田興春 牟均發(fā) 任宏亮 何銀濤 王堅(jiān)剛

西安主函數(shù)智能科技有限公司 陜西省西安市 710076

在當(dāng)前智慧礦山、綠色礦山升級(jí)改造的大趨勢(shì)之下，針對(duì)露天礦山運(yùn)輸環(huán)節(jié)的智能化、綠色化開(kāi)展研究，形成露天礦山無(wú)人化運(yùn)輸作業(yè)系統(tǒng)，不僅可以有效推動(dòng)礦區(qū)高效、安全、綠色與可持續(xù)發(fā)展，切實(shí)增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，還可以有效促進(jìn)露天開(kāi)采智能化核心技術(shù)體系的形成，創(chuàng)造采礦行業(yè)的新技術(shù)高度，更是我國(guó)采礦行業(yè)由大變強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)兩化融合的重要標(biāo)志，具有影響深遠(yuǎn)的重大意義。

露天礦山采掘運(yùn)輸環(huán)境：粉塵大、工況惡劣、地處偏遠(yuǎn)、有輻射，礦車(chē)司機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員面臨嚴(yán)重的職業(yè)健康危機(jī)，如腰椎病、塵肺病等，司機(jī)從業(yè)意愿低，故礦車(chē)司機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的年齡基本處于45 歲以上。惡劣的作業(yè)環(huán)境，導(dǎo)致招聘合適的礦車(chē)司機(jī)越來(lái)越困難，加之運(yùn)輸及作業(yè)成本居高不下，存在難以高效協(xié)同作業(yè)等問(wèn)題。更加重要的是，礦區(qū)作業(yè)是封閉場(chǎng)景下的低速固定任務(wù)，任務(wù)單一性、路線固定性等特點(diǎn)非常適合自動(dòng)駕駛的測(cè)試、落地及發(fā)展。因此，露天礦山采用無(wú)人運(yùn)輸作業(yè)技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)的需求。

國(guó)際上露天礦區(qū)無(wú)人駕駛系統(tǒng)已經(jīng)走過(guò)了研究、試驗(yàn)和小范圍應(yīng)用階段，日本小松與美國(guó)卡特彼勒均于20 世紀(jì)80 年代進(jìn)行礦山裝備無(wú)人駕駛相關(guān)研究工作，應(yīng)用實(shí)踐證明了其顯著的優(yōu)越性，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

伴隨國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛技術(shù)的不斷進(jìn)步，針對(duì)露天礦區(qū)的應(yīng)用逐漸加深，露天礦區(qū)無(wú)人運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)化落地需求正被不斷地向前進(jìn)行推進(jìn)，無(wú)人駕駛技術(shù)在露天礦區(qū)的產(chǎn)品化應(yīng)用正逐步向市場(chǎng)化進(jìn)行發(fā)展。

無(wú)人駕駛技術(shù)在露天礦區(qū)落地的前提必須確保車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)的線控可靠性和系統(tǒng)安全性，因露天礦區(qū)工況復(fù)雜，連續(xù)坡道較多且坡度較大，礦區(qū)工程運(yùn)輸車(chē)輛能安全行駛的前提是必須確保制動(dòng)安全：對(duì)無(wú)人駕駛工程車(chē)輛制動(dòng)性能要求必須嚴(yán)格。

為保障礦區(qū)運(yùn)營(yíng)能更加安全且高效，本文提出在無(wú)人駕駛線控工程車(chē)輛（或線控運(yùn)輸設(shè)備）主制動(dòng)系統(tǒng)—EBS（Electronic Brake Systems，電子制動(dòng)系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上增加應(yīng)急制動(dòng)功能。

1 應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)原理

1.1 氣路系統(tǒng)組成

應(yīng)急制動(dòng)氣路系統(tǒng)主要由氣源（儲(chǔ)氣室）、控制氣路執(zhí)行元件、EBS 單通道閥、EBS 雙通道閥、制動(dòng)氣室及若干氣管路等組成。

