煤礦自動駕駛磁尋跡定位技術

楊麗

（中煤科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120）

0 引言

煤礦輔助運輸系統(tǒng)是煤礦日常生產經營的重要組成部分，除煤炭運輸外，人員、材料、設備、物資等都通過輔助運輸系統(tǒng)進行運送。輔助運輸分為有軌電車、無軌膠輪車輔助運輸，無軌膠輪車輔助運輸具有機動、靈活、效率高等優(yōu)勢，陜北地區(qū)尤為適用。隨著輔助運輸車輛的增多和相關技術的發(fā)展，對井下輔助運輸自動駕駛車輛的需求也逐漸增多[1-5]。車輛自動駕駛系統(tǒng)主要包含環(huán)境感知系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、車輛決策系統(tǒng)及車輛控制系統(tǒng)4個部分[6-9]，其中車輛定位系統(tǒng)是車輛自動駕駛系統(tǒng)的關鍵系統(tǒng)之一，由車輛定位系統(tǒng)獲取車輛實時位置，以控制車輛按照合理路線行駛。煤礦輔助運輸車輛大多采用無線定位方式，普遍動態(tài)定位精度為3 m以上，不能滿足煤礦自動駕駛定位精度的需求，且實時車輛定位數(shù)據發(fā)送到地面上位機，由上位機進行判斷分析后通過礦井網絡再下發(fā)至輔助運輸車輛，該過程耗時約400 ms以上，不能滿足自動駕駛車輛對定位信息實時獲取的需求[10-11]。因此，實現(xiàn)煤礦車輛精準定位對井下輔助運輸自動駕駛具有重要意義。通過查閱大量參考文獻，發(fā)現(xiàn)目前對車輛定位的相關研究主要集中在地面和露天等場景[12-13]，并以GPS定位為主。但煤礦井下巷道沒有GPS定位信號，且煤礦井下巷道環(huán)境條件比地面場景更復雜、惡劣。

針對上述問題，本文提出了一種煤礦自動駕駛磁尋跡定位技術。通過在井下巷道布置具有ID編號的無源感應磁釘，在輔助運輸車輛上安裝磁感應天線，當裝有磁感應天線的車輛經過巷道中預先布置的無源感應磁釘時，磁感應天線的磁場將產生脈沖信號，實時獲取該脈沖信號在磁感應天線磁場范圍內的具體位置，計算出車輛所在巷道位置和行駛路線中心的偏差位置，從而達到定位尋跡的目的。

1 磁尋跡定位技術原理

通過在煤礦巷道適當位置布置磁釘，在車輛合適位置安裝磁感應天線裝置，磁感應天線下方區(qū)域持續(xù)發(fā)送具有傳輸頻率的能量場，當磁感應天線經過磁釘時，磁釘受磁感應天線磁場的作用產生脈沖信號，該脈沖信號將對天線持續(xù)輸出的能量場，產生脈沖式能量變化，磁感應天線實時感知能量場脈沖式能量變化，根據該變化來判斷磁釘所在能量場范圍內的具體位置，磁感應天線產生能量場的范圍是已知的，通過磁釘和磁感應天線中心點的相對位置可判斷出磁感應天線中心點所處的巷道位置，磁釘所在巷道的位置已提前布置。磁感應天線將定位信息通過CAN總線通信接口轉發(fā)給車輛控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據磁感應天線中心點與磁釘?shù)南鄬ξ恢茫嬎愠鲕囕v所在巷道位置和行駛路線中心點的偏差位置，從而達到定位尋跡的目的。磁尋跡定位技術原理如圖1所示，圖中X和Y分別為車輛行駛橫向和縱向距離，△X為磁感應天線距磁釘?shù)木嚯x。

