露天礦山自動駕駛技術研究

高利敏 曹燕朝 周 楊 梁思遠

（山西維度空間信息科技有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在國家工業(yè)4.0和中國制造2025戰(zhàn)略的指引下，傳統(tǒng)露天礦山以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展為主題，深入推進“兩化”的高層次深度融合[1]，由傳統(tǒng)型、經(jīng)驗型向自動化、系統(tǒng)化、多元化以及智慧化方向發(fā)展，應用先進的高新技術將礦山現(xiàn)有的設計、生產(chǎn)、經(jīng)營和管理等各系統(tǒng)整合統(tǒng)一，實現(xiàn)整個礦山系統(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)濟效率、降低運輸成本，確保礦山的安全生產(chǎn)[2]。

1 露天礦山自動駕駛作業(yè)場景

露天礦山開采作業(yè)工序遵循“穿孔-爆破-采裝-運輸-排卸”的基本流程，自動駕駛礦卡運輸作業(yè)主要的環(huán)節(jié)為開采區(qū)域（精準?？亢妥詣玉傠x）、運輸?shù)缆罚ㄑE行駛、自主避障和上/下坡）、排卸區(qū)域（精準停靠、自主避障和自動傾倒）和定點后勤保障區(qū)域（維修保養(yǎng)、加油補水）等4個作業(yè)場景。

2 露天礦山自動駕駛關鍵技術

自動駕駛系統(tǒng)將探測、識別、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、自我學習以及自動進行成果總結的多學科交叉融合的技術系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的關鍵技術包括環(huán)境感知技術、定位技術、安全通信技術、分析決策技術、智能調(diào)度技術和控制執(zhí)行技術等[3-4]，自動駕駛總體方案如圖1所示。

圖1 自動駕駛總體方案

2.1 環(huán)境感知技術

環(huán)境感知技術在自動駕駛系統(tǒng)中負責收集礦卡自動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)障礙物和動態(tài)障礙物，其中動態(tài)障礙物主要包括其他礦卡、裝載設備、輔助設備以及工作人員等，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，采用視覺、毫米波雷達和超聲波雷達相結合的組合感知系統(tǒng)，實現(xiàn)對動靜態(tài)障礙物的高精度多模態(tài)感知識別分類，通過多源傳感器信息融合、多目標跟蹤等技術實時收集周圍的環(huán)境信息，以提高對環(huán)境感知的準確性，為自動駕駛決策提供及時、準確且可靠的決策依據(jù)。

雙目視覺相機是利用仿生原理，包括鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，通過標定后的2個攝像頭得到同一個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)過計算機視覺的自適應識別算法對周圍環(huán)境進行匹配和標定。由于環(huán)境特殊，受光線、風力和礦卡的不規(guī)則震動等原因會導致拍攝的視頻出現(xiàn)不規(guī)則運動，采用空域濾波來減少圖像生成、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，對視頻中圖像幀間進行運動矢量估計，分離運動估計獲取的運動矢量中攝像機的上下震動和隨機擺動，并對其進行補償，從而獲得穩(wěn)定流暢的視頻。

毫米波雷達是通過發(fā)送和接收電磁波的參數(shù)來計算目標的各個參數(shù)，包括距離、角度、相對速度和方位信息等。在露天礦山這種復雜的行車環(huán)境中，毫米波雷達的測量值可能來自目標車輛等動靜態(tài)障礙物，也可能來自于其他干擾物，還可能出現(xiàn)虛假目標。同時，由于礦卡自身的顛簸，會引起探測目標信息出現(xiàn)不同程度的波動，首先通過設定橫向距離區(qū)分閾值對目標障礙物與該車運動方向進行判斷，并運用運動方向最近距離的原則來對有效目標進行初選；其次，運用Kalman濾波方法預測目標信息，并設定最大容許誤差，對初選目標信息和目標信息預測值進行一致性檢驗，采用有效目標生命周期法，通過主要參數(shù)的變化規(guī)律和目前狀態(tài)來對生命周期的每個階段進行設置，并更新相應的目標信息、目標預測跟蹤以及目標更換決策，從而實現(xiàn)對有效目標物的準確選取。有效避免虛假目標、干擾目標及礦卡擺動和顛簸造成的影響。

超聲波雷達是通過超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，并通過接收器收到超聲波時的時間差來測算距離。超聲波測距常用的方法是采用往返時間檢測法，超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計時器記錄的時間t就可以計算出發(fā)射點到障礙物的距離s=vt/2。需要考慮溫度（T）對超聲波在空氣中傳播速度的影響，通過超聲波在介質(zhì)中的傳播速度加以修正，以減少誤差（v=331.4+0.607T）?？梢酝ㄟ^掃描良好地對近距離內(nèi)其他傳感器的盲區(qū)進行彌補。

