高利敏 曹燕朝 周 楊 梁思遠(yuǎn)

（山西維度空間信息科技有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在國(guó)家工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的指引下，傳統(tǒng)露天礦山以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展為主題，深入推進(jìn)“兩化”的高層次深度融合[1]，由傳統(tǒng)型、經(jīng)驗(yàn)型向自動(dòng)化、系統(tǒng)化、多元化以及智慧化方向發(fā)展，應(yīng)用先進(jìn)的高新技術(shù)將礦山現(xiàn)有的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理等各系統(tǒng)整合統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山系統(tǒng)的信息集成與共享，各部門協(xié)同作業(yè)，逐步走向智能化、智慧化礦山。不僅能避免和減少對(duì)駕駛?cè)藛T安全、健康的危害或威脅，而且能大幅提升經(jīng)濟(jì)效率、降低運(yùn)輸成本，確保礦山的安全生產(chǎn)[2]。

1 露天礦山自動(dòng)駕駛作業(yè)場(chǎng)景

露天礦山開采作業(yè)工序遵循“穿孔-爆破-采裝-運(yùn)輸-排卸”的基本流程，自動(dòng)駕駛礦卡運(yùn)輸作業(yè)主要的環(huán)節(jié)為開采區(qū)域（精準(zhǔn)?？亢妥詣?dòng)駛離）、運(yùn)輸?shù)缆罚ㄑE行駛、自主避障和上/下坡）、排卸區(qū)域（精準(zhǔn)?？?、自主避障和自動(dòng)傾倒）和定點(diǎn)后勤保障區(qū)域（維修保養(yǎng)、加油補(bǔ)水）等4個(gè)作業(yè)場(chǎng)景。

2 露天礦山自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將探測(cè)、識(shí)別、判別、決策、優(yōu)化、執(zhí)行、反饋以及糾控功能融為一體，集多種頂尖科技成果于一身，是可以自主分析、自我學(xué)習(xí)以及自動(dòng)進(jìn)行成果總結(jié)的多學(xué)科交叉融合的技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括環(huán)境感知技術(shù)、定位技術(shù)、安全通信技術(shù)、分析決策技術(shù)、智能調(diào)度技術(shù)和控制執(zhí)行技術(shù)等[3-4]，自動(dòng)駕駛總體方案如圖1所示。

圖1 自動(dòng)駕駛總體方案

2.1 環(huán)境感知技術(shù)

環(huán)境感知技術(shù)在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中負(fù)責(zé)收集礦卡自動(dòng)駕駛功能所需要的信息，露天礦山作業(yè)區(qū)的主要障礙物包括靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物，其中動(dòng)態(tài)障礙物主要包括其他礦卡、裝載設(shè)備、輔助設(shè)備以及工作人員等，靜態(tài)障礙物主要包括安全車擋、破碎站和路面亂石等?？紤]到以上障礙物的特點(diǎn)，采用視覺、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)相結(jié)合的組合感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)靜態(tài)障礙物的高精度多模態(tài)感知識(shí)別分類，通過(guò)多源傳感器信息融合、多目標(biāo)跟蹤等技術(shù)實(shí)時(shí)收集周圍的環(huán)境信息，以提高對(duì)環(huán)境感知的準(zhǔn)確性，為自動(dòng)駕駛決策提供及時(shí)、準(zhǔn)確且可靠的決策依據(jù)。

雙目視覺相機(jī)是利用仿生原理，包括鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)定后的2個(gè)攝像頭得到同一個(gè)物體的同步曝光圖像視差和深度，將像素分辨率、亮度、色彩和色調(diào)等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)視覺的自適應(yīng)識(shí)別算法對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行匹配和標(biāo)定。由于環(huán)境特殊，受光線、風(fēng)力和礦卡的不規(guī)則震動(dòng)等原因會(huì)導(dǎo)致拍攝的視頻出現(xiàn)不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，采用空域?yàn)V波來(lái)減少圖像生成、傳輸或者因外部環(huán)境而產(chǎn)生的噪聲，并優(yōu)化失真現(xiàn)象，提高圖像的信噪比，對(duì)視頻中圖像幀間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)，分離運(yùn)動(dòng)估計(jì)獲取的運(yùn)動(dòng)矢量中攝像機(jī)的上下震動(dòng)和隨機(jī)擺動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得穩(wěn)定流暢的視頻。

