張來(lái)紅

（神華北電勝利能源有限公司，錫林浩特 026015）

1 問(wèn)題的提出

在露天礦采礦過(guò)程中，要以一定比例剝離礦石周?chē)膸r石采出礦石，將礦石運(yùn)至地面卸載點(diǎn)，將巖石運(yùn)至排土場(chǎng)。就礦巖的相對(duì)位置而言，它的大量工作是將礦石和巖石通過(guò)運(yùn)載工具輸送至指定地點(diǎn)。因此，交通運(yùn)輸工作在露天礦生產(chǎn)中最繁忙[1]。

在礦區(qū)道路中，路面一側(cè)通常為山體，另一側(cè)為擋墻。當(dāng)司機(jī)由于注意力不集中、瞌睡、夜間行車(chē)等原因使車(chē)輛一側(cè)輪胎爬上擋墻或土堆時(shí)，可能會(huì)發(fā)生跌落懸崖、碰撞山體以及車(chē)毀人亡的事故，后果極其嚴(yán)重。對(duì)于公路上的車(chē)輛，現(xiàn)有的技術(shù)普遍采用車(chē)輛高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System，ADAS）。例如，在《面向駕駛輔助系統(tǒng)的車(chē)輛行駛安全預(yù)警模型研究》中提出了時(shí)間TLC 計(jì)算方法，通過(guò)傳感器和攝像頭監(jiān)測(cè)車(chē)輛橫向距離、行駛速度、偏航角、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角以及道路幾何半徑等信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的線路偏離進(jìn)行安全控制。車(chē)道偏離時(shí)間（Time to Lane Crossing，TLC）定義為車(chē)輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)從當(dāng)前位置行駛至外側(cè)車(chē)輪碰到車(chē)道邊界線為止的時(shí)間[2]。駕駛員在疲勞或注意力不集中等無(wú)意識(shí)的情況下更容易發(fā)生車(chē)道偏離，而這個(gè)過(guò)程中駕駛員疏于對(duì)方向盤(pán)和速度的控制，可視車(chē)輛速度和行駛軌跡固定不變。

一方面，在上述方法中車(chē)輛必須利用攝像頭判別車(chē)道線、車(chē)道方向以及車(chē)輛行駛方向夾角，但是露天礦區(qū)采場(chǎng)道路（沒(méi)有劃定車(chē)道線和道路中心線）無(wú)法通過(guò)攝像頭獲取車(chē)輛所處的車(chē)道和車(chē)輛距道路中心線之間的距離，故該方法在礦區(qū)道路上無(wú)法使用。另一方面，上述方法建立在駕駛員對(duì)方向盤(pán)和車(chē)速都不進(jìn)行改變和控制的前提下。然而，現(xiàn)實(shí)中駕駛員由于瞌睡、疲勞等因素所造成的左右擺動(dòng)方向盤(pán)的情況并不少見(jiàn)，因此上述方法在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)產(chǎn)生極大的誤差。

2 露天礦車(chē)輛行車(chē)安全、糾偏預(yù)警的研究

2.1 通過(guò)行車(chē)軌跡路線擬合道路中心線

在露天礦采場(chǎng)道路中，車(chē)輛在采場(chǎng)道路行駛?cè)舾纱魏?，可通過(guò)車(chē)上的GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)生成每一次的行車(chē)軌跡路線，再根據(jù)所有的行車(chē)軌跡路線擬合出可信度較高的道路中心線。后續(xù)車(chē)輛在該路段行駛時(shí)均可以以擬合的道路中心線作為標(biāo)準(zhǔn)路線導(dǎo)航，通過(guò)GPS 衛(wèi)星定位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其位置是否與道路中心線存在誤差，以規(guī)范車(chē)輛的行駛路線，達(dá)到實(shí)時(shí)糾偏的作用。

如圖1 所示，軌跡為4 條不同的行車(chē)路線，其中一條路線上，每間隔一定距離取一個(gè)參考點(diǎn)，過(guò)每個(gè)參考點(diǎn)做曲線法線。例如，在圖1 中選其中一個(gè)參考點(diǎn)A，過(guò)點(diǎn)A做曲線的切線a1，再過(guò)點(diǎn)A 作a1的垂線a2，a2即為法線。a2與剩余的3 條路線相交于3 個(gè)點(diǎn)，共得到4 個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，即（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）和（x4，y4）。將4 個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)值求得的平均值作為道路中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，將4 個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)值求平均值作為道路中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)值，從而得到點(diǎn)A 所對(duì)應(yīng)的道路中心點(diǎn)。設(shè)道路中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x中，縱坐標(biāo)為y中，則：

同理，對(duì)點(diǎn)A 所在的行車(chē)路線上的每一個(gè)參考點(diǎn)求得其所對(duì)應(yīng)的道路中心點(diǎn)，并將得到的每一個(gè)道路中心點(diǎn)相連接形成道路中心線。

圖1 采場(chǎng)車(chē)輛行車(chē)軌跡示意圖

將生成的道路中心線上傳到服務(wù)器，服務(wù)器將道路中心線數(shù)據(jù)發(fā)送給每一輛卡車(chē)，為卡車(chē)提供導(dǎo)航。實(shí)際操作中，不同車(chē)輛的行駛路線可能會(huì)發(fā)生相交的情況。例如，當(dāng)4 條路線中存在兩條路線相交的情況下，得到3 個(gè)參考點(diǎn)，坐標(biāo)分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），其中坐標(biāo)（x3，y3）處為兩條路線的相交點(diǎn)，減少了計(jì)算道路中心點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)的參考點(diǎn)數(shù)量，會(huì)對(duì)道路中心點(diǎn)的計(jì)算帶來(lái)誤差。計(jì)算時(shí)需考慮重合的點(diǎn)，計(jì)算方式為：

