无人驾驶技术在井下采矿中的应用与前景

发布时间:2024-08-05

无人驾驶技术在井下采矿中的应用与前景

一、引言

随着科技的飞速发展，无人驾驶技术已成为各行各业关注的焦点，特别是在采矿领域，其应用更是展现出巨大的潜力和价值。井下采矿作业由于其环境的复杂性、危险性以及人力资源的有限性，对无人驾驶技术的需求尤为迫切。本文将从无人驾驶技术的定义、井下采矿的特殊环境、无人驾驶系统的构成、遥控驾驶与自主行驶的作业模式以及未来发展趋势等方面，全面梳理无人驾驶技术在井下采矿中的应用与前景。

二、无人驾驶技术概述

什么是无人驾驶技术。我们先看一下子什么是无人驾驶技术。无人驾驶我们现在开车，大家都知道，我们现在很多的无人驾驶技术在汽车领域已经比较成熟了。有一些已经在不同程度的应用，包括国内，包括国外。

无人驾驶是指在司机室内没有驾驶员的情况下，车辆能够按照特定的规划的路径进行行驶和工作，完成的作业循环。并能够在有意外情况出现的情况下，能够进行避障、减速或者停车。由数据的采集，由定位、由导航、由通信和控制等技术以及相关的软件所组成的无人驾驶系统，来取代驾驶室司机的这样的一种技术，就是车辆的无人驾驶技术。

这一技术集成了数据采集、定位、导航、通信和控制等多项关键技术，并通过复杂的软件系统实现车辆的自主控制和决策。在汽车领域，无人驾驶技术已经取得了显著的进展，部分技术甚至已经实现了商业化应用。然而，对于井下采矿这一特殊环境而言，无人驾驶技术的应用仍面临诸多挑战。

三、井下采矿环境的特殊性

井下采矿环境相较于露天矿山具有显著的特殊性。首先，井下缺乏卫星定位信号，GPS系统无法直接应用于井下作业。其次，井下作业环境复杂恶劣，空间狭小且光线暗淡，这对无人驾驶系统的传感器精度、稳定性以及车辆的自主避障能力提出了更高要求。此外，井下作业还伴随着大量的粉尘、水雾等干扰因素，进一步增加了无人驾驶技术实现的难度。所以实现井下车辆的无人驾驶相对来说难度很大。很多的研究单位，包括大学、科研院所都在进行相关的攻关，来解决相关的技术难题。四、无人驾驶系统的构成

无人驾驶的系统构成相对来说也比较复杂，按照功能和控制对象来划分的话，井下车辆的系统一般有八个模块来实现无人驾驶。一个是首先数据的采集模块。这种数据的采集，一个是要采集矿山的环境，一个是要采集不同矿山的路面的行驶的一些环境、条件，都要进行采集。第二个就是我们车辆的所有的这样的，包括我们的发动机的控制模块，包括我们的换挡的控制模块，包括我们自动行驶的控制模块，包括我们工作装置的控制模块。另外像我们的状态的监测和诊断的模块，另外一个车辆的通讯的控制模块。最后就是我们的动态称重计量的模块，由我们这样的八个模块来进行组成。

我们这个无人驾驶的系统。你比如说我们的地下的无人驾驶地下铲运系统包括它的数据的传感器，包括它的整个车辆的控制，包括它自主行驶的控制，包括它工作装置的控制，包括它的一些整个的避障和故障诊断系统。最后是我们这样的整个的一个管控。我们就看到它的这样的一个原理图。

