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孙继平教授：矿井车辆无人驾驶关键技术研究
签发时间：
2022-06-21 11:19
起源：
一、研究背景
煤矿辅助运输是指除煤炭运输外的其他运输，包括材料、设备、人员和矸石运输等。煤矿辅助运输具有如下特点：运输线路随采掘工作面推进和搬迁而变化；工作地点分散、运输线路复杂；待运物料品种繁多、形状各异；井下巷道空间狭小；光照条件差；有瓦斯和煤尘等爆炸性物质，矿尘大，有淋水，环境潮湿等。据统计，我国煤矿井下辅助运输人员占煤矿井下作业人员1/3以上。矿井车辆无人驾驶，是减少煤矿井下作业人员，建设安全、高效、绿色、智能化矿井的需要。
二、研究内容
01 矿井车辆无人驾驶特点
煤矿井下作业人员位置全面感知、矿井车辆全部受控、矿井轨道运输设备只需一维定位、光照条件差、无线传输衰减大、无卫星信号、电磁环境复杂、电气防爆、环境潮湿、有淋水和粉尘。
02 矿井车辆定位技术
① 超声波雷达测距定位具有受粉尘影响小、不受光照影响、不需在动目标上设置定位卡、系统简单、成本低等优点，但存在测距范围小、测量精度低、不能识别动目标身份、非视距定位误差大等缺点。因此，煤矿井下车辆和人员等动目标定位不宜采用超声波定位技术。
② 激光定位具有探测距离远、精度高、不需在动目标上设置定位卡、系统简单等优点，但存在不能识别动目标身份、只能在视距条件下定位、受粉尘影响大等缺点。因此，煤矿井下车辆和人员等动目标定位不宜采用激光定位技术。
③ 矿井车辆和人员等动目标定位系统主要采用RFID，ZigBee，UWB，WiFi6，5G等无线电定位技术。RFID技术具有系统简单、成本低等优点，但不能连续测距和定位，仅能区域定位，用于早期的矿井车辆和人员等动目标定位系统。ZigBee技术具有连续测距和定位、无线覆盖半径大、定位精度较高、系统成本低于UWB系统等优点，但存在定位精度低于UWB系统、非视距误差等缺点。UWB技术具有连续测距和定位、无线覆盖半径大、定位精度最高等优点，但存在系统成本高于ZigBee系统、非视距误差等缺点。WiFi6技术具有连续测距和定位、无线覆盖半径大、定位精度较高等优点，但存在定位精度低于UWB系统、系统成本高于ZigBee系统、非视距误差等缺点。5G技术具有连续测距和定位、定位精度较高等优点，但存在无线覆盖半径最小、系统成本最高、定位精度低于UWB系统、非视距误差等缺点。因此，煤矿井下车辆和人员等动目标定位宜采用定位精度最高的UWB和成本低的ZigBee无线电定位技术。
④ 惯性导航技术具有如下优点：不依赖外部信息，不受外界电磁干扰；可连续提供加速度、方向角、速度、相对位置等；数据更新快，短时精度高，稳定性好。但惯性导航技术存在如下缺点：定位误差随时间增加而增大，长期不校准则定位误差大；剧烈的车辆振动、颠簸会增加定位误差；绝对位置需根据初始位置和相对位置来计算；不输出时间信息；成本高。因此，惯性导航技术不宜单独作为矿井车辆定位技术。
⑤ 矿用即时定位与地图构建(SLAM)技术具有全矿井定位、定位精度高、动态地图实时更新等优点，但存在受粉尘影响大、需标志等问题。巷道分支、固定设备和设施具有标志作用，但在缺少标志的巷道中，需人为增加反光等标志。因此，SLAM技术不宜单独作为矿井车辆定位技术。
⑥ 里程计具有如下优点：不依赖外部信息，不受外界干扰；可连续提供相对位移；可靠性高；成本低。但里程计存在如下缺点：属一维定位方法，左右位移也计入前后位移；绝对位置需根据初始位置和相对位置来计算；定位误差随时间增加而增大，长期不校准则定位误差大。因此，里程计不宜单独作为矿井车辆定位技术，可作为矿井车辆辅助定位技术。
综上所述，矿井车辆定位宜采用以UWB为主，惯性导航、里程计和SLAM为辅的矿井车辆联合定位方法。
03 矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距技术
① 激光雷达具有测距精度高、分辨率高等优点，但存在受粉尘影响大、价格高、体积大等缺点。激光雷达是矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距主要设备。
② 毫米波雷达具有不受光照影响、受粉尘影响小、可同时测距和测速、测距和测速精度较高、体积小、成本低等优点。但毫米波雷达分辨率较低，难以区分物体形状。人、煤和岩等非金属物体电磁波反射率低，毫米波雷达容易漏检。毫米波雷达可作为矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距辅助设备。
③ 红外摄像机通过检测物体温度成像，具有受光照影响小、受粉尘影响较小等优点，但存在分辨率低、探测距离近等缺点。红外摄像机是矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距辅助设备，主要用来探测人员、运行的机车和设备等温度较高的物体。
④ 可见光摄像机通过算法识别障碍物，具有分辨率高、有颜色信息、体积小、成本低等优点，但存在难以测距、受光照和粉尘影响大、可靠性低等缺点。可见光双目视觉相机具有可测距、分辨率高、有颜色信息、体积小、成本低等优点，但存在受光照和粉尘影响大、可靠性低等缺点。可见光摄像机与双目视觉相机可作为矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距辅助设备。
综上所述，矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距宜采用以激光雷达为主，毫米波雷达、红外摄像机、可见光摄像机、可见光双目视觉相机、超声波雷达为辅的多信息融合方法。
04 地面远程控制与无线通信技术
矿井无人驾驶车辆在自动驾驶过程中，当遇到路况复杂，自动驾驶不能决策时，需自动转入地面远程控制模式。地面人员远程控制车辆，需将车载摄像机图像和声音、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、车辆位置、车辆工况、信号灯等信息上传至地面，将控制命令下传至车辆。因此，需采用大宽带、短时延、高可靠的矿用宽带无线通信系统。矿用5G无线通信系统是矿井车辆地面远程控制首选，但存在无线覆盖半径小、成本高等缺点，今后可研究WiFi7在矿井车辆地面远程控制中的应用。
孙继平,江嬴.矿井车辆无人驾驶关键技术研究[J].工矿自动化,2022,48(5):1-6.
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