1.2 氣路連接原理

氣路連接原理簡(jiǎn)圖如圖1 所示：控制氣路執(zhí)行元件進(jìn)氣口連接氣瓶，出氣口分別連接EBS 單、雙通道閥控制口；EBS 單通道閥進(jìn)氣口連接氣瓶，出氣口分別連接前橋兩個(gè)制動(dòng)氣室；EBS 雙通道閥進(jìn)氣口連接氣瓶，出氣口分別連接中后橋四個(gè)制動(dòng)氣室。行車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)氣源（儲(chǔ)氣室）、控制氣路執(zhí)行元件、EBS 單、雙通道、前橋制動(dòng)氣室、中后橋制動(dòng)氣等氣路形成通路，確保行車(chē)制動(dòng)動(dòng)作完成。

圖1 應(yīng)急制動(dòng)氣路控制簡(jiǎn)圖

2 應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)

2.1 EBS 制動(dòng)系統(tǒng)

EBS 工作邏輯：自動(dòng)駕駛行車(chē)過(guò)程中，整車(chē)控制單元VCU（Vehicle Control Unit）獲取到自動(dòng)駕駛給定的實(shí)際需求減速度（不為零——需要減速或停車(chē)），按通信協(xié)議轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)發(fā)至主制動(dòng)EBS 控制器，EBS 控制器根據(jù)接收到的控制減速度與外部制動(dòng)指令直接控制EBS 單、雙通道閥開(kāi)度，使氣瓶至制動(dòng)氣室形成通路，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)氣室充氣，最終完成車(chē)輛行車(chē)制動(dòng)動(dòng)作。

2.2 EBS+應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)

應(yīng)急制動(dòng)工作邏輯：自動(dòng)駕駛行車(chē)過(guò)程中，當(dāng)整車(chē)控制單元VCU（Vehicle Control Unit）獲取到自動(dòng)駕駛給定的減速度（不為零——需要減速或停車(chē)）時(shí)，如VCU 監(jiān)控到主制動(dòng)EBS 系統(tǒng)（VCU 會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線控底盤(pán)各零部件工作狀態(tài)）出現(xiàn)致命故障——不受減速度指令控制時(shí)，VCU 將接收到的需求減速度轉(zhuǎn)換為應(yīng)急制動(dòng)控制所需的占空比，并輸出控制信號(hào)（控制電壓）至控制氣路執(zhí)行元件，從而控制EBS 系統(tǒng)通道閥開(kāi)度，完成氣源（儲(chǔ)氣室）向制動(dòng)氣室的充氣，最終完成工程車(chē)輛的行車(chē)制動(dòng)動(dòng)作。

控制邏輯如圖2 所示：

圖2 應(yīng)急系統(tǒng)控制邏輯圖

3 運(yùn)行測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試方案簡(jiǎn)述

空載應(yīng)急制動(dòng)測(cè)試：以10km/h、20km/h、30km/h 車(chē)速作為初始制動(dòng)速度，以10% ～26% 區(qū)間內(nèi)不同占空比為控制參數(shù)進(jìn)行應(yīng)急制動(dòng)減速度數(shù)據(jù)及性能測(cè)試，每一組測(cè)試（固定車(chē)速、固定占空比）次數(shù)5 次；

滿(mǎn)載應(yīng)急制動(dòng)測(cè)試：以10km/h、20km/h、30km/h 車(chē)速作為初始制動(dòng)速度，以10% ～37% 區(qū)間內(nèi)不同占空比為控制參數(shù)進(jìn)行應(yīng)急制動(dòng)減速度數(shù)據(jù)及性能測(cè)試，每一組測(cè)試（固定車(chē)速、固定占空比）次數(shù)5 次；

3.2 測(cè)試場(chǎng)地

測(cè)試場(chǎng)地為一段布滿(mǎn)沙礫的平整路段，該路段東西長(zhǎng)約600 米，南北寬約10 米，路面整體硬實(shí)平整干燥無(wú)積水；路面現(xiàn)場(chǎng)如圖3 所示：

3.3 載荷類(lèi)別

測(cè)試載荷分為空載與滿(mǎn)載，滿(mǎn)載載物為沙土，空載重量25 噸，滿(mǎn)載重量60 噸。空滿(mǎn)載如圖3、4 所示：

圖3 測(cè)試車(chē)輛空載圖

圖4 測(cè)試車(chē)輛滿(mǎn)載圖

3.4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由圖5 可知，靜態(tài)測(cè)試下，控制氣路執(zhí)行元件的工作電流與工作電壓隨控制占空比的增加呈線性增加趨勢(shì)；工作電流的增長(zhǎng)趨勢(shì)較工作電壓的增長(zhǎng)明顯；工作電流及工作電壓的增長(zhǎng)線性度在占空比為17% 之后更優(yōu)。

