丁 震 孟 峰

(1.國(guó)家能源集團(tuán)煤炭產(chǎn)業(yè)中心，北京市東城區(qū)，100011；2.中國(guó)神華能源股份有限公司煤炭產(chǎn)業(yè)中心，北京市東城區(qū)，100011)

目前，露天礦山普遍面臨用工難和用工成本高的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)露天礦山使用的百噸級(jí)以上礦用自卸卡車(chē)超過(guò)2000臺(tái)，按照勞動(dòng)法規(guī)定每周工作不超40 h計(jì)算，每臺(tái)卡車(chē)按照配備4.2名司機(jī)計(jì)算，全國(guó)2000輛車(chē)需要人工為8400人。由于大多礦山均遠(yuǎn)離市區(qū)，加之礦區(qū)運(yùn)輸工作環(huán)境惡劣，且現(xiàn)有司機(jī)老齡化嚴(yán)重，社會(huì)人員從業(yè)意愿低，即便招工培養(yǎng)出徒也需要一定的周期，導(dǎo)致卡車(chē)司機(jī)緊缺。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1名百噸級(jí)礦用卡車(chē)司機(jī)1年的工資和社保等各種費(fèi)用超過(guò)20萬(wàn)元/a，1輛卡車(chē)人工費(fèi)用超過(guò)84萬(wàn)元/a。在露天礦山的運(yùn)輸中，卡車(chē)司機(jī)駕駛工作不僅枯燥而且存在著危險(xiǎn)，駕駛員需要時(shí)刻關(guān)注環(huán)境的變化，尤其夜間還需要克服自身疲勞、大意等身體局限。基于此，大力發(fā)展露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 國(guó)內(nèi)外露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛現(xiàn)狀

1.1 露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)

露天礦山無(wú)人駕駛技術(shù)由駕駛環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和車(chē)輛控制等技術(shù)集合而成。無(wú)人駕駛車(chē)輛的功能總體結(jié)構(gòu)可以分為感知層、任務(wù)規(guī)劃層、行為執(zhí)行層和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層等[1]。首先通過(guò)裝備感知傳感器實(shí)現(xiàn)礦用卡車(chē)對(duì)環(huán)境感知，再由基于GPS定位的卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)為每輛車(chē)指定裝載點(diǎn)及卸料點(diǎn)的位置和規(guī)劃運(yùn)輸路線，然后卡車(chē)通過(guò)接收無(wú)線指令到達(dá)裝有GPS的挖掘機(jī)裝載點(diǎn)進(jìn)行裝載，最后卡車(chē)按照規(guī)劃路線運(yùn)行至卸料點(diǎn)進(jìn)行卸料。露天煤礦卡車(chē)無(wú)人駕駛流程如圖1所示。

圖1 露天煤礦卡車(chē)無(wú)人駕駛流程

1.2 國(guó)外礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛現(xiàn)狀

礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，由于受到當(dāng)時(shí)信息化和自動(dòng)化技術(shù)的限制，進(jìn)展相對(duì)緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)，以卡特公司的“Mine Star”系統(tǒng)和小松公司的“AHS”系統(tǒng)為代表的卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)進(jìn)展加快，并在巴西淡水河谷公司、澳大利亞所羅門(mén)鐵礦等礦山進(jìn)行了無(wú)人駕駛卡車(chē)的試驗(yàn)和應(yīng)用情況。

1.2.1 “Mine Star”系統(tǒng)

“Mine Star”系統(tǒng)由車(chē)輛管理系統(tǒng)(Fleet)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)(Terrain)、安全探測(cè)系統(tǒng)(Detect)、設(shè)備診斷系統(tǒng)(Health)與調(diào)度協(xié)同指揮系統(tǒng) (Command)5個(gè)功能模塊組成。車(chē)輛管理系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)的設(shè)備跟蹤，按作業(yè)計(jì)劃分配車(chē)輛及利用率統(tǒng)計(jì)管理。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)能對(duì)挖掘、裝載、排土等作業(yè)進(jìn)行精細(xì)管理。安全探測(cè)系統(tǒng)依靠環(huán)境感知探測(cè)器與報(bào)警系統(tǒng)用于輔助操作避免發(fā)生碰撞。設(shè)備診斷系統(tǒng)能夠顯示設(shè)備運(yùn)行狀況及運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備診斷分析并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)?！癕ine Star”系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊相關(guān)數(shù)據(jù)和信息可以共享，實(shí)現(xiàn)卡車(chē)裝載、運(yùn)輸、卸載等環(huán)境信息感知以及車(chē)輛裝載點(diǎn)、卸載點(diǎn)、行駛路徑的規(guī)劃。

