礦用無(wú)人駕駛電動(dòng)皮卡車底層設(shè)計(jì)與整車改造

薛忠新，歐陽(yáng)敏，畢躍起，楊斐文，范生軍，王 峰，吉 強(qiáng)，侯 剛

(1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719313；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030032)

煤炭當(dāng)前依然是國(guó)家主體能源，煤炭企業(yè)依據(jù)黨中央和國(guó)家的能源戰(zhàn)略，按照綠色低碳的發(fā)展方向，對(duì)標(biāo)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)，依據(jù)八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，積極發(fā)展煤礦綠色、智能技術(shù)與成套裝備[1-3]。

智能礦山概念、無(wú)人駕駛礦卡、遠(yuǎn)程遙控操作等先進(jìn)技術(shù)和理念在礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開始了應(yīng)用研究。目前諸多技術(shù)成果已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。2007年底，AtlasCopeo公司在芬蘭的Kemi礦山成功進(jìn)行了地下礦用汽車的自動(dòng)化試驗(yàn)[7]；美國(guó)卡特彼勒集團(tuán)在索羅門礦區(qū)進(jìn)行無(wú)人駕駛卡車集群化作業(yè)，車隊(duì)規(guī)模已增至59臺(tái)，累計(jì)運(yùn)量超過(guò)2.4億t，是世界單一礦區(qū)規(guī)模最大的無(wú)人車隊(duì)，與同類普通車隊(duì)相比，生產(chǎn)力提高20%，且有效提高了生產(chǎn)安全系數(shù)。我國(guó)2019 年頒布了煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄[8]，以國(guó)家能源集團(tuán)為代表的大型采礦企業(yè)與技術(shù)裝備企業(yè)合作，開發(fā)出5類、38種礦用機(jī)器人，初步完成智能化綜采工作面、露天煤礦無(wú)人駕駛等技術(shù)的研究與應(yīng)用，正在構(gòu)建綠色高效安全的智能化井工礦井[9，10]。

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院分析論證了基于4G通信技術(shù)的煤礦井下防爆車輛無(wú)人駕駛的可行性[11，12]；丁震等人[13]分析了國(guó)內(nèi)外露天礦山用卡車無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了露天礦山卡車無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)；通過(guò)分析對(duì)比前裝線控和后裝線控兩種技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)，提出多傳感器高度融合將是露天礦山卡車實(shí)現(xiàn)全天候環(huán)境感知的發(fā)展方向。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出了一種紅外置頂循跡的井下無(wú)人駕駛無(wú)軌膠輪車及其行駛控制方法[14]；余婭榮[15]以運(yùn)動(dòng)過(guò)程中局部路徑跟蹤為研究對(duì)象，提出基于模型預(yù)測(cè)的前饋-反饋模糊控制算法，能對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的行為作出預(yù)測(cè)并解決系統(tǒng)建模的不確定性、外部環(huán)境干擾和時(shí)間延遲問(wèn)題。張倫[16]對(duì)礦用自卸卡車進(jìn)行了線控化改裝。研發(fā)了無(wú)人駕駛接口控制器及卡車發(fā)動(dòng)機(jī)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)接口程序，以CAN總線方式與整車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)整車的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)反饋。線控改造有效的提升了礦卡的安全性。吳鑫[17]結(jié)合煤礦井下運(yùn)輸環(huán)境和無(wú)人駕駛技術(shù)要求，提出了運(yùn)輸調(diào)度網(wǎng)、光纖骨干網(wǎng)和移動(dòng)接入網(wǎng)組成的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感的定位技術(shù)、軌道障礙物識(shí)別、井下環(huán)境檢測(cè)和無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等進(jìn)行技術(shù)分析。

電動(dòng)皮卡車是煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要交通工具，可用于運(yùn)輸物料、儀器設(shè)備以及工作人員等，具有效率高、用途廣和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，由于井下惡劣的環(huán)境以及人工駕駛的不確定性，導(dǎo)致無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸事故頻發(fā)[18-20]。無(wú)人駕駛技術(shù)具有自動(dòng)、高效、安全等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于無(wú)軌膠輪車可大幅降低井下運(yùn)輸事故發(fā)生率，促進(jìn)井下無(wú)人化運(yùn)輸系統(tǒng)建立。

1 無(wú)人駕駛車輛技術(shù)框架

無(wú)人駕駛車輛系統(tǒng)方案示意如圖1所示，其主要由執(zhí)行層、控制層、決策規(guī)劃層、認(rèn)知層和感知層五部分組成。其中執(zhí)行層為電動(dòng)皮卡車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、以及電器系統(tǒng)如燈光、喇叭等。