毫米波雷達(dá)是通過(guò)發(fā)送和接收電磁波的參數(shù)來(lái)計(jì)算目標(biāo)的各個(gè)參數(shù)，包括距離、角度、相對(duì)速度和方位信息等。在露天礦山這種復(fù)雜的行車環(huán)境中，毫米波雷達(dá)的測(cè)量值可能來(lái)自目標(biāo)車輛等動(dòng)靜態(tài)障礙物，也可能來(lái)自于其他干擾物，還可能出現(xiàn)虛假目標(biāo)。同時(shí)，由于礦卡自身的顛簸，會(huì)引起探測(cè)目標(biāo)信息出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，首先通過(guò)設(shè)定橫向距離區(qū)分閾值對(duì)目標(biāo)障礙物與該車運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行判斷，并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)方向最近距離的原則來(lái)對(duì)有效目標(biāo)進(jìn)行初選；其次，運(yùn)用Kalman濾波方法預(yù)測(cè)目標(biāo)信息，并設(shè)定最大容許誤差，對(duì)初選目標(biāo)信息和目標(biāo)信息預(yù)測(cè)值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，采用有效目標(biāo)生命周期法，通過(guò)主要參數(shù)的變化規(guī)律和目前狀態(tài)來(lái)對(duì)生命周期的每個(gè)階段進(jìn)行設(shè)置，并更新相應(yīng)的目標(biāo)信息、目標(biāo)預(yù)測(cè)跟蹤以及目標(biāo)更換決策，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有效目標(biāo)物的準(zhǔn)確選取。有效避免虛假目標(biāo)、干擾目標(biāo)及礦卡擺動(dòng)和顛簸造成的影響。

超聲波雷達(dá)是通過(guò)超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，并通過(guò)接收器收到超聲波時(shí)的時(shí)間差來(lái)測(cè)算距離。超聲波測(cè)距常用的方法是采用往返時(shí)間檢測(cè)法，超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離s=vt/2。需要考慮溫度（T）對(duì)超聲波在空氣中傳播速度的影響，通過(guò)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度加以修正，以減少誤差（v=331.4+0.607T）?？梢酝ㄟ^(guò)掃描良好地對(duì)近距離內(nèi)其他傳感器的盲區(qū)進(jìn)行彌補(bǔ)。

2.2 定位技術(shù)

對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用高精度地圖進(jìn)行定位是必不可少的，通過(guò)車載GPS、INS、LiDAR或攝像頭等多種傳感器來(lái)采集道路的各類信息，不僅提供了精準(zhǔn)的定位、輔助環(huán)境感知，而且還擁有更加豐富的道路路況信息，讓自動(dòng)駕駛礦卡獲得自身確切的位置。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中定位技術(shù)是采用GPS與INS組合導(dǎo)航技術(shù)，系統(tǒng)組合原理如圖2所示，根據(jù)加速度計(jì)與陀螺儀的輸出對(duì)慣導(dǎo)的累計(jì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償修正，通過(guò)四元數(shù)法解算出IMU的姿態(tài)，再根據(jù)IMU與礦卡間的相對(duì)角度就可以解算出礦卡的姿態(tài)角。融合慣導(dǎo)解算得到的定位信息與GPS的定位信息，通過(guò)卡爾曼濾波算法計(jì)算得到的差值的誤差，從而對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行反饋修正，有助于提高定位精度，增強(qiáng)定位系統(tǒng)的魯棒性。可以不依賴于任何外部信息，全天侯、實(shí)時(shí)輸出礦卡的各種導(dǎo)航參數(shù)，包括位置、速度、姿態(tài)、加速度以及角速度等，具有數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，以便于自動(dòng)駕駛礦卡能夠根據(jù)相關(guān)信息精確地輸出分析決策。

圖2 系統(tǒng)組合原理圖

2.3 安全通信技術(shù)

在自動(dòng)駕駛礦卡作業(yè)的過(guò)程中，礦車與周邊環(huán)境之間存在大量文字、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)以及圖像等信息的實(shí)時(shí)交換，通信系統(tǒng)是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)獲取和傳遞信息的神經(jīng)中樞，借助5G高速率、低延遲和廣連接等特點(diǎn)為智慧礦山搭建一個(gè)高安全性、高可靠性、低延遲且可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前自動(dòng)駕駛技術(shù)通信系統(tǒng)的優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了終端融合、技術(shù)融合、網(wǎng)絡(luò)融合和業(yè)務(wù)融合。

2.4 分析決策技術(shù)

