矿井无人驾驶无轨胶轮车升级改造

赵洪辉 1 谈志伟 1 张业奔 2

1 陕西陕煤榆北煤业公司榆林信息化运维分公司，陕西 榆林 719000

2 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213000

摘要：无轨胶轮车在矿井中的使用逐渐受到人们的重视，其结构简单、运载能力强，使得无轨胶轮车在逐渐向无轨化、单一化发展，彻底解决了有轨运输时运输效率差、运输麻烦的问题。矿井下无轨胶轮车是一种经济实用、安全高效的巷道运输车辆，它的使用简化了采矿过程，增加了采矿的产能和作业的安全性，对于矿井下作业有着十分重要的意义。

关键词：矿井无人驾驶无轨胶轮车；升级改造；

前言：无轨胶轮车是以柴油机为动力，自驱动的井下运输工具。对于重型无轨胶轮车运输设备(支架及大件设备搬运车)、多功能车、特种车辆等，考虑到国内生产技术不成熟，选用进口设备，而大部分常规的通用车辆，采用国产设备。而随着无轨胶轮车在煤矿的投入使用，使得大型综采设备的运输方式变得高效、灵活、多样，但是无轨胶轮车受运输条件限制，在平硐、斜井开拓矿井中应用较为广泛，而在立井开拓矿井中应用并不多。

一、无轨胶轮车概述

根据国内外诸多矿井辅助运输系统使用经验，无轨胶轮运输设备均选用防爆低污染柴油机作动力，通过配置不同型号的无轨胶轮车，以满足不同吨位物料、设备的运输要求。无轨胶轮运输车选型的主要分为两类，即一类为根据国内、外各种车型的技术性能和功能的分析比较。另一类为根据本矿井井下各辅助运输巷道的坡度和长度以及无轨胶轮车的性能。

二、矿井无人驾驶无轨胶轮车升级改造

1.感知系统设计。感知系统由红外传感器、激光雷达、摄像头、超声波传感器等组成，主要负责提取路径信息、障碍物信息以及车辆的位置和速度信息等，为车辆的安全行驶提供了可靠依据，是车辆安全行驶的前提。由于井下巷道空间狭小，光照不足，在长、宽、高三维空间方向上均受到限制，且多数情况下无轨胶轮车井下行驶路径相对固定，故可以考虑采用较为经济成熟且简单可靠的顶板循迹方式来实现路径跟踪。在车身顶部安装红外传感器，通过井下巷道顶部预先设置的白色循迹带反射红外传感器发出的红外线，传感器通过接收反射的红外光进行循迹；在车辆前方保险杠安装激光雷达传感器，在车辆顶部中央位置安装摄像头，结合激光雷达传感器与摄像头获取路径信息和路径中障碍物的大小及位置信息；在车身两侧装有多个超声波传感器，用以测量车辆与巷道壁的距离，保证车辆安全行驶。各传感器提取的环境信息采用卷积神经网络（CNN）和DS 证据理论相融合的算法进行处理，首先利用目前较为成熟的卷积神经网络FasterR-CNN 和传感器采集到的数据获取相对可靠准确的基本概率赋值，然后利用证据理论进行融合判决，考虑到噪声环境下的误识别问题，先用冲突证据组合方法对各证据进行预处理，使冲突信息对融合结果的影响降到最小，再利用组合规则进行融合判决，得到最终结果。

2.控制系统设计。控制系统分为硬件部分与软件部分，其中硬件部分由整车控制器VCU、工控机和电机控制器等组成；软件则有主控制程序、无人驾驶控制程序和工控机控制程序。控制系统以VCU 为主，工控机为辅，协同工作来对车辆进行控制。通过感知系统获取外部环境信息，并进行数字化处理，经工控机判断决策后，再由VCU 输出信号分别控制电动机、转向电机以及电动液压泵，从而控制无人车的速度、转向和制动。

3.执行系统设计。执行系统包括：动力系统、转向系统、制动系统。动力系统为无轨胶轮车提供动力，选择体积小、充放电性能良好的锂离子电池作为动力源，电机选择质量轻，体积小，稳定性好，工作效率高的永磁同步电机。转向系统是执行系统的核心，考虑井下路况复杂，采用比传统液压式响应速度更快、灵敏度更高的电动助力转向系统。制动系统有电气制动与机械制动两种方式实现车辆的停止，其中：机械制动通过摩擦作用实现制动；电气制动通过控制系统使电机输出反向转矩实现制动，而制动产生的多余能量将由蓄电池进行回收，从而实现能源的回收利用。