執(zhí)行層中整車信號(hào)交互方式為CAN總線通信，CAN總線通信具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸速率高、技術(shù)與理論成熟廣泛應(yīng)用于汽車以及自動(dòng)化機(jī)器人等領(lǐng)域。考慮到電動(dòng)皮卡車在井下狹窄空間內(nèi)工作環(huán)境十分復(fù)雜，為了確保無(wú)人駕駛過(guò)程中整車能夠安全可靠的運(yùn)行，電動(dòng)皮卡車采用CAN總線通信控制。無(wú)人駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如制動(dòng)器的電磁閥、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向電機(jī)、驅(qū)動(dòng)總成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、整車控制器以及燈光、喇叭等均采用CAN總線控制。

感知層為無(wú)人駕駛車輛系統(tǒng)與外界環(huán)境信息交互的界面，主要由各種感知元件組成，通過(guò)感知不同形式、不同層次的外界環(huán)境信息綜合判斷車輛的位置姿態(tài)，從而避免無(wú)人駕駛車輛運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生碰撞，確保整車安全可靠的運(yùn)行。感知元件主要由激光雷達(dá)、視覺(jué)攝像頭、毫米波雷達(dá)，GPS導(dǎo)航、UWB設(shè)備，如圖2所示。

無(wú)人駕駛系統(tǒng)感知元件布置情況如圖3所示，在電動(dòng)皮卡車前翼兩側(cè)布置兩個(gè)激光雷達(dá)，在車尾保險(xiǎn)杠處布置一個(gè)激光雷達(dá)；在汽車前保險(xiǎn)杠后保險(xiǎn)杠位置安裝兩個(gè)毫米波雷達(dá)；在電動(dòng)皮卡車頂部和前艙蓋位置內(nèi)部沿整車中軸線布置兩個(gè)RTK天線，在電動(dòng)皮卡車后駕駛室內(nèi)部布置UWB設(shè)備；將高清相機(jī)安裝駕駛室內(nèi)部。

2 無(wú)人駕駛車輛執(zhí)行層改造

根據(jù)無(wú)人駕駛車輛由控制層、決策規(guī)劃層、認(rèn)知層和感知層的構(gòu)架，以及車輛在煤礦井下環(huán)境的工作特點(diǎn)結(jié)合上述執(zhí)行層的設(shè)計(jì)方案對(duì)電動(dòng)皮卡車進(jìn)行整車改造，以滿足整個(gè)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的要求。改造內(nèi)容主要由電池系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)以及燈光、喇叭電器系統(tǒng)。

2.1 皮卡車電池系統(tǒng)改造

皮卡車原有電池系統(tǒng)狀況：皮卡車原有供電系統(tǒng)為磷酸鐵鋰電池，電池?cái)?shù)目較少，續(xù)航里程無(wú)法保證，分別布置在皮卡車后備箱與皮卡車底部；沒(méi)有線控系統(tǒng)控制；電池堆沒(méi)有可靠固定，并且沒(méi)有防爆防護(hù)。將原有的小容量磷酸鐵鋰電池箱替換成大容量磷酸鐵鋰電池箱，并且需要進(jìn)行防爆安裝。電池箱在皮卡車中可安裝位置有兩處，一處是皮卡車底部位置，一處時(shí)皮卡車后備箱位置。確定好電池箱的尺寸以后，反復(fù)測(cè)量后備箱與汽車底盤安裝空間，兩處位置均可以安放電池箱?？紤]到后備箱還要安裝無(wú)人駕駛控制器，電源充電器以及電池控制箱，這些控制箱與人交互較多，需要放在易于接觸的開放的位置。將電池箱電池充電器電池控制箱以及控制箱放在后備箱，會(huì)造成后備箱空間緊張，且不易于后期調(diào)試與維護(hù)。此外也會(huì)造成整車重心后移，整車載荷大部分由后橋承擔(dān)，造成整車操縱性能與穩(wěn)定性能下降。綜合考慮，決定將電池箱安裝于底部。

電池箱安放在車底，采用型鋼制作電池箱托架，將電池箱放置在托架上，并采用螺栓緊固。將電池箱與托架置于電動(dòng)皮卡車底部，電池箱接線喇叭嘴朝后。線纜由轎廂底板穿過(guò)，分別與電池充電箱和電池控制箱相連。采用U形卡將電池箱托盤懸掛于電動(dòng)皮卡車底盤左右兩側(cè)縱梁上。為了防止電池箱前后擺動(dòng)，在電池箱托架兩側(cè)分別焊接兩個(gè)吊耳，將吊耳與皮卡車縱梁上的吊耳采用螺栓緊固連接，使電池箱與皮卡車可靠的裝配在一起。