20世紀(jì) 80年代末，卡特公司研制首臺(tái)自動(dòng)化礦用卡車(chē)，1996年研制了第一輛無(wú)人駕駛卡車(chē)。2008年卡特開(kāi)發(fā)了793F無(wú)人駕駛卡車(chē)。2012年7月，卡特公司為澳大利亞所羅門(mén)鐵礦提供45輛793F無(wú)人駕駛卡車(chē)，并提供完整的“Mine Star”系統(tǒng)。目前，澳大利亞所羅門(mén)鐵礦運(yùn)營(yíng)的無(wú)人駕駛卡車(chē)為60輛，累計(jì)運(yùn)量超過(guò)2.5億t，有人駕駛卡車(chē)為12輛。無(wú)人駕駛卡車(chē)每天作業(yè)為23.5 h，0.5 h用于點(diǎn)檢及加油，與有人駕駛卡車(chē)相比，無(wú)人駕駛卡車(chē)每天多作業(yè)2～3 h，年作業(yè)時(shí)間近7000 h，可提高生產(chǎn)效為20%～30%。與此同時(shí)，無(wú)人駕駛卡車(chē)不會(huì)因駕駛員疲勞和誤操作而引發(fā)事故。目前，卡特公司在運(yùn)行的無(wú)人駕駛卡車(chē)總數(shù)超過(guò)200輛。

1.2.2 “AHS”系統(tǒng)

小松公司的卡車(chē)無(wú)人駕駛主要通過(guò)自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)(Autonomous Haulage System，AHS)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)用控制裝置、GPS衛(wèi)星、無(wú)線通信技術(shù)和軟件來(lái)取代原來(lái)坐在駕駛室內(nèi)的司機(jī)。

1996年，小松公司研制了第一輛無(wú)人駕駛卡車(chē)，2005年，小松公司研制了無(wú)人運(yùn)輸系統(tǒng)。2016年，小松公司研制了首款無(wú)駕駛的礦用卡車(chē)。目前，小松公司在運(yùn)行的無(wú)人駕駛卡車(chē)總數(shù)超過(guò)100輛。

1.3 國(guó)內(nèi)礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛現(xiàn)狀

2018年8月，北方重型MT3600自卸卡車(chē)在白云鄂博礦區(qū)進(jìn)行了國(guó)內(nèi)第一輛無(wú)人駕駛卡車(chē)試驗(yàn)。2019年7月，航天重工與神寶能源合作將兩輛在用的航天重工HT3110礦用車(chē)進(jìn)行了無(wú)人化升級(jí)改造，目前已實(shí)現(xiàn)了固定道路無(wú)人駕駛、自動(dòng)避障等功能，并在江西銅業(yè)集團(tuán)公司城門(mén)山礦開(kāi)展了1輛110 t無(wú)人駕駛礦用車(chē)工業(yè)試驗(yàn)運(yùn)行。

目前，湘電重裝、徐工礦山等國(guó)內(nèi)礦用卡車(chē)生產(chǎn)廠家都在開(kāi)展無(wú)人駕駛系統(tǒng)研發(fā)。

2 露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)無(wú)人駕駛卡車(chē)的功能需求，可將無(wú)人駕駛技術(shù)分為礦用卡車(chē)的線控技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)和決策控制技術(shù)[2]等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 線控技術(shù)

線控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛的基礎(chǔ)，它是將駕駛員操縱的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、檔位、油門(mén)、貨箱舉升等動(dòng)作經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電纜直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前礦用卡車(chē)線控技術(shù)主要有前裝線控和后裝線控兩種技術(shù)路線。

2.1.1 前裝線控

前裝線控就是在礦用卡車(chē)出廠前，由主機(jī)廠基于自身礦用卡車(chē)的技術(shù)基礎(chǔ)對(duì)自己品牌、自己生產(chǎn)的礦用卡車(chē)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、檔位、油門(mén)、貨箱舉升等功能進(jìn)行線控化升級(jí)改裝，這種技術(shù)路線優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施較為容易且車(chē)輛出廠時(shí)就具備線控能力，缺點(diǎn)是無(wú)法應(yīng)用于不同品牌和不同車(chē)型的礦用卡車(chē)，適用面小且不能規(guī)?；茝V復(fù)制，目前北方重工、三一重裝、徐工礦山、航天重工、湘電重裝等國(guó)內(nèi)礦用卡車(chē)主機(jī)廠都具備前裝線控的能力。

