煤礦輔助運(yùn)輸車無人駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉東平

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉華宮礦,山西 大同 037016)

0 引 言

井下運(yùn)輸作為煤礦生產(chǎn)作業(yè)的重要環(huán)節(jié),其運(yùn)輸成本占煤礦生產(chǎn)總成本的1/3,因運(yùn)輸環(huán)節(jié)引起的事故占煤礦總事故30%左右,因此井下運(yùn)輸是影響煤礦生產(chǎn)效率及安全的重要環(huán)節(jié)[1-3]。目前,井下運(yùn)輸設(shè)備多以靈活、高效、運(yùn)載量大的電機(jī)車為主,電機(jī)車可實(shí)現(xiàn)從地面到井下工作面的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸,無需中間轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié),極大簡化了井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。但井下運(yùn)輸電機(jī)車運(yùn)動(dòng)控制及調(diào)度管理仍以人工方式為主,駕駛員與地面調(diào)度員無法實(shí)時(shí)通信,追尾撞車、盲目調(diào)度及駕駛等問題時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響井下運(yùn)輸效率及安全性。

針對(duì)上述問題,筆者從運(yùn)輸車運(yùn)動(dòng)控制、通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、車輛定位跟蹤、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測等方面對(duì)井下運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì),使系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能。監(jiān)控人員通過地面調(diào)度平臺(tái)對(duì)運(yùn)輸車進(jìn)行自動(dòng)啟停、變頻調(diào)速及自動(dòng)避障等自主性動(dòng)作控制。同時(shí),系統(tǒng)采用環(huán)境感知技術(shù)對(duì)車量路況、煤礦環(huán)境等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,通過高速無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互,由上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,全面實(shí)現(xiàn)井下運(yùn)輸車的無人值守及無人駕駛控制。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于提高煤礦運(yùn)輸效率及安全水平具有實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求及功能分析

受井下惡劣工作環(huán)境影響,人工駕駛的運(yùn)輸車存在司機(jī)視野受阻,通信方式落后等問題,運(yùn)輸只能采用定點(diǎn)、定時(shí)、定線的模式;車輛調(diào)度指揮需通過各停車點(diǎn)的固定電話進(jìn)行聯(lián)系;駕駛員無法判斷前方巷道是否存在行駛車輛,行駛具有較大盲目性;調(diào)度人員也無法實(shí)時(shí)掌握井下車輛分布及運(yùn)行情況,無法進(jìn)行合理指揮調(diào)度,不僅運(yùn)輸效率低下,同時(shí)也存在較大安全隱患。若車輛在行駛途中發(fā)生故障,駕駛員不能及時(shí)聯(lián)系到調(diào)度室,易造成長時(shí)間交通堵塞,從而導(dǎo)致整個(gè)礦井交通癱瘓[4-6]。

針對(duì)上述問題,采用無人駕駛測控技術(shù)對(duì)原井下車輛運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造,系統(tǒng)設(shè)置車輛始發(fā)點(diǎn)及車輛編組后,通過地面調(diào)度中心向運(yùn)輸車車載通信控制器發(fā)出監(jiān)控指令,控制車輛按照行駛軌跡自動(dòng)進(jìn)行啟停、前進(jìn)后退、速度調(diào)節(jié)等駕駛操作,實(shí)現(xiàn)井下運(yùn)輸車自動(dòng)駕駛及實(shí)時(shí)監(jiān)測,系統(tǒng)具體功能如下。

(1) 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)采用無線+有線方式的系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通過上位機(jī)可實(shí)時(shí)下達(dá)車輛控制指令并掌握車輛運(yùn)行現(xiàn)場情況。

(2) 車輛跟蹤定位。系統(tǒng)通過定位裝置可實(shí)時(shí)獲取運(yùn)輸車位置、車速及行駛方向等數(shù)據(jù),為上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制決策提供可靠依據(jù),是實(shí)現(xiàn)井下車輛無人駕駛的核心功能。

