新獲取數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)正常。若自動駕駛車輛行駛路線有所偏差，自動駕駛車輛控制系統(tǒng)將對車輛方向、速度進行調(diào)整，更正車輛行駛路徑。通過磁尋跡定位技術(shù)實現(xiàn)了自動駕駛車輛毫米級高精度、毫秒級低延時、有效的尋跡定位，使自動駕駛車輛按照最優(yōu)路徑準確行駛至終點。
6. 結(jié)論
（1） 設(shè)計了符合煤礦環(huán)境的無源感應(yīng)磁釘和磁感應(yīng)天線，在行駛的巷道中布置數(shù)個帶有編號的無源感應(yīng)磁釘，在具備輔助運輸自動駕駛車輛車頭下部安裝磁感應(yīng)天線，通過CAN總線通信方式與自動駕駛車輛通信，磁感應(yīng)天線通過獲取無源感應(yīng)磁釘脈沖信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和算法計算出車輛和無源感應(yīng)磁釘?shù)南鄬ξ恢?，從而得到車輛目前行駛的實時位置，通過BIT*算法實現(xiàn)尋跡路線的規(guī)劃計算，并將計算結(jié)果發(fā)送至車輛控制系統(tǒng)，實現(xiàn)礦用車輛自動駕駛的尋跡定位。
（2） 礦用自動駕駛車輛行駛過程是個復雜的運行場景，自動駕駛需對固定障礙物、其他移動物、岔路等綜合分析考慮，需通過激光雷達、毫米雷達波、紅外測距等多種方式實現(xiàn)自動駕駛，不能單純依靠磁尋跡定位一種方式，通過多傳感器融合判斷實現(xiàn)對隨機障礙物等的判斷分析，通過車輛控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動避障或停車避讓。后續(xù)在磁感應(yīng)天線感應(yīng)范圍、結(jié)構(gòu)體積優(yōu)化等方面需進一步提升優(yōu)化，為煤礦輔助運輸車輛自動駕駛提供一種定位技術(shù)保障。
來源：工礦自動化
