劉育銘

(北華大學(xué)，吉林 吉林 132000)

0 引 言

無(wú)人駕駛礦用卡車(chē)能夠解決駕駛?cè)藛T在工作時(shí)存在的安全隱患問(wèn)題，極大限度的降低了人員參與，在節(jié)省了人力成本的同時(shí)也提高了作業(yè)人員的安全以及生產(chǎn)效率。目前，在一些國(guó)家現(xiàn)有的露天礦中存在著勞動(dòng)力短缺，勞動(dòng)力成本較高的情況。面對(duì)日益增長(zhǎng)的能源需求，各國(guó)正在積極探索礦山智能化建設(shè)，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜偏遠(yuǎn)礦區(qū)的發(fā)展[1]。由于人員駕駛的礦用卡車(chē)容易受到路況、車(chē)況、氣候等客觀環(huán)境的影響，造成情緒波動(dòng)，影響工作狀態(tài)，容易造成安全事故。而無(wú)人駕駛技術(shù)的引入有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一方面在特定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)無(wú)障礙；第二固定的路線內(nèi)行駛車(chē)速較低，無(wú)技術(shù)障礙；最后是無(wú)司機(jī)參與，將人工成本降到最低，保障了人員的安全。無(wú)人駕駛礦用卡車(chē)可以基本解決駕駛員安全問(wèn)題，節(jié)約勞動(dòng)力成本，提高生產(chǎn)工作效率，并確保人員工作安全。

1 露天礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 露天礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)組成

礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)包括環(huán)境感知技術(shù)、定位技術(shù)、規(guī)劃決策以及車(chē)輛控制等組成[2]。首先，礦用卡車(chē)通過(guò)裝備的多種傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，通過(guò)定位系統(tǒng)確定車(chē)身以及裝載和卸載的位置，通過(guò)管控調(diào)度平臺(tái)對(duì)每輛車(chē)的運(yùn)輸路線進(jìn)行規(guī)劃，選擇最優(yōu)的行駛路線，并指定相應(yīng)工作車(chē)輛按規(guī)定路線行駛，在裝卸貨地點(diǎn)進(jìn)行裝卸工作。露天礦無(wú)人駕駛卡車(chē)作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 露天礦無(wú)人駕駛卡車(chē)作業(yè)流程

1.2 國(guó)外露天礦用無(wú)人駕駛卡車(chē)現(xiàn)狀

國(guó)外針對(duì)應(yīng)用于礦區(qū)卡車(chē)的無(wú)人駕駛技術(shù)的研究早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開(kāi)始。在1994年，美國(guó)從卡特彼勒公司引進(jìn)了兩種無(wú)人礦卡。1995年，小松公司在日本一個(gè)裝載77 t貨物的礦山進(jìn)行了無(wú)人采礦試驗(yàn)。在21世紀(jì)，卡特公司的“Mine Star”和小松公司的“AHS”系統(tǒng)的先后出現(xiàn)極大推動(dòng)了無(wú)人駕駛技術(shù)在礦車(chē)上的應(yīng)用。目前，小松自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)已在澳大利亞和智利等國(guó)家運(yùn)行多年，成為成熟的技術(shù)應(yīng)用于露天礦車(chē)的運(yùn)輸工作[3]。

(1)“Mine Star”系統(tǒng)

“Mine Star”系統(tǒng)由車(chē)輛管理系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)、安全檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備診斷系統(tǒng)與指揮系統(tǒng)5個(gè)功能模塊組成。車(chē)輛管理系統(tǒng)可確保實(shí)時(shí)跟蹤車(chē)輛，并根據(jù)計(jì)劃分配車(chē)輛，對(duì)車(chē)輛的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)對(duì)作業(yè)車(chē)輛的挖掘、裝載、傾倒等操作進(jìn)行管理。安全檢測(cè)系統(tǒng)是基于各類(lèi)環(huán)境檢測(cè)裝置以及報(bào)警系統(tǒng)，以避免車(chē)輛在作業(yè)與會(huì)車(chē)過(guò)程中的碰撞。設(shè)備診斷系統(tǒng)可以顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行診斷和分析，并及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)?！癕ine Star”系統(tǒng)將各功能模塊所分析的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)礦車(chē)的裝載、運(yùn)輸和卸載，以及車(chē)輛行駛路徑的規(guī)劃。

