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无人驾驶矿卡线扫描传感器布设高度优化
2019-12-30
为推进国内智慧矿山建设,解决露天矿无人驾驶环境感知这一关键技术中传感器布设相关参数较少 的问题,利用满足视距要求的竖曲线计算公式,结合露天矿道路设计规范,研究了露天矿无人驾驶矿用自卸卡车行 驶至 3 种等级下的露天矿道路凸形竖曲线遇到障碍物时能安全停车制动的视线高度,即露天矿无人驾驶矿用自卸 车传感器的最低布设高度。此外还分析了可视范围内道路端固定装置的合理高度范围。研究表明:我国大型露天 矿常用矿卡的最低布设高度范围为 2.2~3.3 m;不同等级露天矿道路的凸形竖曲线上固定装置的最佳布设高度为 0.8~1.67 m。研究结果可为采用间断工艺生产的露天矿安全运输提供设计参数支持。
Series No. 522 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 522 期 2019 年第 12 期 December 2019 无人驾驶矿卡线扫描传感器布设高度优化 李 鑫1 余心芷1 邱倩茹1 效汝桢1 陈 曦21 ( 1. 中国矿业大学矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2. 徐州市质量技术监督综合检验检测中心,江苏 徐州 221116) 摘 要 为推进国内智慧矿山建设,解决露天矿无人驾驶环境感知这一关键技术中传感器布设相关参数较少 的问题,利用满足视距要求的竖曲线计算公式,结合露天矿道路设计规范,研究了露天矿无人驾驶矿用自卸卡车行 驶至 3 种等级下的露天矿道路凸形竖曲线遇到障碍物时能安全停车制动的视线高度,即露天矿无人驾驶矿用自卸 车传感器的最低布设高度。此外还分析了可视范围内道路端固定装置的合理高度范围。研究表明:我国大型露天 矿常用矿卡的最低布设高度范围为 2.2~3.3 m;不同等级露天矿道路的凸形竖曲线上固定装置的最佳布设高度为 0 .8~1.67 m。研究结果可为采用间断工艺生产的露天矿安全运输提供设计参数支持。 关键词 智慧矿山 无人驾驶 露天矿道路 竖曲线 停车视距 矿用自卸车 中图分类号 TD67,440.75 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-12-163-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201912028 Height Layout Optimization of Line Scan Sensors Installed on Unmanned Mining Dump Truck 1 1 1 1 22 Li Xin Yu Xinzhi Qiu Qianru Xiao Ruzhen Chen Xi ( 1. School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2 . Xuzhou Quality Technical Supervision Comprehensive Inspection and Testing Center,Xuzhou 221116,China) Abstract In order to promote the construction of intelligent mines in China,and solve the problem of fewer parameters related to sensor placement in the key technology of unmanned driving environment perception in open pit mine,by using of the calculation formula of vertical curve that satisfies the requirement of sight distance and combining with the design criterion of open pit road,the convex vertical curve of open pit road driven by unmanned dump truck in open pit mine is studied.Once encountering obstacles,it can safely stop and brake,that is,the lowest layout height of sensor for unmanned dump truck in open pit mine. In addition,the reasonable height range of fixed devices at road end in visual range is also studied.The results show that the lowest layout height of mine trucks commonly used in large open pit mines in China ranges from 2.2 m to 3.3 m, and the optimal layout height of