露天礦行車安全軌跡與姿態糾偏預警系統

張來紅

（神華北電勝利能源有限公司，錫林浩特 026015）

1 問題的提出

在露天礦采礦過程中，要以一定比例剝離礦石周圍的巖石采出礦石，將礦石運至地面卸載點，將巖石運至排土場。就礦巖的相對位置而言，它的大量工作是將礦石和巖石通過運載工具輸送至指定地點。因此，交通運輸工作在露天礦生產中最繁忙[1]。

在礦區道路中，路面一側通常為山體，另一側為擋墻。當司機由于注意力不集中、瞌睡、夜間行車等原因使車輛一側輪胎爬上擋墻或土堆時，可能會發生跌落懸崖、碰撞山體以及車毀人亡的事故，后果極其嚴重。對于公路上的車輛，現有的技術普遍采用車輛高級駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System，ADAS）。例如，在《面向駕駛輔助系統的車輛行駛安全預警模型研究》中提出了時間TLC 計算方法，通過傳感器和攝像頭監測車輛橫向距離、行駛速度、偏航角、方向盤轉角以及道路幾何半徑等信息，從而實現對車輛的線路偏離進行安全控制。車道偏離時間（Time to Lane Crossing，TLC）定義為車輛當前的行駛狀態從當前位置行駛至外側車輪碰到車道邊界線為止的時間[2]。駕駛員在疲勞或注意力不集中等無意識的情況下更容易發生車道偏離，而這個過程中駕駛員疏于對方向盤和速度的控制，可視車輛速度和行駛軌跡固定不變。

一方面，在上述方法中車輛必須利用攝像頭判別車道線、車道方向以及車輛行駛方向夾角，但是露天礦區采場道路（沒有劃定車道線和道路中心線）無法通過攝像頭獲取車輛所處的車道和車輛距道路中心線之間的距離，故該方法在礦區道路上無法使用。另一方面，上述方法建立在駕駛員對方向盤和車速都不進行改變和控制的前提下。然而，現實中駕駛員由于瞌睡、疲勞等因素所造成的左右擺動方向盤的情況并不少見，因此上述方法在實際應用中將會產生極大的誤差。

2 露天礦車輛行車安全、糾偏預警的研究

2.1 通過行車軌跡路線擬合道路中心線

在露天礦采場道路中，車輛在采場道路行駛若干次后，可通過車上的GPS 衛星定位系統生成每一次的行車軌跡路線，再根據所有的行車軌跡路線擬合出可信度較高的道路中心線。后續車輛在該路段行駛時均可以以擬合的道路中心線作為標準路線導航，通過GPS 衛星定位實時監測其位置是否與道路中心線存在誤差，以規范車輛的行駛路線，達到實時糾偏的作用。

如圖1 所示，軌跡為4 條不同的行車路線，其中一條路線上，每間隔一定距離取一個參考點，過每個參考點做曲線法線。例如，在圖1 中選其中一個參考點A，過點A做曲線的切線a1，再過點A 作a1的垂線a2，a2即為法線。a2與剩余的3 條路線相交于3 個點，共得到4 個點的位置坐標，即（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）和（x4，y4）。將4 個點的橫坐標值求得的平均值作為道路中心點的橫坐標值，將4 個點的縱坐標值求平均值作為道路中心點的縱坐標值，從而得到點A 所對應的道路中心點。設道路中心點的橫坐標為x中，縱坐標為y中，則：

同理，對點A 所在的行車路線上的每一個參考點求得其所對應的道路中心點，并將得到的每一個道路中心點相連接形成道路中心線。

圖1 采場車輛行車軌跡示意圖

將生成的道路中心線上傳到服務器，服務器將道路中心線數據發送給每一輛卡車，為卡車提供導航。實際操作中，不同車輛的行駛路線可能會發生相交的情況。例如，當4 條路線中存在兩條路線相交的情況下，得到3 個參考點，坐標分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），其中坐標（x3，y3）處為兩條路線的相交點，減少了計算道路中心點坐標時的參考點數量，會對道路中心點的計算帶來誤差。計算時需考慮重合的點，計算方式為：

式中，a、b、c、…、z 表示每一個對應的參考點處重合點的個數；n 為路線的總數。當沒有重合情況時，值為1；兩個點重合時，值為2，然后依次類推。

2.2 車輛偏離報警及強制剎車系統

通過以上方式劃定出道路中心線后，通過GPS 監測車輛的實時位置。后臺服務器將地圖信息發送給每輛卡車，車輛根據自身GPS 系統將車輛位置與道路中心線的位置進行實時比對，計算車輛偏離道路中心線的距離。當車輛偏離道路中心線一定距離時，發出報警信號，使得車輛在駛出當前車道時主動剎車。

剎車機械裝置接收控制器給出的剎車命令，通過步進電機帶動柔絲繩轉動，拉下或抬起剎車踏板，實現自動減速剎車或工作剎車。剎車機械裝置構成如圖2 所示，其中步進電機的作用是驅動鋼絲轉盤。電子離合器的作用是吸合或斷開步進電機與鋼絲轉盤之間的連接。旋轉編碼器可以計算剎車踏板的位置。鋼絲轉盤能夠對鋼絲繩實現張緊控制。拉繩位移傳感器的作用是檢測鋼絲繩的位移距離。萬向節軸承對鋼絲繩和拉繩位移傳感器起到保護作用。滑輪安裝在剎車踏板底端，用于穿繞鋼絲繩。

圖2 剎車機械裝置安裝關系示意圖

控制器接收GPS 定位裝置、陀螺儀以及毫米波雷達等信號數據并進行控制，當檢測到車輛偏離道路中心線一定距離后，控制器控制步進電機工作，使步進電機帶動鋼絲轉盤轉動，實現鋼絲繩拉緊帶動剎車踏板移動，從而實現自動剎車的效果。同時，拉繩位移傳感器記錄鋼絲繩的位移距離，并判斷剎車踏板的具體位置，以檢測剎車踏板的剎車程度。

2.3 車輛傾斜程度預警及制動系統

在礦區道路中，路面一側通常為山體，另一側為擋墻。若車輛一側輪胎爬上墻體，則可能發生碰撞、側翻甚至跌落懸崖的風險。通過設置陀螺儀監測車輛的橫向傾斜角度，將陀螺儀所檢測到的傾斜角度數據傳輸到處理器。當車身傾斜達到一定角度時，報警或控制剎車裝置機械進行強制剎車。在車輛輪距取8m、擋墻高度取1.1m 的情況下，計算車輛輪胎爬上擋墻后對應的車輛橫向傾斜角為8.1°。

2.4 車輛傾斜側翻角度報警系統

車輛傾斜側翻角度報警系統由陀螺儀、CPU、報警裝置以及剎車電機控制器組成。通過陀螺儀檢測車輛傾斜角度，并根據陀螺儀采集到的角度信息控制報警裝置報警或者控制剎車電機工作進行強制剎車。設置危險報警角度值為5°，強制剎車傾斜角為8°。當陀螺儀檢測到車身傾斜角度為5°時，控制報警裝置進行語音報警。當車輛橫向傾斜角度達到8°時，CPU 給出信號使剎車電機控制器控制剎車電機工作，實施強制剎車。

3 結語

通過車輛偏離報警及強制剎車系統、車輛傾斜程度預警及制動系統對礦區車輛的實時位置、車身姿態等信息進行監測，當出現危險時及時報警或通過剎車機械裝置剎車，降低了對司機工作經驗的要求和車輛事故的發生率，對安全生產具有重大意義。