2.1.2 后裝線控

后裝線控就是在礦用卡車(chē)出廠后，對(duì)礦用卡車(chē)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、檔位、油門(mén)、貨箱舉升等功能進(jìn)行線控化升級(jí)改造，這種技術(shù)路線要求能適用于不同品牌主機(jī)廠的礦用卡車(chē)。目前國(guó)內(nèi)航天重工在該技術(shù)路線中處于領(lǐng)先地位，其自主專(zhuān)有的礦用車(chē)線控核心技術(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)有不同廠家、不同品牌的礦用卡車(chē)進(jìn)行智能無(wú)人化升級(jí)改造，完整保留原車(chē)的操作控制裝置和功能，車(chē)輛操作和維護(hù)不受任何影響。一是安全性高，除了設(shè)計(jì)有“有人駕駛/無(wú)人駕駛”模式切換開(kāi)關(guān)外，改造方案還確保了人工操作的最高優(yōu)先級(jí)；二是信息化、智能化程度高，將原車(chē)的報(bào)警信息、儀表信息完整采集到控制系統(tǒng)，使車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整車(chē)遠(yuǎn)程健康管理。后裝線控的技術(shù)路線能夠?qū)Υ罅楷F(xiàn)存的礦用車(chē)進(jìn)行線控化升級(jí)改造，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘡?fù)制和推廣，極大節(jié)省了成本，避免了已有資源的浪費(fèi)。

2.2 環(huán)境感知技術(shù)

露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前無(wú)人駕駛感知系統(tǒng)已由單一傳感器感知周?chē)h(huán)境的檢測(cè)算法發(fā)展為利用相機(jī)融合激光雷達(dá)感知周?chē)h(huán)境的檢測(cè)算法。

目前，露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛感知系統(tǒng)主要有超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、4D光場(chǎng)智能感知系統(tǒng)、視覺(jué)傳感器以及紅外傳感器等[3-5]。礦用卡車(chē)在行駛過(guò)程中采用安裝的感知系統(tǒng)傳感器實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境，對(duì)動(dòng)靜態(tài)物體進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)。

2.2.1 超聲波雷達(dá)

(1)工作原理。超聲波雷達(dá)通過(guò)超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，通過(guò)接收器接收到發(fā)送過(guò)來(lái)的超聲波的間差來(lái)測(cè)算距離。

(2)優(yōu)點(diǎn)。超聲波雷達(dá)能量消耗較緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，頻率低，穿透性較強(qiáng)， 購(gòu)置成本低，測(cè)距的方法簡(jiǎn)單，角度測(cè)量能力最優(yōu)。

(3)缺點(diǎn)。超聲波的傳播速度很容易受天氣情況的影響，在不同天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢，當(dāng)卡車(chē)高速行駛時(shí)，使用超聲波測(cè)距無(wú)法跟上卡車(chē)的車(chē)距實(shí)時(shí)變化，誤差較大；超聲波散射角大，方向性較差，在測(cè)量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時(shí)，其回波信號(hào)會(huì)比較弱，影響測(cè)量精度；測(cè)量物體距離、卡車(chē)運(yùn)行速度對(duì)其測(cè)量精度影響較大；很難獲取目標(biāo)速度信息。

(4)用途。主要用于卡車(chē)裝載倒車(chē)入位、卸載倒車(chē)入位及起停車(chē)時(shí)的安全輔助，能有效幫助駕駛員解決倒車(chē)入位、起停車(chē)時(shí)存在的視野盲區(qū)。

2.2.2 毫米波雷達(dá)

(1)工作原理。毫米波雷達(dá)通過(guò)天線輻射，在毫米波波段(24 GHz、77 GHz或79 GHz)通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有無(wú)檢測(cè)、檢測(cè)相對(duì)距離、檢測(cè)相對(duì)速度以及檢測(cè)目標(biāo)方位。

(2)優(yōu)點(diǎn)。同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)；與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候(大雨天除外)和全天時(shí)的特點(diǎn)。

(3)缺點(diǎn)。探測(cè)距離受到頻段損耗的直接制約(想要探測(cè)的遠(yuǎn)，就必須使用高頻段雷達(dá))，對(duì)周邊所有障礙物無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)的建模。