2.2 定位技術

對自動駕駛系統(tǒng)來說，使用高精度地圖進行定位是必不可少的，通過車載GPS、INS、LiDAR或攝像頭等多種傳感器來采集道路的各類信息，不僅提供了精準的定位、輔助環(huán)境感知，而且還擁有更加豐富的道路路況信息，讓自動駕駛礦卡獲得自身確切的位置。在自動駕駛系統(tǒng)中定位技術是采用GPS與INS組合導航技術，系統(tǒng)組合原理如圖2所示，根據(jù)加速度計與陀螺儀的輸出對慣導的累計誤差進行補償修正，通過四元數(shù)法解算出IMU的姿態(tài)，再根據(jù)IMU與礦卡間的相對角度就可以解算出礦卡的姿態(tài)角。融合慣導解算得到的定位信息與GPS的定位信息，通過卡爾曼濾波算法計算得到的差值的誤差，從而對組合導航系統(tǒng)進行反饋修正，有助于提高定位精度，增強定位系統(tǒng)的魯棒性。可以不依賴于任何外部信息，全天侯、實時輸出礦卡的各種導航參數(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，以便于自動駕駛礦卡能夠根據(jù)相關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

在自動駕駛礦卡作業(yè)的過程中，礦車與周邊環(huán)境之間存在大量文字、語音、數(shù)據(jù)以及圖像等信息的實時交換，通信系統(tǒng)是自動駕駛系統(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為智慧礦山搭建一個高安全性、高可靠性、低延遲且可以實時傳輸?shù)木W(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)對當前自動駕駛技術通信系統(tǒng)的優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸時延，實現(xiàn)了終端融合、技術融合、網(wǎng)絡融合和業(yè)務融合。

2.4 分析決策技術

對智能分析決策技術來說，人工智能和大數(shù)據(jù)分析起關鍵作用，其核心思想就是“模仿人的思維”進行判斷。根據(jù)礦卡所安裝的傳感器對作業(yè)場景中多類型動、靜態(tài)障礙目標的感知反饋信息，結合自動駕駛礦卡集群調(diào)度系統(tǒng)指令，提出多目標分類避障規(guī)劃。重新對智能感知所得到的各類動靜態(tài)障礙物進行類別劃分，對各類傳感器所采集的信息進行融合分析，綜合考慮礦卡在運輸過程中的各項成本，通過蟻群算法和遺傳算法混合算法（如圖3所示）學習外界場景信息，再由策略庫進行動作部署，結合礦卡車輛動力學，規(guī)劃出局部空間和時間內(nèi)礦卡的最優(yōu)運動軌跡。

圖3 混合算法流程圖

2.5 智能調(diào)度技術

露天礦山智能調(diào)度以高精度定位、實時稱重和大數(shù)據(jù)分析為主要手段，通過采集生產(chǎn)設備的動態(tài)信息，實時監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度礦卡、電鏟等設備的運行，結合露天礦山實際場景及施工成本，不同的動、靜態(tài)障礙物應通過相應的避障算法采取不同的避障行為。同時對部分動態(tài)障礙物（例如施工區(qū)域內(nèi)同時工作的其他礦卡）需要結合自動駕駛礦卡集群調(diào)度系統(tǒng)指令，根據(jù)“工作優(yōu)先級”的避障方法，對特殊的靜態(tài)障礙物（礦卡無法直接通過），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。在與礦卡運輸相關聯(lián)的多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)充分融合的基礎上，通過技術融合和流程信息化再造實現(xiàn)礦卡運行的無人化調(diào)配、礦卡數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析以及智能化管控，進而優(yōu)化生產(chǎn)，提高資源利用率。當?shù)V卡出現(xiàn)裝載點停車偏差、系統(tǒng)故障等異常情況時，調(diào)度員可以通過遠程操縱進行處理，及時應對生產(chǎn)中出現(xiàn)的緊急情況或突發(fā)事件，以實現(xiàn)及時響應生產(chǎn)、及時調(diào)整生產(chǎn)和安全生產(chǎn)的目標。

2.6 控制執(zhí)行技術

自動駕駛控制技術的核心工作是將系統(tǒng)穩(wěn)定在最佳設定值，控制機構如圖4所示，將駕駛員操縱的轉(zhuǎn)向、油門、轉(zhuǎn)速、制動以及箱體舉升等動作經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，通過電控動力驅(qū)動直接控制執(zhí)行，分為縱向控制和橫向控制，縱向控制是對行駛速度的控制以及對礦卡自身速度、與前后車或障礙物距離的自動控制，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，通過線控改造礦卡的執(zhí)行器，結合決策規(guī)劃信息直接通過底層執(zhí)行器控制算法對電機驅(qū)動、發(fā)動機和制動系統(tǒng)發(fā)送控制指令，分層、分級和分區(qū)的多套控制，調(diào)節(jié)車輛行駛速度、位置和方向狀態(tài)，保證自動駕駛礦卡的安全性、操縱性和穩(wěn)定性。

圖4 自動駕駛智能控制機構圖

3 結語

隨著人工智能、5G通信技術、計算機視覺技術以及多傳感器融合技術等學科的快速發(fā)展，國家宏觀政策特別關注礦山無人化的建設，我國很多礦山企業(yè)與高科技公司、設備廠家以及通信公司一起進行深度合作，共同研發(fā)更適合露天礦山的自動駕駛技術系統(tǒng)，真正實現(xiàn)機械化換人、信息化減人以及智慧化無人的目標。相信在不久的將來，露天礦山的自動駕駛技術會得到更好的發(fā)展與推廣。