韓 飛

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)生產(chǎn)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣、燈光黑暗、粉塵較大能見(jiàn)度低，工況環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)面阻擋障礙物多且井下多為人員交互式作業(yè)，作業(yè)面工況復(fù)雜[1]。支架搬運(yùn)車在搬運(yùn)支架過(guò)程中受限于車輛自身結(jié)構(gòu)和支架阻擋，不可避免地存在大量盲區(qū)，駕駛員視野受阻，不能發(fā)現(xiàn)接近車輛危險(xiǎn)區(qū)域的作業(yè)人員，對(duì)作業(yè)范圍內(nèi)的人員構(gòu)成了嚴(yán)重的安全威脅。因此，開(kāi)發(fā)一種車載人員接近檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)有人員位于車輛作業(yè)告警區(qū)域時(shí)進(jìn)行預(yù)警和采取緊急操作措施，保證井下作業(yè)的安全生產(chǎn)運(yùn)行。

1 井下人員接近檢測(cè)系統(tǒng)概述

井下人員接近檢測(cè)系統(tǒng)是指在井下作業(yè)環(huán)境下，相關(guān)作業(yè)人員靠近作業(yè)設(shè)備一定范圍后，設(shè)備能檢測(cè)出靠近人員的識(shí)別置信度、數(shù)量、距離以及方位，設(shè)定電子圍欄。當(dāng)作業(yè)及相關(guān)人員被檢測(cè)到進(jìn)入電子圍欄后，整車控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人員進(jìn)入安全危險(xiǎn)區(qū)域后，整車控制系統(tǒng)發(fā)出設(shè)備緊急制動(dòng)措施，確保人員人身安全。人員接近檢測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)式和主動(dòng)式2大類型。被動(dòng)式人員接近檢測(cè)系統(tǒng)是指相關(guān)人員貼上電子標(biāo)簽通過(guò)應(yīng)答的方式確定人員與基站的距離與方位，從而實(shí)現(xiàn)人員接近的判別和功能實(shí)現(xiàn)。

目前，井下人員接近檢測(cè)系統(tǒng)主要基于UWB(超寬帶無(wú)線載波通信技術(shù))原理進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。在車輛合適部位安裝UWB定位基站，定位基站發(fā)射UWB無(wú)線信號(hào)，人員定位標(biāo)簽(識(shí)別卡)收到信號(hào)后直接向該探測(cè)器發(fā)送返回信號(hào)，通過(guò)發(fā)送和返回時(shí)間差計(jì)算出定位標(biāo)簽和基站之間的距離，從而進(jìn)一步計(jì)算出人員與設(shè)備的距離[2]。該種檢測(cè)原理理論上可以達(dá)到0.3 m的檢測(cè)分辨率，精度較高，但無(wú)線信號(hào)受環(huán)境、移動(dòng)設(shè)備的速度影響較大。更為主要的是它屬于被動(dòng)式檢測(cè)方式，只能檢測(cè)識(shí)別帶有特定定位標(biāo)簽(識(shí)別卡)的人員，而沒(méi)有攜帶定位標(biāo)簽的人員則不能被檢測(cè)，且標(biāo)簽攜帶不方便易丟失，隨著井下交互式作業(yè)日益復(fù)雜，需要檢測(cè)的人員不斷增多，基于該原理的被動(dòng)式人員接近檢測(cè)系統(tǒng)逐漸不適應(yīng)井下煤礦作業(yè)使用要求[3]。主動(dòng)式人員接近系統(tǒng)是指在車輛上安裝合適的探測(cè)傳感器掃描采集人體信息，采用特殊算法識(shí)別出人體，并且獲得人體的探測(cè)距離和方位。與被動(dòng)系統(tǒng)的區(qū)別在于它能主動(dòng)掃描探測(cè)識(shí)別所有區(qū)域內(nèi)人體而不是特定的某些人，適用范圍更加廣泛，行車也更加安全，因此主動(dòng)式人員接近系統(tǒng)將成為未來(lái)發(fā)展方向。當(dāng)前通用的人員檢測(cè)為紅外人員檢測(cè)原理[4]，檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，常用于室內(nèi)人員的監(jiān)控和識(shí)別。但紅外熱成像在遠(yuǎn)距離、多塵環(huán)境下的人員識(shí)別率不高。因此不能應(yīng)用于井下作業(yè)設(shè)備的人員檢測(cè)系統(tǒng)。