式中，a、b、c、…、z 表示每一個(gè)對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)處重合點(diǎn)的個(gè)數(shù)；n 為路線的總數(shù)。當(dāng)沒(méi)有重合情況時(shí)，值為1；兩個(gè)點(diǎn)重合時(shí)，值為2，然后依次類(lèi)推。

2.2 車(chē)輛偏離報(bào)警及強(qiáng)制剎車(chē)系統(tǒng)

通過(guò)以上方式劃定出道路中心線后，通過(guò)GPS 監(jiān)測(cè)車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置。后臺(tái)服務(wù)器將地圖信息發(fā)送給每輛卡車(chē)，車(chē)輛根據(jù)自身GPS 系統(tǒng)將車(chē)輛位置與道路中心線的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，計(jì)算車(chē)輛偏離道路中心線的距離。當(dāng)車(chē)輛偏離道路中心線一定距離時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使得車(chē)輛在駛出當(dāng)前車(chē)道時(shí)主動(dòng)剎車(chē)。

剎車(chē)機(jī)械裝置接收控制器給出的剎車(chē)命令，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)柔絲繩轉(zhuǎn)動(dòng)，拉下或抬起剎車(chē)踏板，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速剎車(chē)或工作剎車(chē)。剎車(chē)機(jī)械裝置構(gòu)成如圖2 所示，其中步進(jìn)電機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)鋼絲轉(zhuǎn)盤(pán)。電子離合器的作用是吸合或斷開(kāi)步進(jìn)電機(jī)與鋼絲轉(zhuǎn)盤(pán)之間的連接。旋轉(zhuǎn)編碼器可以計(jì)算剎車(chē)踏板的位置。鋼絲轉(zhuǎn)盤(pán)能夠?qū)︿摻z繩實(shí)現(xiàn)張緊控制。拉繩位移傳感器的作用是檢測(cè)鋼絲繩的位移距離。萬(wàn)向節(jié)軸承對(duì)鋼絲繩和拉繩位移傳感器起到保護(hù)作用?；啺惭b在剎車(chē)踏板底端，用于穿繞鋼絲繩。

圖2 剎車(chē)機(jī)械裝置安裝關(guān)系示意圖

控制器接收GPS 定位裝置、陀螺儀以及毫米波雷達(dá)等信號(hào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛偏離道路中心線一定距離后，控制器控制步進(jìn)電機(jī)工作，使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)鋼絲轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩拉緊帶動(dòng)剎車(chē)踏板移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車(chē)的效果。同時(shí)，拉繩位移傳感器記錄鋼絲繩的位移距離，并判斷剎車(chē)踏板的具體位置，以檢測(cè)剎車(chē)踏板的剎車(chē)程度。

2.3 車(chē)輛傾斜程度預(yù)警及制動(dòng)系統(tǒng)

在礦區(qū)道路中，路面一側(cè)通常為山體，另一側(cè)為擋墻。若車(chē)輛一側(cè)輪胎爬上墻體，則可能發(fā)生碰撞、側(cè)翻甚至跌落懸崖的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)設(shè)置陀螺儀監(jiān)測(cè)車(chē)輛的橫向傾斜角度，將陀螺儀所檢測(cè)到的傾斜角度數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?。?dāng)車(chē)身傾斜達(dá)到一定角度時(shí)，報(bào)警或控制剎車(chē)裝置機(jī)械進(jìn)行強(qiáng)制剎車(chē)。在車(chē)輛輪距取8m、擋墻高度取1.1m 的情況下，計(jì)算車(chē)輛輪胎爬上擋墻后對(duì)應(yīng)的車(chē)輛橫向傾斜角為8.1°。

2.4 車(chē)輛傾斜側(cè)翻角度報(bào)警系統(tǒng)

車(chē)輛傾斜側(cè)翻角度報(bào)警系統(tǒng)由陀螺儀、CPU、報(bào)警裝置以及剎車(chē)電機(jī)控制器組成。通過(guò)陀螺儀檢測(cè)車(chē)輛傾斜角度，并根據(jù)陀螺儀采集到的角度信息控制報(bào)警裝置報(bào)警或者控制剎車(chē)電機(jī)工作進(jìn)行強(qiáng)制剎車(chē)。設(shè)置危險(xiǎn)報(bào)警角度值為5°，強(qiáng)制剎車(chē)傾斜角為8°。當(dāng)陀螺儀檢測(cè)到車(chē)身傾斜角度為5°時(shí)，控制報(bào)警裝置進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。當(dāng)車(chē)輛橫向傾斜角度達(dá)到8°時(shí)，CPU 給出信號(hào)使剎車(chē)電機(jī)控制器控制剎車(chē)電機(jī)工作，實(shí)施強(qiáng)制剎車(chē)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)車(chē)輛偏離報(bào)警及強(qiáng)制剎車(chē)系統(tǒng)、車(chē)輛傾斜程度預(yù)警及制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)礦區(qū)車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置、車(chē)身姿態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)報(bào)警或通過(guò)剎車(chē)機(jī)械裝置剎車(chē)，降低了對(duì)司機(jī)工作經(jīng)驗(yàn)的要求和車(chē)輛事故的發(fā)生率，對(duì)安全生產(chǎn)具有重大意義。