五、遥控驾驶作业模式

遥控驾驶作业是无人驾驶技术在井下采矿中的一个重要应用模式。根据操作距离和方式的不同，遥控驾驶可分为视距遥控、就地视频遥控和远程遥控三种模式：

1. 视距遥控模式：视距的遥控模式就是操作者在视距的范围内，通过遥控的装置对车辆进行遥控操作。这种操作的人员可以在大约100米的范围内，通过无线电装置来实现遥控作业。我们像现在很多的小孩玩的这种遥控车，实际上本身原理是跟这一样的，只不过是我们矿用的这种遥控的距离更远一些。一般的来说，我们在井下无障碍的情况下，100米范围内都实现了这种遥控的行驶。我们的视距的遥控的功能，已经在地下矿山车辆进行了应用。而且大部分的我们的采矿的装备都具有这个遥控的功能。我们就可以矿山进行选择，来实现遥控。视觉遥控应该说现在也是在我们矿山装备里边不比较普遍的一个功能。那么它的优势是什么呢？避免了人员直接进入危险区域，降低了支护的成本，提高作业的安全性。尤其是我们在采矿上边，我们的支护不是很好的情况下，有的时候有一些落石，有一些其他的隐患，都可以大大的减少，更好的回收这样的一些残矿区的矿石。如果说没有遥控，人开着过去，不敢进去，有安全的隐患，同时也不允许进去。所以说我们通过这种视频遥控，可以提高残矿的回收，降低了矿石的损失，对矿石进行吃干榨净。第三个就是简化现场底部的结构，减少采准的工程量。就是说我用遥控铲机铲完了以后，那我就这块就不用作为太多的投入了。

   

它的缺点有这么几个，一个是不断的上车下车站着呢操作，有的时候操作者容易疲劳，容易出现这种安全隐患。第二个就是操作者视野还是受到限制，有的100米，有的如果是巷道条件不是很好，可能还达不到100米。所以说就是操作的准确性，反应的速度和效率比较低。因此说遥控有时容易怕发生了一些碰撞，有一些安全隐患。另外一个，遥控车辆的车速一般的比较低，一般的都在每小时10公里以内，所以生产效率比较低，操作范围也比较小。2.就地视频遥控模式：就地的视频的遥控模式就是在原有视距遥控的基础上，增加了视频图像和声音，通过这样的一些图像和声音来进行遥控。这样的话，就是在我们视距遥控的基础上又更加近了一步。我们在显示屏上通过这样的一些视频图像就实现了遥控。这种模式可以使操作者能够看到设备的现场作业的情况，同时也能够听到现场的一些正常的声音也好，包括一些出现隐患的一些声音也好。它能够有声音感，弥补了视距遥控的这样的模式的一些不足，提高了操作者这种精确性和这种快速性。这个就是我们视频遥控的一个系统图。我们现在看到很多我们有些操作者挂着一个视频图像，就能够对远程的这样的一些现场进行现场的遥控器。3.远程遥控模式：通过远程网络通信系统将图像和声音传输到遥控中心，使操作者能够在安全舒适的环境中进行远程操作。远程的遥控在遥控中就是增加了远程的网络的通信系统，来实现信号的网络的远程传输。将这样的一些图像能够传递到我们的遥控时。一般的我们的遥控时，可以建立在巷道一个地下矿山，一个比较规整的这样的一个房子里，也可以通到地面的这种调控时，这样的话，使操作者工作条件比较好。另外一个，也远离了安全隐患。现在，有远程的遥控，也在我们很多的矿山进行广泛的应用。远程遥控驾驶的这样的一个系统组成。远程遥控驾驶的系统组成有这么几个方面。一个是信号的控制器，就是我们这个信号如何采集，如何控制。另外通过上位机实现我们在遥控室也好，在我们的一些终端的调度时也好，通过上位机来实现这样的一些信号的处理。另外一个通过这种无线的这种摄像头，通过我们这样的视频信号才能实现这种远程遥控。另外还有无线的路由，还有车辆的控制平台，通过这样的一些装备，我们就实现了车辆的远程的遥控。我们现在看到了国外的很多的矿山，在上个世纪就已经实现了这种远程遥控。我们现在国内很多规模以上的矿山也都能实现这种远程的视频遥控。

