圖 1 磁尋跡定位技術(shù)原理
Figure 1. Magnetic tracking and positioning technologyprinciple
0. 引言
煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦日常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的重要組成部分，除煤炭運(yùn)輸外，人員、材料、設(shè)備、物資等都通過(guò)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)送。輔助運(yùn)輸分為有軌電車、無(wú)軌膠輪車輔助運(yùn)輸，無(wú)軌膠輪車輔助運(yùn)輸具有機(jī)動(dòng)、靈活、效率高等優(yōu)勢(shì)，陜北地區(qū)尤為適用。隨著輔助運(yùn)輸車輛的增多和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)井下輔助運(yùn)輸自動(dòng)駕駛車輛的需求也逐漸增多[1-5]。車輛自動(dòng)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(gè)部分[6-9]，其中車輛定位系統(tǒng)是車輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，由車輛定位系統(tǒng)獲取車輛實(shí)時(shí)位置，以控制車輛按照合理路線行駛。煤礦輔助運(yùn)輸車輛大多采用無(wú)線定位方式，普遍動(dòng)態(tài)定位精度為3 m以上，不能滿足煤礦自動(dòng)駕駛定位精度的需求，且實(shí)時(shí)車輛定位數(shù)據(jù)發(fā)送到地面上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行判斷分析后通過(guò)礦井網(wǎng)絡(luò)再下發(fā)至輔助運(yùn)輸車輛，該過(guò)程耗時(shí)約400 ms以上，不能滿足自動(dòng)駕駛車輛對(duì)定位信息實(shí)時(shí)獲取的需求[10-11]。因此，實(shí)現(xiàn)煤礦車輛精準(zhǔn)定位對(duì)井下輔助運(yùn)輸自動(dòng)駕駛具有重要意義。通過(guò)查閱大量參考文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前對(duì)車輛定位的相關(guān)研究主要集中在地面和露天等場(chǎng)景[12-13] ，并以GPS定位為主。但煤礦井下巷道沒有GPS定位信號(hào)，且煤礦井下巷道環(huán)境條件比地面場(chǎng)景更復(fù)雜、惡劣。
針對(duì)上述問題，本文提出了一種煤礦自動(dòng)駕駛磁尋跡定位技術(shù)。通過(guò)在井下巷道布置具有ID編號(hào)的無(wú)源感應(yīng)磁釘，在輔助運(yùn)輸車輛上安裝磁感應(yīng)天線，當(dāng)裝有磁感應(yīng)天線的車輛經(jīng)過(guò)巷道中預(yù)先布置的無(wú)源感應(yīng)磁釘時(shí)，磁感應(yīng)天線的磁場(chǎng)將產(chǎn)生脈沖信號(hào)，實(shí)時(shí)獲取該脈沖信號(hào)在磁感應(yīng)天線磁場(chǎng)范圍內(nèi)的具體位置，計(jì)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(dá)到定位尋跡的目的。
1. 磁尋跡定位技術(shù)原理
通過(guò)在煤礦巷道適當(dāng)位置布置磁釘，在車輛合適位置安裝磁感應(yīng)天線裝置，磁感應(yīng)天線下方區(qū)域持續(xù)發(fā)送具有傳輸頻率的能量場(chǎng)，當(dāng)磁感應(yīng)天線經(jīng)過(guò)磁釘時(shí)，磁釘受磁感應(yīng)天線磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)將對(duì)天線持續(xù)輸出的能量場(chǎng)，產(chǎn)生脈沖式能量變化，磁感應(yīng)天線實(shí)時(shí)感知能量場(chǎng)脈沖式能量變化，根據(jù)該變化來(lái)判斷磁釘所在能量場(chǎng)范圍內(nèi)的具體位置，磁感應(yīng)天線產(chǎn)生能量場(chǎng)的范圍是已知的，通過(guò)磁釘和磁感應(yīng)天線中心點(diǎn)的相對(duì)位置可判斷出磁感應(yīng)天線中心點(diǎn)所處的巷道位置，磁釘所在巷道的位置已提前布置。磁感應(yīng)天線將定位信息通過(guò)CAN總線通信接口轉(zhuǎn)發(fā)給車輛控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)磁感應(yīng)天線中心點(diǎn)與磁釘?shù)南鄬?duì)位置，計(jì)算出車輛所在巷道位置和行駛路線中心點(diǎn)的偏差位置，從而達(dá)到定位尋跡的目的。磁尋跡定位技術(shù)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(yīng)天線距磁釘?shù)木嚯x。
2. 磁尋跡定位流程
