礦井車輛無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究

孫繼平， 江嬴

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、水、火、沖擊地壓、頂板、運(yùn)輸、機(jī)電、爆破等事故困擾著煤礦安全生產(chǎn)[1-4]。通過智能化、信息化、自動(dòng)化和機(jī)械化，減少煤礦井下作業(yè)人員，是安全、高效、綠色、智能化礦井的必然選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦井下輔助運(yùn)輸人員占煤礦井下作業(yè)人員1/3以上[5]。因此，減少煤礦井下輔助運(yùn)輸人員，是建設(shè)安全、高效、綠色、智能化礦井的關(guān)鍵。

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)取Ｃ旱V輔助運(yùn)輸具有如下特點(diǎn)：① 運(yùn)輸線路隨采掘工作面推進(jìn)和搬遷而變化；② 工作地點(diǎn)分散、運(yùn)輸線路復(fù)雜；③ 待運(yùn)物料品種繁多、形狀各異；④ 井下巷道空間狹??；⑤ 光照條件差；⑥ 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。

礦井無軌膠輪車和電機(jī)車（以下簡稱礦井車輛）是煤礦主要輔助運(yùn)輸設(shè)備。無軌膠輪車不需要專門的軌道，主要以柴油機(jī)和蓄電池為動(dòng)力，也有的采用架空線、拖拽電纜供電（又稱梭車）。電機(jī)車有專門的軌道，主要有架線電機(jī)車和蓄電池電機(jī)車。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。

1 礦井車輛無人駕駛特點(diǎn)

（1） 煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，所有礦井必須裝備人員位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。礦井人員位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是國家要求裝備的煤礦安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)之一，在煤礦安全生產(chǎn)、事故應(yīng)急救援和事故調(diào)查中發(fā)揮著重要作用：遏制超定員生產(chǎn)、防止人員進(jìn)入采空區(qū)等危險(xiǎn)區(qū)域、發(fā)現(xiàn)超時(shí)作業(yè)人員、特種作業(yè)人員管理、干部下井管理、入井考勤、持證上崗管理等[6-7]。隨著礦井人員定位技術(shù)的發(fā)展，采用UWB等技術(shù)研發(fā)了礦井人員精確定位系統(tǒng)，定位精度為0.3 m。礦井人員精確定位系統(tǒng)除具有上述礦井人員位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能外，還增加了以下功能：礦井水災(zāi)、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤礦重特大事故預(yù)警；超層越界盜采監(jiān)測(cè)；遇險(xiǎn)遇難人員定位；放炮閉鎖；井下爆炸物品庫、變電所、水泵房等區(qū)域準(zhǔn)入；按需照明、人在燈亮人走燈滅；防止車輛傷人；車輛定位等。礦井人員定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知。礦井人員和車輛精確定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人車閉鎖，避免車輛傷人。這是地面車輛無人駕駛難以做到的。

（2） 礦井車輛全部受控。為避免或減少車輛運(yùn)輸事故，提高運(yùn)輸效率，安全高效現(xiàn)代化礦井均裝備礦井車輛定位與調(diào)度管理系統(tǒng)[8]，全面監(jiān)控煤礦井下所有車輛，可實(shí)現(xiàn)車車閉鎖，避免車輛碰撞。這也是地面車輛無人駕駛難以做到的。

（3） 礦井軌道運(yùn)輸設(shè)備只需一維定位。電機(jī)車等礦井軌道運(yùn)輸設(shè)備在固定的軌道上運(yùn)行，軌道在巷道中的位置是確定的。因此，電機(jī)車等礦井軌道運(yùn)輸設(shè)備可通過軸向位置，推算出橫向位置，只需軸向一維定位，不需要軸向和橫向二維定位。

（4） 煤礦井下光照條件差。煤礦井下無陽光、月光和星光。發(fā)光設(shè)備主要有礦燈、車燈、巷道燈、信號(hào)燈、指示燈、攝像機(jī)補(bǔ)光燈、手機(jī)燈等[9]，光照條件差。