小松自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)(Autonomous Haulage System，簡(jiǎn)稱(chēng)AHS)是一個(gè)由配備了高精度GPS定位系統(tǒng)的礦山車(chē)隊(duì)控制中心管理的綜合性礦山車(chē)隊(duì)管理系統(tǒng)。它將為每輛卡車(chē)發(fā)送將貨物運(yùn)往指定的目的地的指令，隨后礦車(chē)按照接收到的指令按計(jì)劃路線行駛?！癆HS”系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)減少卡車(chē)司機(jī)成本支出；(2)降低運(yùn)營(yíng)成本；(3)增強(qiáng)安全性，減少工作是發(fā)生意外事故的次數(shù)。

1.3 國(guó)內(nèi)露天礦用無(wú)人駕駛卡車(chē)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)的礦車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)還處于起步階段，所以為提高我國(guó)采礦運(yùn)輸?shù)目煽啃?、安全性和效率，提高我?guó)礦業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，大力發(fā)展礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)就顯得尤為重要[4]。

徐工集團(tuán)還在寶馬2018上推出了無(wú)人駕駛測(cè)試車(chē)，此車(chē)基于百度APOLLO平臺(tái)架構(gòu)在礦用自卸車(chē)上應(yīng)用了多種無(wú)人駕駛技術(shù)。

2018年9月，北方股份研制的172 t無(wú)人駕駛電動(dòng)輪礦車(chē)在包鋼集團(tuán)進(jìn)行測(cè)試，此礦車(chē)應(yīng)用北京踏歌智行科技有限公司所研發(fā)的控制技術(shù)，型號(hào)為MT3600。該車(chē)各項(xiàng)工作性能良好，能夠準(zhǔn)確、安全地完成礦區(qū)貨物的裝卸、精確停車(chē)、自主避障以及路徑循跡作業(yè)等環(huán)節(jié)。

1.4 礦區(qū)無(wú)人駕駛技術(shù)所面臨的問(wèn)題

目前，礦區(qū)無(wú)人駕駛技術(shù)還存在以下問(wèn)題。

(1)礦區(qū)無(wú)人駕駛的配套技術(shù)相對(duì)落后。無(wú)人駕駛系統(tǒng)需要與智能采礦技術(shù)、先進(jìn)的礦區(qū)管理水平和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施相匹配，以確保其正常運(yùn)行。

(2)無(wú)人駕駛的核心技術(shù)難以突破。未來(lái)人工智能算法的研究將在無(wú)人礦用卡車(chē)上發(fā)揮重要作用。

2 礦車(chē)無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

目前，露天礦用卡車(chē)所用到的關(guān)鍵技術(shù)主要分為環(huán)境感知技術(shù)、定位技術(shù)、決策規(guī)劃、控制等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

熱力燃燒法。熱力燃燒法需要加入輔助燃料作為助燃?xì)怏w，溫度一般在500～900℃范圍內(nèi)。低濃度VOCs可燃?xì)怏w可采用熱力燃燒法。

2.1 環(huán)境感知技術(shù)

對(duì)于礦區(qū)無(wú)人駕駛，影響感知率的主要因素如下：(1)溫差變化較大，使得傳感器應(yīng)具備大范圍溫度工作的能力；(2)道路不平，有許多碎石和斜坡，行駛時(shí)過(guò)于顛簸會(huì)影響車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性，進(jìn)而影響傳感器的感知能力。礦區(qū)車(chē)輛在復(fù)雜的工作環(huán)境中運(yùn)行，無(wú)人駕駛礦卡的感知系統(tǒng)必須采用多層異構(gòu)傳感器融合方法，以提高環(huán)境感知的準(zhǔn)確性和魯棒性。

