薛忠新，歐陽敏，畢躍起，楊斐文，范生軍，王 峰，吉 強(qiáng)，侯 剛

(1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719313；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030032)

煤炭當(dāng)前依然是國家主體能源，煤炭企業(yè)依據(jù)黨中央和國家的能源戰(zhàn)略，按照綠色低碳的發(fā)展方向，對標(biāo)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)，依據(jù)八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，積極發(fā)展煤礦綠色、智能技術(shù)與成套裝備[1-3]。

智能礦山概念、無人駕駛礦卡、遠(yuǎn)程遙控操作等先進(jìn)技術(shù)和理念在礦業(yè)發(fā)達(dá)國家開始了應(yīng)用研究。目前諸多技術(shù)成果已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。2007年底，AtlasCopeo公司在芬蘭的Kemi礦山成功進(jìn)行了地下礦用汽車的自動化試驗(yàn)[7]；美國卡特彼勒集團(tuán)在索羅門礦區(qū)進(jìn)行無人駕駛卡車集群化作業(yè)，車隊(duì)規(guī)模已增至59臺，累計(jì)運(yùn)量超過2.4億t，是世界單一礦區(qū)規(guī)模最大的無人車隊(duì)，與同類普通車隊(duì)相比，生產(chǎn)力提高20%，且有效提高了生產(chǎn)安全系數(shù)。我國2019 年頒布了煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄[8]，以國家能源集團(tuán)為代表的大型采礦企業(yè)與技術(shù)裝備企業(yè)合作，開發(fā)出5類、38種礦用機(jī)器人，初步完成智能化綜采工作面、露天煤礦無人駕駛等技術(shù)的研究與應(yīng)用，正在構(gòu)建綠色高效安全的智能化井工礦井[9，10]。

中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院分析論證了基于4G通信技術(shù)的煤礦井下防爆車輛無人駕駛的可行性[11，12]；丁震等人[13]分析了國內(nèi)外露天礦山用卡車無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了露天礦山卡車無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)；通過分析對比前裝線控和后裝線控兩種技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)，提出多傳感器高度融合將是露天礦山卡車實(shí)現(xiàn)全天候環(huán)境感知的發(fā)展方向。中國礦業(yè)大學(xué)提出了一種紅外置頂循跡的井下無人駕駛無軌膠輪車及其行駛控制方法[14]；余婭榮[15]以運(yùn)動過程中局部路徑跟蹤為研究對象，提出基于模型預(yù)測的前饋-反饋模糊控制算法，能對系統(tǒng)未來的行為作出預(yù)測并解決系統(tǒng)建模的不確定性、外部環(huán)境干擾和時(shí)間延遲問題。張倫[16]對礦用自卸卡車進(jìn)行了線控化改裝。研發(fā)了無人駕駛接口控制器及卡車發(fā)動機(jī)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)接口程序，以CAN總線方式與整車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)整車的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)反饋。線控改造有效的提升了礦卡的安全性。吳鑫[17]結(jié)合煤礦井下運(yùn)輸環(huán)境和無人駕駛技術(shù)要求，提出了運(yùn)輸調(diào)度網(wǎng)、光纖骨干網(wǎng)和移動接入網(wǎng)組成的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對基于無線網(wǎng)絡(luò)傳感的定位技術(shù)、軌道障礙物識別、井下環(huán)境檢測和無刷直流電機(jī)運(yùn)動控制等進(jìn)行技術(shù)分析。

電動皮卡車是煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要交通工具，可用于運(yùn)輸物料、儀器設(shè)備以及工作人員等，具有效率高、用途廣和機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，由于井下惡劣的環(huán)境以及人工駕駛的不確定性，導(dǎo)致無軌膠輪車運(yùn)輸事故頻發(fā)[18-20]。無人駕駛技術(shù)具有自動、高效、安全等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于無軌膠輪車可大幅降低井下運(yùn)輸事故發(fā)生率，促進(jìn)井下無人化運(yùn)輸系統(tǒng)建立。

1 無人駕駛車輛技術(shù)框架

無人駕駛車輛系統(tǒng)方案示意如圖1所示，其主要由執(zhí)行層、控制層、決策規(guī)劃層、認(rèn)知層和感知層五部分組成。其中執(zhí)行層為電動皮卡車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、以及電器系統(tǒng)如燈光、喇叭等。