（5） 煤礦井下無線傳輸衰減大。煤礦井下是受限空間，電磁波傳輸與地面不同，傳輸衰減大，傳輸模型復(fù)雜多變，傳輸衰減受巷道截面大小和形狀、圍巖介質(zhì)、彎曲、分支、傾斜、表面粗糙度、支護(hù)、電纜與水管等縱向?qū)w、工字鋼支護(hù)等橫向?qū)w、風(fēng)門與機(jī)車等阻擋體影響。

（6） 煤礦井下無衛(wèi)星信號(hào)。煤礦井工開采深度一般為數(shù)百米，最深達(dá)千米以上。衛(wèi)星定位信號(hào)無法穿透煤巖到達(dá)煤礦井下。因此，礦井車輛不能采用衛(wèi)星定位技術(shù)。

（7） 煤礦井下電磁環(huán)境復(fù)雜。煤礦井下空間狹小，設(shè)備相對(duì)集中，機(jī)電設(shè)備功率大，單臺(tái)設(shè)備功率達(dá)數(shù)兆瓦，電磁環(huán)境復(fù)雜。大功率變頻設(shè)備工作、大功率設(shè)備啟停、架線電機(jī)車火花等會(huì)干擾礦井車輛無人駕駛設(shè)備。因此，礦井車輛無人駕駛設(shè)備應(yīng)具有良好的電磁兼容性。

（8） 煤礦井下電氣設(shè)備必須防爆。煤礦井下有CH4，CO等可燃性氣體和煤塵，用于煤礦井下的電氣設(shè)備必須防爆。為防止無線輻射在附近金屬感生電動(dòng)勢(shì)放電，引爆瓦斯，煤礦井下無線輻射閾值≤6 W。本質(zhì)安全型防爆具有安全性好、設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、可用于煤礦井下任何地點(diǎn)和瓦斯超限環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因此，礦井車輛無人駕駛設(shè)備必須防爆，并優(yōu)選本質(zhì)安全型防爆。

（9） 煤礦井下環(huán)境惡劣。煤礦井下潮濕、有淋水和粉塵，礦井車輛無人駕駛設(shè)備應(yīng)有較好的防護(hù)性能。煤礦井下巷道底板不平，礦井車輛無人駕駛設(shè)備應(yīng)有較好的防震性能。

2 礦井車輛定位技術(shù)

礦井車輛定位是礦井車輛無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)之一。礦井車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位技術(shù)主要有超聲波定位、激光定位、無線電定位、慣性導(dǎo)航、里程計(jì)等技術(shù)。其中，無線電定位、慣性導(dǎo)航、里程計(jì)等是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的礦井車輛定位技術(shù)。

2.1 超聲波定位技術(shù)

煤礦井下超聲波定位技術(shù)主要采用超聲波雷達(dá)測(cè)距方法。超聲波雷達(dá)向車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)發(fā)射超聲波，并開始計(jì)時(shí)（開始計(jì)時(shí)時(shí)刻為T0）；超聲波雷達(dá)接收動(dòng)目標(biāo)反射的超聲波，并停止計(jì)時(shí)（停止計(jì)時(shí)時(shí)刻為T1）。根據(jù)動(dòng)目標(biāo)距超聲波雷達(dá)的距離（式（1））和超聲波雷達(dá)的位置，對(duì)動(dòng)目標(biāo)定位。

式中：L1為動(dòng)目標(biāo)距超聲波雷達(dá)的距離，m；V為超聲波在空氣中傳播速度，340 m/s；T1?T0為超聲波在超聲波雷達(dá)至動(dòng)目標(biāo)之間的往返時(shí)間，s。

超聲波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)。但超聲波定位技術(shù)可用于礦井車輛障礙物識(shí)別及測(cè)距。

2.2 激光定位技術(shù)

