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矿井无人驾驶无轨胶轮车升级改造

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

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