煤礦自動(dòng)駕駛車輛磁尋跡定位流程如圖2所示。操作人員通過(guò)上位機(jī)軟件或車輛啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)車輛，車輛啟動(dòng)后供電系統(tǒng)給磁感應(yīng)天線上電進(jìn)行程序初始化，當(dāng)初始化完成且自動(dòng)駕駛系統(tǒng)完成自檢，車輛開始運(yùn)行自動(dòng)駕駛程序，當(dāng)安裝有磁感應(yīng)天線的自動(dòng)駕駛車輛經(jīng)過(guò)預(yù)先布置在行駛路線的磁釘時(shí)，磁感應(yīng)天線根據(jù)磁感應(yīng)脈沖信號(hào)獲取磁釘所在位置信息及編碼數(shù)據(jù)，通過(guò)磁尋跡定位技術(shù)相關(guān)算法計(jì)算車輛當(dāng)前行駛位置，判斷數(shù)據(jù)是否異常，若數(shù)據(jù)異常重新進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jù)定位信息控制車輛繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)駕駛，如系統(tǒng)判斷當(dāng)前位置未到達(dá)車輛行駛終點(diǎn)，控制車輛繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)駕駛過(guò)程，否則自動(dòng)停車，完成本次自動(dòng)駕駛。
圖 2 磁尋跡定位流程
Figure 2. Magnetic tracking and positioning process
3. 磁尋跡定位試驗(yàn)
磁尋跡定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，磁釘需在磁感應(yīng)天線的檢測(cè)范圍內(nèi)才能被檢測(cè)到。在車輛以正常速度行駛情況下，對(duì)磁釘能否在磁感應(yīng)天線有效范圍內(nèi)及時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)脈沖信號(hào)，磁感應(yīng)天線能否有效捕捉到該感應(yīng)脈沖信號(hào)等方面進(jìn)行研究。在響應(yīng)時(shí)間為50 ms的情況下，對(duì)磁釘響應(yīng)速度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。當(dāng)磁感應(yīng)天線經(jīng)過(guò)編號(hào)為2080的磁釘時(shí)，在主感應(yīng)區(qū)間電導(dǎo)率達(dá)700 μS/cm，說(shuō)明只要在磁感應(yīng)天線范圍內(nèi)布置磁感應(yīng)強(qiáng)度大小合適的磁釘，磁感應(yīng)天線可有效捕捉磁釘脈沖信號(hào)，電導(dǎo)率越高磁感應(yīng)天線就越容易捕獲磁釘?shù)拿}沖信號(hào)，磁感應(yīng)天線獲取磁釘脈沖信號(hào)的響應(yīng)速度也就越快。
在單個(gè)磁釘滿足磁感應(yīng)天線檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間（50 ms）的前提下，在車輛行駛線路上布置編號(hào)為1632，2049 2顆磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不同的磁釘，且在安裝在車輛上的磁感應(yīng)天線距地面約30 cm的狀況下進(jìn)行井下車輛行駛速度為40 km/h的模擬試驗(yàn)。當(dāng)磁感應(yīng)天線經(jīng)過(guò)編號(hào)為1632的磁釘時(shí)，1632號(hào)磁釘能產(chǎn)生350 μS/cm電導(dǎo)率信號(hào)，當(dāng)磁感應(yīng)天線經(jīng)過(guò)編號(hào)為2049的磁釘時(shí)，2049號(hào)磁釘能產(chǎn)生650 μS/cm電導(dǎo)率信號(hào)，磁感應(yīng)天線均能有效捕捉獲取磁釘脈沖信號(hào)，說(shuō)明磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不同的磁釘會(huì)產(chǎn)生不同的電導(dǎo)率，磁釘磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)小產(chǎn)生的電導(dǎo)率低、產(chǎn)生的脈沖信號(hào)弱，磁感應(yīng)天線捕獲脈沖信號(hào)的難度增大，但磁釘磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致磁釘成本增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)大的磁釘導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)安裝難度加大，因此通過(guò)設(shè)計(jì)合理的磁感應(yīng)強(qiáng)度磁釘，得到合理的電導(dǎo)率，以保證磁感應(yīng)天線有效捕捉脈沖信號(hào)，并達(dá)到降低成本易于安裝的效果。
4. 磁尋跡定位關(guān)鍵技術(shù)
4.1 磁釘及磁感應(yīng)天線設(shè)計(jì)
結(jié)合目前礦用車輛行駛速度最高為40 km/h的實(shí)際情況，將磁感應(yīng)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(yīng)強(qiáng)度和磁釘防護(hù)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(dòng)駕駛帶編號(hào)的無(wú)源感應(yīng)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(wú)源感應(yīng)磁釘安裝于巷道地面以下，磁釘上端部距地面5 mm，在無(wú)源感應(yīng)磁釘與磁感應(yīng)天線無(wú)障礙物遮擋情況下信號(hào)發(fā)射范圍為300~500 mm。