執(zhí)行層中整車信號交互方式為CAN總線通信，CAN總線通信具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸速率高、技術(shù)與理論成熟廣泛應(yīng)用于汽車以及自動化機(jī)器人等領(lǐng)域。考慮到電動皮卡車在井下狹窄空間內(nèi)工作環(huán)境十分復(fù)雜，為了確保無人駕駛過程中整車能夠安全可靠的運(yùn)行，電動皮卡車采用CAN總線通信控制。無人駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如制動器的電磁閥、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向電機(jī)、驅(qū)動總成的驅(qū)動電機(jī)、整車控制器以及燈光、喇叭等均采用CAN總線控制。

感知層為無人駕駛車輛系統(tǒng)與外界環(huán)境信息交互的界面，主要由各種感知元件組成，通過感知不同形式、不同層次的外界環(huán)境信息綜合判斷車輛的位置姿態(tài)，從而避免無人駕駛車輛運(yùn)行過程中發(fā)生碰撞，確保整車安全可靠的運(yùn)行。感知元件主要由激光雷達(dá)、視覺攝像頭、毫米波雷達(dá)，GPS導(dǎo)航、UWB設(shè)備，如圖2所示。

無人駕駛系統(tǒng)感知元件布置情況如圖3所示，在電動皮卡車前翼兩側(cè)布置兩個(gè)激光雷達(dá)，在車尾保險(xiǎn)杠處布置一個(gè)激光雷達(dá)；在汽車前保險(xiǎn)杠后保險(xiǎn)杠位置安裝兩個(gè)毫米波雷達(dá)；在電動皮卡車頂部和前艙蓋位置內(nèi)部沿整車中軸線布置兩個(gè)RTK天線，在電動皮卡車后駕駛室內(nèi)部布置UWB設(shè)備；將高清相機(jī)安裝駕駛室內(nèi)部。

2 無人駕駛車輛執(zhí)行層改造

根據(jù)無人駕駛車輛由控制層、決策規(guī)劃層、認(rèn)知層和感知層的構(gòu)架，以及車輛在煤礦井下環(huán)境的工作特點(diǎn)結(jié)合上述執(zhí)行層的設(shè)計(jì)方案對電動皮卡車進(jìn)行整車改造，以滿足整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)的要求。改造內(nèi)容主要由電池系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)以及燈光、喇叭電器系統(tǒng)。

2.1 皮卡車電池系統(tǒng)改造

皮卡車原有電池系統(tǒng)狀況：皮卡車原有供電系統(tǒng)為磷酸鐵鋰電池，電池?cái)?shù)目較少，續(xù)航里程無法保證，分別布置在皮卡車后備箱與皮卡車底部；沒有線控系統(tǒng)控制；電池堆沒有可靠固定，并且沒有防爆防護(hù)。將原有的小容量磷酸鐵鋰電池箱替換成大容量磷酸鐵鋰電池箱，并且需要進(jìn)行防爆安裝。電池箱在皮卡車中可安裝位置有兩處，一處是皮卡車底部位置，一處時(shí)皮卡車后備箱位置。確定好電池箱的尺寸以后，反復(fù)測量后備箱與汽車底盤安裝空間，兩處位置均可以安放電池箱?？紤]到后備箱還要安裝無人駕駛控制器，電源充電器以及電池控制箱，這些控制箱與人交互較多，需要放在易于接觸的開放的位置。將電池箱電池充電器電池控制箱以及控制箱放在后備箱，會造成后備箱空間緊張，且不易于后期調(diào)試與維護(hù)。此外也會造成整車重心后移，整車載荷大部分由后橋承擔(dān)，造成整車操縱性能與穩(wěn)定性能下降。綜合考慮，決定將電池箱安裝于底部。

電池箱安放在車底，采用型鋼制作電池箱托架，將電池箱放置在托架上，并采用螺栓緊固。將電池箱與托架置于電動皮卡車底部，電池箱接線喇叭嘴朝后。線纜由轎廂底板穿過，分別與電池充電箱和電池控制箱相連。采用U形卡將電池箱托盤懸掛于電動皮卡車底盤左右兩側(cè)縱梁上。為了防止電池箱前后擺動，在電池箱托架兩側(cè)分別焊接兩個(gè)吊耳，將吊耳與皮卡車縱梁上的吊耳采用螺栓緊固連接，使電池箱與皮卡車可靠的裝配在一起。

考慮操作的便利性，及后備箱空間的充分利用，計(jì)劃將電池充電箱，電池控制箱與自動駕駛控制箱分上下兩層固定在支架上。具體布置如下：將支架采用螺栓連接方式固定在電動皮卡車底盤的縱梁上，電池充電器的線束從靠近車廂一側(cè)引出，向后排座椅處延伸。電池控制箱線束從兩側(cè)引出向后排座椅處延伸，供電線束穿過車廂底板進(jìn)入到電池箱，通信線束從座椅底下穿過至電動皮卡車前艙，線束整理好捆扎，并由汽車底板內(nèi)飾覆蓋。該布置方案有效的利用了電動皮卡車后背箱空間，同時(shí)可以方便對電動皮卡車進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)，布置簡潔穩(wěn)定可靠。