圖1 磁尋跡定位技術原理Fig.1 Magnetic tracking and positioning technologyprinciple

2 磁尋跡定位流程

煤礦自動駕駛車輛磁尋跡定位流程如圖2所示。操作人員通過上位機軟件或車輛啟動按鈕啟動車輛，車輛啟動后供電系統(tǒng)給磁感應天線上電進行程序初始化，當初始化完成且自動駕駛系統(tǒng)完成自檢，車輛開始運行自動駕駛程序，當安裝有磁感應天線的自動駕駛車輛經過預先布置在行駛路線的磁釘時，磁感應天線根據磁感應脈沖信號獲取磁釘所在位置信息及編碼數(shù)據，通過磁尋跡定位技術相關算法計算車輛當前行駛位置，判斷數(shù)據是否異常，若數(shù)據異常重新進行數(shù)據獲取和判斷，否則將定位信息推送給車輛控制系統(tǒng)。車輛控制系統(tǒng)根據定位信息控制車輛繼續(xù)進行自動駕駛，如系統(tǒng)判斷當前位置未到達車輛行駛終點，控制車輛繼續(xù)進行自動駕駛過程，否則自動停車，完成本次自動駕駛。

圖2 磁尋跡定位流程Fig.2 Magnetic tracking and positioning process

3 磁尋跡定位試驗

磁尋跡定位技術在實際應用時，磁釘需在磁感應天線的檢測范圍內才能被檢測到。在車輛以正常速度行駛情況下，對磁釘能否在磁感應天線有效范圍內及時產生感應脈沖信號，磁感應天線能否有效捕捉到該感應脈沖信號等方面進行研究。在響應時間為50 ms的情況下，對磁釘響應速度進行了試驗研究。當磁感應天線經過編號為2080的磁釘時，在主感應區(qū)間電導率達700 μS/cm，說明只要在磁感應天線范圍內布置磁感應強度大小合適的磁釘，磁感應天線可有效捕捉磁釘脈沖信號，電導率越高磁感應天線就越容易捕獲磁釘?shù)拿}沖信號，磁感應天線獲取磁釘脈沖信號的響應速度也就越快。

在單個磁釘滿足磁感應天線檢測響應時間（50 ms）的前提下，在車輛行駛線路上布置編號為1632，2049 2顆磁感應強度大小不同的磁釘，且在安裝在車輛上的磁感應天線距地面約30 cm的狀況下進行井下車輛行駛速度為40 km/h的模擬試驗。當磁感應天線經過編號為1632的磁釘時，1632號磁釘能產生350 μS/cm電導率信號，當磁感應天線經過編號為2049的磁釘時，2049號磁釘能產生650 μS/cm電導率信號，磁感應天線均能有效捕捉獲取磁釘脈沖信號，說明磁感應強度大小不同的磁釘會產生不同的電導率，磁釘磁感應強度過小產生的電導率低、產生的脈沖信號弱，磁感應天線捕獲脈沖信號的難度增大，但磁釘磁感應強度過大會導致磁釘成本增加，磁感應強度過大的磁釘導致現(xiàn)場安裝難度加大，因此通過設計合理的磁感應強度磁釘，得到合理的電導率，以保證磁感應天線有效捕捉脈沖信號，并達到降低成本易于安裝的效果。

4 磁尋跡定位關鍵技術

4.1 磁釘及磁感應天線設計

結合目前礦用車輛行駛速度最高為40 km/h的實際情況，將磁感應天線布置在車輛前方，將磁釘嵌入在巷道地面以下，這樣既能滿足磁感應強度和磁釘防護的需求，又不影響車輛正常行駛。

研究并開發(fā)了適用于煤礦自動駕駛帶編號的無源感應磁釘，其外觀為黑色圓柱形，高度為50 mm，直徑為10 mm，具備防塵防水功能。無源感應磁釘安裝于巷道地面以下，磁釘上端部距地面5 mm，在無源感應磁釘與磁感應天線無障礙物遮擋情況下信號發(fā)射范圍為300～500 mm。

