孫繼平， 江嬴

（中國礦業(yè)大學（北京） 機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、水、火、沖擊地壓、頂板、運輸、機電、爆破等事故困擾著煤礦安全生產[1-4]。通過智能化、信息化、自動化和機械化，減少煤礦井下作業(yè)人員，是安全、高效、綠色、智能化礦井的必然選擇。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦井下輔助運輸人員占煤礦井下作業(yè)人員1/3以上[5]。因此，減少煤礦井下輔助運輸人員，是建設安全、高效、綠色、智能化礦井的關鍵。

煤礦輔助運輸是指除煤炭運輸外的其他運輸，包括材料、設備、人員和矸石運輸?shù)?。煤礦輔助運輸具有如下特點：① 運輸線路隨采掘工作面推進和搬遷而變化；② 工作地點分散、運輸線路復雜；③ 待運物料品種繁多、形狀各異；④ 井下巷道空間狹??；⑤ 光照條件差；⑥ 有瓦斯和煤塵等爆炸性物質，礦塵大，有淋水，環(huán)境潮濕等。

礦井無軌膠輪車和電機車（以下簡稱礦井車輛）是煤礦主要輔助運輸設備。無軌膠輪車不需要專門的軌道，主要以柴油機和蓄電池為動力，也有的采用架空線、拖拽電纜供電（又稱梭車）。電機車有專門的軌道，主要有架線電機車和蓄電池電機車。礦井車輛無人駕駛，是減少煤礦井下作業(yè)人員，建設安全、高效、綠色、智能化礦井的需要。

1 礦井車輛無人駕駛特點

（1） 煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，所有礦井必須裝備人員位置監(jiān)測系統(tǒng)。礦井人員位置監(jiān)測系統(tǒng)是國家要求裝備的煤礦安全避險六大系統(tǒng)之一，在煤礦安全生產、事故應急救援和事故調查中發(fā)揮著重要作用：遏制超定員生產、防止人員進入采空區(qū)等危險區(qū)域、發(fā)現(xiàn)超時作業(yè)人員、特種作業(yè)人員管理、干部下井管理、入井考勤、持證上崗管理等[6-7]。隨著礦井人員定位技術的發(fā)展，采用UWB等技術研發(fā)了礦井人員精確定位系統(tǒng)，定位精度為0.3 m。礦井人員精確定位系統(tǒng)除具有上述礦井人員位置監(jiān)測系統(tǒng)的功能外，還增加了以下功能：礦井水災、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤礦重特大事故預警；超層越界盜采監(jiān)測；遇險遇難人員定位；放炮閉鎖；井下爆炸物品庫、變電所、水泵房等區(qū)域準入；按需照明、人在燈亮人走燈滅；防止車輛傷人；車輛定位等。礦井人員定位系統(tǒng)實現(xiàn)了煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知。礦井人員和車輛精確定位系統(tǒng)可實現(xiàn)人車閉鎖，避免車輛傷人。這是地面車輛無人駕駛難以做到的。

（2） 礦井車輛全部受控。為避免或減少車輛運輸事故，提高運輸效率，安全高效現(xiàn)代化礦井均裝備礦井車輛定位與調度管理系統(tǒng)[8]，全面監(jiān)控煤礦井下所有車輛，可實現(xiàn)車車閉鎖，避免車輛碰撞。這也是地面車輛無人駕駛難以做到的。

（3） 礦井軌道運輸設備只需一維定位。電機車等礦井軌道運輸設備在固定的軌道上運行，軌道在巷道中的位置是確定的。因此，電機車等礦井軌道運輸設備可通過軸向位置，推算出橫向位置，只需軸向一維定位，不需要軸向和橫向二維定位。

（4） 煤礦井下光照條件差。煤礦井下無陽光、月光和星光。發(fā)光設備主要有礦燈、車燈、巷道燈、信號燈、指示燈、攝像機補光燈、手機燈等[9]，光照條件差。

（5） 煤礦井下無線傳輸衰減大。煤礦井下是受限空間，電磁波傳輸與地面不同，傳輸衰減大，傳輸模型復雜多變，傳輸衰減受巷道截面大小和形狀、圍巖介質、彎曲、分支、傾斜、表面粗糙度、支護、電纜與水管等縱向導體、工字鋼支護等橫向導體、風門與機車等阻擋體影響。