六、自主行驶作业模式

那么我们看看如何能够实现自主行驶的作业。自主行驶的作业模式是按照路径规划的自主行驶。相当于我们机械人似的。我们的机械人在我们的矿山的工作条件下，如何能够自己规划路径，实现自主的行驶。我们先看看按照规划路径自主行驶，它就是按照全局坐标系下的指定的目标的路径行驶。导航中的使用了电子地图，包括目标路径在坐标系中的记录在电子地图上。同时通过这种自主导航，依赖于传感器和高精度的位置的这样的一些数据，包括定位、精度等都要求比较高，计算量也比较大，前期的路径规划准备工作量也比较大。所以说我们按照路径规划行驶，对我们整个的系统和我们的采集量，和我们的控制量，和我们的计算量要求都非常的高。

另外一个是一个沿巷道壁的自主行驶，什么概念呢？就是我们巷道要想行走，我如何通过沿着巷道壁能够进行自主的行走。这个也是我们自主行走的一个模式。自主行走中，我们的传感器探测周围的可行驶的区域。在关键的这样的节点上，你比如说路口，你比如说十字路口，由信标来进行指引，通过决策最优的行驶路径。那这种自主行驶方式可以在车辆的自主行驶的有效的进行避障，有效的进行计算，通过这样的一些模式实现沿着巷道壁进行有效的自主行驶。

1250水平电机车无人驾驶系统是一个典型的井下无人驾驶应用案例。该系统由生产运输管理平台、数据支撑系统、生产状态监测系统及前端无人化作业系统四部分组成，实现了井下环境的视频监控、远程自动装卸载、无线通信等多种功能。该系统成功突破了井下环境复杂和空间受限的信号衰减、折返式运行、列车尾部视觉监控盲区、点动对车放矿等诸多难题，为井下采矿的无人驾驶技术提供了宝贵的经验和借鉴。集六景测深系统、人员定位系统于一体，有别于一般的地表无人驾驶系统。驾驶人员通过在疾控时选择自动运行模式、电机车完成自动运行、自动切换等，通过信集闭系统电机车组在运行线路中的弯道、道岔、装载、卸载、直道按自动设定的速度运行，可以自动完成升降、电工、启动鸣笛、制动、停车等安全运行动作。

小结：

自主行驶作业模式是无人驾驶技术在井下采矿中的高级应用模式。它要求车辆能够在没有人工干预的情况下，按照预定路径和规则进行自主行驶和作业。自主行驶作业模式的实现依赖于以下几个关键技术：

1. 路径规划技术：根据矿山环境和作业需求，为车辆规划出最优的行驶路径。这需要利用电子地图、传感器数据和高精度定位信息等多源数据进行综合分析和决策。

2. 传感器技术：通过激光雷达、摄像头等传感器实时感知周围环境信息，为车辆提供精确的避障和导航支持。

3. 高精度定位技术：在井下无GPS信号的环境下，通过惯性导航、超宽带定位等技术实现车辆的高精度定位。

4. 智能决策与控制技术：基于车辆感知到的环境信息和路径规划结果，通过智能算法实现车辆的自主决策和控制。

七、自动形式驾驶系统

自主行驶的驾驶的这种系统，就是能够使实现自主行走。它的系统要由哪些系统来进行组成？

我们看到了自主行驶的驾驶系统这种硬件的组成，那就有如下这样的一些硬件。包括数据的采集，包括传感器、包括控制，包括定位、包括导航，包括这样的所有的这样的一些采集传输，包括控制，包括硬件的组成，就是组成了我们的自动的自主行驶的系统。

