張 麗 張 毅 夏振中

（1．南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188；2．新能源與無人駕駛工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211188；3甘肅嘉峪關(guān)市酒鋼股份公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735199）

礦山運輸作業(yè)具有計劃性、組織性和封閉性的特征，并且面臨招工難、效率低、運營成本特別是勞動力成本越來越高等難題，人工智能的發(fā)展為此提供了全新的解決方案[1]。根據(jù)國家相關(guān)“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的政策要求，露天礦山運輸作業(yè)的自動化、智能化，也是礦山運輸行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2]。礦卡智能化技術(shù)不僅能最大限度減少采礦部門對較低技術(shù)工人的需求，還能增加生產(chǎn)運營時間，降低人工成本，減少安全事故，大幅提升生產(chǎn)效率[3]。

1 礦卡線控改裝目的

當前，我國在用礦卡大多僅支持人工駕駛，為實現(xiàn)礦卡的遙控與自動駕駛，必須先對其進行線控改裝，使礦卡能夠接收控制信號，并將礦卡產(chǎn)生的必要數(shù)據(jù)傳送至遙控艙，通過遙控接管駕駛控制系統(tǒng)，完成礦卡前進、后退、制動、轉(zhuǎn)向及裝載和卸載等無人駕駛功能，進而真正實現(xiàn)“機械化減人，自動化換人，智能化無人”，達到減員降本、提質(zhì)增效的目的，引領(lǐng)中國露天礦山智能發(fā)展新紀元。

2 礦卡智能化線控改裝技術(shù)方案

礦卡智能化線控改裝主要包括對礦卡電源、轉(zhuǎn)向、油門、制動、換擋、舉升、燈光系統(tǒng)的改裝以及工控機、交換機、IMU、RTK、激光雷達、攝像頭、傳感器等部件的加裝。IMU用來檢測設(shè)備車身傾角與震動加速度，當車身傾斜或震動加速度超過設(shè)定閾值時自動報警。RTK用來實現(xiàn)車身的高精定位與朝向角定向，配合標注了高壓線、斷面邊緣等GIS數(shù)據(jù)的高精地圖，當檢測到機體距離高壓線、斷面邊緣過近時自動報警。四路攝像頭實時畫面通過RTSP協(xié)議傳輸至工控機，兩路激光雷達自動檢測障礙物，當車頭或車尾距離障礙物過近時自動報警。工控機與PDC通過CAN通信，除設(shè)備信息與操作指令的交互，工控機與PDC間建立定周期的心跳機制，當心跳信號失活時PDC自動緊急停機。礦卡智能化線控改裝硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 電源改裝

由于原車內(nèi)最大功率無法滿足改裝操作設(shè)備在最大功率條件下的使用，因此對車內(nèi)用電進行分流，24V供電直接使用原車24V電，從原車室內(nèi)斷電開關(guān)后端取電，增加相應(yīng)保險絲給24V用電器供電。12V供電采用新增12V蓄電池，并增加24V～12V的DCDC（功率480 W）用于蓄電池充電，12V系統(tǒng)供電。加裝1塊12V/60Ah的蓄電池、1個24V轉(zhuǎn)12V降壓穩(wěn)壓模塊。由于該放置箱空間不足，因此需要對其進行擴容，將其在車寬方向加長200mm，板材使用與原箱相同的6mm碳鋼，連接使用邊緣搭接滿焊，如圖2所示。

降壓穩(wěn)壓模塊24V輸入從原車蓄電池兩端取電（線徑2.5mm2，DC自帶保險絲）。降壓穩(wěn)壓模塊24V的使能腳從原車24V斷電開關(guān)后引入信號，須加保險絲，線徑1mm2。降壓穩(wěn)壓模塊24V的12V輸出正負分別接到新增12V蓄電池的正負極，線徑6mm2。12V蓄電池取電引入駕駛室為12V用電器供電，線徑6mm2，負極可就近搭鐵。12V用電由原車24V斷電開關(guān)通過繼電器控制通斷。

2.2 燈光改裝

在原車燈光開關(guān)兩端并聯(lián)繼電器，實現(xiàn)燈光的控制。改裝燈光種類共計3種，包括近光燈、遠光燈、示寬燈。剎車燈、倒車燈與倒車蜂鳴器為自動觸發(fā)，無須改裝。近光燈、遠光燈、示寬燈改裝如圖3所示，虛線為加裝部分，分別在近光燈開關(guān)、遠光燈開關(guān)和示寬燈開關(guān)觸點兩側(cè)加裝繼電器控制裝置，通過弱電信號實現(xiàn)近光燈、遠光燈和示寬燈的開啟和關(guān)閉。

2.3 換擋改裝

將換擋器內(nèi)部擋位線路引線在外部接入繼電器，通過PDC進行換擋控制。拆開換擋器，將內(nèi)部PCB-A和PCB-B之間的連接線進行改制，做相應(yīng)的斷線、并線和引線。由于接線原理相同，現(xiàn)以N、D、R1這3個擋位為例對方案進行具體說明。將N、D、R1這3個擋位的引出線分別接到繼電器模塊里的3個繼電器的常閉端，3個繼電器分別為N繼電器、D繼電器和R1繼電器，改裝部分如圖4虛線圖所示。PCB-A的N擋引出線同時接到控制器，控制器監(jiān)控換擋器物理擋位是否處于N擋，控制器通過串口與繼電器模塊連接。

2.4 油門改裝

油門改裝通過直線電機拉動固定在油門踏板上的拉力線，控制車輛油門力度，并通過位移傳感器與車速檢測實現(xiàn)控制閉環(huán)。為控制油門的電信號，在油門踏板上安裝拉力線，用直線電機拉動拉力線。在具體操作過程中，施工人員將在油門踏板下與駕駛座側(cè)邊開設(shè)孔位，用于安裝拉力線套管。