研究并開發(fā)了煤礦自動駕駛用磁感應天線，其外形尺寸為 600 mm×250 mm×120 mm（長×寬×高），有效讀取范圍為 500 mm×175 mm，IP 等級為 65，磁感應天線經過無源感應磁釘?shù)乃俣葹? m/s，定位精度為±5 mm，整體重量為 10 kg。磁尋跡定位精度受磁感應天線磁場生成周期影響，即磁場發(fā)生的頻率越高，定位周期越短，獲得定位精度也就越高。在磁感應天線和無源感應磁釘數(shù)據通信響應時間固定的情況下，定位精度主要受車輛行駛速度影響，車輛行駛速度越快，磁感應天線和無源感應磁釘?shù)南鄬σ苿铀俣染驮娇欤@得定位精度就越低。

當磁感應天線直接安裝在金屬上，易受強電磁干擾的影響，因此在使用過程中應在磁感應天線周圍300 mm內，特別是在外殼周圍沒有強電磁干擾。為避免與煤礦現(xiàn)有系統(tǒng)頻段產生接收信號沖突，磁感應天線選用64±4 kHz的頻段，以避免其他信號的干擾。通過加大磁感應天線體積的方式提高磁感應天線檢測可靠性。磁感應天線在自動駕駛車輛正前方通過支架連接布置，磁感應天線通過連接車輛電源進行供電，通過CAN總線與自動駕駛系統(tǒng)進行通信。經測試，當2根磁感應天線之間的距離為100 mm時，總電壓波動降低達±5%～?15%，2根磁感應天線之間的距離小于200 mm時，總電壓最高波動降低6%，將會影響測量結果。根據車輛結構、硬件要求、車輛定位系統(tǒng)需求及現(xiàn)場條件，確定磁感應天線具體安裝位置：2根磁感應天線之間距離應大于200 mm，但磁感應天線距地面應不大于20 cm。將磁感應天線安裝于車輛前部，既保證了磁感應天線與無源感應磁釘?shù)木嚯x和無障礙物遮擋的要求，又解決了車輛抖動易造成精度波動大的問題，提高了磁尋跡定位的穩(wěn)定性。

4.2 磁尋跡定位算法

通過磁感應的方式獲取車輛位置信息，采用批通知樹（Batch Informed Tree，BIT*）算法對定位路線和軌跡進行計算，并根據車輛定位信息選擇自動駕駛路徑，磁尋跡路徑搜索過程如圖3所示。首先，在可通行空間內進行磁釘原有布置位置采樣，采樣點包括起點和目標點。其次，根據X_samples?X_free函數(shù)計算方法從起點 x_start 開始建立空間樹結構，該空間樹將從起點 x_start 開始不斷向終點 x_goal 進行搜索，直到搜索到目標點或該樹再無法拓展為止，即確定了最終路線。再次，根據起點 x_start 和終點x_goal 的相對關系縮小搜索域，剔除不在新搜索域內的磁感應點，在縮小后的搜索域內重新尋跡采樣磁釘，更新空間樹節(jié)點的父子關系，根據迭代的結果縮小搜索域，在計算過程中不斷重復上述迭代和計算過程，直至路徑收斂至最優(yōu)，停止迭代計算，至此完成尋跡路徑的搜索過程。最后，對搜索結果進行平滑處理即得到最終結果，車輛按照計算結果，根據最優(yōu)路徑按軌跡行駛。

