煤礦井下無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)研究

摘要：詳細探討了煤礦井下無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)的功能與應用。首先介紹了智能導航與避障系統(tǒng)的核心功能，如路徑規(guī)劃與實時導航、緊急響應與事故處理等。這些功能可確保炸藥車能在復雜的井下環(huán)境中精確、安全地導航和工作。然后，綜述了炸藥車在深部鉆爆作業(yè)、安全區(qū)域快速撤離以及夜間無人值守作業(yè)中的實際運用，展示了該系統(tǒng)如何在不同場景下提供定制化解決方案。最后，探討了無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)的實現(xiàn)路徑，包括設計與集成傳感系統(tǒng)、開發(fā)高級導航與避障算法、系統(tǒng)集成與模擬測試。

關鍵詞：無人化炸藥車；智能導航與避障系統(tǒng)；煤礦井下

隨著科技的進步，煤礦行業(yè)正面臨著前所未有的變革，尤其在自動化與機器人技術的應用方面。傳統(tǒng)的煤礦作業(yè)環(huán)境充滿了潛在危險，如可燃氣體、礦井坍塌以及復雜的地下環(huán)境，這些都嚴重威脅著礦工的安全與健康［1］。為了解決這些問題，無人化炸藥車的研發(fā)與應用顯得尤為重要。它不僅可以減少人員在極端環(huán)境下的工作時間，降低事故發(fā)生率，還可以提高煤礦作業(yè)的效率和安全性。智能導航與避障系統(tǒng)作為煤礦井下無人化炸藥車的核心技術，其研究與完善具有重大的實用價值和深遠的行業(yè)影響。因此，本文旨在探討與完善煤礦井下無人化炸藥車的智能導航與避障系統(tǒng)，以期提供相應的參考。

1炸藥車的運行模式

為了適應煤礦井下復雜多變的運輸狀況，炸藥車應當具有靈活的駕駛模式：（1）人工駕駛。作為傳統(tǒng)的炸藥車運行模式，人工駕駛依然保留，以便在必要時提供基本的運輸功能。（2）現(xiàn)場遙控。在裝卸物料或列車編組過程中，常需要炸藥車進行少量移位。由于炸藥車上沒有司機，這可以由放料人員或編組人員通過現(xiàn)場目視，運用便攜無線遙控器操縱炸藥車低速移動。（3）遠程遙控。操作人員在調(diào)度中心的遙控操作臺上，依據(jù)安裝在炸藥車和巷壁上的攝像頭通過網(wǎng)絡傳上來的現(xiàn)場圖像，遠距離操縱炸藥車裝卸料及運行。（4）自主運行。這是真正意義上的無人駕駛，炸藥車通過移動通信網(wǎng)絡接受調(diào)度中心發(fā)來的行車指令，運用機器視覺判斷前方軌道安全狀況，自主行駛，完成兩地之間的運輸任務。

2煤礦井下無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)的功能2.1路徑規(guī)劃與實時導航功能

煤礦井下無人化炸藥車的智能導航與避障系統(tǒng)主要負責實現(xiàn)精確的路徑規(guī)劃和實時導航。該系統(tǒng)利用先進的算法，結合地形地質(zhì)數(shù)據(jù)和歷史導航信息，動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)行駛路線。在實際操作中，系統(tǒng)會實時調(diào)整行進路徑，以應對井下復雜多變的環(huán)境。例如，在遇到未映射的新開采區(qū)域或由于礦石堆積形成障礙時，系統(tǒng)能迅速重新規(guī)劃路徑，確保炸藥車能夠無誤地到達指定的裝藥地點［2］。這一功能不僅提高了作業(yè)效率，還顯著降低了由于導航錯誤導致的延誤或事故風險。

2.2緊急響應與事故處理

在炸藥車的智能導航與避障系統(tǒng)中，緊急響應機制是不可或缺的一部分。系統(tǒng)通過實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，具備快速識別潛在危險和處理突發(fā)狀況的能力。例如，當系統(tǒng)探測到煤礦內(nèi)部可能存在瓦斯超標或水位異常升高時，不僅會立即停止當前作業(yè)，還會啟動預設的安全撤退程序，確保炸藥車迅速撤離至安全區(qū)域。此外，系統(tǒng)還可以與礦山的中央監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，實時傳輸車輛狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，為礦山管理層提供決策支持，優(yōu)化應急響應流程。