从我们的这样的一些控制软件上来说，一个是主控程序，这个主控程序非常的关键，完成整个控制系统的这种协同的控制。第二个，就是我们无人驾驶的自主卸载的这样的一些控制的这种子程序。你比如说铲运机为例，那就是提供无人驾驶和自主卸载的控制模式。如何进行自主的停机，如何的进行定位的卸载。第三个就是执行控制程序，完成这样的车辆的这样的一些信号和要求，如何实现控制，这是我们关键的核心，这就是我们自主控制器的一个框图。这个就是我们自主行驶的一个逻辑框图。我们逻辑框图我们就看出来了，我们所有的车辆和我们这个行驶的这样的路面的条件进行一个整体构成一个车辆系统。我们一般的说车辆都是只感觉本身的车辆。事实上我们要说到车辆，就要有跟它匹配的这样的行驶的路面。所以现在我们很多都是汽车地面力学，汽车地面系统，地面是什么样？我们马力很高的车在冰面上可能就是无法实现行驶，因为路面提供不了他的条件。我们很多的车在沙漠上，在沼泽地带无法行驶。那我们矿山车辆也是一样，我们凡是说到我们车辆的自主行驶，首先要考虑路面的条件。我们这个逻辑框图就是把我们地面所有的环境、条件，地面的路面铺设的信息和我们车辆的整个的信息，和我们工作的矿石的、矿区的这样的一些信息综合的组成。通过我们的信息采集，通过我们的信息传输，通过我们车辆的控制，通过我们的避障定位导航系统的支持，实现了我们车辆的自主行驶。

八、未来发展趋势

随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，无人驾驶技术在井下采矿中的应用将呈现出以下几个发展趋势：

1. 技术融合与创新：无人驾驶技术将与人工智能、大数据、云计算等先进技术深度融合，进一步提升系统的智能化水平和自主决策能力。

2. 系统集成化与标准化：随着无人驾驶技术在井下采矿中的广泛应用，系统集成化将成为必然趋势。通过统一的标准和规范，实现不同设备、系统之间的无缝对接和高效协同，提高整体作业效率和安全性。同时，标准化的推进也将促进无人驾驶技术的普及和产业化进程。

3. 环境适应性增强：针对井下采矿环境的复杂性和多变性，未来的无人驾驶系统将更加注重环境适应性的提升。通过优化传感器设计、增强算法鲁棒性、引入自适应控制技术等手段，使无人驾驶系统能够更好地适应各种极端和恶劣环境，确保在复杂多变的环境下稳定可靠地运行。

4. 作业效率与安全性并重：在提高作业效率的同时，无人驾驶技术在井下采矿中的应用也将更加注重安全性的保障。通过引入多重安全冗余机制、实时监测与预警系统以及快速应急响应措施等，确保在突发情况下能够迅速做出反应并采取相应的安全措施，保障人员和设备的安全。

5. 人机交互界面优化：尽管无人驾驶技术追求的是车辆的自主控制和决策能力，但人机交互界面的优化仍然是不可忽视的一环。未来的无人驾驶系统将更加注重用户体验的提升，通过简洁明了的操作界面、智能化的语音交互以及丰富的信息展示方式等，使操作人员能够更加方便、快捷地掌握车辆的运行状态和作业情况。

6. 绿色节能与可持续发展：随着全球对环境保护和可持续发展的重视程度不断提高，绿色节能将成为无人驾驶技术在井下采矿中应用的重要方向之一。通过优化车辆的动力系统、提高能源利用效率以及采用清洁能源等方式，实现井下采矿作业的绿色化和低碳化，为矿业行业的可持续发展做出贡献。

九、结论与展望

无人驾驶技术在井下采矿中的应用展现出了巨大的潜力和价值。它不仅能够提高作业效率、降低人工成本、改善作业环境，还能够提升作业安全性和可靠性。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，无人驾驶技术将在井下采矿中发挥更加重要的作用。未来，我们期待看到更多创新性的无人驾驶解决方案涌现出来，为井下采矿行业的智能化、绿色化和可持续发展注入新的动力。同时，我们也应该认识到无人驾驶技术的复杂性和挑战性，持续加强技术研发和应用实践，不断推动无人驾驶技术在井下采矿中的深入应用和发展。