2 激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用研究與闡述

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，科技水平的快速提升，越來(lái)越多的探測(cè)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于智能無(wú)人駕駛[5]。其中激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展尤為迅速，已被廣泛應(yīng)用于車輛無(wú)人駕駛道路識(shí)別等高新科技領(lǐng)域[6]。

激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近，是利用可見(jiàn)和近紅外光波(多為950 nm波段附近的紅外光)發(fā)射、反射和接收來(lái)探測(cè)物體[7]。以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，照射到人員物體等目標(biāo)物上，激光光波會(huì)反射到雷達(dá)的接收器上[8]，通過(guò)測(cè)算激光脈沖發(fā)送和接收的時(shí)間差可以計(jì)算出從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離。另外利用激光反射強(qiáng)度的差異特性，激光雷達(dá)傳輸出的UDP數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)有效數(shù)據(jù)提取、點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)化和反射強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)玫絾蝹€(gè)掃描周期內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)包含三維坐標(biāo)和反射強(qiáng)度值，形如(X，Y，Z，I)，將這些測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)組織在一起，即構(gòu)成激光雷達(dá)單幀測(cè)量數(shù)據(jù)的點(diǎn)云表示[9]。在經(jīng)過(guò)多線多幀掃描后，可得到精確的三維立體圖像，圖中的各個(gè)物體、人員通過(guò)合適的圖像處理算法識(shí)別出來(lái)，這就是人員接近系統(tǒng)的基本工作原理，如圖1所示[10-11]。

圖1 激光雷達(dá)工作原理簡(jiǎn)圖

3 基于激光雷達(dá)人員接近系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介

激光雷達(dá)人員接近系統(tǒng)由激光雷達(dá)、人員感知處理控制器、整車控制器以及人員接近監(jiān)控顯示器組成，系統(tǒng)包含5個(gè)激光雷達(dá)，分別分布于車輛的前后端以及框架內(nèi)部，其結(jié)構(gòu)框圖和布置圖如圖2所示。激光雷達(dá)在人員接近探測(cè)與報(bào)警方面可以通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，辨識(shí)出接近物的種類、距離以及方位。

圖2 激光雷達(dá)人員接近系統(tǒng)組成框圖及安裝

3.1.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是人員接近系統(tǒng)的核心部件。目前開(kāi)始應(yīng)用于工程領(lǐng)域激光雷達(dá)分為機(jī)械式、混合式以及全固態(tài)3種激光雷達(dá)，由于機(jī)械式激光雷達(dá)太過(guò)昂貴并不適合工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用。而隨著固態(tài)激光雷達(dá)制造技術(shù)迅猛發(fā)展，成本快速降低，固態(tài)式激光雷達(dá)成為當(dāng)下激光雷達(dá)企業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的方向。文中選用大疆M40激光雷達(dá)，其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大疆M40激光雷達(dá)主要參數(shù)

3.1.2 人員感知處理控制器

人員感知處理控制器是人員接近系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可以通過(guò)對(duì)采集的點(diǎn)位云信號(hào)進(jìn)行處理，提取人體特征。32線每秒有近20幀數(shù)據(jù)，而每幀可以產(chǎn)生近13萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這是一個(gè)空間參考系中能夠表征障礙物空間分布和表面性質(zhì)的大量點(diǎn)。如此龐大的數(shù)據(jù)量，對(duì)于控制器的要求非常高。本項(xiàng)目中選用TW-T600邊緣計(jì)算平臺(tái)作為控制器，該平臺(tái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人配送車、低空防御、智能巡檢、智慧樓宇等自主化機(jī)器，是邊緣端部署 AI算力進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的理想載體。其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 TW-T600邊緣計(jì)算平臺(tái)主要參數(shù)

