基于礦卡毫米波雷達(dá)的主動防撞預(yù)警系統(tǒng)

趙海平，侯玉山，張偉明，范志鵬，陳永旭，馮曉光，王姍姍，周華生

（1.北京中企時代科技有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；3.內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；4.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200；5.北京踏歌智行科技有限公司，北京 100089）

我國幅員遼闊、礦產(chǎn)資源豐富，大中型露天礦區(qū)超過1 000 處。礦區(qū)生產(chǎn)大多采用半連續(xù)生產(chǎn)工藝，露天礦以百噸級大型礦卡運輸巖礦的模式為主，但因礦用卡車體積龐大導(dǎo)致周圍存在盲區(qū)，駕駛員視野范圍受限，易造成交通事故。運輸?shù)缆诽厥猓肪€復(fù)雜多變，彎道、斜坡道較多和作業(yè)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致傷亡事故頻發(fā)，防碰撞自動剎車系統(tǒng)需求提升。

王洪峰以城市道路汽車主動避撞系統(tǒng)為應(yīng)用背景，以單線激光雷達(dá)為主要傳感器，根據(jù)雷達(dá)掃描特性，設(shè)計了一套具有自適應(yīng)特性的車輛前方障礙物檢測與跟蹤算法[1]；史惠敏提供了一種在不改變信號相位的情況下提高左轉(zhuǎn)車輛安全的技術(shù)，通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)對沖突等級的識別，為駕駛員提供碰撞預(yù)警[2]；肖晨等在對地鐵車輛應(yīng)急駕駛防碰撞系統(tǒng)用戶需求調(diào)研和總結(jié)基礎(chǔ)上，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、工作原理、系統(tǒng)功能、電氣接口等方面對系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行了概述，為后續(xù)地鐵車輛應(yīng)急駕駛防碰撞系統(tǒng)產(chǎn)品化和工程化研究提供了參考[3]；何大凱等利用GPS 等設(shè)備的高精確性、可靠性和穩(wěn)定性等進(jìn)行開發(fā)利用，為作業(yè)機(jī)械的防碰撞策略提供研究支持[4]。但這些主防碰撞系統(tǒng)主要是面向結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下的乘用車，并不適用于礦區(qū)復(fù)雜的道路環(huán)境?；诖?，針對礦區(qū)應(yīng)用場景的礦卡設(shè)計了一套新穎有效的毫米波雷達(dá)主動防撞預(yù)警系統(tǒng)，主動防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠有效的避免和緩解車輛碰撞、追尾等事故，為礦方避免人員安全事故、穩(wěn)定生產(chǎn)提供有力保障。

1 主動防撞預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)組成

主動防撞預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)組成如圖1。

圖1 主動防撞預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)組成

系統(tǒng)是基于C－V2X 模塊和高精度定位模塊，通過V2I、V2V、V2P 通信，分享車輛位置信息，通過遍布車身攝像頭、毫米波雷達(dá)、V2X 和高精度GPS 等感知模塊，多重覆蓋、相互校正，實時采集車身360°的障礙物信息，然后結(jié)合FPGA 高性能AI 處理器、高頻多核智能處理器和車規(guī)安全處理器對采集信息進(jìn)行處理，輸入主機(jī)M－BOX 中進(jìn)行車輛動作控制，當(dāng)遭遇緊急危險狀況時，主機(jī)M－BOX 中的主動防撞預(yù)警系統(tǒng)及時輸出緊急制動動作，由一體化制動執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)控制車輛準(zhǔn)確、靈敏完成防撞任務(wù)。

2 主動防撞預(yù)警系統(tǒng)主要模塊功能

2.1 攝像頭模塊

攝像頭模塊基于高性能的FPGA 平臺，采用深度學(xué)習(xí)框架，通過尖端AI 處理算法，能精確識別乘用車、礦卡等多種車型，支持行人檢測，支持線纜橋架、指示牌、巖堆擋墻等多種元素識別。同時通過對礦區(qū)元素定制化訓(xùn)練，能夠精確識別大礦卡、電鏟等礦區(qū)特種車輛。

