非煤礦山井下鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛控制系統(tǒng)的研究

田明鑫

（北方銅業(yè)銅礦峪礦電控部，山西 垣曲 043700）

引言

鏟運(yùn)機(jī)是一種鏟運(yùn)一體化的機(jī)械，在工作時(shí)主要依靠人工操作控制液壓鏟斗的動(dòng)作，滿足物料運(yùn)輸需求，由于在工作過程中需要同時(shí)兼顧運(yùn)動(dòng)、鏟斗動(dòng)作、轉(zhuǎn)運(yùn)等，工作流程多、動(dòng)作復(fù)雜，人工操作時(shí)注意力需要高度集中，極易產(chǎn)生疲憊，而且井下環(huán)境復(fù)雜，給鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行和工作效率帶來了較大的影響，因此迫切需要開發(fā)一種新的控制系統(tǒng)，以降低人工操作難度和對人工操作的依賴，提高鏟運(yùn)機(jī)在各種工況下運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

結(jié)合無人控制技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，本文提出了一種新的鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛控制系統(tǒng)，通過激光雷達(dá)、高清視頻監(jiān)控模式實(shí)現(xiàn)對鏟運(yùn)機(jī)周圍工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢查，通過車載控制模塊實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境和鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)作流程的分析，初步實(shí)現(xiàn)了鏟運(yùn)機(jī)在工作時(shí)的無人駕駛控制。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新控制系統(tǒng)的調(diào)控精度達(dá)到了±0.1 m，反應(yīng)速度約為0.2 s，極大地提升了鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行可靠性。

1 鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛系統(tǒng)

鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛的核心是鏟運(yùn)機(jī)能夠自主地感知周圍環(huán)境，并對周圍環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行自主識(shí)別和判斷，自主進(jìn)行路徑規(guī)劃和工作狀態(tài)調(diào)整。在對多種控制方案進(jìn)行研究后，本文提出了一種新的鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，為了滿足無人駕駛的控制需求，在鏟運(yùn)機(jī)上增加了多種傳感器和中控系統(tǒng)，在工作時(shí)利用前后側(cè)的激光掃描儀和攝像頭對鏟運(yùn)機(jī)周圍的工作環(huán)境進(jìn)行檢查，將環(huán)境信息傳遞到中控箱內(nèi)，數(shù)據(jù)在中控箱內(nèi)完成分析并確定對鏟運(yùn)機(jī)的調(diào)節(jié)需求，輸出調(diào)節(jié)控制信息，控制鏟運(yùn)機(jī)的行駛系統(tǒng)和鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，滿足無人駕駛控制需求。同時(shí)為了提高對鏟運(yùn)機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測，在鏟運(yùn)機(jī)上還設(shè)置了車載無線通信系統(tǒng)，能夠?qū)㈢P運(yùn)機(jī)的運(yùn)行信息實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心人員也能夠通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，確保鏟運(yùn)機(jī)在緊急情況下人工遠(yuǎn)程控制的需求。

圖1 鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛控制系統(tǒng)示意圖

2 各控制模塊分析

鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛控制系統(tǒng)主要包括車載控制模塊、環(huán)境狀態(tài)感知模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊及無線數(shù)據(jù)信息模塊四個(gè)部分，各個(gè)模塊協(xié)同作業(yè)，共同確保了鏟運(yùn)機(jī)無人控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。具體介紹如下：

1）車載控制模塊。該模塊是整個(gè)無人駕駛控制系統(tǒng)的核心，對數(shù)據(jù)處理要求極高，因此采用了高性能的嵌入式控制系統(tǒng)[3]，在工作時(shí)首先獲取各類傳感器的數(shù)據(jù)信息，對各種指令和傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，由控制系統(tǒng)輸出相應(yīng)的控制量。控制量作用于鏟運(yùn)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的靈活調(diào)整。車載控制模塊還能夠?qū)㈢P運(yùn)機(jī)的狀態(tài)信息通過無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸給監(jiān)控平臺(tái)，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測的需求，同時(shí)該模塊能夠?qū)Φ孛姹O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控。

