煤礦輔助運輸車無人駕駛控制系統設計*

劉東平

(晉能控股煤業集團 晉華宮礦,山西 大同 037016)

0 引 言

井下運輸作為煤礦生產作業的重要環節,其運輸成本占煤礦生產總成本的1/3,因運輸環節引起的事故占煤礦總事故30%左右,因此井下運輸是影響煤礦生產效率及安全的重要環節[1-3]。目前,井下運輸設備多以靈活、高效、運載量大的電機車為主,電機車可實現從地面到井下工作面的點對點運輸,無需中間轉載環節,極大簡化了井下輔助運輸系統。但井下運輸電機車運動控制及調度管理仍以人工方式為主,駕駛員與地面調度員無法實時通信,追尾撞車、盲目調度及駕駛等問題時有發生,嚴重影響井下運輸效率及安全性。

針對上述問題,筆者從運輸車運動控制、通信網絡架構、車輛定位跟蹤、運行環境監測等方面對井下運輸系統進行改造設計,使系統具備遠程監控及數據實時傳輸功能。監控人員通過地面調度平臺對運輸車進行自動啟停、變頻調速及自動避障等自主性動作控制。同時,系統采用環境感知技術對車量路況、煤礦環境等信息進行實時采集,通過高速無線通信網絡進行交互,由上位機進行實時顯示,全面實現井下運輸車的無人值守及無人駕駛控制。該控制系統設計對于提高煤礦運輸效率及安全水平具有實際意義。

1 系統總體分析與設計

1.1 系統需求及功能分析

受井下惡劣工作環境影響,人工駕駛的運輸車存在司機視野受阻,通信方式落后等問題,運輸只能采用定點、定時、定線的模式;車輛調度指揮需通過各停車點的固定電話進行聯系;駕駛員無法判斷前方巷道是否存在行駛車輛,行駛具有較大盲目性;調度人員也無法實時掌握井下車輛分布及運行情況,無法進行合理指揮調度,不僅運輸效率低下,同時也存在較大安全隱患。若車輛在行駛途中發生故障,駕駛員不能及時聯系到調度室,易造成長時間交通堵塞,從而導致整個礦井交通癱瘓[4-6]。

針對上述問題,采用無人駕駛測控技術對原井下車輛運輸系統進行改造,系統設置車輛始發點及車輛編組后,通過地面調度中心向運輸車車載通信控制器發出監控指令,控制車輛按照行駛軌跡自動進行啟停、前進后退、速度調節等駕駛操作,實現井下運輸車自動駕駛及實時監測,系統具體功能如下。

(1) 實時網絡通信。系統采用無線+有線方式的系統通信網絡架構,通過上位機可實時下達車輛控制指令并掌握車輛運行現場情況。

(2) 車輛跟蹤定位。系統通過定位裝置可實時獲取運輸車位置、車速及行駛方向等數據,為上位機系統運動控制決策提供可靠依據,是實現井下車輛無人駕駛的核心功能。

(3) 車輛運行自動控制。系統可實現對井下運輸車的遠程自動行駛控制,包括車輛啟動/停止、加速/減速、慢速/半速/全速運行、前進/后退/轉彎等。

(4) 運行狀態監測。系統采用分布式傳感器方案對車輛周圍路況數據進行采集分析,具備距離檢測、視覺監測、環境感知功能。

(5) 車輛自主避障。通過系統對環境及路況的感知對行駛軌跡上的障礙物進行分析檢測,并進行自主避障。

隨著新課程改革的不斷推進，國家對不同的學科都提出了不同的要求，且教師根據學科要求都開始了相對應的改革，初中物理教學也是如此。對于初中物理教學而言，新課程改革越來越重視教師對于初中物理教學中的實驗教學的創新之處。初中物理教師想要適應好新課程標準的要求，最為關鍵的就是要在實驗教學中能夠有創新之處，讓學生能夠在新穎的實驗教學中學會創新。因此，筆者將結合人教版初中物理教材，對初中物理實驗教學方法的創新思路展開探討。

1.2 系統總體設計方案

通過上述系統需求分析,以車輛定位、運行環境監測、自主避障、自動行駛控制四大核心功能作為出發點,對系統總體方案進行設計。

(1) 車輛跟蹤定位

運輸車精確位置的實時獲取是實現自動駕駛的前提,目前常用的定位技術包括Zigbee定位、WiFi定位、RFID定位及慣性導航定位技術,不同定位方式在通信距離、定位精度等方面存在差異,需根據實際應用情況進行選擇,定位方案對比如表1所列。

表1 井下車輛定位技術方案對比

結合上述定位技術方案對比分析發現,Zigbee定位通信效率高,功耗低,但定位精度易受環境影響。而慣性導航可進一步獲取車輛的位姿信息,且定位結果不易受環境影響。綜合二者特點,決定采用Zigbee及慣性導航組合定位方案,通過Zigbee定位得到運輸車的初步位置信號,再由慣性導航傳感器進一步獲取精確里程信號,最終通過濾波器消除累計誤差,得到精確的車輛位姿信息,組合定位方案如圖1所示。