(3) 車輛運(yùn)行自動(dòng)控制。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下運(yùn)輸車的遠(yuǎn)程自動(dòng)行駛控制,包括車輛啟動(dòng)/停止、加速/減速、慢速/半速/全速運(yùn)行、前進(jìn)/后退/轉(zhuǎn)彎等。

(4) 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)采用分布式傳感器方案對(duì)車輛周圍路況數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析,具備距離檢測、視覺監(jiān)測、環(huán)境感知功能。

(5) 車輛自主避障。通過系統(tǒng)對(duì)環(huán)境及路況的感知對(duì)行駛軌跡上的障礙物進(jìn)行分析檢測,并進(jìn)行自主避障。

隨著新課程改革的不斷推進(jìn)，國家對(duì)不同的學(xué)科都提出了不同的要求，且教師根據(jù)學(xué)科要求都開始了相對(duì)應(yīng)的改革，初中物理教學(xué)也是如此。對(duì)于初中物理教學(xué)而言，新課程改革越來越重視教師對(duì)于初中物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新之處。初中物理教師想要適應(yīng)好新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，最為關(guān)鍵的就是要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能夠有創(chuàng)新之處，讓學(xué)生能夠在新穎的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)會(huì)創(chuàng)新。因此，筆者將結(jié)合人教版初中物理教材，對(duì)初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的創(chuàng)新思路展開探討。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通過上述系統(tǒng)需求分析,以車輛定位、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測、自主避障、自動(dòng)行駛控制四大核心功能作為出發(fā)點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1) 車輛跟蹤定位

運(yùn)輸車精確位置的實(shí)時(shí)獲取是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的前提,目前常用的定位技術(shù)包括Zigbee定位、WiFi定位、RFID定位及慣性導(dǎo)航定位技術(shù),不同定位方式在通信距離、定位精度等方面存在差異,需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選擇,定位方案對(duì)比如表1所列。

表1 井下車輛定位技術(shù)方案對(duì)比

結(jié)合上述定位技術(shù)方案對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),Zigbee定位通信效率高,功耗低,但定位精度易受環(huán)境影響。而慣性導(dǎo)航可進(jìn)一步獲取車輛的位姿信息,且定位結(jié)果不易受環(huán)境影響。綜合二者特點(diǎn),決定采用Zigbee及慣性導(dǎo)航組合定位方案,通過Zigbee定位得到運(yùn)輸車的初步位置信號(hào),再由慣性導(dǎo)航傳感器進(jìn)一步獲取精確里程信號(hào),最終通過濾波器消除累計(jì)誤差,得到精確的車輛位姿信息,組合定位方案如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸車組合定位方案示意圖

(2) 車輛運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測

井下運(yùn)輸車行駛巷道環(huán)境惡劣,需對(duì)CH4、CO等易燃易爆氣體、現(xiàn)場環(huán)境溫度及濕度等影響運(yùn)輸車正常工作的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。將環(huán)境監(jiān)測功能集成在車載機(jī)中,通過車載機(jī)配置的各類傳感器對(duì)巷道內(nèi)CH4、CO濃度及溫濕度進(jìn)行采集,當(dāng)超過閾值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

(3) 車輛自主避障

車輛避障原理是通過測距傳感器或攝像頭對(duì)前方障礙物進(jìn)行感知。綜合對(duì)比不同測距設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn),選取測距范圍大、精度較好、成本低廉的紅外測距傳感器對(duì)運(yùn)輸車行駛路線障礙物進(jìn)行檢測,其基本原理是將紅外收發(fā)器安裝在車輛前方及兩側(cè),通過發(fā)射光線與遇到障礙物后反射的紅外光線間的時(shí)間差來計(jì)算車輛與障礙物的距離,實(shí)現(xiàn)對(duì)道路前方及兩側(cè)路況的感知。紅外測距原理如圖2所示。

圖2 紅外測距原理示意圖

(4) 車輛自動(dòng)控制

車輛行駛控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制,采用PID自動(dòng)控制方案對(duì)車輛電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。系統(tǒng)基于車載機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)車輛位置、障礙物及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集反饋,由車載機(jī)控制器對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行分析處理并向PID控制器提供控制參數(shù),然后由PID控制器輸出控制信號(hào)至變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,車輛自動(dòng)控制原理框圖如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸車自動(dòng)控制原理框圖