（6） 煤礦井下無衛(wèi)星信號。煤礦井工開采深度一般為數(shù)百米，最深達千米以上。衛(wèi)星定位信號無法穿透煤巖到達煤礦井下。因此，礦井車輛不能采用衛(wèi)星定位技術。

（7） 煤礦井下電磁環(huán)境復雜。煤礦井下空間狹小，設備相對集中，機電設備功率大，單臺設備功率達數(shù)兆瓦，電磁環(huán)境復雜。大功率變頻設備工作、大功率設備啟停、架線電機車火花等會干擾礦井車輛無人駕駛設備。因此，礦井車輛無人駕駛設備應具有良好的電磁兼容性。

（8） 煤礦井下電氣設備必須防爆。煤礦井下有CH4，CO等可燃性氣體和煤塵，用于煤礦井下的電氣設備必須防爆。為防止無線輻射在附近金屬感生電動勢放電，引爆瓦斯，煤礦井下無線輻射閾值≤6 W。本質安全型防爆具有安全性好、設備體積小、質量輕、可用于煤礦井下任何地點和瓦斯超限環(huán)境等優(yōu)點。因此，礦井車輛無人駕駛設備必須防爆，并優(yōu)選本質安全型防爆。

（9） 煤礦井下環(huán)境惡劣。煤礦井下潮濕、有淋水和粉塵，礦井車輛無人駕駛設備應有較好的防護性能。煤礦井下巷道底板不平，礦井車輛無人駕駛設備應有較好的防震性能。

2 礦井車輛定位技術

礦井車輛定位是礦井車輛無人駕駛關鍵技術之一。礦井車輛和人員等動目標定位技術主要有超聲波定位、激光定位、無線電定位、慣性導航、里程計等技術。其中，無線電定位、慣性導航、里程計等是經濟實用的礦井車輛定位技術。

2.1 超聲波定位技術

煤礦井下超聲波定位技術主要采用超聲波雷達測距方法。超聲波雷達向車輛和人員等動目標發(fā)射超聲波，并開始計時（開始計時時刻為T0）；超聲波雷達接收動目標反射的超聲波，并停止計時（停止計時時刻為T1）。根據(jù)動目標距超聲波雷達的距離（式（1））和超聲波雷達的位置，對動目標定位。

式中：L1為動目標距超聲波雷達的距離，m；V為超聲波在空氣中傳播速度，340 m/s；T1?T0為超聲波在超聲波雷達至動目標之間的往返時間，s。

超聲波定位具有受粉塵影響小、不受光照影響、不需在動目標上設置定位卡、系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點，但存在測距范圍小、測量精度低、不能識別動目標身份、非視距定位誤差大等缺點。因此，煤礦井下車輛和人員等動目標定位不宜采用超聲波定位技術。但超聲波定位技術可用于礦井車輛障礙物識別及測距。

2.2 激光定位技術

煤礦井下激光定位技術主要采用激光測距方法。激光發(fā)射器向車輛和人員等動目標發(fā)射激光束，并開始計時（開始計時時刻為T2）；激光接收器接收動目標反射的激光束，并停止計時（停止計時時刻為T3）。根據(jù)動目標距激光收發(fā)裝置的距離（式（2））和激光收發(fā)裝置的位置，對動目標定位。

式中：L2為動目標距激光收發(fā)裝置的距離，m；C為光速，3×105km/s；T3?T2為激光束在激光收發(fā)裝置至動目標之間的往返時間，s。

激光定位具有探測距離遠、精度高、不需在動目標上設置定位卡、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，但存在不能識別動目標身份、只能在視距條件下定位、受粉塵影響大等缺點。因此，煤礦井下車輛和人員等動目標定位不宜采用激光定位技術。但激光定位技術可用于礦井車輛障礙物識別及測距。