fixed devices on convex vertical curves of road with different grades in open pit mine is from 0 .8 m to 1.67 m. The above stduy results provides design parameters support for the safety of open pit transportation with dis‐ continuous process. Keywords Intelligent mines,Unmanned driving,Open-pit mine road,Vertical curve,Stopping sight distance,Mining dump trucks 矿区运输作为交通运输中一种特殊的运输方 [1-4] 废石运输都是依靠矿用自卸车沿运输道路行驶完成 [5-6] 式,目前无人驾驶技术尚未大规模应用 。将无人 驾驶技术运用到露天矿运输环节,有助于提高运输 效率,减少运输安全事故发生。对汽车周围环境信 息实时获取感知以及对汽车进行导航定位是实现无 人驾驶的关键环节。通过对驾驶环境进行感知,可 获取相应的驾驶环境信息,包括道路状况、车辆信 息、天气状况等。在露天矿整个矿区范围内,矿石和 的 ,露天矿山道路受到矿山规模、物料品种、运量、 服务年限、地形条件、矿体赋存形态、开采深度、运输 [7-9] 距离、运输车辆类型等因素制约 。因此,矿区道路 的路面结构、路面类型不同于公路,其道路平面要素 与公路有着较大区别。矿用自卸车在车辆高度、结 构上与传统汽车区别也较明显。在传感器布设时, 需要重点考虑上述差别,以实现对驾驶环境信息的 收稿日期 作者简介 李 鑫(1981—),男,副教授,博士,硕士研究生导师。 · 163 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12期 有效感知和识别。 国际上矿山运输无人驾驶技术的研究与产品开 发开始于 20 世纪 70 年代,相关产品已经得到实际应 [10-12] 用的公司主要有小松、沃尔沃、卡特彼勒等 。国 内对无人驾驶技术的研究多集中在地下金属矿井辅 助运输领域,如无人铲运机,仅有少部分学者对露天 [11] 矿无人驾驶进行了研究。张涛等 总结了一系列矿 1 . 3 露天矿道路竖曲线几何要素计算 根据坡度的不同变化形式,竖曲线可分为凸形 山运输无人驾驶所涉及的关键技术,分析了我国矿 [13] 山运输现状对无人驾驶技术的需求;李东林等 提 竖曲线和凹形竖曲线。车辆在两相邻曲线段由下坡 转为上坡时,在变坡点设置的竖曲线为凹形竖曲线; 由上坡转向下坡时,在变坡点设置的竖曲线为凸形 出了矿山运输无人驾驶系统的作业组织模型以及外 部接口,梳理了系统设计需重点考虑的问题。总体 上,国内学者对露天矿无人驾驶技术的研究集中于 模型和架构设计、露天矿无人驾驶关键技术讨论等 方面,对于实现无人驾驶各个环节的关键参数设计 研究还需进一步深入。 [10] 竖曲线 。当矿用自卸车行驶在竖曲线上,若竖曲 线为凸形,半径过小会阻挡驾驶员视线,线形较差; 若为凹形竖曲线,同样存在视距问题。为保证行车 安全,需要对竖曲线半径或长度进行限制。 以凸形竖曲线为例,当司机驾驶矿用自卸车行 驶至该曲线时,前方有一高为 h的障碍物。令停车视 距为 S,凸形竖曲线长度为 L,竖曲线右侧坡度为 i1, 左侧坡度为i2,司机视线高为 H,如图2所示。 本研究针对露天矿无人驾驶中环境感知这一关 键技术,结合露天矿道路设计规范和凸形竖曲线计 算公式,推导露天矿无人驾驶自卸车行驶至凸形竖 曲线时障碍物高度与视线高度的关系,分析露天矿 道路可能的障碍物高度,并利用Maltab软件进行数值 计算,求解不同道路等级下无人驾驶矿用自卸车传 感器的最低安装高度。 1 露天矿道路设计参数 1 . 1 露天矿道路类型 露天矿道路线路可根据行车密度、行车速度、道 路质量、道路位置、道路用途等因素划分具体等 [7-10] 级 ,结果如下表1。 竖曲线长度计算公式为 式中,R 为竖曲线半径,Lm=;Rωω为,两相邻纵坡的坡度 差,%。当 ω 为正值时,表示凹形竖曲线;ω 为负值 时,则表示凸形竖曲线。 (1) 竖曲线的设计需考虑众多因素,竖曲线最小半 径和长度的影响因素有:①缓和冲击;②行驶时间不 [14] 可过短;③保证充足的视距 。 1 . 2 露天矿道路停车视距 露天矿停车视距 S 由反应距离 S1 和制动距离 S2 在设计道路时,司机的前视距离应大于或等于 制动所需的距离。本研究对满足视距要求下的凸形 [11-13] 组成(图 1),露天矿各级道路的最小停车视距 见 竖曲线的最小半径或长度进行计算分析。 表2。 [15] 竖曲线长度计算公式为 : S2 ω ì ï ï S < L S > L 2 ï2( H + h ) 2( H + h ) ï L = í . (2) 2 ï ï ï ï2S - î ω 当露天矿道路纵坡变更处的相邻两个坡度差大 · 164 · 李 鑫等:无人驾驶矿卡线扫描传感器布设高度优化 2019年第12期 [9] [13] 于 2% 时,应设置竖曲线 。竖曲线要素 可按表 3 选择。 物所对应的视线高度进行讨论,分析不同障碍物高 度所对应的视距。