淺析礦用卡車無人駕駛技術(shù)發(fā)展趨勢

劉育銘

(北華大學(xué)，吉林 吉林 132000)

0 引 言

無人駕駛礦用卡車能夠解決駕駛?cè)藛T在工作時存在的安全隱患問題，極大限度的降低了人員參與，在節(jié)省了人力成本的同時也提高了作業(yè)人員的安全以及生產(chǎn)效率。目前，在一些國家現(xiàn)有的露天礦中存在著勞動力短缺，勞動力成本較高的情況。面對日益增長的能源需求，各國正在積極探索礦山智能化建設(shè)，以應(yīng)對復(fù)雜偏遠(yuǎn)礦區(qū)的發(fā)展[1]。由于人員駕駛的礦用卡車容易受到路況、車況、氣候等客觀環(huán)境的影響，造成情緒波動，影響工作狀態(tài)，容易造成安全事故。而無人駕駛技術(shù)的引入有三個優(yōu)點：一方面在特定區(qū)域內(nèi)移動無障礙；第二固定的路線內(nèi)行駛車速較低，無技術(shù)障礙；最后是無司機(jī)參與，將人工成本降到最低，保障了人員的安全。無人駕駛礦用卡車可以基本解決駕駛員安全問題，節(jié)約勞動力成本，提高生產(chǎn)工作效率，并確保人員工作安全。

1 露天礦用卡車無人駕駛技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 露天礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)組成

礦用卡車無人駕駛技術(shù)包括環(huán)境感知技術(shù)、定位技術(shù)、規(guī)劃決策以及車輛控制等組成[2]。首先，礦用卡車通過裝備的多種傳感器對環(huán)境進(jìn)行感知，通過定位系統(tǒng)確定車身以及裝載和卸載的位置，通過管控調(diào)度平臺對每輛車的運輸路線進(jìn)行規(guī)劃，選擇最優(yōu)的行駛路線，并指定相應(yīng)工作車輛按規(guī)定路線行駛，在裝卸貨地點進(jìn)行裝卸工作。露天礦無人駕駛卡車作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 露天礦無人駕駛卡車作業(yè)流程

1.2 國外露天礦用無人駕駛卡車現(xiàn)狀

國外針對應(yīng)用于礦區(qū)卡車的無人駕駛技術(shù)的研究早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始。在1994年，美國從卡特彼勒公司引進(jìn)了兩種無人礦卡。1995年，小松公司在日本一個裝載77 t貨物的礦山進(jìn)行了無人采礦試驗。在21世紀(jì)，卡特公司的“Mine Star”和小松公司的“AHS”系統(tǒng)的先后出現(xiàn)極大推動了無人駕駛技術(shù)在礦車上的應(yīng)用。目前，小松自動運輸系統(tǒng)已在澳大利亞和智利等國家運行多年，成為成熟的技術(shù)應(yīng)用于露天礦車的運輸工作[3]。

(1)“Mine Star”系統(tǒng)

“Mine Star”系統(tǒng)由車輛管理系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)、安全檢測系統(tǒng)、設(shè)備診斷系統(tǒng)與指揮系統(tǒng)5個功能模塊組成。車輛管理系統(tǒng)可確保實時跟蹤車輛，并根據(jù)計劃分配車輛，對車輛的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計管理。生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)對作業(yè)車輛的挖掘、裝載、傾倒等操作進(jìn)行管理。安全檢測系統(tǒng)是基于各類環(huán)境檢測裝置以及報警系統(tǒng)，以避免車輛在作業(yè)與會車過程中的碰撞。設(shè)備診斷系統(tǒng)可以顯示設(shè)備的運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行診斷和分析，并及時發(fā)送數(shù)據(jù)。“Mine Star”系統(tǒng)將各功能模塊所分析的數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)礦車的裝載、運輸和卸載，以及車輛行駛路徑的規(guī)劃。

小松自動運輸系統(tǒng)(Autonomous Haulage System，簡稱AHS)是一個由配備了高精度GPS定位系統(tǒng)的礦山車隊控制中心管理的綜合性礦山車隊管理系統(tǒng)。它將為每輛卡車發(fā)送將貨物運往指定的目的地的指令，隨后礦車按照接收到的指令按計劃路線行駛。“AHS”系統(tǒng)的優(yōu)點是：(1)減少卡車司機(jī)成本支出；(2)降低運營成本；(3)增強(qiáng)安全性，減少工作是發(fā)生意外事故的次數(shù)。

1.3 國內(nèi)露天礦用無人駕駛卡車現(xiàn)狀

目前，我國的礦車無人駕駛技術(shù)還處于起步階段，所以為提高我國采礦運輸?shù)目煽啃浴踩院托?，提高我國礦業(yè)的國際競爭力，大力發(fā)展礦用卡車無人駕駛技術(shù)就顯得尤為重要[4]。