2.3 無線電定位技術

目前，煤礦井下車輛和人員等動目標定位主要采用無線電定位技術。礦井車輛和人員等動目標定位系統(tǒng)一般由主機、定位分站、定位卡、便攜式定位儀、網絡交換機（可與定位分站一體）、電源箱（含備用電源，可與定位分站一體）、天線（可與定位分站一體）、電纜、光纜、接/分線盒、避雷器等組成。定位卡由下井人員攜帶或設置在車輛上。定位卡存儲定位算法和身份識別信息；當進入定位分站定位范圍時，將身份識別信息發(fā)送給定位分站，與定位分站共同測定定位卡位置；具有發(fā)出事故報警、接收緊急撤人命令、聲光和振動報警等功能。定位分站設置在巷道中，通過無線方式讀取定位卡內身份識別信息，與定位卡共同測定定位卡位置；接收定位卡發(fā)出的事故報警，向定位卡發(fā)送緊急撤人命令；通過網絡交換機等與主機雙向通信。

礦井車輛和人員等動目標定位系統(tǒng)主要采用RFID，ZigBee，UWB，WiFi6，5G等無線電定位技術。RFID技術具有系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點，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定位系統(tǒng)。ZigBee技術具有連續(xù)測距和定位、無線覆蓋半徑大（平直大巷無線覆蓋半徑達 800 m）、定位精度較高（定位誤差≤3 m）、系統(tǒng)成本低于UWB系統(tǒng)等優(yōu)點，但存在定位精度低于UWB系統(tǒng)、非視距誤差等缺點。UWB技術具有連續(xù)測距和定位、無線覆蓋半徑大、定位精度最高（定位誤差≤0.3 m）等優(yōu)點，但存在系統(tǒng)成本高于ZigBee系統(tǒng)、非視距誤差等缺點。WiFi6技術具有連續(xù)測距和定位、無線覆蓋半徑大、定位精度較高等優(yōu)點，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。5G技術具有連續(xù)測距和定位、定位精度較高（定位誤差≤1 m）等優(yōu)點，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。因此，煤礦井下車輛和人員等動目標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。

2.4 慣性導航技術

礦用慣性導航技術通過慣性測量裝置測量動目標的加速度，經積分運算得到動目標運行速度和相對位移，在已知初始位置的條件下，計算得到動目標當前位置。慣性測量裝置包括陀螺儀和加速度傳感器。三自由度陀螺儀測量動目標3個垂直方向的轉動角度；三軸加速度傳感器測量動目標3個垂直方向的加速度。慣性導航技術具有如下優(yōu)點：① 不依賴外部信息，不受外界電磁干擾；② 可連續(xù)提供加速度、方向角、速度、相對位置等；③ 數(shù)據(jù)更新快，短時精度高，穩(wěn)定性好。但慣性導航技術存在如下缺點：① 定位誤差隨時間增加而增大，長期不校準則定位誤差大；② 劇烈的車輛振動、顛簸會增加定位誤差；③ 絕對位置需根據(jù)初始位置和相對位置來計算；④ 不輸出時間信息；⑤ 成本高。因此，慣性導航技術不宜單獨作為礦井車輛定位技術，可作為礦井車輛輔助定位技術。

2.5 即時定位與地圖構建技術

礦用即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術是一種新的礦井車輛定位方法，即動目標使用激光雷達點云，在移動過程中根據(jù)位置和巷道地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上構建增量地圖，實現(xiàn)自主定位和導航。礦用SLAM技術具有全礦井定位、定位精度高、動態(tài)地圖實時更新等優(yōu)點，但存在受粉塵影響大、需標志等問題。巷道分支、固定設備和設施具有標志作用，但在缺少標志的巷道中，需人為增加反光等標志。因此，SLAM技術不宜單獨作為礦井車輛定位技術。

2.6 里程計

里程計通過監(jiān)測車輪轉數(shù)，再乘以車輪周長，得到車輛相對位移。里程計具有如下優(yōu)點：① 不依賴外部信息，不受外界干擾；② 可連續(xù)提供相對位移；③ 可靠性高；④ 成本低。但里程計存在如下缺點：① 屬一維定位方法，左右位移也計入前后位移；② 絕對位置需根據(jù)初始位置和相對位置來計算；③ 定位誤差隨時間增加而增大，長期不校準則定位誤差大。因此，里程計不宜單獨作為礦井車輛定位技術，可作為礦井車輛輔助定位技術。