研究并開發(fā)了煤礦自動(dòng)駕駛用磁感應(yīng)天線，其外形尺寸為600 mm×250 mm×120 mm（長(zhǎng)×寬×高），有效讀取范圍為500 mm×175 mm，IP等級(jí)為65，磁感應(yīng)天線經(jīng)過(guò)無(wú)源感應(yīng)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(yīng)天線磁場(chǎng)生成周期影響，即磁場(chǎng)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(yīng)天線和無(wú)源感應(yīng)磁釘數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時(shí)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(yīng)天線和無(wú)源感應(yīng)磁釘?shù)南鄬?duì)移動(dòng)速度就越快，獲得定位精度就越低。
當(dāng)磁感應(yīng)天線直接安裝在金屬上，易受強(qiáng)電磁干擾的影響，因此在使用過(guò)程中應(yīng)在磁感應(yīng)天線周圍300 mm內(nèi)，特別是在外殼周圍沒有強(qiáng)電磁干擾。為避免與煤礦現(xiàn)有系統(tǒng)頻段產(chǎn)生接收信號(hào)沖突，磁感應(yīng)天線選用64±4 kHz的頻段，以避免其他信號(hào)的干擾。通過(guò)加大磁感應(yīng)天線體積的方式提高磁感應(yīng)天線檢測(cè)可靠性。磁感應(yīng)天線在自動(dòng)駕駛車輛正前方通過(guò)支架連接布置，磁感應(yīng)天線通過(guò)連接車輛電源進(jìn)行供電，通過(guò)CAN總線與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行通信。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)2根磁感應(yīng)天線之間的距離為100 mm時(shí)，總電壓波動(dòng)降低達(dá)±5%~?15%，2根磁感應(yīng)天線之間的距離小于200 mm時(shí)，總電壓最高波動(dòng)降低6%，將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)、硬件要求、車輛定位系統(tǒng)需求及現(xiàn)場(chǎng)條件，確定磁感應(yīng)天線具體安裝位置：2根磁感應(yīng)天線之間距離應(yīng)大于200 mm，但磁感應(yīng)天線距地面應(yīng)不大于20 cm。將磁感應(yīng)天線安裝于車輛前部，既保證了磁感應(yīng)天線與無(wú)源感應(yīng)磁釘?shù)木嚯x和無(wú)障礙物遮擋的要求，又解決了車輛抖動(dòng)易造成精度波動(dòng)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(guò)磁感應(yīng)的方式獲取車輛位置信息，采用批通知樹（Batch Informed Tree，BIT*）算法對(duì)定位路線和軌跡進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)車輛定位信息選擇自動(dòng)駕駛路徑，磁尋跡路徑搜索過(guò)程如圖3所示。首先，在可通行空間內(nèi)進(jìn)行磁釘原有布置位置采樣，采樣點(diǎn)包括起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。其次，根據(jù)X_samples?X_free函數(shù)計(jì)算方法從起點(diǎn) x_start 開始建立空間樹結(jié)構(gòu)，該空間樹將從起點(diǎn) x_start 開始不斷向終點(diǎn) x_goal 進(jìn)行搜索，直到搜索到目標(biāo)點(diǎn)或該樹再無(wú)法拓展為止，即確定了最終路線。再次，根據(jù)起點(diǎn) x_start 和終點(diǎn) x_goal 的相對(duì)關(guān)系縮小搜索域，剔除不在新搜索域內(nèi)的磁感應(yīng)點(diǎn)，在縮小后的搜索域內(nèi)重新尋跡采樣磁釘，更新空間樹節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系，根據(jù)迭代的結(jié)果縮小搜索域，在計(jì)算過(guò)程中不斷重復(fù)上述迭代和計(jì)算過(guò)程，直至路徑收斂至最優(yōu)，停止迭代計(jì)算，至此完成尋跡路徑的搜索過(guò)程。最后，對(duì)搜索結(jié)果進(jìn)行平滑處理即得到最終結(jié)果，車輛按照計(jì)算結(jié)果，根據(jù)最優(yōu)路徑按軌跡行駛。
圖 3 磁尋跡路徑搜索過(guò)程
Figure 3. Magnetic tracking path search process
5. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
5.1 磁釘布置方案