考慮操作的便利性，及后備箱空間的充分利用，計(jì)劃將電池充電箱，電池控制箱與自動(dòng)駕駛控制箱分上下兩層固定在支架上。具體布置如下：將支架采用螺栓連接方式固定在電動(dòng)皮卡車底盤的縱梁上，電池充電器的線束從靠近車廂一側(cè)引出，向后排座椅處延伸。電池控制箱線束從兩側(cè)引出向后排座椅處延伸，供電線束穿過(guò)車廂底板進(jìn)入到電池箱，通信線束從座椅底下穿過(guò)至電動(dòng)皮卡車前艙，線束整理好捆扎，并由汽車底板內(nèi)飾覆蓋。該布置方案有效的利用了電動(dòng)皮卡車后背箱空間，同時(shí)可以方便對(duì)電動(dòng)皮卡車進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)，布置簡(jiǎn)潔穩(wěn)定可靠。

電池控制箱電池界面顯示電池箱裝配完成后，檢查電纜與電池控制箱，充電箱連接線路是否連接正確，接線端子時(shí)候牢固可靠，是否有裸露的線頭。確認(rèn)無(wú)連接錯(cuò)誤后進(jìn)行上電調(diào)試。首先打開電池控制線開關(guān)，給電池供電系統(tǒng)供電，電池系統(tǒng)完成自檢后在電池控制箱屏幕上會(huì)顯示電池組每塊電池的工作狀態(tài)，檢查每塊電池的電壓、工作溫度是否正常，經(jīng)檢查電池組每塊電池電壓均在3.2V左右，工作溫度位24℃(環(huán)境溫度)上下。整體電池組輸出電壓257V，與實(shí)際測(cè)量的值吻合，說(shuō)明電池組與整個(gè)供電系統(tǒng)能夠正常工作。插入標(biāo)準(zhǔn)充電槍，操作充電機(jī)充電。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，充電功能正常。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)改造

電動(dòng)皮卡車電機(jī)，以及電機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)總成如圖4所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器總成、主減速器以及差速器總成一起裝在后橋上，電機(jī)接線主要有通信線路和供電線路組成。電機(jī)控制器位于電動(dòng)皮卡車底部，中間靠后位置，通過(guò)線纜與電機(jī)相連。

電機(jī)與電機(jī)控制器改造內(nèi)容：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件布置沒(méi)有變化，電纜接線需要調(diào)整。由于更換了電池系統(tǒng)，電池系統(tǒng)供電線路需要重新連接。檢測(cè)電纜與接線柱的連接可靠性，檢測(cè)絕緣性能。檢測(cè)完畢后對(duì)供電系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器連線進(jìn)行局部通電測(cè)試，供電系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器可以正常運(yùn)行，無(wú)異?，F(xiàn)象。對(duì)電池供電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，供電后給驅(qū)動(dòng)電機(jī)線控接口發(fā)報(bào)文。為保證系統(tǒng)安全，先進(jìn)行低轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)測(cè)試，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，再進(jìn)行高轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)測(cè)試，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 燈光控制系統(tǒng)改造

燈光控制系統(tǒng)控制現(xiàn)狀：電動(dòng)皮卡車原有的燈光控制系統(tǒng)為L(zhǎng)IN總線控制系統(tǒng)，經(jīng)檢測(cè)，燈光工作正常。由于自動(dòng)車輛線控改造的需要，需要將燈光系統(tǒng)LIN總線控制改成CAN總線控制。需增加CAN轉(zhuǎn)LIN通信網(wǎng)關(guān)，安裝在輔助電池箱內(nèi)。改造完成后對(duì)燈光系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，逐一檢查近光、遠(yuǎn)光、倒車、轉(zhuǎn)向、剎車等燈光器件是否能夠正常工作。經(jīng)測(cè)試，改造后燈光系統(tǒng)能夠滿足技術(shù)要求。

2.4 整車控制器改造

整車控制器現(xiàn)狀：原有的整車控制器為主從控制器模式，共2個(gè)CAN通訊接口，位于駕駛室。由于車輛改造后需要增加智能控制無(wú)人駕駛模式，在保證原有功能的基礎(chǔ)上要增加整車的通信接口，增加供電控制。由于增加了接口線束，需要重新制作整車控制箱，并重新設(shè)計(jì)接口，重新布置線纜連接。

線控系統(tǒng)改造內(nèi)容：增加新的合適的整車控制箱，增加全新整車控制器，滿足實(shí)際需要改造完成后整車控制箱固定在汽車前艙蓋支架中。

2.5 制動(dòng)系統(tǒng)改造

制動(dòng)踏板現(xiàn)狀：原有制動(dòng)踏板不能反饋制動(dòng)踏板位置信息，需要增加位置傳感器，用來(lái)采集制動(dòng)踏板的位移量。制動(dòng)踏板改造內(nèi)容：增加位置傳感器，用來(lái)采集制動(dòng)踏板的位移量。將采集到的位置信息傳送到整車控制器，配合電子駐車制動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)便捷駐車制動(dòng)。當(dāng)人工/自動(dòng)駕駛按鈕由人工切換到自動(dòng)駕駛時(shí)，位置傳感器能夠?qū)⒅苿?dòng)踏板信息傳遞到無(wú)人駕駛控制器，對(duì)制動(dòng)踏板信息及時(shí)處理，以確保整車的行車安全。