目前，無(wú)人駕駛礦用卡車(chē)的環(huán)境感知系統(tǒng)主要用到毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等[5]。毫米波雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，體積小，并根據(jù)前方障礙物與卡車(chē)之間的相對(duì)距離主動(dòng)調(diào)整自身速度。激光雷達(dá)具有體積小、重量輕、遠(yuǎn)距離跟蹤、穩(wěn)定性高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)應(yīng)用于無(wú)人駕駛礦車(chē)中不依賴(lài)于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射，可24 h全天候工作，其優(yōu)點(diǎn)在于頻率高，集成度高，體積小便于操作，具有迅速獲取數(shù)據(jù)的能力，成為無(wú)人駕駛不可或缺的設(shè)備。外部環(huán)境信息是多通過(guò)攝像機(jī)獲得的，視覺(jué)傳感器的性能通常用圖像分辨率來(lái)描述。主要用于無(wú)人礦區(qū)的車(chē)道線、交通標(biāo)志、障礙物和行人的識(shí)別。在行駛采礦車(chē)輛時(shí)，感知系統(tǒng)安裝的傳感器用于收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)感知環(huán)境以及檢測(cè)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)對(duì)象[6]。

2.2 定位導(dǎo)航技術(shù)。

精準(zhǔn)定位與導(dǎo)航是無(wú)人駕駛技術(shù)不可或缺的一部分內(nèi)容，主流的定位導(dǎo)航技術(shù)包括全球定位系統(tǒng)(GPS)、GNSS差分定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)。

礦卡中使用的全球定位系統(tǒng)(GPS)的優(yōu)點(diǎn)在于全天候、全球性、無(wú)累積誤差和高定位精度。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間和較長(zhǎng)的使用壽命，能夠根據(jù)少量的測(cè)量狀態(tài)信息導(dǎo)出位置、速度和導(dǎo)航角度等許多精確信息，它能有效地保證數(shù)據(jù)傳輸在一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性和一致性。然而，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用積分。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的積累，小的誤差不可避免地積累成誤差，所以長(zhǎng)期的精度是不夠的。GNSS差分定位技術(shù)具有全天候、全方位、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)連續(xù)等特點(diǎn)，并能實(shí)時(shí)校正定位誤差。但是，簡(jiǎn)單的GNSS定位精度僅為米級(jí)，不能滿(mǎn)足高等級(jí)自動(dòng)駕駛厘米級(jí)高精度自動(dòng)控制定位的需要[7]。

分析介紹了以上主流的定位導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，未來(lái)多定位系統(tǒng)組合定位將成為一大趨勢(shì)，對(duì)于環(huán)境多變的礦山區(qū)域可以提高定位精確度。

2.3 規(guī)劃與決策

決策規(guī)劃(Decision，Planning)系統(tǒng)是在對(duì)感知到的周邊物體的預(yù)測(cè)軌跡的基礎(chǔ)上，增加各項(xiàng)約束條件，結(jié)合無(wú)人車(chē)的當(dāng)前位置和意圖，進(jìn)行最優(yōu)的路徑選取，對(duì)車(chē)輛做出最合理的決策和控制。

目前，無(wú)人駕駛車(chē)輛主要使用的行為決策算法有三種：(1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于確定特定場(chǎng)景并做出適當(dāng)行為的決策；(2)基于規(guī)劃：列出所有可能的組合，然后根據(jù)基于規(guī)則的技術(shù)路線對(duì)車(chē)輛決策系統(tǒng)進(jìn)行編程；(3)混合路線：綜合以上兩種方?jīng)Q策方法。其中，混合路線是目前使用最廣泛的路線。