2）環(huán)境狀態(tài)感知模塊。環(huán)境感知模塊是該無人駕駛控制系統(tǒng)的“眼睛”，主要用于對鏟運(yùn)機(jī)周圍的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，為鏟運(yùn)機(jī)路徑規(guī)劃的動(dòng)作執(zhí)行提供依據(jù)。為了滿足不同工況下環(huán)境感知可靠性的需求，在鏟運(yùn)機(jī)的前后設(shè)置了激光雷達(dá)+高清視頻攝像裝置，高清攝像裝置還具有夜視功能，滿足在暗夜環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測需求[4]。激光雷達(dá)對環(huán)境的感知，主要是通過利用激光束進(jìn)行測距來實(shí)現(xiàn)的，在激光雷達(dá)中包括了一個(gè)激光發(fā)射裝置和一個(gè)激光接收裝置，通過發(fā)射裝置發(fā)出激光束，激光束在遇到障礙物后會(huì)進(jìn)行反射，激光接收裝置接收到被反射回來的激光束后對激光信息進(jìn)行解讀，進(jìn)而測算出障礙物的距離。激光雷達(dá)監(jiān)測具有受環(huán)境影響小、測量精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)[5]。鏟運(yùn)機(jī)環(huán)境感知模塊安裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 環(huán)境感知模塊安裝結(jié)構(gòu)示意圖

4）狀態(tài)監(jiān)測模塊。狀態(tài)監(jiān)測模塊主要包括各類角度傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等，主要是對鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一方面對車載控制模塊發(fā)出調(diào)控信息后的執(zhí)行情況進(jìn)行反饋，另一方面對鏟運(yùn)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，出現(xiàn)故障后及時(shí)報(bào)警和定位，提高鏟運(yùn)機(jī)在運(yùn)行中的穩(wěn)定性和可靠性。角度傳感器主要安裝在鏟運(yùn)機(jī)鏟斗液壓油缸處，速度傳感器主要安裝在鏟運(yùn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上，溫度傳感器主要安裝在鏟運(yùn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置，各類傳感器的安裝如圖3所示。

圖3 狀態(tài)監(jiān)測模塊安裝結(jié)構(gòu)示意圖

5）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。為了滿足鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中通信可靠性的需求，網(wǎng)絡(luò)通信方面，本文選擇了一種新的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在鏟運(yùn)機(jī)和其工作環(huán)境周圍設(shè)置了無線基站，使無線數(shù)據(jù)能夠覆蓋整個(gè)鏟運(yùn)機(jī)的工作場所，確保數(shù)據(jù)通信的效率和準(zhǔn)確性。

3 自主控制路徑規(guī)劃

由于井下環(huán)境復(fù)雜，為了滿足鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下主控制的需求，在對多種控制方案進(jìn)行分析后，最終確定了一種基于模糊PID 的自主控制路徑規(guī)劃方案，在系統(tǒng)內(nèi)增加了一個(gè)權(quán)重輸出器。參考人工駕駛需求，當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)在中央行駛時(shí)，此時(shí)會(huì)考慮到各類偏差對行車安全的影響，而當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)偏離正常道路的距離不大時(shí)，系統(tǒng)則考慮偏離角對運(yùn)行安全的影響。因此按照以上邏輯處理規(guī)則來對鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行路徑進(jìn)行規(guī)劃，提高規(guī)劃效率和安全性。

4 應(yīng)用情況分析

目前該無人駕駛控制系統(tǒng)已經(jīng)在鏟運(yùn)機(jī)上投入應(yīng)用，以UL70 鏟運(yùn)機(jī)為例，在運(yùn)行過程中的路徑控制精度達(dá)到了±0.1 m，從下達(dá)調(diào)控指令，到系統(tǒng)作出反應(yīng)的時(shí)間間隔約為0.2 s，完全滿足了自主運(yùn)行控制穩(wěn)定性和可靠性的需求。其無人駕駛控制界面如圖4所示。

圖4 鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛控制界面示意圖

5 結(jié)論

1）鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛控制系統(tǒng)主要包括車載控制模塊、環(huán)境狀態(tài)感知模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊及無線數(shù)據(jù)信息模塊四個(gè)部分。

2）車載控制模塊，采用了高性能的嵌入式控制系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)處理速度快、準(zhǔn)確性高；環(huán)境感知模塊，采用了激光雷達(dá)+高清視頻攝像裝置，滿足在不同環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測需求；狀態(tài)監(jiān)測模塊通過利用各類傳感器對鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)通信模塊，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方案，滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。

3）新控制系統(tǒng)的調(diào)控精度達(dá)到了±0.1 m，反應(yīng)速度約為0.2 s，滿足無人駕駛控制的控制精確性要求。