煤礦輔助運(yùn)輸是指除煤炭運(yùn)輸外的其他運(yùn)輸,，包括材料、設(shè)備,、人員和矸石運(yùn)輸?shù)�,。煤礦輔助運(yùn)輸具有如下特點(diǎn)：運(yùn)輸線路隨采掘工作面推進(jìn)和搬遷而變化,；工作地點(diǎn)分散、運(yùn)輸線路復(fù)雜,；待運(yùn)物料品種繁多,、形狀各異；井下巷道空間狹�,�,；光照條件差；有瓦斯和煤塵等爆炸性物質(zhì),，礦塵大，有淋水,，環(huán)境潮濕等,。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦井下輔助運(yùn)輸人員占煤礦井下作業(yè)人員1/3以上,。礦井車輛無人駕駛,，是減少煤礦井下作業(yè)人員，建設(shè)安全,、高效,、綠色、智能化礦井的需要,。
二,、研究內(nèi)容
1、礦井車輛無人駕駛特點(diǎn)
煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知,、礦井車輛全部受控,、礦井軌道運(yùn)輸設(shè)備只需一維定位、光照條件差,、無線傳輸衰減大,、無衛(wèi)星信號、電磁環(huán)境復(fù)雜,、電氣防爆,、環(huán)境潮濕、有淋水和粉塵,。
2,、礦井車輛定位技術(shù)
① 超聲波雷達(dá)測距定位具有受粉塵影響小、不受光照影響,、不需在動目標(biāo)上設(shè)置定位卡,、系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn),，但存在測距范圍小,、測量精度低,、不能識別動目標(biāo)身份、非視距定位誤差大等缺點(diǎn),。因此,，煤礦井下車輛和人員等動目標(biāo)定位不宜采用超聲波定位技術(shù)。
② 激光定位具有探測距離遠(yuǎn),、精度高,、不需在動目標(biāo)上設(shè)置定位卡、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn),，但存在不能識別動目標(biāo)身份,、只能在視距條件下定位、受粉塵影響大等缺點(diǎn),。因此,，煤礦井下車輛和人員等動目標(biāo)定位不宜采用激光定位技術(shù)。
③ 礦井車輛和人員等動目標(biāo)定位系統(tǒng)主要采用RFID,，ZigBee,，UWB，WiFi6,，5G等無線電定位技術(shù),。RFID技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn),，但不能連續(xù)測距和定位,，僅能區(qū)域定位，用于早期的礦井車輛和人員等動目標(biāo)定位系統(tǒng),。ZigBee技術(shù)具有連續(xù)測距和定位,、無線覆蓋半徑大、定位精度較高,、系統(tǒng)成本低于UWB系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),，但存在定位精度低于UWB系統(tǒng)、非視距誤差等缺點(diǎn),。UWB技術(shù)具有連續(xù)測距和定位,、無線覆蓋半徑大、定位精度最高等優(yōu)點(diǎn),，但存在系統(tǒng)成本高于ZigBee系統(tǒng),、非視距誤差等缺點(diǎn)。WiFi6技術(shù)具有連續(xù)測距和定位,、無線覆蓋半徑大,、定位精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但存在定位精度低于UWB系統(tǒng),、系統(tǒng)成本高于ZigBee系統(tǒng),、非視距誤差等缺點(diǎn),。5G技術(shù)具有連續(xù)測距和定位、定位精度較高等優(yōu)點(diǎn),，但存在無線覆蓋半徑最小,、系統(tǒng)成本最高、定位精度低于UWB系統(tǒng),、非視距誤差等缺點(diǎn),。因此，煤礦井下車輛和人員等動目標(biāo)定位宜采用定位精度最高的UWB和成本低的ZigBee無線電定位技術(shù),。
④ 慣性導(dǎo)航技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：不依賴外部信息,，不受外界電磁干擾；可連續(xù)提供加速度,、方向角,、速度、相對位置等,；數(shù)據(jù)更新快，短時精度高,，穩(wěn)定性好,。但慣性導(dǎo)航技術(shù)存在如下缺點(diǎn)：定位誤差隨時間增加而增大，長期不校準(zhǔn)則定位誤差大,；劇烈的車輛振動,、顛簸會增加定位誤差；絕對位置需根據(jù)初始位置和相對位置來計(jì)算,；不輸出時間信息,；成本高。因此,，慣性導(dǎo)航技術(shù)不宜單獨(dú)作為礦井車輛定位技術(shù),。
⑤ 礦用即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)具有全礦井定位、定位精度高,、動態(tài)地圖實(shí)時更新等優(yōu)點(diǎn),，但存在受粉塵影響大、需標(biāo)志等問題,。巷道分支,、固定設(shè)備和設(shè)施具有標(biāo)志作用，但在缺少標(biāo)志的巷道中,，需人為增加反光等標(biāo)志,。因此，SLAM技術(shù)不宜單獨(dú)作為礦井車輛定位技術(shù),。