2.4 控制

控制是無(wú)人駕駛車(chē)輛的關(guān)鍵，分為縱向控制和橫向控制。(1)縱向控制，是控制車(chē)輛前進(jìn)的速度，加速度，與前車(chē)的距離幾項(xiàng)因素，即車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)控制，要實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)參數(shù)的控制，通過(guò)油門(mén)踏板與制動(dòng)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)與預(yù)期車(chē)速的精確匹配。(2)橫向控制，橫向控制是車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向力所產(chǎn)生的車(chē)身橫擺的效果，即通過(guò)控制方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和控制輪胎力，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車(chē)的定向跟蹤。另外，車(chē)輛控制系統(tǒng)是無(wú)人駕駛礦車(chē)的核心部件，主要包括電子控制單元(ECU)和通信總線兩部分。

3 露天礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)和無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)的分析，預(yù)測(cè)露天礦無(wú)人礦卡發(fā)展趨勢(shì)如下。

(1)多系統(tǒng)組合定位、多傳感器融合：目前，單一的定位系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足礦用卡車(chē)在復(fù)雜多變的環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)定位，使用多定位系統(tǒng)相結(jié)合、多高精度系統(tǒng)輔助定位的方式，可極大改善礦區(qū)車(chē)輛工作時(shí)的穩(wěn)定性和連續(xù)性；此外，單一傳感器的目標(biāo)檢測(cè)對(duì)于礦山運(yùn)輸中裝卸、卡車(chē)路徑循跡作業(yè)等環(huán)節(jié)還存在許多問(wèn)題。未來(lái)多傳感器與定位系統(tǒng)高度融合，將是露天礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛的發(fā)展方向[8]。

(2)人工智能算法的應(yīng)用：目前，激光雷達(dá)幾乎已成為無(wú)人駕駛礦用卡車(chē)所必備的環(huán)境感知工具，但激光雷達(dá)數(shù)據(jù)稀疏且價(jià)格昂貴，而相機(jī)所識(shí)別的物體數(shù)據(jù)信息十分豐富，所以深度研究人工智能算法對(duì)于復(fù)雜路況檢測(cè)，提高識(shí)別精度具有很大幫助。未來(lái)，將智能算法應(yīng)用于相機(jī)的視覺(jué)感知，將大大降低成本，提高無(wú)人礦卡在作業(yè)中的工作能力。

(3)云技術(shù)的應(yīng)用：5G技術(shù)的最大特點(diǎn)是高速率、低時(shí)延、大容量、連接廣。由于無(wú)人駕駛要求巨大的運(yùn)算量，5G超高速網(wǎng)絡(luò)既可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人卡車(chē)大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，又可以保證車(chē)隊(duì)之間的協(xié)同駕駛、保證無(wú)人駕駛決策執(zhí)行系統(tǒng)的安全運(yùn)行[9]。

(4)車(chē)路協(xié)同、輔助駕駛：基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的改進(jìn)來(lái)輔助車(chē)輛駕駛，可以將輔助駕駛系統(tǒng)的難易度降低，因?yàn)閺陌踩慕嵌瘸霭l(fā)，未來(lái)的無(wú)人駕駛，不是簡(jiǎn)單的單量車(chē)的智能化，而是逐漸向車(chē)道的協(xié)同模式發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人化與智能化的研究發(fā)展是未來(lái)礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)，結(jié)合環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、決策控制等無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)，未來(lái)將充分解決露天礦卡車(chē)作業(yè)過(guò)程中的各項(xiàng)難題。

并且，針對(duì)露天礦場(chǎng)復(fù)雜、惡劣的氣候與環(huán)境影響系統(tǒng)正常運(yùn)行工作的問(wèn)題，需進(jìn)一步發(fā)展、升級(jí)深度學(xué)習(xí)、目標(biāo)檢測(cè)、定位導(dǎo)航、人工智能等相關(guān)領(lǐng)域，使得露天礦山環(huán)境下的卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)將日趨成熟與完善。