(4)用途。長(zhǎng)距毫米波雷達(dá)多用于自動(dòng)巡航系統(tǒng)，針對(duì)前方物體與卡車(chē)的相對(duì)距離與速度主動(dòng)調(diào)整自身的車(chē)速，保證在安全車(chē)距范圍內(nèi)。中距離毫米波雷達(dá)多用于防碰撞系統(tǒng)，可以快速準(zhǔn)確無(wú)模糊地獲取車(chē)身周?chē)奈矬w信息，一般在卡車(chē)前后均會(huì)安裝防碰撞雷達(dá)。

2.2.3 激光雷達(dá)

(1)工作原理。激光雷達(dá)向目標(biāo)探測(cè)物發(fā)送探測(cè)信號(hào)(激光束)，然后將目標(biāo)發(fā)射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)行適當(dāng)處理后，便可獲取目標(biāo)的距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)的相關(guān)信息，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

(2)優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕。激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。自然界中能對(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多，因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力較強(qiáng)。激光雷達(dá)只有對(duì)被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射，完全不存在地物回波的影響，因此可以“零高度”工作。

(3)缺點(diǎn)。激光雷達(dá)工作時(shí)受天氣和大氣影響較大，在壞天氣中激光的衰減是晴天的6倍，大氣環(huán)流還會(huì)使激光束發(fā)生畸變、抖動(dòng)，直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。激光雷達(dá)的波束極窄，在空間搜索目標(biāo)非常困難，直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)概率，只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)。激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)信息的獲取依賴于稀疏的激光雷達(dá)點(diǎn)，在采集的過(guò)程中會(huì)損失目標(biāo)的輪廓和紋理等信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)探測(cè)。

(4)用途。利用高精度地圖限定感興趣區(qū)域(Region Of Interest，ROI)后，基于全卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)點(diǎn)云特征并預(yù)測(cè)障礙物的相關(guān)屬性，得到前景障礙物檢測(cè)與分割。利用高精度地圖限定ROI后，可以對(duì)ROI內(nèi)部(比如可行駛道路和交叉口)的點(diǎn)云的高度及連續(xù)性信息進(jìn)行判斷，看點(diǎn)云處是否可通行。

2.2.4 4D光場(chǎng)智能感知系統(tǒng)

(1)工作原理。光場(chǎng)用來(lái)描述空間中的若干條矢量光線，每條矢量光線包含光強(qiáng)、顏色以及方向等信息。4D光場(chǎng)智能感知系統(tǒng)可以通過(guò)特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)和算法，采集和還原4D光場(chǎng)信息。這些4D信息能夠進(jìn)一步解析成為普通的2D視覺(jué)圖像和3D點(diǎn)云信息，從而既可對(duì)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行高效的識(shí)別和分類(lèi)，也能夠獲取目標(biāo)的距離、高度、結(jié)構(gòu)信息，從而計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向、速度、姿態(tài)等信息。

(2)優(yōu)點(diǎn)。能夠同步采集和結(jié)算設(shè)備三維位置和色彩信息，同時(shí)具備激光雷達(dá)+視覺(jué)傳感器的能力。在低光及影像高速移動(dòng)的情況下，仍能準(zhǔn)確獲取目標(biāo)場(chǎng)景數(shù)據(jù)。二三維數(shù)據(jù)一體化采集，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，無(wú)匹配誤差，提升了數(shù)據(jù)獲取速度和可靠性，降低了成本。結(jié)合AI算法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行的識(shí)別和分割的能力，遠(yuǎn)超普通視覺(jué)傳感器。三維數(shù)據(jù)具備超高密度，與激光雷達(dá)相比具備數(shù)量級(jí)上的提升。設(shè)備間相互無(wú)干擾，惡劣天氣適應(yīng)性強(qiáng)，受雨雪霧粉塵等影響低，在礦業(yè)環(huán)境下適應(yīng)能力強(qiáng)。

(3)缺點(diǎn)。光學(xué)采集設(shè)備在絕對(duì)遮擋的情況下，無(wú)法像毫米波雷達(dá)一樣穿透目標(biāo)。

(4)用途。直接獲取彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠高速、有效、完整地獲取場(chǎng)景信息，能夠?qū)?chē)道線、交通標(biāo)志、障礙物、行人、車(chē)燈、綠化帶等環(huán)境進(jìn)行更大范圍、更精準(zhǔn)的識(shí)別和分類(lèi)，可為無(wú)人駕駛提供更完整的決策信息。能夠判斷周?chē)\(yùn)動(dòng)物體的速度、方向、姿態(tài)、加速情況等，為應(yīng)急、避障、實(shí)時(shí)規(guī)劃等提供更有力的保障。