徐工集團(tuán)還在寶馬2018上推出了無人駕駛測試車，此車基于百度APOLLO平臺架構(gòu)在礦用自卸車上應(yīng)用了多種無人駕駛技術(shù)。

2018年9月，北方股份研制的172 t無人駕駛電動輪礦車在包鋼集團(tuán)進(jìn)行測試，此礦車應(yīng)用北京踏歌智行科技有限公司所研發(fā)的控制技術(shù)，型號為MT3600。該車各項工作性能良好，能夠準(zhǔn)確、安全地完成礦區(qū)貨物的裝卸、精確停車、自主避障以及路徑循跡作業(yè)等環(huán)節(jié)。

1.4 礦區(qū)無人駕駛技術(shù)所面臨的問題

目前，礦區(qū)無人駕駛技術(shù)還存在以下問題。

(1)礦區(qū)無人駕駛的配套技術(shù)相對落后。無人駕駛系統(tǒng)需要與智能采礦技術(shù)、先進(jìn)的礦區(qū)管理水平和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施相匹配，以確保其正常運行。

(2)無人駕駛的核心技術(shù)難以突破。未來人工智能算法的研究將在無人礦用卡車上發(fā)揮重要作用。

2 礦車無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

目前，露天礦用卡車所用到的關(guān)鍵技術(shù)主要分為環(huán)境感知技術(shù)、定位技術(shù)、決策規(guī)劃、控制等幾項關(guān)鍵技術(shù)。

熱力燃燒法。熱力燃燒法需要加入輔助燃料作為助燃?xì)怏w，溫度一般在500～900℃范圍內(nèi)。低濃度VOCs可燃?xì)怏w可采用熱力燃燒法。

2.1 環(huán)境感知技術(shù)

對于礦區(qū)無人駕駛，影響感知率的主要因素如下：(1)溫差變化較大，使得傳感器應(yīng)具備大范圍溫度工作的能力；(2)道路不平，有許多碎石和斜坡，行駛時過于顛簸會影響車輛的行駛穩(wěn)定性，進(jìn)而影響傳感器的感知能力。礦區(qū)車輛在復(fù)雜的工作環(huán)境中運行，無人駕駛礦卡的感知系統(tǒng)必須采用多層異構(gòu)傳感器融合方法，以提高環(huán)境感知的準(zhǔn)確性和魯棒性。

目前，無人駕駛礦用卡車的環(huán)境感知系統(tǒng)主要用到毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺傳感器等[5]。毫米波雷達(dá)優(yōu)點是分辨率高，體積小，并根據(jù)前方障礙物與卡車之間的相對距離主動調(diào)整自身速度。激光雷達(dá)具有體積小、重量輕、遠(yuǎn)距離跟蹤、穩(wěn)定性高、魯棒性好等優(yōu)點。激光雷達(dá)應(yīng)用于無人駕駛礦車中不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射，可24 h全天候工作，其優(yōu)點在于頻率高，集成度高，體積小便于操作，具有迅速獲取數(shù)據(jù)的能力，成為無人駕駛不可或缺的設(shè)備。外部環(huán)境信息是多通過攝像機(jī)獲得的，視覺傳感器的性能通常用圖像分辨率來描述。主要用于無人礦區(qū)的車道線、交通標(biāo)志、障礙物和行人的識別。在行駛采礦車輛時，感知系統(tǒng)安裝的傳感器用于收集實時數(shù)據(jù)、實時感知環(huán)境以及檢測動態(tài)和靜態(tài)對象[6]。

2.2 定位導(dǎo)航技術(shù)。

精準(zhǔn)定位與導(dǎo)航是無人駕駛技術(shù)不可或缺的一部分內(nèi)容，主流的定位導(dǎo)航技術(shù)包括全球定位系統(tǒng)(GPS)、GNSS差分定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)。

礦卡中使用的全球定位系統(tǒng)(GPS)的優(yōu)點在于全天候、全球性、無累積誤差和高定位精度。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有較長的續(xù)航時間和較長的使用壽命，能夠根據(jù)少量的測量狀態(tài)信息導(dǎo)出位置、速度和導(dǎo)航角度等許多精確信息，它能有效地保證數(shù)據(jù)傳輸在一定時間內(nèi)的穩(wěn)定性和一致性。然而，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用積分。經(jīng)過一定時間的積累，小的誤差不可避免地積累成誤差，所以長期的精度是不夠的。GNSS差分定位技術(shù)具有全天候、全方位、抗干擾能力強(qiáng)、實時連續(xù)等特點，并能實時校正定位誤差。但是，簡單的GNSS定位精度僅為米級，不能滿足高等級自動駕駛厘米級高精度自動控制定位的需要[7]。

