矿用卡车无人驾驶系统实现方式

矿用卡车无人驾驶系统实现方式

魏二军,邢振华

包钢白云铁矿 内蒙古包头市014080

摘要：随着大型露天煤矿的深入勘探，陡坡多弯现象逐渐增多，矿车行驶难度高，存在安全隐患。提出了一种露天煤矿卡车无人驾驶系统设计方案，可实现露天煤矿安全、高效、节能、环保的运输。为更好地推动矿用卡车无人驾驶技术在露天矿山的应用，阐明了露天矿卡车无人驾驶技术的现实意义，分析了应用该技术需要攻克的技术难点。

关键词：露天矿场；矿用卡车；无人驾驶

在露天矿生产中，矿方对无人驾驶车辆的需求也在不断增长。随着计算机技术、通讯技术、定位技术、导航技术、传感技术、车辆控制技术的日益成熟，为矿用无人驾驶卡车应用提供了一个全新的发展机遇，用户的需求推动了矿用卡车的研究开发，矿用卡车制造商们对矿用无人驾卡车的前景看好，全球各大主要矿用车制造商均在无人驾驶领域的研究及应用上都取得了较大的进展。

1矿用无人驾驶技术发展现状

矿用无人驾驶卡车的研究早在20世纪70年代就开始了。1994年，Cat公司2台无人驾驶矿卡在美国投入使用。1995年，小松公司1台载重77t的矿卡在日本的一个采石场进行无人驾驶采矿试验。目前，5大全球矿用车供应商都在进行无人驾驶矿用车的应用与研究。国内三一、徐工、同力重工、易控智驾、慧拓智能、踏歌智行等单位的矿用无人驾驶卡车研究都进入了试验测试阶段，截止 2019 年12月少，易控智驾无人驾驶运输土方量已经超过4万m,无人驾驶行驶总里程也已经达到 7500km。

2矿用卡车无人化技术的重要性

引入无人驾驶技术具有三大优势：①特定区域，无交通障碍；②固定路线，速度相对较低，无技术障碍；③无司机，有经济效益，有安全保障。目前，露天矿山的运输作业主要由人员、设备和场地“人机环境”三要素构成。作业设备的运行和作业现场的环境判断都需要由操作人员来完成，人为关键因素不可控。在工作和生活中容易受到路况、车况、天气等客观环境或事件的影响，造成情绪波动，影响工作条件，造成安全事故。利用无人驾驶技术实现“无人驾驶”，可以很好地解决这个问题，同时最大限度地减少人员的参与，避免和减少对驾驶员健康和安全的危害，降低劳动力成本，拥有良好的经济和社会受益。

2.1安保型安全

传统的矿用卡车运输作业需要人工操作。长时间工作后，人们总是很累，需要休息。人们不可能在任何时候都集中100%的精力。如果能量不集中，可能会造成误操作和事故。基于“以人为本”的理念，我们需要能够一直保持下去。准确运行的智能系统，而不是手动操作。

2.2降低成本

节省人工成本是无人驾驶技术直接经济价值的体现。近年来，大型露天矿山由于经营环境恶劣，工作繁重，往往面临招聘矿车司机招聘和培训周期长的困境。

　　3无人驾驶系统各主要技术环节实现方式

　　3.1采装

　　采装时，由于采装设备位置不固定，在采装设备为3个层次：①云计算及服务层； ②通讯及边缘计算；③车载计算与行动。无人驾驶总体技术构架图如上安装具有高精度定位功能的辅助交互系统，辅助交互系统通过4G/5G与平台互联。 采装设备司机依据设备位置、姿态信息和平台下发的作业边界信息，在系统的辅助下，手动确定装载位置 ,平台依据装载 位置和可行驶区域，规划车辆装载路径。 车辆在装载过程中，会实时感知周边的三维信息，以平台规划的路径为引导，并进行局部实时规划 ,最终停在适合装载的最佳位置。

3.2运输

运输环节实现方式 :①每辆车的运输路径，平台都会基于地图信息、装载位置和卸载位置等信息进信息交互有2种模式，车与车直接交互或通过平台间接交互。

　　3.3排卸

　　车辆排土时，按照平台预设的排土位进行倒车入位，过程中会实时感知挡墙边界，控制车辆后轮贴到挡墙后停车、挂空挡、拉手刹，判断车辆姿态是否适合举升，如果满足举升条件则开始排土操作、控制货箱举升，举升过程中也会实时检测车辆姿态，当出现失稳状态时，立刻停止举升并降斗。如果举升过程行全局规划，每辆车按照全局规划的调度路径行驶。