3 障礙物識別與測距技術

障礙物識別與測距是礦井無人駕駛車輛避障和安全行駛的關鍵。煤礦井下電氣防爆、光照條件差、粉塵大、無線傳輸衰減大、電磁干擾嚴重等特殊性，制約著地面無人駕駛車輛障礙物識別與測距技術直接在煤礦井下應用。因此，需根據(jù)煤礦井下特殊性和要求，研究礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距技術，主要有激光雷達、毫米波雷達、紅外攝像機、可見光攝像機、可見光雙目視覺相機等。

3.1 激光雷達

激光雷達通過激光發(fā)射器發(fā)射激光，激光接收器接收物體反射回來的激光，根據(jù)激光傳播時間和光速，計算激光雷達與反射物之間的距離。激光雷達通過激光掃描，獲取激光雷達周邊環(huán)境物體形狀和距離。激光雷達具有測距精度高、分辨率高等優(yōu)點，但存在受粉塵影響大、價格高、體積大等缺點。激光雷達是礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距主要設備。

3.2 毫米波雷達

毫米波雷達發(fā)射的毫米波經過物體反射后，被雷達接收，根據(jù)電磁波傳播時間和速度，計算毫米波雷達與反射物之間的距離；通過多個不同位置的接收天線接收到的回波相位差，計算反射物方位。當毫米波雷達與反射物之間有相對運動時，反射波會發(fā)生頻移，根據(jù)多普勒原理，可計算出毫米波雷達與反射物之間相對運動速度。毫米波雷達具有不受光照影響、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。但毫米波雷達分辨率較低，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，毫米波雷達容易漏檢。毫米波雷達可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設備。

3.3 紅外攝像機

紅外攝像機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，但存在分辨率低、探測距離近等缺點。紅外攝像機是礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設備，主要用來探測人員、運行的機車和設備等溫度較高的物體。

3.4 可見光攝像機與雙目視覺相機

可見光攝像機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，但存在難以測距、受光照和粉塵影響大、可靠性低等缺點?？梢姽怆p目視覺相機由2個可見光攝像機組成，通過算法識別障礙物和測距，具有可測距、分辨率高、有顏色信息、體積小、成本低等優(yōu)點，但存在受光照和粉塵影響大、可靠性低等缺點?？梢姽鈹z像機與雙目視覺相機可作為礦井無人駕駛車輛障礙物識別與測距輔助設備。

4 地面遠程控制與無線通信技術

礦井車輛無人駕駛包括自動駕駛、地面遠程控制、自動駕駛+地面遠程控制等方法。礦井無人駕駛車輛在自動駕駛過程中，當遇到路況復雜，自動駕駛不能決策時，需自動轉入地面遠程控制模式。地面人員遠程控制車輛，需將車載攝像機圖像和聲音、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、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，需大寬帶、短時延、高可靠的礦用寬帶無線通信系統(tǒng)。

礦用寬帶無線通信系統(tǒng)主要有礦用5G無線通信系統(tǒng)和礦用WiFi6無線通信系統(tǒng)[10-13]。礦用5G無線通信系統(tǒng)具有大寬帶、短時延、高可靠等優(yōu)點，是礦井車輛地面遠程控制首選，但存在無線覆蓋半徑小、成本高等缺點。礦用WiFi6無線通信系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點，但時延和可靠性難以保證。需研究WiFi7在礦井車輛地面遠程控制中的應用。

5 結論

（1） 礦井車輛無人駕駛具有如下特點：煤礦井下作業(yè)人員位置全面感知、礦井車輛全部受控、礦井軌道運輸設備只需一維定位、光照條件差、無線傳輸衰減大、無衛(wèi)星信號、電磁環(huán)境復雜、電氣防爆、環(huán)境潮濕、有淋水和粉塵。

（2） 礦井車輛定位宜采用以UWB為主，慣性導航、里程計和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宜采用以激光雷達為主，毫米波雷達、紅外攝像機、可見光攝像機、可見光雙目視覺相機、超聲波雷達為輔的多信息融合方法。

（4） 礦井無人駕駛車輛在自動駕駛過程中，當遇到路況復雜，自動駕駛不能決策時，需自動轉入地面遠程控制模式。地面人員遠程控制車輛，需將車載攝像機圖像和聲音、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、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5G無線通信系統(tǒng)。