煤礦井下激光定位技術(shù)主要采用激光測(cè)距方法。激光發(fā)射器向車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)發(fā)射激光束，并開始計(jì)時(shí)（開始計(jì)時(shí)時(shí)刻為T2）；激光接收器接收動(dòng)目標(biāo)反射的激光束，并停止計(jì)時(shí)（停止計(jì)時(shí)時(shí)刻為T3）。根據(jù)動(dòng)目標(biāo)距激光收發(fā)裝置的距離（式（2））和激光收發(fā)裝置的位置，對(duì)動(dòng)目標(biāo)定位。

式中：L2為動(dòng)目標(biāo)距激光收發(fā)裝置的距離，m；C為光速，3×105km/s；T3?T2為激光束在激光收發(fā)裝置至動(dòng)目標(biāo)之間的往返時(shí)間，s。

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)。但激光定位技術(shù)可用于礦井車輛障礙物識(shí)別及測(cè)距。

2.3 無線電定位技術(shù)

目前，煤礦井下車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位主要采用無線電定位技術(shù)。礦井車輛和人員等動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)一般由主機(jī)、定位分站、定位卡、便攜式定位儀、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（可與定位分站一體）、電源箱（含備用電源，可與定位分站一體）、天線（可與定位分站一體）、電纜、光纜、接/分線盒、避雷器等組成。定位卡由下井人員攜帶或設(shè)置在車輛上。定位卡存儲(chǔ)定位算法和身份識(shí)別信息；當(dāng)進(jìn)入定位分站定位范圍時(shí)，將身份識(shí)別信息發(fā)送給定位分站，與定位分站共同測(cè)定定位卡位置；具有發(fā)出事故報(bào)警、接收緊急撤人命令、聲光和振動(dòng)報(bào)警等功能。定位分站設(shè)置在巷道中，通過無線方式讀取定位卡內(nèi)身份識(shí)別信息，與定位卡共同測(cè)定定位卡位置；接收定位卡發(fā)出的事故報(bào)警，向定位卡發(fā)送緊急撤人命令；通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等與主機(jī)雙向通信。

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(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、無線覆蓋半徑大（平直大巷無線覆蓋半徑達(dá) 800 m）、定位精度較高（定位誤差≤3 m）、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、無線覆蓋半徑大、定位精度最高（定位誤差≤0.3 m）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（定位誤差≤1 m）等優(yōu)點(diǎn)，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(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無線電定位技術(shù)。

2.4 慣性導(dǎo)航技術(shù)

礦用慣性導(dǎo)航技術(shù)通過慣性測(cè)量裝置測(cè)量動(dòng)目標(biāo)的加速度，經(jīng)積分運(yùn)算得到動(dòng)目標(biāo)運(yùn)行速度和相對(duì)位移，在已知初始位置的條件下，計(jì)算得到動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前位置。慣性測(cè)量裝置包括陀螺儀和加速度傳感器。三自由度陀螺儀測(cè)量動(dòng)目標(biāo)3個(gè)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；三軸加速度傳感器測(cè)量動(dòng)目標(biāo)3個(gè)垂直方向的加速度。慣性導(dǎo)航技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 不依賴外部信息，不受外界電磁干擾；② 可連續(xù)提供加速度、方向角、速度、相對(duì)位置等；③ 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)：① 定位誤差隨時(shí)間增加而增大，長期不校準(zhǔn)則定位誤差大；② 劇烈的車輛振動(dòng)、顛簸會(huì)增加定位誤差；③ 絕對(duì)位置需根據(jù)初始位置和相對(duì)位置來計(jì)算；④ 不輸出時(shí)間信息；⑤ 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)，可作為礦井車輛輔助定位技術(shù)。

2.5 即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)

礦用即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)是一種新的礦井車輛定位方法，即動(dòng)目標(biāo)使用激光雷達(dá)點(diǎn)云，在移動(dòng)過程中根據(jù)位置和巷道地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上構(gòu)建增量地圖，實(shí)現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航。礦用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)。