3.1.3 整車控制器及顯示器

人員接近系統(tǒng)需要在整車電氣控制平臺(tái)上完成，人員感知處理控制器通過(guò)CAN總線將處理好的人員姿態(tài)、距離及方位數(shù)據(jù)傳輸至整車控制器。整車控制器和顯示屏可以不改變車輛上既有型號(hào)。目前航天重工生產(chǎn)的支架搬運(yùn)車已經(jīng)配置有該人員接近系統(tǒng)。該車使用德國(guó)IFM公司出品的CR0032作為整車控制器，該控制器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高端工程裝備上，有著高可靠性和穩(wěn)定性。最為突出的便是高速計(jì)算能力，采用32-Bit Infineon ricore 1796 DSP芯片作為主處理器，主頻高達(dá)150 MHz，程序運(yùn)行周期可以縮小至8 ms內(nèi)；外部有16個(gè)信號(hào)采集輸入以及16個(gè)控制輸出、4個(gè)獨(dú)立的CAN總線通道。完全能夠滿足人員接近系統(tǒng)的運(yùn)算需求。

顯示屏為本安型15英寸液晶顯示屏，由航天重工研制生產(chǎn)，該顯示屏可以顯示整車狀態(tài)、電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，狀態(tài)信號(hào)通過(guò)CAN總線傳送。同時(shí)也可以顯示顯示多分屏視頻監(jiān)控信號(hào)，另外顯示屏還帶有報(bào)警蜂鳴器，可以在緊急情況下進(jìn)行報(bào)警指示。

3.2 激光雷達(dá)人員接近系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)人員接近系統(tǒng)核心在于軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)功能區(qū)域不同分為人員感知處理控制器軟件和整車控制器軟件2大部分。人員感知處理控制器軟件實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理，通過(guò)特定算法分離和識(shí)別出人體特征，并對(duì)人員位置、方位以及置信度進(jìn)行計(jì)算；整車控制器軟件在于對(duì)前端發(fā)送出的信息進(jìn)行再處理，與整車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行融合，最終對(duì)人員接近進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)施措施。

3.2.1 人員感知處理控制器軟件設(shè)計(jì)

首先主要采用基于幾何物體的角點(diǎn)檢測(cè)的方法進(jìn)行2個(gè)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算，確定人員接近系統(tǒng)中不同激光雷達(dá)之間的坐標(biāo)系變換關(guān)系。

基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集管理以及多雷達(dá)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)拼接，形成數(shù)據(jù)點(diǎn)云拼接后的視場(chǎng)。目標(biāo)檢測(cè)模型是人員感知控制器軟件的核心部分。本模型預(yù)測(cè)出場(chǎng)景中目標(biāo)包圍框的位置、尺寸和類別等信息，采用的檢測(cè)模型的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其中Conv代表卷積層，Deconv代表反卷積層，Res2Net代表多尺度特征學(xué)習(xí)模塊。該模型結(jié)構(gòu)圖主要可分為點(diǎn)云的柱狀化、多尺度柱內(nèi)特征學(xué)習(xí)模塊、多尺度偽圖特征學(xué)習(xí)模塊以及檢測(cè)頭等4個(gè)部分。這里保留了原始的PointPillars模型關(guān)于點(diǎn)云的柱狀化以及檢測(cè)頭部分的設(shè)計(jì)，而重點(diǎn)研究如何借助多尺度特征學(xué)習(xí)方法以增強(qiáng)柱內(nèi)特征以及偽圖特征的學(xué)習(xí)能力，從而進(jìn)一步增強(qiáng)其檢測(cè)性能。