電池控制箱電池界面顯示電池箱裝配完成后，檢查電纜與電池控制箱，充電箱連接線路是否連接正確，接線端子時(shí)候牢固可靠，是否有裸露的線頭。確認(rèn)無連接錯(cuò)誤后進(jìn)行上電調(diào)試。首先打開電池控制線開關(guān)，給電池供電系統(tǒng)供電，電池系統(tǒng)完成自檢后在電池控制箱屏幕上會顯示電池組每塊電池的工作狀態(tài)，檢查每塊電池的電壓、工作溫度是否正常，經(jīng)檢查電池組每塊電池電壓均在3.2V左右，工作溫度位24℃(環(huán)境溫度)上下。整體電池組輸出電壓257V，與實(shí)際測量的值吻合，說明電池組與整個(gè)供電系統(tǒng)能夠正常工作。插入標(biāo)準(zhǔn)充電槍，操作充電機(jī)充電。經(jīng)實(shí)際測試，充電功能正常。

2.2 動力系統(tǒng)改造

電動皮卡車電機(jī)，以及電機(jī)控制器的驅(qū)動總成如圖4所示，驅(qū)動電機(jī)與減速器總成、主減速器以及差速器總成一起裝在后橋上，電機(jī)接線主要有通信線路和供電線路組成。電機(jī)控制器位于電動皮卡車底部，中間靠后位置，通過線纜與電機(jī)相連。

電機(jī)與電機(jī)控制器改造內(nèi)容：驅(qū)動系統(tǒng)硬件布置沒有變化，電纜接線需要調(diào)整。由于更換了電池系統(tǒng)，電池系統(tǒng)供電線路需要重新連接。檢測電纜與接線柱的連接可靠性，檢測絕緣性能。檢測完畢后對供電系統(tǒng)與驅(qū)動電機(jī)控制器連線進(jìn)行局部通電測試，供電系統(tǒng)與驅(qū)動電機(jī)控制器可以正常運(yùn)行，無異?，F(xiàn)象。對電池供電系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)控制器與驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，供電后給驅(qū)動電機(jī)線控接口發(fā)報(bào)文。為保證系統(tǒng)安全，先進(jìn)行低轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)測試，驅(qū)動電機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，再進(jìn)行高轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)測試，驅(qū)動電機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 燈光控制系統(tǒng)改造

燈光控制系統(tǒng)控制現(xiàn)狀：電動皮卡車原有的燈光控制系統(tǒng)為LIN總線控制系統(tǒng)，經(jīng)檢測，燈光工作正常。由于自動車輛線控改造的需要，需要將燈光系統(tǒng)LIN總線控制改成CAN總線控制。需增加CAN轉(zhuǎn)LIN通信網(wǎng)關(guān)，安裝在輔助電池箱內(nèi)。改造完成后對燈光系統(tǒng)進(jìn)行測試，逐一檢查近光、遠(yuǎn)光、倒車、轉(zhuǎn)向、剎車等燈光器件是否能夠正常工作。經(jīng)測試，改造后燈光系統(tǒng)能夠滿足技術(shù)要求。

2.4 整車控制器改造

整車控制器現(xiàn)狀：原有的整車控制器為主從控制器模式，共2個(gè)CAN通訊接口，位于駕駛室。由于車輛改造后需要增加智能控制無人駕駛模式，在保證原有功能的基礎(chǔ)上要增加整車的通信接口，增加供電控制。由于增加了接口線束，需要重新制作整車控制箱，并重新設(shè)計(jì)接口，重新布置線纜連接。

線控系統(tǒng)改造內(nèi)容：增加新的合適的整車控制箱，增加全新整車控制器，滿足實(shí)際需要改造完成后整車控制箱固定在汽車前艙蓋支架中。

2.5 制動系統(tǒng)改造

制動踏板現(xiàn)狀：原有制動踏板不能反饋制動踏板位置信息，需要增加位置傳感器，用來采集制動踏板的位移量。制動踏板改造內(nèi)容：增加位置傳感器，用來采集制動踏板的位移量。將采集到的位置信息傳送到整車控制器，配合電子駐車制動按鈕實(shí)現(xiàn)便捷駐車制動。當(dāng)人工/自動駕駛按鈕由人工切換到自動駕駛時(shí)，位置傳感器能夠?qū)⒅苿犹ぐ逍畔鬟f到無人駕駛控制器，對制動踏板信息及時(shí)處理，以確保整車的行車安全。