圖1 運輸車組合定位方案示意圖

(2) 車輛運行環境監測

井下運輸車行駛巷道環境惡劣,需對CH4、CO等易燃易爆氣體、現場環境溫度及濕度等影響運輸車正常工作的環境參數進行實時采集。將環境監測功能集成在車載機中,通過車載機配置的各類傳感器對巷道內CH4、CO濃度及溫濕度進行采集,當超過閾值時發出聲光報警。

(3) 車輛自主避障

車輛避障原理是通過測距傳感器或攝像頭對前方障礙物進行感知。綜合對比不同測距設備優缺點,選取測距范圍大、精度較好、成本低廉的紅外測距傳感器對運輸車行駛路線障礙物進行檢測,其基本原理是將紅外收發器安裝在車輛前方及兩側,通過發射光線與遇到障礙物后反射的紅外光線間的時間差來計算車輛與障礙物的距離,實現對道路前方及兩側路況的感知。紅外測距原理如圖2所示。

圖2 紅外測距原理示意圖

(4) 車輛自動控制

車輛行駛控制實質上是對電機運動狀態的控制,采用PID自動控制方案對車輛電機轉速進行實時調節,可以實現對車輛運動狀態的控制。系統基于車載機數據采集模塊對車輛位置、障礙物及環境參數進行采集反饋,由車載機控制器對反饋信號進行分析處理并向PID控制器提供控制參數,然后由PID控制器輸出控制信號至變頻器調節電機轉速,車輛自動控制原理框圖如圖3所示。

圖3 運輸車自動控制原理框圖

2 運輸車無人駕駛控制系統設計

結合系統總體設計要求,采用模塊化思想對運輸車無人駕駛控制系統進行設計,系統可分為地面上位機監控模塊、通信網絡模塊、車載機模塊三部分,系統結構如圖4所示。

圖4 運輸車無人駕駛控制系統總體結構圖

系統通信網絡由工業以太網及Zigbee無線通信網組成,其中無線通信模塊由網關及監控基站組成。監控網關型號選用礦用本安型KJ539-W,KJ539-W輸入電壓為直流 5 V,最大工作電流0.7A,最大傳輸速率100 Mbps。系統運行時,KJ539-W網關通過以太網光纜接受上位機下達的控制指令,并將所收集的檢測信息打包上傳至上位機。

監控基站型號選用礦用本安型KJ539-F,KJ539-F輸入電壓為直流12 V,接收頻率為2.4 Hz,最大無線傳輸速率250 Kbps。系統運行時,監控基站實時獲取來自車載機無線上傳的現場環境參數、障礙物及車輛位置編號信息,并通過Zigbee上傳至網關。

車載機作為運輸車現場參數采集與電機控制的核心設備,主要由無線通信模塊、主控模塊、報警模塊、數據采集模塊組成,車載機結構如圖5所示。

圖5 車載機結構示意圖

3 系統運行測試

為驗證系統運行效果,于晉能集團大同晉華宮礦井下運輸現場對系統進行實際運行測試,實驗對象為CTL 12 /6GP(A)礦用防爆型運輸電機車,其軸距為1 200 mm,軌距600 mm,最大牽引力為29.43 kN,額定功率30 kW,額定電流121 A。

首先對系統的Zigbee與慣性導航的定位精度進行驗證。系統控制運輸車在井下巷道現場行走90 m,然后上位機控制系統發射2.4 GHz頻率的無線信號,以進行定位精度實驗。該實驗設計了三組對比實驗,分別為:僅通過Zigbee無線定位、僅通過慣性導航定位及Zigbee+慣導組合定位,并對運輸車在三種定位方式下行走90 m距離的定位距離誤差進行對比,對比實驗誤差曲線如圖6所示。

圖6 三種定位方式誤差對比實驗圖

由實驗結果可知,在三種運輸車定位方案中,組合式的定位誤差最大為1.48 m,相比于Zigbee定位最大誤差2.58 m降低了約1.1 m,相比于慣導定位最大誤差3.47 m下降約1.99 m,運輸車定位精度得到顯著提升。

系統運行后,上位機交互界面可實時顯示機車運行位置、車速及環境數據,操作人員設置車輛起點、終點及移動距離后,車輛可按照程序預設路線自動行駛,工作人員可通過操作臺控制車輛移動至不同位置,實現自動駕駛及遠程調度,系統部分運行監測數據如表2所列。

表2 系統部分運行監測數據

4 結 語

針對傳統人工控制的井下運輸車系統存在的問題,采用無人駕駛控制技術及遠程測控技術對井下運輸車控制系統進行智能化設計。此設計通過無線通信網絡實現數據的高速傳輸,可通過上位機遠程控制運輸車實現自動行駛及實時定位,并對周圍路況環境進行感知,經實際應用測試驗證了系統定位精度較高、數據監測準確全面,可全方位提高井下運輸效率及智能化程度。