假定土堆高度为 0.4 m,外来小汽 车高度为 1.3~1.5 m,本研究取 1.4 m;露天矿工作人 员身高取成年男性平均身高 1.72 m;矿用自卸卡车 以 930E-4 型电动轮式矿用自卸卡车为例,车高取 7 .37 m。 2 . 2. 2. 1 S < L情况 当 S < L 时,分别将露天矿各等级道路的停车视 距 S 和凸形竖曲线的最小半径 R 作为常数,通过 Mat‐ lab 软件求解出视线高度 H(即传感器布设高度),模 拟出传感器布设高度与障碍物高度的关系曲线,如 图3所示。 2 障碍物检测技术及传感器高度参数优化 2 . 1 障碍物检测技术分类及选择 无人驾驶矿用自卸车在道路上能稳定可靠行驶 [16] 的关键技术是障碍物识别与检测 。无人驾驶车辆 对障碍物的识别和检测依靠激光雷达、摄像头等传 感器,其准确性和可靠性对无人车辆的安全性起着 至关重要的作用。目前,无人智能车主要采用视觉 系统、雷达、超声波、多传感器融合技术对障碍物进 [17-18] 行检测 。在国内外无人驾驶汽车的研究中最常 见的障碍检测传感器有惯性导航、激光雷达、毫米波 [14,19] 雷达、红外和车载相机等 。 由于矿区道路环境简单,无人驾驶的感知系统 不必检测道路标志标线及信号灯等道路特征,对传 感器功能要求较为简单。本研究仅考虑检测障碍物 由图 3 可知:各级道路对应的曲线均有一个零 点,该零点的值在 h = S2 2R 处取得。从等级Ⅰ至等 级Ⅲ,该点取值分别为 1.67、0.9 和 0.8。大于该值时, 障碍物越高,能被看见所需要的视线高度越高;小于 该值时,障碍物越高,能被看见所需要的视线高度越 低。该值的物理意义为:如果有一障碍物的高度恰 好为零点值,无论视线多低,该障碍物均可见。 将露天矿道路典型障碍物高度代入式(3),计算 出该高度下对应的最小视线高度如表 4所示。 [20] 距离下的线扫描传感器 ,如二维激光雷达、红外测 距传感器和超声波传感器。该类传感器的原理是发 射单线光或波,通过测量其发射接收时间差得到距 离信息,具有测量距离远、响应速度快、误差小且分 辨率高等优点。 2 2 . 2 传感器高度参数优化 . 2. 1 公式推导 结合式(1)、式(2),本研究推导的驾驶员视线高 度(传感器高度)H 与障碍物高度 h、竖曲线最小半径 R、最小停车视距 S的函数关系为 因此,要保证传感器安装的最小高度能看见露 天矿道路的所有障碍物,各级道路的最小布设高度 应该取障碍物对应的最小视线高度的最大值(表5)。 2 ì ï S2 ï 2R - h S < L. S > L ï ( ) ï 2 . 2. 2. 2 S > L情况 H = íï (3) 2 Rω2 当 S > L 时,根据式(3)可知,将露天矿各等级道 ï Sω - - h ï ( ) 路的停车视距 S、凸形竖曲线的最小半径 R 作为常 数,通过 Matlab 软件求解出视线高度 H(即传感器布 设高度),得到传感器布设高度与障碍物识别高度的 关系曲线如图 4所示,各典型障碍物对应的视线高度 取值见表6。 2 î [12] 根据《厂矿道路设计规范》(GB J22-87) 及式 ( 1),本研究推导的 I、II、III级露天矿道路的设计纵坡 差值分别为4.7%、5%、8%。 2 . 2. 2 数值计算 分析图 4可知:各级道路对应的曲线均有一个零 点,该零点的值在 h = Sω - Rω2 2 处取得。从等级 露天矿区道路可能出现的各种障碍物,除了矿 用自卸车外,还有露天矿工作人员、外来小汽车、土 堆等。本研究分别对矿区道路可能出现的典型障碍 Ⅰ 至等级Ⅲ,该点取值分别为 1.52、0.875 和 0.8。大 · 165 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12期 要的装置时,根据零点分析,I、II、III 级公路上该装置 的最佳布设高度分别为 1.67、0.88、0.80 m。 3 结 语 利用竖曲线计算公式,推导出了停车视距与竖 曲线长度的不同关系下,视线高度范围与能够识别 的障碍物高度范围的计算公式。结合矿区障碍物高 度、露天矿道路要素设计规范及视距要求,得出了在 Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ级露天矿道路上行驶的矿用自卸车传感器 布设的最小高度及在竖曲线上布设装置的最佳高 度。研究表明:露天矿用无人驾驶自卸车线扫描传 感器的布设高度应不小于 3.314 m;恰好布置在竖曲 线上且不影响视线的物体高度为 0.8~1.67 m。 于该值时,障碍物越高,能被看见所需要的视线高度 越高;小于该值时,障碍物越高,能被看见所需要的 视线高度越低。该值的物理意义为:如果有一障碍 物的高度恰好为零点值,无论视线多低,该障碍物均 可见。 参 考 文 献 [ 1] 孙继平 . 煤矿信息化与自动化发展趋势[J]. 工矿自动化,2015, 4 1(4):1-5. 能看同见理露,天要矿保道证路在上S 的> L所时有,传障感碍器物安,各装级的道最路小的高度传 感器最小布设高度应该取障碍物对应的最小视线高 度的最大值(表7)。 Sun Jiping.Development trend of coal mine informatization and au‐ tomation[J].Industry and Mine Automation,2015,41(4):1-5. 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