2.6 里程計(jì)

里程計(jì)通過監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)數(shù)，再乘以車輪周長，得到車輛相對(duì)位移。里程計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 不依賴外部信息，不受外界干擾；② 可連續(xù)提供相對(duì)位移；③ 可靠性高；④ 成本低。但里程計(jì)存在如下缺點(diǎn)：① 屬一維定位方法，左右位移也計(jì)入前后位移；② 絕對(duì)位置需根據(jù)初始位置和相對(duì)位置來計(jì)算；③ 定位誤差隨時(shí)間增加而增大，長期不校準(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)。

3 障礙物識(shí)別與測(cè)距技術(shù)

障礙物識(shí)別與測(cè)距是礦井無人駕駛車輛避障和安全行駛的關(guān)鍵。煤礦井下電氣防爆、光照條件差、粉塵大、無線傳輸衰減大、電磁干擾嚴(yán)重等特殊性，制約著地面無人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距技術(shù)直接在煤礦井下應(yīng)用。因此，需根據(jù)煤礦井下特殊性和要求，研究礦井無人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距技術(shù)，主要有激光雷達(dá)、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)等。

3.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)通過激光發(fā)射器發(fā)射激光，激光接收器接收物體反射回來的激光，根據(jù)激光傳播時(shí)間和光速，計(jì)算激光雷達(dá)與反射物之間的距離。激光雷達(dá)通過激光掃描，獲取激光雷達(dá)周邊環(huán)境物體形狀和距離。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)是礦井無人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距主要設(shè)備。

3.2 毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)發(fā)射的毫米波經(jīng)過物體反射后，被雷達(dá)接收，根據(jù)電磁波傳播時(shí)間和速度，計(jì)算毫米波雷達(dá)與反射物之間的距離；通過多個(gè)不同位置的接收天線接收到的回波相位差，計(jì)算反射物方位。當(dāng)毫米波雷達(dá)與反射物之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波會(huì)發(fā)生頻移，根據(jù)多普勒原理，可計(jì)算出毫米波雷達(dá)與反射物之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。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)可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距輔助設(shè)備。

3.3 紅外攝像機(jī)

紅外攝像機(jī)通過檢測(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)是礦井無人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距輔助設(shè)備，主要用來探測(cè)人員、運(yùn)行的機(jī)車和設(shè)備等溫度較高的物體。

3.4 可見光攝像機(jī)與雙目視覺相機(jī)

可見光攝像機(jī)通過算法識(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)。可見光雙目視覺相機(jī)由2個(gè)可見光攝像機(jī)組成，通過算法識(shí)別障礙物和測(cè)距，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)。可見光攝像機(jī)與雙目視覺相機(jī)可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識(shí)別與測(cè)距輔助設(shè)備。

4 地面遠(yuǎn)程控制與無線通信技術(shù)

礦井車輛無人駕駛包括自動(dòng)駕駛、地面遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)駕駛+地面遠(yuǎn)程控制等方法。礦井無人駕駛車輛在自動(dòng)駕駛過程中，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，需大寬帶、短時(shí)延、高可靠的礦用寬帶無線通信系統(tǒng)。

礦用寬帶無線通信系統(tǒng)主要有礦用5G無線通信系統(tǒng)和礦用WiFi6無線通信系統(tǒng)[10-13]。礦用5G無線通信系統(tǒng)具有大寬帶、短時(shí)延、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。礦用WiFi6無線通信系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但時(shí)延和可靠性難以保證。需研究WiFi7在礦井車輛地面遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用。

5 結(jié)論

（1） 礦井車輛無人駕駛具有如下特點(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、無線傳輸衰減大、無衛(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） 礦井無人駕駛車輛在自動(dòng)駕駛過程中，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5G無線通信系統(tǒng)。