2.2 毫米波雷達(dá)模塊及數(shù)據(jù)融合處理

主動防撞預(yù)警系統(tǒng)采用ARS408 和SRR308 毫米波雷達(dá)傳感器。通過合理的傳感器布置，能起到良好的盲區(qū)檢測效果。傳感器具有優(yōu)異的測量性能和高度的操作安全性，并能自動識別傳感器和傳感器環(huán)境的故障，非常堅固可靠耐用。充分利用了長距毫米波雷達(dá)測距優(yōu)勢，結(jié)合短距毫米波雷達(dá)廣角特性，既能很好探測礦卡前方遠(yuǎn)距離障礙物又能更好覆蓋了礦卡側(cè)前方盲區(qū)。

充分精巧獨特的傳感器布置，利用長距毫米波雷達(dá)測距優(yōu)勢和廣角特性，使用3 臺組合布置的毫米波雷達(dá)，起到了優(yōu)秀的盲區(qū)檢測效果。布置3 臺前向ARS408 毫米波雷達(dá)，既能很好探測礦卡前方遠(yuǎn)距離障礙物又能更好覆蓋了礦卡側(cè)前方盲區(qū)，覆蓋左前側(cè)至右前側(cè)的檢測區(qū)域。

采用了多傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，通過毫米波雷達(dá)精確測距以及視覺系統(tǒng)對物體的精準(zhǔn)識別，使得防撞預(yù)警系統(tǒng)的檢測和避障目標(biāo)更有效。

2.3 一體化制動執(zhí)行控制模塊

基于無人駕駛線控方案和制動執(zhí)行方案，形成防撞系統(tǒng)一體化制動執(zhí)行控制模塊。具備控制電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和礦卡制動線控控制功能（電動輪可線控化改造），做到精確控制和反饋，具有安全、可靠、實時的特點。一體化制動執(zhí)行控制模塊，用可靠、安全的方案解決電動輪和機(jī)械輪礦卡的執(zhí)行問題。

1）對于電動輪車型。通過對電制動和裝載制動通過線控控制器，做到高精度（控制精度優(yōu)于1%）、強(qiáng)實時（信號發(fā)出時延小于50 ms），同時可以精確采集（精度優(yōu)于1%）人工電制動信號和自動電制動剎車信號，做到閉環(huán)反饋，進(jìn)行合理決策和控制。

2）對于機(jī)械輪車型。通過控制電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制機(jī)械制動踏板，做到及時響應(yīng)制動，并結(jié)合機(jī)械制動信號，反饋給系統(tǒng)決策。

2.4 監(jiān)控統(tǒng)計平臺

主動防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠通過4G 網(wǎng)絡(luò)，自動將雷達(dá)測距數(shù)據(jù)、剎車動作數(shù)據(jù)、剎車離合開閉數(shù)據(jù)、系統(tǒng)自檢數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)故障記錄等數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至礦區(qū)調(diào)度指揮中心服務(wù)器內(nèi)，同時通過部署在服務(wù)器上的監(jiān)控統(tǒng)計平臺，自動實時統(tǒng)計所有車輛上毫米波雷達(dá)自動剎車系統(tǒng)工作運轉(zhuǎn)情況，并以報表形式展現(xiàn)出來，為管理者提供決策依據(jù)。

2.5 全景影像系統(tǒng)

全景影像終端是一款適用于大型礦卡、工程作業(yè)車輛的360°全景駕駛輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)通過改造現(xiàn)有倒車影像系統(tǒng)及加裝攝像頭完成在車身周圍前后左右的4 個超廣角、高清夜視攝像頭的運用，實時收集四周車身的高清視頻畫面，在圖像處理器中經(jīng)過圖像拼接、畸變矯正、透視變換和融合等處理，最終合成車身周圍360°的鳥瞰全景畫面，并顯示在車載顯示屏上，為司機(jī)提供360°全景駕駛輔助。系統(tǒng)可幫助駕駛?cè)藛T消除車身周圍的視覺盲區(qū)，從而有效降低交通事故的發(fā)生概率[5-6]。同時，系統(tǒng)還具有4路高清錄像功能，可為交通事故、突發(fā)事件等狀況，提供有效證據(jù)、還原事故真相。