2.2.5 紅外傳感器

(1)工作原理。通過(guò)發(fā)射紅外光波識(shí)別熱量差異獲取物體信息，并通過(guò)發(fā)射與接收紅外光的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)距。

(2)優(yōu)點(diǎn)。環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于可見(jiàn)光，尤其是在夜間和惡劣天氣下的工作能力；一般都是被動(dòng)接收目標(biāo)的信號(hào)，比雷達(dá)和激光探測(cè)安全且保密性強(qiáng)，不易被干擾；與雷達(dá)系統(tǒng)相比，紅外系統(tǒng)的體積小、重量輕、功耗低；善長(zhǎng)測(cè)量切向運(yùn)動(dòng)，視域?qū)掗?，成本低；測(cè)量距離遠(yuǎn)，能夠多個(gè)傳感器同步測(cè)量；測(cè)量范圍廣、響應(yīng)時(shí)間短；安裝方便。

(3)缺點(diǎn)。徑向運(yùn)動(dòng)測(cè)量能力差，易受環(huán)境溫度等影響，距離和速度測(cè)量信息基本不可用。

(4)用途。能夠識(shí)別視覺(jué)傳感器、雷達(dá)等無(wú)法識(shí)別的物體。

2.2.6 視覺(jué)傳感器

(1)工作原理。通過(guò)攝像頭從一整幅圖像捕獲光線的百萬(wàn)級(jí)像素。

(2)優(yōu)點(diǎn)。能夠獲取目標(biāo)的類(lèi)別以及圖像中的位置，識(shí)別道路目標(biāo)具有高度的靈活性，可識(shí)別不同物體。

(3)缺點(diǎn)。對(duì)目標(biāo)在現(xiàn)實(shí)世界中的位置估計(jì)不精確，受光線干擾較大，無(wú)法準(zhǔn)確獲取速度和距離信息。

(4)用途。應(yīng)用于識(shí)別車(chē)道線、交通標(biāo)識(shí)、障礙物、行人。

2.3 定位導(dǎo)航技術(shù)

2.3.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

(1)工作原理。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由陀螺儀與加速度儀組成，慣性導(dǎo)航的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。在露天煤礦采坑中通過(guò)陀螺儀檢測(cè)行駛自卸卡車(chē)的角運(yùn)動(dòng)，通過(guò)加速度計(jì)檢測(cè)行駛自卸卡車(chē)的線運(yùn)動(dòng)，依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和算法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確確定行駛自卸卡車(chē)的位置、速度和姿態(tài)角。

(2)優(yōu)點(diǎn)。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是不依賴于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，因此隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響；可全天候、全時(shí)段工作于空中、地球表面乃至水下；能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。

(3)缺點(diǎn)。由于導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期使用精度較差，且每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；設(shè)備價(jià)格比較昂貴；不能給出時(shí)間信息。

2.3.2 GNSS差分定位技術(shù)

GNSS系統(tǒng)主要由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)控檢測(cè)站以及 GNSS 衛(wèi)星接收機(jī)組成。GNSS系統(tǒng)具有全天候、全方位、抗干擾能力強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行以及實(shí)時(shí)連續(xù)不間斷等特點(diǎn)，民用導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度一般可達(dá) 10 m 以內(nèi)，GNSS差分定位[6]技術(shù)可實(shí)時(shí)改正定位誤差，其定位精度達(dá)厘米級(jí)，從而為礦用自卸卡車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)安全運(yùn)行提供有力保障。