3.5监控与预警机制

车辆动力系统、底盘、车身等部件的状态信息、故障信息获取后 ,所有信息会上传到平台，无人驾驶系统会对车辆执行器的状态进行监控和分析诊断，发现出现故障时 ,无人驾驶系统会进入安全模式，确保车辆安全停车 ,平台通知维修人 员进行现场检修。

3.5加油机制　　

无人驾驶系统实时监控油箱中实际油料位置，当检测油位到达加油界限时，总控平台会调度车辆按照平台规划的加油路径去指定地，点加油或指派加油车到车辆停车合适的位置加油。

　3.6车辆超装和欠装及偏装等情况处理机制

　　目前，车辆装车的信息主要有挖机司机手工录入，上传平台。车辆会根据自身运行状态对装车重量进行预估，但准确度有限。货箱装偏时，会对车辆的运行姿态造成影响，无人驾驶系统实时监测车辆姿态，并基于实时识别的路况信息对姿态进行预测，当车辆运行姿态不稳时，会进行降速运行或停车进入安全模式。未来会将车辆轮胎换成子午线真空胎，每　　条轮胎增加压力和温度传感器，通过轮胎信息进行装载重量以及装载位置的判断。

4矿用无人驾驶车辆的效益优势

1）智能卡车调度。传统的车辆优化调度系统，是根据车辆行驶路径、车辆在该路径上的运行时间，采装设备的匹配状况、所装物料与排卸的关系、计划采装工作量、排卸点计划 、煤质搭配、岩石品位等多因素进行线性和动态规划 ,使产能最大化、成本最少为优化调度的目标。但从目前国内已安装使用的卡车调度系统来看，真正实现优化调度目标的露天矿几乎没有，其主要原因是：①司机终端操作不规范；②有人驾驶的车辆不一定按系统规划的行车路径运行 ;③不按系统所预估的车辆运行速度行驶； ④运输设备和装载设备等的故障情况提交给系统不及时 ;⑤统计分析的装车时间、卸车时间以及在路径上运行的时间误差较大；⑥ 现场调度干预临时调车 ;⑦传统的卡车调度系统因考虑成本因素。

2)有效降低燃油消耗，车辆油耗是矿山生产运营进行成本核算的重要指标，采用无人驾驶进行采剥作业的矿山，卡车在运行过程中，采用的是最优化的控制操作策略，从而使发动机的运行效率更高，这样有效降低了燃油消耗、节省了燃油费用、减少了发动机的碳排放量，有效地降低了燃气排放对矿区空气的污染。同时无人驾驶车辆能够有效地分析车辆在行驶过程中提升高度、路况、道路坡度、空重车等相关因素，通过大数据分析，形成油耗曲线，为生产设计提供依据，为生产决策提供更加真实的支持。

3)有效降低轮胎消耗。矿用无人驾驶系统采用最优的操作及驾驶策略，可有效降低轮胎损耗。无人驾驶使卡车的空重运里程更为准确，设备的爬坡高度更为精切，车辆何时更换轮胎，更加科学，系统根据轮胎磨损等情况，分派车辆去适合该轮胎路况道路上运行，从而提升轮胎的使用寿命，到达节省成本提高效率的目的。同时可为道路维护提供数据支持，道路维护到什么程度，维护成本与轮胎消耗综合成本指标最低。

4)节省人力成本，由于人的视觉及听觉感知有盲区， 看不到或听到造成的车辆事故也频发，矿用无人驾驶系统，通过车辆传感设备，采集外界环境数据，经车端和平台处理后， 发给车辆安全管理和控制模块 ,它消除了盲区感知，使车辆在生产过程更安全；②矿用无人驾驶系统投入运营，避免了由于司机疲劳驾驶、操作失误等导致的车辆事故。

结论：

21世纪的矿业是构建智能新模式，大数据、人工智能、物联网等技术越来越多地与矿山融合。矿业生产模式不断更新，矿业向规模化、集约化、协同化方向发展。智能化已成为矿业转型升级的必由之路。随着无人矿车技术的成熟，可在类似矿山环境的封闭、低速作业区域推广，对作业有很大的参考价值。实现露天矿车无人化是智慧矿山建设的重要基础和不可或缺的前提。可以从本质上提升矿山企业的核心竞争力，从而推动我国煤炭行业走向智慧矿山时代。

优势。

参考文献：

　　[1]李东林，路向阳，李雷，等.露天矿山运输无人驾驶系统综述[J].机车电传动，2019(2)：1-8.

　　[2]

　　GB50175—93露天煤矿工程施工及验收规范[S1.

　　[3]李志国.我国无驾驶矿用自卸车发展现状和未来展望J].铜业工程，2019(2)：1-5.