圖3 三維目標(biāo)檢測(cè)流程

3.2.2 整車控制器軟件設(shè)計(jì)

人員感知處理控制器通過(guò)CAN總線將檢測(cè)范圍內(nèi)人員的姿態(tài)距離和方位信息發(fā)送至整車控制器[11]。關(guān)于人員接近部分的軟件設(shè)計(jì)基于電子圍欄思路進(jìn)行。如圖4所示，整車控制器根據(jù)車輛的構(gòu)造特點(diǎn)和礦區(qū)安全規(guī)范章程在保障車輛能有效運(yùn)行的狀態(tài)下建立電子圍欄[12]，設(shè)立黃色告警區(qū)和紅色危險(xiǎn)區(qū)。對(duì)接收過(guò)來(lái)的人員信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合生成人員坐標(biāo)點(diǎn)系。人員在告警區(qū)范圍之外，系統(tǒng)將人員信息過(guò)濾，車輛保持正常操作狀態(tài)；告警區(qū)內(nèi)人員未進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，此時(shí)人員處于臨近危險(xiǎn)區(qū)域，但車輛尚不能對(duì)人員造成實(shí)質(zhì)傷害，此時(shí)車輛發(fā)出告警信號(hào)，提示車輛操作人員注意車輛作業(yè)范圍內(nèi)人員分布情況；當(dāng)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域后，整車控制器啟動(dòng)安全保護(hù)措施，確保危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人不受到車輛的傷害。當(dāng)人員離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域后，報(bào)警自動(dòng)解除，車輛恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。人員的坐標(biāo)點(diǎn)系信息可以通過(guò)顯示屏人員顯示區(qū)域直觀顯示出來(lái)，并通過(guò)蜂鳴報(bào)警器進(jìn)行告警指示。顯示界面如圖5所示。

圖4 特種車輛電子圍欄示意

圖5 整車人員接近監(jiān)控界面

根據(jù)整車監(jiān)控設(shè)計(jì)規(guī)劃，整車屏分為整車狀態(tài)顯示區(qū)、電驅(qū)系統(tǒng)顯示區(qū)、視頻監(jiān)控顯示區(qū)以及人員接近監(jiān)控顯示區(qū)域。整車狀態(tài)和電驅(qū)系統(tǒng)顯示區(qū)域可以顯示車輛運(yùn)行的狀態(tài)信息；視頻監(jiān)控可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛前后的人員活動(dòng)以及周圍環(huán)境，有利于操作人員監(jiān)控盲區(qū)狀態(tài)；人員接近顯示區(qū)位于屏幕正下方，進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的人員通過(guò)圖中所示的紅色點(diǎn)閃爍表示，同時(shí)顯示屏進(jìn)行蜂鳴報(bào)警。人員接近監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集人員置信度、方位以及距離數(shù)據(jù)，可以在顯示區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，人員離開(kāi)告警區(qū)域后，紅色報(bào)警點(diǎn)消失。

3.3 激光雷達(dá)人員接近系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

人員接近系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用RVIZ平臺(tái)進(jìn)行了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和人員識(shí)別仿真，人員可以被清晰地識(shí)別出來(lái)，置信度達(dá)到了98%以上，且含有人員坐標(biāo)和距離信息，完全滿足人員接近的技術(shù)參數(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于激光雷達(dá)的人員接近系統(tǒng)能夠主動(dòng)有效地辨別出靠近車輛作業(yè)區(qū)的人員姿態(tài)、距離和位置，并能快速地根據(jù)人員位置信息作出告警或者控制整車采用主動(dòng)安全措施，確保接近人員的人身安全。隨著在神東公司支架搬運(yùn)車上的應(yīng)用，基于激光雷達(dá)的主動(dòng)式人員接近檢測(cè)系統(tǒng)將大大提高井下作業(yè)生產(chǎn)的安全效率。