2.3.3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)是由車(chē)載電子標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線識(shí)別等技術(shù)構(gòu)建的一種車(chē)載自組網(wǎng)[7]。通過(guò)收集并共享信息，實(shí)現(xiàn)卡車(chē)與卡車(chē)(V2V)、卡車(chē)與礦山道路及基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)以及無(wú)人駕駛卡車(chē)與露天礦山網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。從車(chē)聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)[8]中可以看出，車(chē)聯(lián)網(wǎng)使用 RFID、傳感器，從物理世界獲取信息，然后將這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到卡車(chē)或者服務(wù)器端，由此實(shí)現(xiàn)礦用無(wú)人駕駛卡車(chē)的精確定位。車(chē)載通信中通常采用的通信協(xié)議為 IEEE 802 .11p[9]，其通信頻段為5800 MHz ，包含3個(gè)傳輸通道且每個(gè)通道相互獨(dú)立，具有V2V和V2I兩種通信模式，V2V通信可以實(shí)現(xiàn)在車(chē)輛間交換偽距信息。車(chē)載節(jié)點(diǎn)的一跳傳輸范圍理論上可達(dá)250 m ，實(shí)際傳輸范圍通常與周?chē)鷤鬏敪h(huán)境(如建筑遮擋 、機(jī)械干擾等)密切相關(guān)。通信中通過(guò)控制信道[10]保證數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸 。在仿真中，卡車(chē)以1～10 Hz 的廣播頻率發(fā)送合作感知消息，相鄰車(chē)輛間可以通過(guò)收發(fā)信標(biāo)消息實(shí)現(xiàn)車(chē)輛位置、車(chē)輛速度和車(chē)輛加速度等自身狀態(tài)信息的共享。

2.3.4 電子地圖定位技術(shù)

基于電子地圖匹配的礦用卡車(chē)定位就是通過(guò)獲取礦用卡車(chē)不同源位置參數(shù)基礎(chǔ)上，利用軟件技術(shù)將礦用自卸卡車(chē)與數(shù)字地圖中的信息對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而確定礦用自卸卡車(chē)位置的定位方法。使用電子地圖匹配技術(shù)需要具有高精度位置坐標(biāo)的數(shù)字地圖，且被測(cè)礦用自卸卡車(chē)正在此道路信息網(wǎng)中行駛，通過(guò)定位信息與數(shù)字化地圖所提供的道路信息進(jìn)行比較，使用最優(yōu)匹配方式來(lái)確定[11]。

2.4 路徑規(guī)劃技術(shù)

2.4.1 基于圖搜索的路徑規(guī)劃技術(shù)

基于圖搜索的路徑規(guī)劃算法的基本思想是將狀態(tài)空間通過(guò)確定的方式離散成搜索圖，并用各種啟發(fā)式搜索算法計(jì)算其可行解。Dijkstra[12]算法是一種經(jīng)典的最短路徑搜索算法，但其廣度優(yōu)先的性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致搜索太多無(wú)關(guān)節(jié)點(diǎn)。因此，在此基礎(chǔ)上又對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了A*算法[13]、ARA*算法[14]、HMA*算法[15]、DMHA*算法[16]等自適應(yīng)能力更強(qiáng)的算法。

2.4.2 基于采樣的路徑規(guī)劃算法

與基于搜索的路徑規(guī)劃算法不同，基于采樣的路徑規(guī)劃算法通過(guò)均勻隨機(jī)采樣的方法來(lái)探索高維狀態(tài)空間的連通性。此類(lèi)算法的最大特點(diǎn)有兩個(gè)：一是無(wú)需對(duì)狀態(tài)空間的自由區(qū)域進(jìn)行建模；二是由于其隨機(jī)采樣的特點(diǎn)，搜索速度快、規(guī)劃效率高，缺陷在于不能處理非完整約束動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。典型的基于隨機(jī)采樣的算法是RRT算法[17]，該算法不要求狀態(tài)之間精確連接，適合解決無(wú)人駕駛車(chē)輛在復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問(wèn)題。

2.4.3 智能優(yōu)化算法

隨著對(duì)各個(gè)交叉學(xué)科的研究，各類(lèi)智能優(yōu)化算法也被引入到路徑規(guī)劃領(lǐng)域，通過(guò)模擬自然界生物行為規(guī)律實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的目的，智能優(yōu)化算法具有自學(xué)習(xí)、自決定功能。近年來(lái)，典型的智能優(yōu)化算法包括蟻群算法(Ant Colony Optimization，ACO)[18]、觸須算法(Tentacle Algorithm，TA)[19]和智能水滴算法(Intelligent Water Drops，IWD)[20]。

2.4.4 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的算法

強(qiáng)化學(xué)習(xí)[21]指無(wú)人駕駛車(chē)輛利用自身傳感器不斷與環(huán)境相互作用來(lái)獲取未知環(huán)境的知識(shí)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)和環(huán)境交互試錯(cuò)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，在行動(dòng)和評(píng)價(jià)的環(huán)境中獲得知識(shí)，對(duì)行動(dòng)方案進(jìn)行改進(jìn)適應(yīng)環(huán)境，以獲得最優(yōu)動(dòng)作。常用的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法有瞬時(shí)差分法、Sarsa算法和Q-learning算法[22]。其中Q-learning算法是最有效的與環(huán)境模型無(wú)關(guān)的算法，具有在線學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

