吳 鑫

(山西焦煤集團有限責任公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

在“十三五”規(guī)劃和《中國制造2025》對于煤炭行業(yè)發(fā)展方向的論述中，要求將大數(shù)據(jù)、云計算處理技術運用于煤炭開采科學決策之中，利用互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)采煤設備信息融合，將現(xiàn)代頂尖的科技新成果充分應用于煤炭開采的各個環(huán)節(jié)，建立無人礦山和智慧礦山。電機車無人駕駛是實現(xiàn)無人礦山的重要組成部分，電機車的井下行車環(huán)境惡劣，人工駕駛?cè)菀壮霈F(xiàn)交通事故，無人駕駛技術把司機從井下繁重的工作中解放出來，配合科學決策車輛調(diào)度技術能夠降低機車的空載率，在運輸效率和安全性上具有明顯的優(yōu)勢，因此研究無人駕駛技術在礦用電機車的應用具有現(xiàn)實意義。

1 井下通信網(wǎng)絡技術

在無人駕駛系統(tǒng)的運行過程中，電機車需要向基站實時上傳海量高清視頻，并隨著行駛過程切換基站。為了提高通信效率，一個基站應當具備同時接收多輛機車網(wǎng)絡信號的能力?；谙到y(tǒng)要求，電機車無人駕駛系統(tǒng)通信網(wǎng)絡應具備高帶寬、無線接入和無線切換的特點。考慮到井下環(huán)境的特殊性以及無線信號在巷道內(nèi)壁反射的現(xiàn)象，通信網(wǎng)絡設備應具有足夠的抗干擾、抗故障性能，采取相應措施防止發(fā)生多徑干擾現(xiàn)象。

如圖1所示，礦井電機車無人駕駛系統(tǒng)通信網(wǎng)絡由監(jiān)控中心運輸調(diào)度網(wǎng)、光纖骨干網(wǎng)和系統(tǒng)終端移動接入網(wǎng)組成。監(jiān)控中心運輸調(diào)度網(wǎng)的設備包括遙控操作臺、視頻服務器、調(diào)度服務器和機車運行服務器。在遙控操作臺上，電機車司機通過計算機屏幕觀察井下機車狀態(tài)、位置和視距視頻等信息，操作電機車遠程駕駛設備實現(xiàn)半自動遙控駕駛；視頻服務器接收運輸路線上安裝的攝像頭數(shù)據(jù)用于路況監(jiān)視；調(diào)度服務器接收電機車位置信息用于機車調(diào)度；機車運行服務器接收電機車運動控制數(shù)據(jù)用于電機車狀態(tài)檢測。光纖骨干網(wǎng)由光纖交換機、核心交換機和光纖組成，核心交換機將通信基站接收的無線信號轉(zhuǎn)換為有線信號，傳輸給井下光纖骨干網(wǎng)。系統(tǒng)終端移動接入網(wǎng)由通信基站和車載控制器的無線收發(fā)器組成，車載控制器通過水平極化天線發(fā)送(或接收)機車數(shù)據(jù)(或監(jiān)控中心的控制指令)。

圖1 礦用電機車無人駕駛系統(tǒng)通信網(wǎng)絡結構圖

2 電機車定位技術

無人駕駛電機車系統(tǒng)基于無線傳感網(wǎng)絡(WSN)技術而建立，大量傳感器以無線方式組成動態(tài)通信網(wǎng)絡，為用戶提供路況圖像、井下溫度、電機車速度等物理信息。這些傳感器有安裝在軌道路徑上的攝像頭，也有安裝在機車上的超聲波測距儀和溫濕度傳感器等，無線傳感網(wǎng)絡必須對整個覆蓋范圍內(nèi)的所有機車信息進行動態(tài)更新，因此完整的傳感器數(shù)據(jù)必須包含位置信息，否則其他信息也將失去意義。常見的井下定位技術有Zigbee技術和RFID技術。Zigbee定位技術的原理是通過信號強度判斷傳感器位置，這種技術結構簡單、成本低，定位范圍在數(shù)百米左右，研究人員已經(jīng)將這種技術成功應用于電機車監(jiān)控系統(tǒng)中，并通過改進的定位算法提高了定位精度。RFID又稱射頻識別技術，通過在井下固定位置安裝射頻讀卡器，讀取電機車身上的RFID標簽，獲取電機車的位置信息。RFID標簽成本低，這種定位技術在井下人員考勤和巷道車輛監(jiān)控系統(tǒng)中均有應用，但是由于識別距離限制無法大規(guī)模應用。除上述以外，還有超寬帶UWB定位技術和慣性定位技術等，在電機車無人駕駛系統(tǒng)中，采用多種定位技術、配合優(yōu)化算法實現(xiàn)車身精準定位是未來的發(fā)展方向。