制動器液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀：制動系統(tǒng)主要有液壓系統(tǒng)、制動踏板、駐車制動開關(guān)、濕式制動器，液壓管路組成。原制動系統(tǒng)缺少線控功能。原有液壓系統(tǒng)是由液壓控制器、油泵電機(jī)、油箱、蓄能器、閥體、壓力傳感器與壓力表組成。原有液壓系統(tǒng)沒有線控功能。液壓系統(tǒng)改造內(nèi)容，增加線控功能，部分線路改造。

制動器改造內(nèi)容：改造之前首先檢查原有制動系統(tǒng)是否能夠正常工作。完成測試后進(jìn)行制動系統(tǒng)線控改造，在原有閥塊的基礎(chǔ)上增加新的電磁閥：①前后行車制動比例電磁閥，閥體開度由0～5V電壓信號控制；②駐車制動由常閉開關(guān)電磁閥控制。完成改造后的制動系統(tǒng)進(jìn)行測試，檢查制動器是否產(chǎn)生相應(yīng)的制動動作。檢查改造后的閥體與制動器管路是否出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

2.6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)狀：改造前的轉(zhuǎn)向柱由方向盤、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向柱以及萬向節(jié)組成。為人工轉(zhuǎn)向，缺少線控功能。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造內(nèi)容：將原有的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)拆卸下來，轉(zhuǎn)向柱部分有較大的安裝空間可以安裝線控轉(zhuǎn)向的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)向柱截去一部分，安裝線控轉(zhuǎn)向電機(jī)以及減速齒輪是集成在一起的，減速齒輪輸出軸一端與轉(zhuǎn)向柱相連接，另一端為花鍵孔，有方向盤一端的轉(zhuǎn)向柱為花鍵軸將其插入到減速齒輪的輸出軸花鍵孔并調(diào)整整個(gè)轉(zhuǎn)向柱的長度，使其保證與原來轉(zhuǎn)向柱長度相同，然后將其固定。完成改造之后對轉(zhuǎn)向柱進(jìn)行測試，檢查轉(zhuǎn)向柱的接線情況，給通信接口控制信號，查看改造后的線控轉(zhuǎn)向是否有轉(zhuǎn)向動作。檢測完成后將轉(zhuǎn)向柱裝回車上，安裝過程中調(diào)整線控電機(jī)的位置以確保轉(zhuǎn)向柱與車體無干涉。安裝完成后再次對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，檢查安裝完成后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)候能夠正常完成轉(zhuǎn)向動作。

3 無人駕駛電動皮卡車調(diào)試

3.1 改造后電動皮卡車的設(shè)備排布

需要排布的器件與設(shè)備：甲烷傳感器、繼電器箱、整車控制箱、電池控制箱與充電箱。

新設(shè)備排布狀況：甲烷傳感器安裝在汽車前進(jìn)氣格柵后面，該位置空氣流通情況較好，可以更為準(zhǔn)確的檢測環(huán)境中的甲烷濃度。繼電器箱與整車控制箱安裝在輔助電池箱上的支架上，方便程序更新與維護(hù)。充電箱與電池控制箱安裝在后背箱位置，靠近驅(qū)動電機(jī)與電池箱，方便線束布置，從后備箱充電更加方便。電池箱與電池控制箱安裝在支架上支架下部位置安裝自動駕駛控制箱，這樣的布置方案極大的節(jié)約了后備箱空間，整車質(zhì)量分布更加均衡。

3.2 改造后電動皮卡車測試

整車改造完成后并在某煤礦公司分別進(jìn)行了地面和井下進(jìn)行現(xiàn)場測試如圖5所示。分別進(jìn)行了續(xù)航里程測試、最高車速測試、燈光測試、制動系統(tǒng)測試、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試以及井下無人駕駛測試。

改造后各CAN總線子系統(tǒng)的測試結(jié)果見表1。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)以及行駛系統(tǒng)經(jīng)過測試滿足使用要求。CAN總線通訊可以精準(zhǔn)可靠的進(jìn)行信息傳遞并且各個(gè)機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 車輛CAN總線改造測試結(jié)果

4 結(jié) 論

1)經(jīng)過改造后的電動皮卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、電器系統(tǒng)可以保證整車正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在井下自動前進(jìn)倒車、轉(zhuǎn)向、制動、照明等功能。

2)采用CAN總線通訊控制的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以精準(zhǔn)可靠的進(jìn)行信息傳遞，確保無人駕駛系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證整車在無人駕駛運(yùn)行模式下的可靠運(yùn)行。