2.5 決策控制技術(shù)

2.5.1 橫向決策模型

有限狀態(tài)記錄了在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)從開(kāi)始到結(jié)束過(guò)程中研究對(duì)象發(fā)生的事件及發(fā)生事件的原因。在使用有限狀態(tài)機(jī)時(shí)應(yīng)遵循一些基本假設(shè)：一是系統(tǒng)的狀態(tài)是有限的、可列出的、切實(shí)固定的。二是狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移是瞬時(shí)的。智能車(chē)輛橫向駕駛行為的數(shù)量是有限的[23]，智能車(chē)輛的橫向駕駛行為定義為車(chē)道保持、換道準(zhǔn)備與換道。橫向決策模型決定了智能車(chē)輛保持當(dāng)前車(chē)道行駛或者換道到相鄰車(chē)道。橫向轉(zhuǎn)角控制量由預(yù)描點(diǎn)偏差反饋量，偏差積分和前饋控制組成，最終的轉(zhuǎn)向指令由前饋和反饋控制器控制量按照不同權(quán)重比相加而成。

2.5.2 縱向決策模型

部分可觀測(cè)馬爾科夫過(guò)程(POMDP)[24]將其他車(chē)輛的駕駛意圖作為隱藏變量，建立貝葉斯概率模型，可求解出自車(chē)在規(guī)劃路徑上的最優(yōu)加速度。在復(fù)雜交叉路口的仿真測(cè)試下，能夠較好地根據(jù)其他車(chē)輛的駕駛行為調(diào)整自車(chē)的最優(yōu)加速度，保證安全性與行車(chē)效率，從而控制礦用卡車(chē)按照期望的速度行駛，即控制油門(mén)的開(kāi)度和制動(dòng)踏板的制動(dòng)量，根據(jù)輪速傳感器反饋以及慣導(dǎo)的當(dāng)前車(chē)速信息，完成礦用卡車(chē)行駛速度的閉環(huán)控制。

3 露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛發(fā)展方向

3.1 多傳感器高度融合

一方面，激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等主動(dòng)式傳感器通過(guò)處理自身發(fā)出和返回的時(shí)變信號(hào)感知環(huán)境，從而獲取被檢測(cè)目標(biāo)的速度、位置等信息，目前在礦用卡車(chē)防碰撞系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，但該類(lèi)傳感器受車(chē)與車(chē)之間同類(lèi)傳感器的干擾，同時(shí)污染環(huán)境；另一方面，以視覺(jué)傳感器為代表的被動(dòng)傳感器由于硬件成本降低，在礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，多用于識(shí)別礦用卡車(chē)運(yùn)輸?shù)缆窊鯄?、路面撒料、坑凹等。但在礦山夜間或煤塵較大時(shí)容易失效。此外，紅外傳感器能夠獲取被動(dòng)傳感器、其他主動(dòng)傳感器不能識(shí)別的物體信息。因此，基于單一傳感器的目標(biāo)檢測(cè)算法有各種各樣的弊端，將多傳感器高度融合，傳感器之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，將是露天礦用卡車(chē)實(shí)現(xiàn)全天候環(huán)境感知的發(fā)展方向?？梢詫⒍鄠€(gè)傳感器獲取的信息投影到同一個(gè)坐標(biāo)系下，對(duì)同一個(gè)目標(biāo)，將不同傳感器獲取的信息進(jìn)行求并集，從而提高目標(biāo)檢測(cè)的精度，提高露天礦山卡車(chē)無(wú)人駕駛的安全性。

3.2 多定位技術(shù)融合

隨著技術(shù)水平的發(fā)展及安全生產(chǎn)的需求，目前在露天礦山卡車(chē)運(yùn)輸中，使用單一定位技術(shù)無(wú)論是從定位精度還是從安全生產(chǎn)角度來(lái)講，都無(wú)法滿足對(duì)行駛在礦山道路中的礦用無(wú)人駕駛卡車(chē)精確定位。多定位技術(shù)融合就是使用慣性導(dǎo)航定位技術(shù)、GNSS定位技術(shù)、地圖定位技術(shù)、V2V定位技術(shù)等多種定位方法組合起來(lái)的多元定位系統(tǒng)，利用各定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)多源定位信息進(jìn)行計(jì)算確定無(wú)人駕駛卡車(chē)定位信息最優(yōu)估計(jì)量，在提高無(wú)人駕駛卡車(chē)定位精度的同時(shí)，增強(qiáng)定位系統(tǒng)的抗干擾和防故障能力，保證定位系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，多定位技術(shù)融合是露天無(wú)人駕駛卡車(chē)定位方式的必然選擇。