對(duì)智能分析決策技術(shù)來(lái)說(shuō)，人工智能和大數(shù)據(jù)分析起關(guān)鍵作用，其核心思想就是“模仿人的思維”進(jìn)行判斷。根據(jù)礦卡所安裝的傳感器對(duì)作業(yè)場(chǎng)景中多類型動(dòng)、靜態(tài)障礙目標(biāo)的感知反饋信息，結(jié)合自動(dòng)駕駛礦卡集群調(diào)度系統(tǒng)指令，提出多目標(biāo)分類避障規(guī)劃。重新對(duì)智能感知所得到的各類動(dòng)靜態(tài)障礙物進(jìn)行類別劃分，對(duì)各類傳感器所采集的信息進(jìn)行融合分析，綜合考慮礦卡在運(yùn)輸過(guò)程中的各項(xiàng)成本，通過(guò)蟻群算法和遺傳算法混合算法（如圖3所示）學(xué)習(xí)外界場(chǎng)景信息，再由策略庫(kù)進(jìn)行動(dòng)作部署，結(jié)合礦卡車輛動(dòng)力學(xué)，規(guī)劃出局部空間和時(shí)間內(nèi)礦卡的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 混合算法流程圖

2.5 智能調(diào)度技術(shù)

露天礦山智能調(diào)度以高精度定位、實(shí)時(shí)稱重和大數(shù)據(jù)分析為主要手段，通過(guò)采集生產(chǎn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度礦卡、電鏟等設(shè)備的運(yùn)行，結(jié)合露天礦山實(shí)際場(chǎng)景及施工成本，不同的動(dòng)、靜態(tài)障礙物應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的避障算法采取不同的避障行為。同時(shí)對(duì)部分動(dòng)態(tài)障礙物（例如施工區(qū)域內(nèi)同時(shí)工作的其他礦卡）需要結(jié)合自動(dòng)駕駛礦卡集群調(diào)度系統(tǒng)指令，根據(jù)“工作優(yōu)先級(jí)”的避障方法，對(duì)特殊的靜態(tài)障礙物（礦卡無(wú)法直接通過(guò)），需要發(fā)送繞行指令，并由礦卡路徑規(guī)劃算法規(guī)劃新路徑，完成避障操作。在與礦卡運(yùn)輸相關(guān)聯(lián)的多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)充分融合的基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)融合和流程信息化再造實(shí)現(xiàn)礦卡運(yùn)行的無(wú)人化調(diào)配、礦卡數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以及智能化管控，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)，提高資源利用率。當(dāng)?shù)V卡出現(xiàn)裝載點(diǎn)停車偏差、系統(tǒng)故障等異常情況時(shí)，調(diào)度員可以通過(guò)遠(yuǎn)程操縱進(jìn)行處理，及時(shí)應(yīng)對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的緊急情況或突發(fā)事件，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)響應(yīng)生產(chǎn)、及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)和安全生產(chǎn)的目標(biāo)。

2.6 控制執(zhí)行技術(shù)

自動(dòng)駕駛控制技術(shù)的核心工作是將系統(tǒng)穩(wěn)定在最佳設(shè)定值，控制機(jī)構(gòu)如圖4所示，將駕駛員操縱的轉(zhuǎn)向、油門、轉(zhuǎn)速、制動(dòng)以及箱體舉升等動(dòng)作經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電控動(dòng)力驅(qū)動(dòng)直接控制執(zhí)行，分為縱向控制和橫向控制，縱向控制是對(duì)行駛速度的控制以及對(duì)礦卡自身速度、與前后車或障礙物距離的自動(dòng)控制，包括加速控制單元和減速控制單元。橫向控制是垂直于行駛方向的控制，即轉(zhuǎn)向控制單元和控制車輪轉(zhuǎn)向角。在不同的車速、載重以及路況下，保證車輛的穩(wěn)定性，通過(guò)線控改造礦卡的執(zhí)行器，結(jié)合決策規(guī)劃信息直接通過(guò)底層執(zhí)行器控制算法對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制指令，分層、分級(jí)和分區(qū)的多套控制，調(diào)節(jié)車輛行駛速度、位置和方向狀態(tài)，保證自動(dòng)駕駛礦卡的安全性、操縱性和穩(wěn)定性。

圖4 自動(dòng)駕駛智能控制機(jī)構(gòu)圖

3 結(jié)語(yǔ)

隨著人工智能、5G通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)以及多傳感器融合技術(shù)等學(xué)科的快速發(fā)展，國(guó)家宏觀政策特別關(guān)注礦山無(wú)人化的建設(shè)，我國(guó)很多礦山企業(yè)與高科技公司、設(shè)備廠家以及通信公司一起進(jìn)行深度合作，共同研發(fā)更適合露天礦山的自動(dòng)駕駛技術(shù)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械化換人、信息化減人以及智慧化無(wú)人的目標(biāo)。相信在不久的將來(lái)，露天礦山的自動(dòng)駕駛技術(shù)會(huì)得到更好的發(fā)展與推廣。