⑥ 里程計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：不依賴外部信息,，不受外界干擾,；可連續(xù)提供相對位移；可靠性高,；成本低,。但里程計(jì)存在如下缺點(diǎn)：屬一維定位方法，左右位移也計(jì)入前后位移,；絕對位置需根據(jù)初始位置和相對位置來計(jì)算,；定位誤差隨時間增加而增大，長期不校準(zhǔn)則定位誤差大,。因此,，里程計(jì)不宜單獨(dú)作為礦井車輛定位技術(shù)，可作為礦井車輛輔助定位技術(shù),。
綜上所述,，礦井車輛定位宜采用以UWB為主，慣性導(dǎo)航,、里程計(jì)和SLAM為輔的礦井車輛聯(lián)合定位方法,。
3、礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距技術(shù)
① 激光雷達(dá)具有測距精度高,、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),，但存在受粉塵影響大、價格高,、體積大等缺點(diǎn),。激光雷達(dá)是礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距主要設(shè)備。
② 毫米波雷達(dá)具有不受光照影響,、受粉塵影響小,、可同時測距和測速、測距和測速精度較高,、體積小,、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但毫米波雷達(dá)分辨率較低,，難以區(qū)分物體形狀,。人、煤和巖等非金屬物體電磁波反射率低,，毫米波雷達(dá)容易漏檢,。毫米波雷達(dá)可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設(shè)備。
③ 紅外攝像機(jī)通過檢測物體溫度成像,，具有受光照影響小,、受粉塵影響較小等優(yōu)點(diǎn)，但存在分辨率低、探測距離近等缺點(diǎn),。紅外攝像機(jī)是礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設(shè)備,，主要用來探測人員、運(yùn)行的機(jī)車和設(shè)備等溫度較高的物體,。
④ 可見光攝像機(jī)通過算法識別障礙物,，具有分辨率高、有顏色信息,、體積小,、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在難以測距,、受光照和粉塵影響大,、可靠性低等缺點(diǎn)�,？梢姽怆p目視覺相機(jī)具有可測距,、分辨率高、有顏色信息,、體積小,、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在受光照和粉塵影響大,、可靠性低等缺點(diǎn),。可見光攝像機(jī)與雙目視覺相機(jī)可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設(shè)備,。
綜上所述，礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距宜采用以激光雷達(dá)為主,，毫米波雷達(dá),、紅外攝像機(jī)、可見光攝像機(jī),、可見光雙目視覺相機(jī),、超聲波雷達(dá)為輔的多信息融合方法。
4,、地面遠(yuǎn)程控制與無線通信技術(shù)
礦井無人駕駛車輛在自動駕駛過程中,，當(dāng)遇到路況復(fù)雜，自動駕駛不能決策時,，需自動轉(zhuǎn)入地面遠(yuǎn)程控制模式,。地面人員遠(yuǎn)程控制車輛，需將車載攝像機(jī)圖像和聲音,、激光雷達(dá),、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、車輛位置,、車輛工況,、信號燈等信息上傳至地面，將控制命令下傳至車輛,。因此,，需采用大寬帶、短時延,、高可靠的礦用寬帶無線通信系統(tǒng),。礦用5G無線通信系統(tǒng)是礦井車輛地面遠(yuǎn)程控制首選，但存在無線覆蓋半徑小,、成本高等缺點(diǎn),，今后可研究WiFi7在礦井車輛地面遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用。
引用格式
孫繼平,江嬴.礦井車輛無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究[J].工礦自動化,2022,48(5):1-6.
SUN Jiping,JIANG Ying.Research on key technologies of mine unmanned vehicle[J].Journal of Mine Automation,2022,48(5):1-6.