全景影像輔助系統(tǒng)顯示，既提供了車身周圍360°全景視圖畫面，也提供了車身前、后、左、右的單視圖畫面，單視圖畫面可根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)自動切換，還可通過薄膜按鍵切換出雙邊視圖。全景影像系統(tǒng)特點：①高清夜視：在陰天或夜晚等弱光條件下，依舊可以保持高清畫質(zhì)；②智能軌跡：針對具有ESP的車型，系統(tǒng)內(nèi)置智能行車軌跡線和倒車軌跡線，為行車、泊車提供精確指引；③倒車提示線：倒車時，后視圖會顯示倒車提示線，通過綠、黃、紅3 種顏色，進(jìn)行安全距離的預(yù)警，改善了該倒車功能的用戶體驗和實際作用，為司機(jī)的安全行車提供了有力保障[7]；④車標(biāo)自定義：用戶可自定義車輛外觀和顏色，滿足多樣化的用戶需求；⑤圖像調(diào)整：用戶可根據(jù)使用需要，調(diào)整單視圖的顯示范圍以及全景圖像的亮度等；⑥高清錄像：系統(tǒng)支持4 路高清視頻同時記錄，并可對關(guān)鍵視頻進(jìn)行保護(hù)，記錄的視頻既支持本地回放，也可支持PC 端播放；⑦外置存儲：外接U 盤或移動硬盤（系統(tǒng)分U 盤版和硬盤版），最高支持2 TB 容量；⑧擴(kuò)展功能：系統(tǒng)可根據(jù)客戶需要最高支持掛接16 路雷達(dá)，對全景顯示進(jìn)行增強(qiáng)，并可通過聲音進(jìn)行提示和預(yù)警；⑨高度定制化：根據(jù)礦卡量身定制，解決礦卡盲區(qū)大的問題，其中鳥瞰拼接范圍最大可超過800 m3；⑩智能化聯(lián)動顯示：根據(jù)防撞系統(tǒng)檢測側(cè)方盲區(qū)的危險性，自動切換到對應(yīng)的側(cè)方危險視頻畫面。

3 主動防碰撞預(yù)警系統(tǒng)主要特性

1）智能感知、多重檢測。視覺感知基于深度學(xué)習(xí)框架，具有智能感知特性，多個毫米波雷達(dá)之間重疊覆蓋檢測，同時毫米波雷達(dá)與視覺進(jìn)行融合檢測，確保安全。

2）執(zhí)行精確、響應(yīng)快。通過一體化執(zhí)行控制模塊能夠精確控制車輛電制動并做到快速響應(yīng)，響應(yīng)時間50 ms。

3）全方位預(yù)警、立體化顯示。采用衛(wèi)星定位和V2V 通信技術(shù)，解決卡車周圍車輛的位置、運動方向、與本車之間的相對關(guān)系等問題。特別是對受到道路側(cè)面擋墻的遮擋、彎道的遮擋或三角體遮擋的車輛應(yīng)能及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、定位和預(yù)警[8-9]。通過V2X 超前感知，進(jìn)行語音報警，聯(lián)動全景影像進(jìn)行車身周邊視頻顯示，當(dāng)車輛行駛前方出現(xiàn)障礙物小于安全距離時，該系統(tǒng)會發(fā)出剎車提醒信號，方便輔助司機(jī)判斷前方情況提醒前方危險，在司機(jī)及時操作剎車踏板制動的情況下，自動剎車系統(tǒng)不會啟動，人為操作優(yōu)先；若司機(jī)未及時操作剎車踏板制動，則該系統(tǒng)先提示報警，再啟動電緩行，車速下降，如危險持續(xù)，則進(jìn)行剎停，并進(jìn)行裝載制動。危險排除后，司機(jī)手動按下“剎車制動解除按鍵”，使“剎車踏板”恢復(fù)原狀，剎車狀態(tài)解除[10]。