結(jié)合陜煤集團(tuán)神木張家峁煤礦的巷道實(shí)際情況進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，無(wú)源感應(yīng)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(wú)源感應(yīng)磁釘。輔助運(yùn)輸車輛從地面進(jìn)入井口時(shí)，GPS定位信號(hào)消失，因此，在距井口20 m左右重點(diǎn)布置無(wú)源感應(yīng)磁釘。由于在巷道轉(zhuǎn)彎處自動(dòng)駕駛對(duì)測(cè)量精度要求提高，在巷道彎道前后6 m處重點(diǎn)布置無(wú)源感應(yīng)磁釘。在車輛行駛路線的終點(diǎn)前后30 m處重點(diǎn)部置無(wú)源感應(yīng)磁釘。在井口、彎道和車輛行駛路線的終點(diǎn)重點(diǎn)布置場(chǎng)景處，采用5排4磁釘和2排5磁釘相結(jié)合的方案布置無(wú)源感應(yīng)磁釘。4磁釘布置方式具體分2排，每排與巷道中心線交錯(cuò)排布，一個(gè)磁釘距巷道中心線24 cm，另一個(gè)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(duì)稱，距離分別為96，48 cm，前后兩排間距為52 cm，既滿足自動(dòng)駕駛響應(yīng)速度、定位精度、低延時(shí)的需求，又滿足不妨礙礦上生產(chǎn)且經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的效果。
圖 4 磁釘具體布置
Figure 4. Specific arrangement of magnetic nails
5.2 應(yīng)用效果
在張家峁煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，在實(shí)施過(guò)程中，磁感應(yīng)天線安裝在燃油料車車頭部位，無(wú)源感應(yīng)磁釘與磁感應(yīng)天線之間無(wú)障礙物或金屬干擾，磁感應(yīng)天線在自動(dòng)駕駛車輛上抖動(dòng)不明顯，保證磁感應(yīng)天線的穩(wěn)定性。
在自動(dòng)駕駛車輛行駛的巷道中心線預(yù)先布置帶有編號(hào)的無(wú)源感應(yīng)磁釘，然后將無(wú)源感應(yīng)磁釘相對(duì)于巷道中心線的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)駕駛統(tǒng)一坐標(biāo)。自動(dòng)駕駛車輛按照正常程序啟動(dòng)，給磁感應(yīng)天線等裝置上電，自動(dòng)駕駛車輛開始正常行駛，當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)入巷道時(shí)，車輛定位系統(tǒng)由GPS定位自動(dòng)切換至磁尋跡定位，此時(shí)自動(dòng)駕駛車輛經(jīng)過(guò)無(wú)源感應(yīng)磁釘并接收脈沖信號(hào)，車輛控制系統(tǒng)根據(jù)BIT*算法計(jì)算出車輛所在巷道的相對(duì)位置，達(dá)到定位尋跡的目的。如磁感應(yīng)天線的數(shù)據(jù)異常，則會(huì)再次重新獲取數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)正常。若自動(dòng)駕駛車輛行駛路線有所偏差，自動(dòng)駕駛車輛控制系統(tǒng)將對(duì)車輛方向、速度進(jìn)行調(diào)整，更正車輛行駛路徑。通過(guò)磁尋跡定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛車輛毫米級(jí)高精度、毫秒級(jí)低延時(shí)、有效的尋跡定位，使自動(dòng)駕駛車輛按照最優(yōu)路徑準(zhǔn)確行駛至終點(diǎn)。
6. 結(jié)論
（1） 設(shè)計(jì)了符合煤礦環(huán)境的無(wú)源感應(yīng)磁釘和磁感應(yīng)天線，在行駛的巷道中布置數(shù)個(gè)帶有編號(hào)的無(wú)源感應(yīng)磁釘，在具備輔助運(yùn)輸自動(dòng)駕駛車輛車頭下部安裝磁感應(yīng)天線，通過(guò)CAN總線通信方式與自動(dòng)駕駛車輛通信，磁感應(yīng)天線通過(guò)獲取無(wú)源感應(yīng)磁釘脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和算法計(jì)算出車輛和無(wú)源感應(yīng)磁釘?shù)南鄬?duì)位置，從而得到車輛目前行駛的實(shí)時(shí)位置，通過(guò)BIT*算法實(shí)現(xiàn)尋跡路線的規(guī)劃計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至車輛控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦用車輛自動(dòng)駕駛的尋跡定位。
（2） 礦用自動(dòng)駕駛車輛行駛過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的運(yùn)行場(chǎng)景，自動(dòng)駕駛需對(duì)固定障礙物、其他移動(dòng)物、岔路等綜合分析考慮，需通過(guò)激光雷達(dá)、毫米雷達(dá)波、紅外測(cè)距等多種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，不能單純依靠磁尋跡定位一種方式，通過(guò)多傳感器融合判斷實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)障礙物等的判斷分析，通過(guò)車輛控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障或停車避讓。后續(xù)在磁感應(yīng)天線感應(yīng)范圍、結(jié)構(gòu)體積優(yōu)化等方面需進(jìn)一步提升優(yōu)化，為煤礦輔助運(yùn)輸車輛自動(dòng)駕駛提供一種定位技術(shù)保障。
來(lái)源：工礦自動(dòng)化