3.3 路徑規(guī)劃技術(shù)融合

基于圖搜索的路徑規(guī)劃算法、基于采樣的路徑規(guī)劃算法和智能優(yōu)化算法以及基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的算法在一定程度上都可實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛車(chē)輛的路徑規(guī)劃，但每種算法都有其優(yōu)點(diǎn)及局限性。難以采用單一算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下精準(zhǔn)、安全可靠的路徑規(guī)劃。故結(jié)合多種算法，產(chǎn)生更加高效的優(yōu)化算法是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。在無(wú)人駕駛車(chē)輛路徑規(guī)劃技術(shù)的研究中，確定起始位置的點(diǎn)到點(diǎn)的路徑規(guī)劃以及已知環(huán)境下障礙物的路徑規(guī)劃問(wèn)題的研究都已較為成熟，未知環(huán)境下有障礙物的路徑規(guī)劃也取得重大進(jìn)展，但在每個(gè)具體規(guī)劃算法中還存在一些不足，所以路徑規(guī)劃領(lǐng)域的重點(diǎn)依然是混合路徑規(guī)劃算法的研究。

3.4 決策控制技術(shù)融合

一般的單一決策模型總是無(wú)法兼顧準(zhǔn)確度與適用度，在某一方面好則會(huì)在另一方面較差，因此可以采用橫向控制的有限狀態(tài)機(jī)與縱向控制的部分可觀測(cè)馬爾科夫過(guò)程模型來(lái)組成復(fù)合決策模型。這樣，通過(guò)復(fù)合的決策模型而非單一的決策模型，可以更好的兼顧模型的準(zhǔn)確程度與使用程度。因此，復(fù)合決策模型是露天無(wú)人駕駛卡車(chē)定位方式的必然選擇。

3.5 與標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程高度融合

目前，國(guó)內(nèi)礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)主要是將公路無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用到露天卡車(chē)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)不熟悉礦山工作環(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)。露天煤礦礦用自卸卡車(chē)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程是國(guó)家能源集團(tuán)露天礦山生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)多年工作經(jīng)驗(yàn)的沉淀，是對(duì)卡車(chē)司機(jī)各種作業(yè)環(huán)境及操作動(dòng)作的總結(jié)提煉。因此，將現(xiàn)有的無(wú)人駕駛各種技術(shù)算法與露天礦山標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程有機(jī)融合是實(shí)現(xiàn)卡車(chē)無(wú)人駕駛的必由之路。

3.6 深入應(yīng)用5G技術(shù)

5G技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是高速率、低時(shí)延、大容量， 5G超高速網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)無(wú)人卡車(chē)大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，5G毫秒級(jí)超低時(shí)延是無(wú)人駕駛決策執(zhí)行系統(tǒng)安全運(yùn)行的保證，5G穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接能根據(jù)優(yōu)先級(jí)分配網(wǎng)絡(luò)，幫助無(wú)人卡車(chē)高效收集、處理信息，高效做出決策，提升無(wú)人卡車(chē)安全性。因此， 無(wú)人駕駛卡車(chē)應(yīng)用 5G 技術(shù)是露天安全生產(chǎn)的關(guān)鍵和核心，是無(wú)人駕駛的必備技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+等學(xué)科快速發(fā)展，兩化融合戰(zhàn)略以及公路運(yùn)輸無(wú)人駕駛技術(shù)的不斷推進(jìn)，露天礦山卡車(chē)已安裝應(yīng)用了毫米波雷達(dá)防碰撞系統(tǒng)、車(chē)輛超速管理系統(tǒng)、卡車(chē)防碰撞預(yù)警系統(tǒng)、駕駛員防疲勞預(yù)警系統(tǒng)、駕駛員行為及周邊環(huán)境視頻監(jiān)控系統(tǒng)、GPS卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、車(chē)載對(duì)講系統(tǒng)、倒車(chē)影像等輔助駕駛技術(shù)，加之精細(xì)化感知、多源數(shù)據(jù)融合、5G等國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)和兩化融合戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)升級(jí)，露天礦山道路運(yùn)輸環(huán)境下的礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)必將早日實(shí)現(xiàn)。