圖3 磁尋跡路徑搜索過程Fig.3 Magnetic tracking path search process

5 現(xiàn)場應用

5.1 磁釘布置方案

結合陜煤集團神木張家峁煤礦的巷道實際情況進行方案設計，無源感應磁釘具體布置如圖4所示。常規(guī)路段采用單排等間距布置無源感應磁釘。輔助運輸車輛從地面進入井口時，GPS定位信號消失，因此，在距井口20 m左右重點布置無源感應磁釘。由于在巷道轉彎處自動駕駛對測量精度要求提高，在巷道彎道前后6 m處重點布置無源感應磁釘。在車輛行駛路線的終點前后30 m處重點部置無源感應磁釘。在井口、彎道和車輛行駛路線的終點重點布置場景處，采用5排4磁釘和2排5磁釘相結合的方案布置無源感應磁釘。4磁釘布置方式具體分2排，每排與巷道中心線交錯排布，一個磁釘距巷道中心線24 cm，另一個磁釘距巷道中心線72 cm，2排間距為52 cm。5磁釘布置方式具體為2排，第1排3磁釘，第2排2磁釘，且與巷道中心線對稱，距離分別為 96，48 cm，前后兩排間距為 52 cm，既滿足自動駕駛響應速度、定位精度、低延時的需求，又滿足不妨礙礦上生產且經濟性最優(yōu)的效果。

圖4 磁釘具體布置Fig.4 Specific arrangement of magnetic nails

5.2 應用效果

在張家峁煤礦進行了工業(yè)性試驗，在實施過程中，磁感應天線安裝在燃油料車車頭部位，無源感應磁釘與磁感應天線之間無障礙物或金屬干擾，磁感應天線在自動駕駛車輛上抖動不明顯，保證磁感應天線的穩(wěn)定性。

在自動駕駛車輛行駛的巷道中心線預先布置帶有編號的無源感應磁釘，然后將無源感應磁釘相對于巷道中心線的坐標轉換為自動駕駛統(tǒng)一坐標。自動駕駛車輛按照正常程序啟動，給磁感應天線等裝置上電，自動駕駛車輛開始正常行駛，當自動駕駛車輛進入巷道時，車輛定位系統(tǒng)由GPS定位自動切換至磁尋跡定位，此時自動駕駛車輛經過無源感應磁釘并接收脈沖信號，車輛控制系統(tǒng)根據BIT*算法計算出車輛所在巷道的相對位置，達到定位尋跡的目的。如磁感應天線的數(shù)據異常，則會再次重新獲取數(shù)據，直至數(shù)據正常。若自動駕駛車輛行駛路線有所偏差，自動駕駛車輛控制系統(tǒng)將對車輛方向、速度進行調整，更正車輛行駛路徑。通過磁尋跡定位技術實現(xiàn)了自動駕駛車輛毫米級高精度、毫秒級低延時、有效的尋跡定位，使自動駕駛車輛按照最優(yōu)路徑準確行駛至終點。

6 結論

（1） 設計了符合煤礦環(huán)境的無源感應磁釘和磁感應天線，在行駛的巷道中布置數(shù)個帶有編號的無源感應磁釘，在具備輔助運輸自動駕駛車輛車頭下部安裝磁感應天線，通過CAN總線通信方式與自動駕駛車輛通信，磁感應天線通過獲取無源感應磁釘脈沖信號，經過數(shù)據處理和算法計算出車輛和無源感應磁釘?shù)南鄬ξ恢茫瑥亩玫杰囕v目前行駛的實時位置，通過BIT*算法實現(xiàn)尋跡路線的規(guī)劃計算，并將計算結果發(fā)送至車輛控制系統(tǒng)，實現(xiàn)礦用車輛自動駕駛的尋跡定位。

（2） 礦用自動駕駛車輛行駛過程是個復雜的運行場景，自動駕駛需對固定障礙物、其他移動物、岔路等綜合分析考慮，需通過激光雷達、毫米雷達波、紅外測距等多種方式實現(xiàn)自動駕駛，不能單純依靠磁尋跡定位一種方式，通過多傳感器融合判斷實現(xiàn)對隨機障礙物等的判斷分析，通過車輛控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動避障或停車避讓。后續(xù)在磁感應天線感應范圍、結構體積優(yōu)化等方面需進一步提升優(yōu)化，為煤礦輔助運輸車輛自動駕駛提供一種定位技術保障。