分析介紹了以上主流的定位導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)缺點，未來多定位系統(tǒng)組合定位將成為一大趨勢，對于環(huán)境多變的礦山區(qū)域可以提高定位精確度。

2.3 規(guī)劃與決策

決策規(guī)劃(Decision，Planning)系統(tǒng)是在對感知到的周邊物體的預(yù)測軌跡的基礎(chǔ)上，增加各項約束條件，結(jié)合無人車的當(dāng)前位置和意圖，進(jìn)行最優(yōu)的路徑選取，對車輛做出最合理的決策和控制。

目前，無人駕駛車輛主要使用的行為決策算法有三種：(1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于確定特定場景并做出適當(dāng)行為的決策；(2)基于規(guī)劃：列出所有可能的組合，然后根據(jù)基于規(guī)則的技術(shù)路線對車輛決策系統(tǒng)進(jìn)行編程；(3)混合路線：綜合以上兩種方?jīng)Q策方法。其中，混合路線是目前使用最廣泛的路線。

2.4 控制

控制是無人駕駛車輛的關(guān)鍵，分為縱向控制和橫向控制。(1)縱向控制，是控制車輛前進(jìn)的速度，加速度，與前車的距離幾項因素，即車輛的驅(qū)動與制動控制，要實現(xiàn)這幾個參數(shù)的控制，通過油門踏板與制動的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)與預(yù)期車速的精確匹配。(2)橫向控制，橫向控制是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向力所產(chǎn)生的車身橫擺的效果，即通過控制方向盤轉(zhuǎn)動角度和控制輪胎力，實現(xiàn)無人駕駛汽車的定向跟蹤。另外，車輛控制系統(tǒng)是無人駕駛礦車的核心部件，主要包括電子控制單元(ECU)和通信總線兩部分。

3 露天礦用卡車無人駕駛發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)和無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)的分析，預(yù)測露天礦無人礦卡發(fā)展趨勢如下。

(1)多系統(tǒng)組合定位、多傳感器融合：目前，單一的定位系統(tǒng)無法滿足礦用卡車在復(fù)雜多變的環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)定位，使用多定位系統(tǒng)相結(jié)合、多高精度系統(tǒng)輔助定位的方式，可極大改善礦區(qū)車輛工作時的穩(wěn)定性和連續(xù)性；此外，單一傳感器的目標(biāo)檢測對于礦山運輸中裝卸、卡車路徑循跡作業(yè)等環(huán)節(jié)還存在許多問題。未來多傳感器與定位系統(tǒng)高度融合，將是露天礦用卡車無人駕駛的發(fā)展方向[8]。

(2)人工智能算法的應(yīng)用：目前，激光雷達(dá)幾乎已成為無人駕駛礦用卡車所必備的環(huán)境感知工具，但激光雷達(dá)數(shù)據(jù)稀疏且價格昂貴，而相機(jī)所識別的物體數(shù)據(jù)信息十分豐富，所以深度研究人工智能算法對于復(fù)雜路況檢測，提高識別精度具有很大幫助。未來，將智能算法應(yīng)用于相機(jī)的視覺感知，將大大降低成本，提高無人礦卡在作業(yè)中的工作能力。

(3)云技術(shù)的應(yīng)用：5G技術(shù)的最大特點是高速率、低時延、大容量、連接廣。由于無人駕駛要求巨大的運算量，5G超高速網(wǎng)絡(luò)既可以實現(xiàn)無人卡車大量數(shù)據(jù)的實時傳輸，又可以保證車隊之間的協(xié)同駕駛、保證無人駕駛決策執(zhí)行系統(tǒng)的安全運行[9]。

(4)車路協(xié)同、輔助駕駛：基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的改進(jìn)來輔助車輛駕駛，可以將輔助駕駛系統(tǒng)的難易度降低，因為從安全的角度出發(fā)，未來的無人駕駛，不是簡單的單量車的智能化，而是逐漸向車道的協(xié)同模式發(fā)展。

4 結(jié) 語

無人化與智能化的研究發(fā)展是未來礦山發(fā)展的必然趨勢，結(jié)合環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、決策控制等無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)，未來將充分解決露天礦卡車作業(yè)過程中的各項難題。

并且，針對露天礦場復(fù)雜、惡劣的氣候與環(huán)境影響系統(tǒng)正常運行工作的問題，需進(jìn)一步發(fā)展、升級深度學(xué)習(xí)、目標(biāo)檢測、定位導(dǎo)航、人工智能等相關(guān)領(lǐng)域，使得露天礦山環(huán)境下的卡車無人駕駛技術(shù)將日趨成熟與完善。