圖5 電流及電壓趨勢(shì)圖

由圖6 可知，空載條件下，最大減速度可至-5.18m/s；

圖6 空載條件不同占空比下不同制動(dòng)初始速度減速度趨勢(shì)圖

當(dāng)制動(dòng)初速度為10km/h 時(shí)，控制占空比在10% ～23% 區(qū)間，實(shí)際減速度隨控制占空比增加而增大，當(dāng)控制占空比大于等于23% 時(shí)，實(shí)際減速度無(wú)明顯增加；

當(dāng)制動(dòng)初速度為20km/h 時(shí)，控制占空比在10% ～23% 區(qū)間時(shí)，實(shí)際減速度隨控制占空比增加而增大；

當(dāng)制動(dòng)初速度為30km/h 時(shí)，控制占空比在10% ～21% 區(qū)間，實(shí)際減速度隨控制占空比增加而增大，當(dāng)控制占空比大于等于21% 時(shí)，實(shí)際減速度無(wú)明顯增加；

空載測(cè)試數(shù)據(jù)的3 組不同制動(dòng)初始速度的實(shí)際減速度曲線呈現(xiàn)較好的線性度，當(dāng)控制占空比達(dá)到某一臨界點(diǎn)值，整車(chē)實(shí)際減速度到達(dá)最大值，此后整車(chē)實(shí)際減速度將不會(huì)隨控制占空比的增加而增大，而是將維持在最大減速度左右小范圍內(nèi)波動(dòng)變化。

由圖7 可知，滿(mǎn)載條件下，最大減速度可至-2.86m/s；

圖7 滿(mǎn)載條件不同占空比下不同制動(dòng)初始速度減速度趨勢(shì)圖

當(dāng)制動(dòng)初速度為10km/h 時(shí)，控制占空比在10% ～23% 區(qū)間時(shí)，實(shí)際減速度隨占控制空比增加而線性增大，當(dāng)控制占空比大于等于23% 時(shí)，實(shí)際減速度無(wú)明顯增加；

當(dāng)制動(dòng)初速度為20km/h 時(shí)，控制占空比在10% ～29% 區(qū)間時(shí)，實(shí)際減速度隨控制占空比增加而線性增大，當(dāng)控制占空比大于等于29% 時(shí)，實(shí)際減速度無(wú)明顯增加；

當(dāng)制動(dòng)初速度為30km/h 時(shí)，控制占空比在10% ～29% 區(qū)間時(shí)，減速度隨占空比增大而增大，當(dāng)控制占空比大于等于29% 時(shí)，實(shí)際減速度無(wú)明顯增加；

同空載測(cè)試數(shù)據(jù)相比，滿(mǎn)載測(cè)試數(shù)據(jù)的3 組不同制動(dòng)初始速度的實(shí)際減速度曲線線性度較空載略差；相同的是控制占空比達(dá)到某一臨界點(diǎn)值，整車(chē)實(shí)際減速度到達(dá)最大值，此后整車(chē)實(shí)際減速度將不會(huì)隨控制占空比的增加而增大，而是將維持在最大減速度左右小范圍內(nèi)波動(dòng)變化；由于滿(mǎn)載質(zhì)量大，故滿(mǎn)載測(cè)試數(shù)據(jù)的臨界控制占空比的數(shù)值大于空載。

4 結(jié)論

（1）靜態(tài)條件下，控制氣路執(zhí)行元件工作電流、電壓隨占空比逐漸增加而增大；工作電流的增長(zhǎng)趨勢(shì)較工作電壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯；

（2）空、滿(mǎn)載條件下，不同制動(dòng)初速度減速度曲線隨占空比增加而增大，但超過(guò)固定值后趨于平緩，減速度曲線整體線性度較好；滿(mǎn)載的控制占空比臨界值大于空載；

（3）控制氣路執(zhí)行元件的控制最大功效占空比隨制動(dòng)初速度的增加而增大；

（4）空載條件下，應(yīng)急制動(dòng)最大減速度可達(dá)到-5m/s左右；滿(mǎn)載條件下，應(yīng)急制動(dòng)最大減速度可達(dá)到-2.8m/s左右；二者均能滿(mǎn)足工程車(chē)輛在實(shí)際工作中的行車(chē)制動(dòng)要求。