3煤礦井下無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)的具體應用3.1深部鉆爆作業(yè)

在深部鉆爆作業(yè)中，無人化炸藥車通過智能導航與避障系統(tǒng)實施具體的操作步驟，以確保作業(yè)的順利進行。首先，車輛接到作業(yè)命令后，依據(jù)井下GIS系統(tǒng)提供的精確地圖數(shù)據(jù)，由智能導航系統(tǒng)計算出到達指定爆破區(qū)域的最佳路線。此過程中，系統(tǒng)考慮到存在的地質(zhì)數(shù)據(jù)，如巖層硬度和已知的障礙分布，規(guī)避可能影響行進的大型巖石或已部署的設備。當炸藥車到達目標區(qū)域后，智能系統(tǒng)自動切換到精細操作模式。此時，車輛利用裝載的多傳感器數(shù)組（包括短距離雷達和光學攝像頭）對爆破點周邊環(huán)境進行詳細掃描，確保裝藥點的地形符合爆破要求。避障系統(tǒng)在此階段提供實時數(shù)據(jù)，幫助識別并規(guī)避小范圍內(nèi)可能干擾裝藥的新障礙，如突出的巖石或不穩(wěn)定的巖層。接下來，炸藥車根據(jù)預設的爆破參數(shù)自動進行炸藥裝填，包括炸藥類型選擇和裝填深度調(diào)整。智能系統(tǒng)根據(jù)實時地質(zhì)反饋調(diào)整裝藥參數(shù)，確保每一次爆破都能達到最佳效果。

3.2安全區(qū)域快速撤離

在煤礦井下作業(yè)時，無人化炸藥車配備的智能導航與避障系統(tǒng)具備實時動態(tài)路線規(guī)劃能力，這在進行緊急撤離時顯得尤為關鍵。具體應用方式如下：當炸藥車的傳感系統(tǒng)檢測到如瓦斯泄漏、巖層坍塌或其他潛在的危險信號時，系統(tǒng)立即啟動緊急撤離程序。首先，系統(tǒng)會評估當前位置與最近的安全出口之間的距離和可行性，考慮到已知障礙物和最近的環(huán)境變化。緊接著，智能導航系統(tǒng)根據(jù)預設的安全路徑或即時計算的最優(yōu)逃生路線，快速重新規(guī)劃炸藥車的行進路線［3］。此過程中，系統(tǒng)會優(yōu)先選擇最短且最少障礙的路徑，以最快速度將炸藥車導向安全區(qū)域。在撤離過程中，避障系統(tǒng)始終保持高度警覺，實時掃描并處理沿途可能出現(xiàn)的新障礙，如由于震動引起的新巖層裂縫或其他機械設備故障留下的障礙。此外，智能系統(tǒng)會持續(xù)向控制中心發(fā)送車輛狀態(tài)和位置更新，確保地面操作團隊可以實時監(jiān)控炸藥車的撤離狀態(tài)，并在必要時提供進一步指導或援助。

3.3夜間與無人值守作業(yè)

在這種情況下，車輛需要在人員監(jiān)控較少或完全無人的環(huán)境中自主操作。系統(tǒng)首先通過預先設定的作業(yè)計劃自動啟動作業(yè)流程，智能導航系統(tǒng)根據(jù)夜間視覺增強模式和地下礦井的實時數(shù)據(jù)調(diào)整行駛路徑和速度。炸藥車在夜間操作時，高度依賴高靈敏度的傳感器，如紅外和熱成像攝像頭，這些設備可以在低光條件下有效識別障礙物和路面狀況［4］。避障系統(tǒng)此時調(diào)整到高警覺狀態(tài)，對任何可能導致操作中斷的因素（如瓦斯積聚區(qū)、水池或未穩(wěn)定巖層）進行實時監(jiān)控和回避。同時，智能系統(tǒng)記錄所有夜間操作數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的分析和系統(tǒng)優(yōu)化。這包括行駛路徑的選擇、避障效果的評估以及爆破效果的反饋。通過這些數(shù)據(jù)，無人化炸藥車不僅在無人監(jiān)控的條件下保持作業(yè)安全，還通過持續(xù)學習和調(diào)整，提高未來作業(yè)的效率和安全性。

4煤礦井下無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)的實現(xiàn)路徑實現(xiàn)煤礦井下無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)涉及多個技術領域的綜合應用，圖1是這一系統(tǒng)實現(xiàn)的具體路徑：圖1煤礦井下無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)的實現(xiàn)路徑