4.井下车辆控制。由于井下路况较为复杂，所以井下行驶规则与路面行驶规则大为不同，因此需要根据井下巷道实际情况为车辆制定控制策略，主要分为：正常行驶策略、紧急避障策略、对向会车控制策略以及弯道会车控制策略。其中，正常行驶只需无人车在行驶时不偏离既定轨迹；而紧急避障则需无人车检测到障碍物时，在能通过时规划出局部路径绕行，不能通过时制动停车，并向地面指挥中心报警。由于煤矿井下巷道狭小，因此巷道中建有多个错车躲避硐配合单车道使用，躲避硐之间间隔为100m，双车道则两侧均设有间距为200m 的躲避硐。在单车道行驶过程中发现对向来车时，根据就近原则，让靠近躲避硐的车辆进硐躲避，而双车道则需遵循井下会车规则，即：“空车让重车、小车让大车、料车让人车、下坡车让上坡车”。井下巷道多采用单车道配合躲避硐满足错车需要，在单车道中发现对向来车时，需要让离附近躲避硐更近的车辆进入硐中进行避让，为此，利用感知系统获取车辆行驶状态。当车辆在井下弯道处行驶与会车时，需对车辆进行减速处理。首先感知系统判断出前方是否为弯道，再通过预定轨迹与预瞄的方式计算出弯道曲率，控制系统再由计算出的曲率控制车辆行驶的速度和转向角度。同时，在弯道行驶过程中，红外传感器根据巷道顶部循迹线实时调整车辆姿态角，减小过弯时产生的横向偏移量，增加过弯的准确性与安全性，无人车行驶至弯道时，实际行驶轨迹与参考轨迹存在偏差，这是因为当车速稍快时，无人车转向灵敏度较高，为跟踪轨迹，在转向时修正过多。当车速为25km/h 时，无人车跟踪最大瞬时偏移量仅为7.8cm，偏差较小。由于无轨胶轮车在井下巷道中行驶速度一般不超过25km/h，所以此轨迹跟踪控制器可以用于井下无人车辆的轨迹跟踪。

三、应用前景

无轨胶车大多时候在倾角非常小的环境中工作，最好的环境是在12°斜坡的斜副井中，能够大大降低井下辅助运输工作人员的数量，从而减少人力、物理、财力的使用成本和工作人员的工作强度，避免了安全事故的发生。虽然在刚开始无轨运输的投资成本比有轨运输要多，但从长远的角度来看，无轨运输的经济、安全等综合效益却远远超出有轨运输。所以，无轨运输的发展前景广阔。铲板式搬运车能够通过液压机械传动的方法进行自动装卸，不需要吊装大型设备，运输过程十分简单。除此之外，大多数装置都能通过铲板式运输车装载，是运输中必需的交通工具。其好处是能够把铲板当作运载方式，能够进行灵活、快速的装卸，其不足之处是车身较长，转弯半径较大，一般在巷道的转弯处要对巷道进行扩展，且其质量较大，在坡度较大的巷道处难以通行。所以，铲板式支架搬运车多数在短距离运输中使用。框架式支架搬运车是一种全新的液压支架运输装备。由于其可以不受平衡式运输车辆的局限，其质量远低于铲板式运输车，其通行能力得到了极大的改善，车辆速度也得到了提升。同时，使用U 型框架也使得装卸更方便，故多数在辅助运输中使用，目前框架式运输车己大量替代了铲板式运输车的液压支架远距离运输功能。另外，由于框架式运输车的运载能力低于其他运输设备，且其车身宽度较大，对巷道要求较高，故多数情况下都要对U 型框架进行改造，以扩展其使用范围。框架式运输车通U 型框架受力，使用起吊设备进行支架悬挂，所以有使用稳定、质量小、运输快等优点，在长距离运输中得到了广泛使用。

结束语：为了提高我国的矿井辅助运输能力，要加大无轨胶轮车的创新力度，并根据我国各地的地质条件和开采水平，加紧研制出一批使用范围广泛、通用能力强、综合水平高的全新车型，发展出适应我国具体国情的辅助运输装备，保障我国矿井的辅助运输。

参考文献：

［1］ 戴志晔． 煤矿井下无轨胶轮车的现状及应用［J］． 煤炭科学技术，2019，31( 2) : 21-24．

赵洪辉：工程师，副总经理，负责智能矿井、智慧矿区建设工作

项目名称：井下车联网和无人驾驶技术研究

项目号：2020SMHKJ-BK-J-13