2 運(yùn)輸車無人駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求,采用模塊化思想對(duì)運(yùn)輸車無人駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),系統(tǒng)可分為地面上位機(jī)監(jiān)控模塊、通信網(wǎng)絡(luò)模塊、車載機(jī)模塊三部分,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 運(yùn)輸車無人駕駛控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)及Zigbee無線通信網(wǎng)組成,其中無線通信模塊由網(wǎng)關(guān)及監(jiān)控基站組成。監(jiān)控網(wǎng)關(guān)型號(hào)選用礦用本安型KJ539-W,KJ539-W輸入電壓為直流 5 V,最大工作電流0.7A,最大傳輸速率100 Mbps。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),KJ539-W網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)光纜接受上位機(jī)下達(dá)的控制指令,并將所收集的檢測信息打包上傳至上位機(jī)。

監(jiān)控基站型號(hào)選用礦用本安型KJ539-F,KJ539-F輸入電壓為直流12 V,接收頻率為2.4 Hz,最大無線傳輸速率250 Kbps。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),監(jiān)控基站實(shí)時(shí)獲取來自車載機(jī)無線上傳的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)、障礙物及車輛位置編號(hào)信息,并通過Zigbee上傳至網(wǎng)關(guān)。

車載機(jī)作為運(yùn)輸車現(xiàn)場參數(shù)采集與電機(jī)控制的核心設(shè)備,主要由無線通信模塊、主控模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成,車載機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 車載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行效果,于晉能集團(tuán)大同晉華宮礦井下運(yùn)輸現(xiàn)場對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試,實(shí)驗(yàn)對(duì)象為CTL 12 /6GP(A)礦用防爆型運(yùn)輸電機(jī)車,其軸距為1 200 mm,軌距600 mm,最大牽引力為29.43 kN,額定功率30 kW,額定電流121 A。

首先對(duì)系統(tǒng)的Zigbee與慣性導(dǎo)航的定位精度進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)控制運(yùn)輸車在井下巷道現(xiàn)場行走90 m,然后上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)射2.4 GHz頻率的無線信號(hào),以進(jìn)行定位精度實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三組對(duì)比實(shí)驗(yàn),分別為:僅通過Zigbee無線定位、僅通過慣性導(dǎo)航定位及Zigbee+慣導(dǎo)組合定位,并對(duì)運(yùn)輸車在三種定位方式下行走90 m距離的定位距離誤差進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比實(shí)驗(yàn)誤差曲線如圖6所示。

圖6 三種定位方式誤差對(duì)比實(shí)驗(yàn)圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在三種運(yùn)輸車定位方案中,組合式的定位誤差最大為1.48 m,相比于Zigbee定位最大誤差2.58 m降低了約1.1 m,相比于慣導(dǎo)定位最大誤差3.47 m下降約1.99 m,運(yùn)輸車定位精度得到顯著提升。

系統(tǒng)運(yùn)行后,上位機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)顯示機(jī)車運(yùn)行位置、車速及環(huán)境數(shù)據(jù),操作人員設(shè)置車輛起點(diǎn)、終點(diǎn)及移動(dòng)距離后,車輛可按照程序預(yù)設(shè)路線自動(dòng)行駛,工作人員可通過操作臺(tái)控制車輛移動(dòng)至不同位置,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛及遠(yuǎn)程調(diào)度,系統(tǒng)部分運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 系統(tǒng)部分運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)人工控制的井下運(yùn)輸車系統(tǒng)存在的問題,采用無人駕駛控制技術(shù)及遠(yuǎn)程測控技術(shù)對(duì)井下運(yùn)輸車控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸,可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制運(yùn)輸車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛及實(shí)時(shí)定位,并對(duì)周圍路況環(huán)境進(jìn)行感知,經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測試驗(yàn)證了系統(tǒng)定位精度較高、數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確全面,可全方位提高井下運(yùn)輸效率及智能化程度。