制動(dòng)器液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀：制動(dòng)系統(tǒng)主要有液壓系統(tǒng)、制動(dòng)踏板、駐車制動(dòng)開關(guān)、濕式制動(dòng)器，液壓管路組成。原制動(dòng)系統(tǒng)缺少線控功能。原有液壓系統(tǒng)是由液壓控制器、油泵電機(jī)、油箱、蓄能器、閥體、壓力傳感器與壓力表組成。原有液壓系統(tǒng)沒(méi)有線控功能。液壓系統(tǒng)改造內(nèi)容，增加線控功能，部分線路改造。

制動(dòng)器改造內(nèi)容：改造之前首先檢查原有制動(dòng)系統(tǒng)是否能夠正常工作。完成測(cè)試后進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)線控改造，在原有閥塊的基礎(chǔ)上增加新的電磁閥：①前后行車制動(dòng)比例電磁閥，閥體開度由0～5V電壓信號(hào)控制；②駐車制動(dòng)由常閉開關(guān)電磁閥控制。完成改造后的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，檢查制動(dòng)器是否產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)動(dòng)作。檢查改造后的閥體與制動(dòng)器管路是否出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

2.6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)狀：改造前的轉(zhuǎn)向柱由方向盤、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向柱以及萬(wàn)向節(jié)組成。為人工轉(zhuǎn)向，缺少線控功能。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造內(nèi)容：將原有的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)拆卸下來(lái)，轉(zhuǎn)向柱部分有較大的安裝空間可以安裝線控轉(zhuǎn)向的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)向柱截去一部分，安裝線控轉(zhuǎn)向電機(jī)以及減速齒輪是集成在一起的，減速齒輪輸出軸一端與轉(zhuǎn)向柱相連接，另一端為花鍵孔，有方向盤一端的轉(zhuǎn)向柱為花鍵軸將其插入到減速齒輪的輸出軸花鍵孔并調(diào)整整個(gè)轉(zhuǎn)向柱的長(zhǎng)度，使其保證與原來(lái)轉(zhuǎn)向柱長(zhǎng)度相同，然后將其固定。完成改造之后對(duì)轉(zhuǎn)向柱進(jìn)行測(cè)試，檢查轉(zhuǎn)向柱的接線情況，給通信接口控制信號(hào)，查看改造后的線控轉(zhuǎn)向是否有轉(zhuǎn)向動(dòng)作。檢測(cè)完成后將轉(zhuǎn)向柱裝回車上，安裝過(guò)程中調(diào)整線控電機(jī)的位置以確保轉(zhuǎn)向柱與車體無(wú)干涉。安裝完成后再次對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，檢查安裝完成后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)候能夠正常完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

3 無(wú)人駕駛電動(dòng)皮卡車調(diào)試

3.1 改造后電動(dòng)皮卡車的設(shè)備排布

需要排布的器件與設(shè)備：甲烷傳感器、繼電器箱、整車控制箱、電池控制箱與充電箱。

新設(shè)備排布狀況：甲烷傳感器安裝在汽車前進(jìn)氣格柵后面，該位置空氣流通情況較好，可以更為準(zhǔn)確的檢測(cè)環(huán)境中的甲烷濃度。繼電器箱與整車控制箱安裝在輔助電池箱上的支架上，方便程序更新與維護(hù)。充電箱與電池控制箱安裝在后背箱位置，靠近驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電池箱，方便線束布置，從后備箱充電更加方便。電池箱與電池控制箱安裝在支架上支架下部位置安裝自動(dòng)駕駛控制箱，這樣的布置方案極大的節(jié)約了后備箱空間，整車質(zhì)量分布更加均衡。

3.2 改造后電動(dòng)皮卡車測(cè)試

整車改造完成后并在某煤礦公司分別進(jìn)行了地面和井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖5所示。分別進(jìn)行了續(xù)航里程測(cè)試、最高車速測(cè)試、燈光測(cè)試、制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試以及井下無(wú)人駕駛測(cè)試。

改造后各CAN總線子系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及行駛系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試滿足使用要求。CAN總線通訊可以精準(zhǔn)可靠的進(jìn)行信息傳遞并且各個(gè)機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 車輛CAN總線改造測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

1)經(jīng)過(guò)改造后的電動(dòng)皮卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)可以保證整車正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在井下自動(dòng)前進(jìn)倒車、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、照明等功能。

2)采用CAN總線通訊控制的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以精準(zhǔn)可靠的進(jìn)行信息傳遞，確保無(wú)人駕駛系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證整車在無(wú)人駕駛運(yùn)行模式下的可靠運(yùn)行。