4）信息互通性。毫米波雷達(dá)主動防碰撞自動剎車系統(tǒng)、防撞預(yù)警系統(tǒng)之間具有信息互通，做到感知信息共享，相互確認(rèn)，還可以根據(jù)實際需要，設(shè)置報警聲音、預(yù)警靈敏度等信息，讓預(yù)警更符合需求。

5）高適應(yīng)性、高穩(wěn)定性。能夠適應(yīng)露天礦現(xiàn)場惡劣環(huán)境，抗震、耐高溫低溫（－40～＋75 ℃）；能適用于任何車型，不影響原車結(jié)構(gòu)、體積小、操作簡易。在不同天氣（白天、夜晚等）、不同的介質(zhì)（粉塵、大霧等）、車輛不同運行姿態(tài)（同向、相向、彎道、平路、上坡、下坡、空車、重車等姿態(tài)可以通過傳感器判斷）條件下均應(yīng)能夠達(dá)到準(zhǔn)確的防撞效果。

6）自檢功能。系統(tǒng)在每次通電開機(jī)后都自動進(jìn)行設(shè)備自檢工作，自檢結(jié)果會通過顯示器和提醒司機(jī)。

4 實施應(yīng)用情況

主動防撞預(yù)警系統(tǒng)分別在內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司南露天煤礦、扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司、國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司露天礦等進(jìn)行了實施應(yīng)用。

內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司南露天煤礦開采年限已有40 年歷史，年核定產(chǎn)能1 800 萬t。該礦于2019 年11 月開始使用前面提出的主動防撞預(yù)警系統(tǒng)，并在117 臺礦用卡車上進(jìn)行了系統(tǒng)安裝。扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司位于霍林河煤田二采區(qū)，年核定產(chǎn)能1 800 萬t，并于2020 年5 月開始使用主動防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，在76 臺礦用卡車車輛進(jìn)行了安裝。白音華二號礦是國家電投集團(tuán)為實現(xiàn)跨區(qū)域煤電聯(lián)營打造的又一煤源基地生產(chǎn)煤礦之一，該礦于2005 年開工建設(shè)，2010 年投運，2020 年4 月開始使用主動防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，在24 臺礦用卡車車輛上進(jìn)行了安裝。

主防碰撞系統(tǒng)應(yīng)用期間，可以通過V2X 超前感知，進(jìn)行語音報警，聯(lián)動全景影像進(jìn)行車身周邊視頻顯示，在危險時刻進(jìn)行前向避撞剎車，也可以通過傳感器判斷車輛是在轉(zhuǎn)彎、傾斜、上坡、下坡等姿態(tài)，實現(xiàn)更有效、更精確的防撞效果；其次，該系統(tǒng)通過一體化執(zhí)行控制模塊可以做到快速響應(yīng)，響應(yīng)時間50 ms；此外，當(dāng)車輛行駛前方出現(xiàn)障礙物小于安全距離時，先提示報警，再啟動電緩行，車速下降，如危險持續(xù)，則進(jìn)行剎停，并進(jìn)行裝載制動。系統(tǒng)在3 大礦區(qū)應(yīng)用至今，一直保持零事故運營的佳績。為礦用卡車的生產(chǎn)運營提供了較大的安全保證，變被動防撞為主動，極大的降低了礦區(qū)緊急事故發(fā)生率。

5 結(jié)語

提出了一套適用于礦區(qū)生產(chǎn)環(huán)境的主動防碰撞系統(tǒng)，并針對礦區(qū)生產(chǎn)環(huán)境需求進(jìn)行了功能設(shè)計。當(dāng)卡車與前方車輛有碰撞危險的情況下，主動防碰撞系統(tǒng)可以采取自動緊急制動措施，極大的降低了礦區(qū)緊急事故發(fā)生率，最大限度地減少了安全事故的發(fā)生，實現(xiàn)了礦區(qū)安全生產(chǎn)作業(yè)的目標(biāo)，降低了夜間作業(yè)和疲勞駕駛的事故發(fā)生率，對保障礦區(qū)安全生產(chǎn)有重大意義。