3 障礙物識別技術

電機車行進路線上可能會有井下工作人員、掉落的煤堆或其他電機車占用軌道，無人駕駛技術最基本的功能即對前方障礙物進行識別并采取制動措施，防止發(fā)生傷人、翻車和追尾事故。實現(xiàn)避障最直接有效的方法是對電機車前方物體測距，一旦距離小于警戒距離立即減速或剎車。測距是一種成熟的傳感技術，常用的有超聲波測距法、紅外測距法和激光雷達測距法。超聲波測距的原理是根據(jù)超聲波的傳播時間計算障礙物距離，但是井下空間狹小，聲波容易被井壁或其他物體反射，測距效果不佳。紅外測距的原理是：發(fā)射器發(fā)射紅外光線經(jīng)障礙物反射后被接收器接收，根據(jù)紅外光線傳播時間判斷障礙物的距離。這種測距方式適用于井下黑暗環(huán)境，測距性能基本可以滿足無人駕駛避障要求。激光雷達測距與紅外測距原理類似，通過調(diào)制波傳播的時間和相位變化計算障礙物距離，比紅外測距更加精確。除上述方案以外，還能夠通過攝像機進行視覺測距，但是對環(huán)境和數(shù)據(jù)處理能力要求較高。

4 氣體環(huán)境檢測技術

無論對于工作人員健康還是電機車正常運行，井下的環(huán)境都必須滿足一定的條件。車載控制器需配置傳感器監(jiān)測溫度、濕度和有害氣體濃度。有害氣體包括甲烷、一氧化碳、氨氣等，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定了所有有害氣體的濃度上限。對電機車和人員危害最大的是甲烷和一氧化碳，甲烷的濃度最大不能超過1%，否則全部人員應當從井下撤出，所有設備全部停運。一氧化碳無色無味，一旦超過濃度上限將導致人員中樞神經(jīng)系統(tǒng)破壞，發(fā)生生命危險。常用的甲烷濃度檢測器件有可燃氣體傳感器和催化燃燒元件，相較于后者，可燃氣體傳感器利用非色散紅外原理制成，適用于爆炸性和可燃性環(huán)境，這種傳感器直接輸出模擬電壓信號，可以方便地與主控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接。一氧化碳的檢測采用根據(jù)恒電位電解式原理制成的電化學一氧化碳傳感器，這種傳感器輸出信號為電流信號，需經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路與控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接。溫濕度傳感器是各行各業(yè)常用的傳感器，采用組合傳感器更加方便。

5 電機車運動控制技術

電機車的運動控制指的是啟停控制和速度控制，目前電機車均采用直流供電系統(tǒng)，無刷直流電機用位置傳感器代替電刷和換向器，具有結構簡單、調(diào)速性能好和換向無火花等優(yōu)點。采用變頻器驅(qū)動的無刷直流電機代替普通的可控硅直流電機調(diào)速，具有調(diào)速性能優(yōu)良、節(jié)約能源的優(yōu)點。電機車運動控制硬件系統(tǒng)如圖2所示，運動控制模塊主電路包括車載控制器、無刷直流電機、集成功率模塊IPM、驅(qū)動電路、旋轉(zhuǎn)編碼器和速度檢測電路等。測距傳感器、定位傳感器和環(huán)境檢測傳感器將位置信息、障礙物信息和環(huán)境信息發(fā)送給以STM32為核心的車載控制器，運動指令生成器接收上述信息后產(chǎn)生相應的運動控制邏輯，通過PID控制器輸出占空比變化的PWM波，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)速，電機車的轉(zhuǎn)速通過旋轉(zhuǎn)編碼器采集并反饋給控制器，形成閉環(huán)控制。在電機車運動控制技術中，最核心的技術為無刷直流電機的控制研究，常用的有最簡控制法、調(diào)壓控制法和電流滯環(huán)PWM控制方法。

圖2 電機車運動控制硬件系統(tǒng)框圖

6 結束語

電機車無人駕駛技術網(wǎng)絡由運輸調(diào)度網(wǎng)、光纖骨架網(wǎng)和移動接入網(wǎng)組成。多種定位技術、配合優(yōu)化算法是實現(xiàn)車身精準定位的發(fā)展方向。無刷直流電機在電機車的應用具有調(diào)速性能好和節(jié)約能源的優(yōu)勢。礦用電機車無人駕駛是集無線網(wǎng)絡通信技術、傳感器技術和先進運動控制技術于一體的綜合系統(tǒng)，對于提高地下礦產(chǎn)開采的效率和安全性具有顯著效果。