4.1設計與集成傳感系統(tǒng)

在煤礦井下無人化炸藥車的發(fā)展中，傳感系統(tǒng)的設計與集成是確保精準導航與有效避障的基礎。此過程首先要挑選適合惡劣礦井環(huán)境的高效能傳感器，每種傳感器針對特定的環(huán)境提供數(shù)據(jù)，如距離測量、熱成像和物體識別。這些傳感器必須經(jīng)過精密校準，并與炸藥車的中央處理單元無縫集成，以實時處理來自礦井的復雜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合技術在此環(huán)節(jié)發(fā)揮關鍵作用，通過算法整合來自多個傳感器的數(shù)據(jù)流，形成對環(huán)境的全面認知。系統(tǒng)集成完成后，進行嚴格的實地測試以驗證傳感器的性能和耐久性，確保在動態(tài)礦井環(huán)境中的準確性和可靠性。通過這些步驟，炸藥車能夠獲得必要的環(huán)境感知能力，為后續(xù)的智能導航和避障操作提供數(shù)據(jù)支持。

4.2開發(fā)高級導航與避障算法

開發(fā)適用于炸藥車的高級導航與避障算法是實現(xiàn)無人化操作的核心。這一過程涉及復雜的算法編寫，目的是從傳感器系統(tǒng)收集的大量數(shù)據(jù)中提取有用信息，進行實時分析并做出快速決策。算法的開發(fā)基于深度學習和機器視覺技術，用以識別和分類礦井內(nèi)的各種障礙物，如巖石、設備或其他炸藥車。重要的是，這些算法必須能夠在礦井的低光照和高塵環(huán)境下穩(wěn)定運行。它們利用來自多傳感器的數(shù)據(jù)進行決策，如何繞過障礙或在遇到不可避免的障礙時停止移動。算法還需要路徑規(guī)劃功能，能夠在檢測到前方路線被阻塞時，快速計算新的行進路線。開發(fā)過程中，使用仿真軟件在虛擬環(huán)境中測試算法效果，模擬各種礦井場景和可能遇到的障礙情況，以優(yōu)化算法的響應時間和準確性。最后，將這些算法部署在炸藥車上，進行實地試驗以驗證其在真實礦井條件下的效能和可靠性。

4.3系統(tǒng)集成與模擬測試

系統(tǒng)集成與模擬測試是無人化炸藥車智能導航與避障系統(tǒng)實施過程中的關鍵環(huán)節(jié)。此階段的主要任務是將各自獨立開發(fā)的模塊—包括傳感器、導航算法、避障機制和控制系統(tǒng)—整合成一個協(xié)調(diào)一致的整體。在集成過程中，技術團隊需要確保各組件的兼容性和同步性，以避免數(shù)據(jù)延遲或處理瓶頸，這些都可能影響系統(tǒng)的響應速度和準確性。系統(tǒng)集成完成后，隨即進行模擬測試。通常在控制的實驗環(huán)境中進行，使用虛擬現(xiàn)實或計算機模擬技術來重現(xiàn)煤礦井下的各種工作情景。模擬測試的目的是在沒有風險的情況下驗證系統(tǒng)的功能，尤其是驗證其能否在各種預設條件下正確執(zhí)行任務。

5結語

未來，隨著人工智能、機器學習和傳感技術的進一步發(fā)展，煤礦井下無人化炸藥車的智能導航與避障系統(tǒng)有望達到更高的自動化和智能化水平。

參考文獻：

［1］韓江洪，衛(wèi)星，陸陽，等.煤礦井下機車無人駕駛系統(tǒng)關鍵技術［J］.煤炭學報，2020，45（6）：2104-2115.

［2］郭文馨.露天礦山炸藥車智能裝藥的關鍵技術研究［J］.科技資訊，2022，20（3）：46-49.

［3］歐恩國，何曉武，王雷.現(xiàn)場混裝炸藥車在掘進爆破中的應用［J］.采礦技術，2020，20（4）：170-171，177.

［4］熊言濤，魏善太，吳繼昌.地下現(xiàn)場混裝乳化炸藥車在上向孔裝藥爆破中的應用［J］.煤礦爆破，2020，38（1）：6-10.

作者簡介：徐嘉瑩，女，河北保定人，碩士，研究方向：采礦技術與工業(yè)炸藥。