油門踏板頂端開通孔用于拉力線穿過，使用專用螺絲鎖扣固定，通過直線電機的拉動，可實現(xiàn)油門踩下效果。當直線電機回位時，油門踏板通過原裝彈簧回到零位。由于拉力線具有柔軟的特性，不影響油門踏板的使用，當人工駕駛時，仍然可以使用油門踏板功能。側(cè)視布置圖如圖5所示。

直線電機機構(gòu)包括標準直線電機、防護殼和位移傳感器，直線電機行程150mm，大于腳踏板約80mm（頂端）的行程，可滿足腳踏板各個位置的拉伸。負載25kg，滿足拉動踏板的拉力需求。通過安裝內(nèi)置位移傳感器，監(jiān)控滑塊實時位置，實現(xiàn)對腳踏板位置的精確控制。

2.5 舉升改裝

原車舉升液壓閥采用機械轉(zhuǎn)桿傳遞拉動閥門實現(xiàn)舉升控制閥動作。為實現(xiàn)電信號控制舉升功能，現(xiàn)采用直線電機拉動馬蹄勾的方案，將原舉升液壓控制閥操作機構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)臂拆除，直線電機通過定制件直接拉動馬蹄勾完成對控制閥的操作，同時在車斗前后位置分別增加行程開關(guān)，監(jiān)控車斗降下與升起是否到位。

為了實現(xiàn)電信號控制液壓油箱功能，現(xiàn)將原位置處的旋轉(zhuǎn)臂拆除，通過定制工裝使直線電機直接推拉液壓油箱的馬蹄勾。直線電機安裝在支架上，通過連接件與液壓油箱的馬蹄勾實現(xiàn)剛性連接，需要動作時，PDC控制直線電機下拉實現(xiàn)升斗，上推實現(xiàn)下降。同時，該功能將轉(zhuǎn)為撥擋開關(guān)，安裝在駕駛室操作臺上，替代原有操縱機構(gòu)，實現(xiàn)人工駕駛時依然可以實現(xiàn)車斗操作。為檢測車斗是否已下降到位，在車斗前方的車架上加裝行程開關(guān)，為檢測車斗是否舉升到位，在車斗后部加裝行程開關(guān)。使用過程中，在人工操作模式下，使用前需要確保PDC上電，采用撥擋開關(guān)控制車斗升降。遙控/自動模式下，當PDC收到升斗或降斗命令后，控制直線電機推動液壓油箱，同時控制油門、剎車、檔位進入指定狀態(tài)，使舉升機構(gòu)開始動作。此過程中，PDC將監(jiān)控行程開關(guān)工作情況，確認車斗是否成功完成升斗或降斗操作。

2.6 加裝傳感器

礦卡端還須加裝工控機、交換機等部件，以及IMU、RTK、激光雷達、攝像頭等傳感器。IMU用來檢測設(shè)備車身傾角與震動加速度，RTK用來實現(xiàn)車身的高精定位與朝向角定向，四路攝像頭分別安裝于車頭車尾、兩后視鏡，兩路激光雷達分別安裝于車頭與車尾。傳感器配置如圖6所示。

3 性能測試

工控機安裝有高精定位、避障檢測、魯棒控制、安全監(jiān)控等核心軟件模塊。高精定位模塊接收RTK發(fā)布的經(jīng)度、緯度、高度、朝向角等數(shù)據(jù)，以及IMU發(fā)布的車身加速度、角速度等數(shù)據(jù)，通過融合算法計算車身位置、姿態(tài)、速度。避障檢測模塊接收激光雷達發(fā)布的點云數(shù)據(jù)，通過三維點云聚類、分割與過濾，檢測車輛行駛軌跡前方設(shè)定范圍內(nèi)的人、車等障礙物，并發(fā)布障礙物位置、大小等信息。魯棒控制模塊接收云端服務(wù)器下發(fā)的行駛路線，PDC發(fā)布的底盤數(shù)據(jù)，融合定位模塊發(fā)布的車身位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，對車身進行橫向軌跡控制與縱向速度控制，以控制車身沿設(shè)定路線自動行駛。安全監(jiān)控模塊通過IMU檢測車身的異常震動、傾斜等情況，通過PDC接收底盤告警信息，以發(fā)布綜合告警信息。

行駛過程中接收避障檢測模塊發(fā)布的障礙物信息，當檢測到障礙物時自動剎車停止。整體運行過程中始終接收安全檢測模塊發(fā)布的綜合告警信息，根據(jù)告警嚴重等級控制車身減速行駛或剎車停止。工控機與PDC間均建立周期性心跳機制，當心跳信號失活時PDC自動緊急停車。實踐證明，礦卡智能化線控改裝后，車輛行駛速度滿足礦區(qū)安全規(guī)定，路徑跟蹤行駛的橫向誤差≤0.5m，速度控制誤差≤3km/h；自動對位后橫向誤差≤0.5m，縱向誤差≤0.5m。

4 結(jié)語

用現(xiàn)代先進技術(shù)改造和提升舊的設(shè)備，適應(yīng)智能化設(shè)備的需要，是我國制造業(yè)的發(fā)展方向[4]。礦卡線控改裝是實現(xiàn)礦卡無人駕駛線性控制的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的人工駕駛模式相比，無人駕駛可有效提升露天煤礦現(xiàn)有礦卡工作效率，減少安全事故的發(fā)生，實現(xiàn)嚴酷環(huán)境下長時間連續(xù)作業(yè)，對礦山運輸作業(yè)具有很強的示范推廣作用。