礦卡智能化線控改裝技術方案解析

張 麗 張 毅 夏振中

（1．南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188；2．新能源與無人駕駛工程技術研究中心，江蘇 南京 211188；3甘肅嘉峪關市酒鋼股份公司，甘肅 嘉峪關 735199）

礦山運輸作業具有計劃性、組織性和封閉性的特征，并且面臨招工難、效率低、運營成本特別是勞動力成本越來越高等難題，人工智能的發展為此提供了全新的解決方案[1]。根據國家相關“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的政策要求，露天礦山運輸作業的自動化、智能化，也是礦山運輸行業發展的必然趨勢[2]。礦卡智能化技術不僅能最大限度減少采礦部門對較低技術工人的需求，還能增加生產運營時間，降低人工成本，減少安全事故，大幅提升生產效率[3]。

1 礦卡線控改裝目的

當前，我國在用礦卡大多僅支持人工駕駛，為實現礦卡的遙控與自動駕駛，必須先對其進行線控改裝，使礦卡能夠接收控制信號，并將礦卡產生的必要數據傳送至遙控艙，通過遙控接管駕駛控制系統，完成礦卡前進、后退、制動、轉向及裝載和卸載等無人駕駛功能，進而真正實現“機械化減人，自動化換人，智能化無人”，達到減員降本、提質增效的目的，引領中國露天礦山智能發展新紀元。

2 礦卡智能化線控改裝技術方案

礦卡智能化線控改裝主要包括對礦卡電源、轉向、油門、制動、換擋、舉升、燈光系統的改裝以及工控機、交換機、IMU、RTK、激光雷達、攝像頭、傳感器等部件的加裝。IMU用來檢測設備車身傾角與震動加速度，當車身傾斜或震動加速度超過設定閾值時自動報警。RTK用來實現車身的高精定位與朝向角定向，配合標注了高壓線、斷面邊緣等GIS數據的高精地圖，當檢測到機體距離高壓線、斷面邊緣過近時自動報警。四路攝像頭實時畫面通過RTSP協議傳輸至工控機，兩路激光雷達自動檢測障礙物，當車頭或車尾距離障礙物過近時自動報警。工控機與PDC通過CAN通信，除設備信息與操作指令的交互，工控機與PDC間建立定周期的心跳機制，當心跳信號失活時PDC自動緊急停機。礦卡智能化線控改裝硬件結構圖如圖1所示。

2.1 電源改裝

由于原車內最大功率無法滿足改裝操作設備在最大功率條件下的使用，因此對車內用電進行分流，24V供電直接使用原車24V電，從原車室內斷電開關后端取電，增加相應保險絲給24V用電器供電。12V供電采用新增12V蓄電池，并增加24V～12V的DCDC（功率480 W）用于蓄電池充電，12V系統供電。加裝1塊12V/60Ah的蓄電池、1個24V轉12V降壓穩壓模塊。由于該放置箱空間不足，因此需要對其進行擴容，將其在車寬方向加長200mm，板材使用與原箱相同的6mm碳鋼，連接使用邊緣搭接滿焊，如圖2所示。

降壓穩壓模塊24V輸入從原車蓄電池兩端取電（線徑2.5mm2，DC自帶保險絲）。降壓穩壓模塊24V的使能腳從原車24V斷電開關后引入信號，須加保險絲，線徑1mm2。降壓穩壓模塊24V的12V輸出正負分別接到新增12V蓄電池的正負極，線徑6mm2。12V蓄電池取電引入駕駛室為12V用電器供電，線徑6mm2，負極可就近搭鐵。12V用電由原車24V斷電開關通過繼電器控制通斷。

2.2 燈光改裝

在原車燈光開關兩端并聯繼電器，實現燈光的控制。改裝燈光種類共計3種，包括近光燈、遠光燈、示寬燈。剎車燈、倒車燈與倒車蜂鳴器為自動觸發，無須改裝。近光燈、遠光燈、示寬燈改裝如圖3所示，虛線為加裝部分，分別在近光燈開關、遠光燈開關和示寬燈開關觸點兩側加裝繼電器控制裝置，通過弱電信號實現近光燈、遠光燈和示寬燈的開啟和關閉。

2.3 換擋改裝

將換擋器內部擋位線路引線在外部接入繼電器，通過PDC進行換擋控制。拆開換擋器，將內部PCB-A和PCB-B之間的連接線進行改制，做相應的斷線、并線和引線。由于接線原理相同，現以N、D、R1這3個擋位為例對方案進行具體說明。將N、D、R1這3個擋位的引出線分別接到繼電器模塊里的3個繼電器的常閉端，3個繼電器分別為N繼電器、D繼電器和R1繼電器，改裝部分如圖4虛線圖所示。PCB-A的N擋引出線同時接到控制器，控制器監控換擋器物理擋位是否處于N擋，控制器通過串口與繼電器模塊連接。

2.4 油門改裝

油門改裝通過直線電機拉動固定在油門踏板上的拉力線，控制車輛油門力度，并通過位移傳感器與車速檢測實現控制閉環。為控制油門的電信號，在油門踏板上安裝拉力線，用直線電機拉動拉力線。在具體操作過程中，施工人員將在油門踏板下與駕駛座側邊開設孔位，用于安裝拉力線套管。

油門踏板頂端開通孔用于拉力線穿過，使用專用螺絲鎖扣固定，通過直線電機的拉動，可實現油門踩下效果。當直線電機回位時，油門踏板通過原裝彈簧回到零位。由于拉力線具有柔軟的特性，不影響油門踏板的使用，當人工駕駛時，仍然可以使用油門踏板功能。側視布置圖如圖5所示。

直線電機機構包括標準直線電機、防護殼和位移傳感器，直線電機行程150mm，大于腳踏板約80mm（頂端）的行程，可滿足腳踏板各個位置的拉伸。負載25kg，滿足拉動踏板的拉力需求。通過安裝內置位移傳感器，監控滑塊實時位置，實現對腳踏板位置的精確控制。

2.5 舉升改裝

原車舉升液壓閥采用機械轉桿傳遞拉動閥門實現舉升控制閥動作。為實現電信號控制舉升功能，現采用直線電機拉動馬蹄勾的方案，將原舉升液壓控制閥操作機構中的旋轉臂拆除，直線電機通過定制件直接拉動馬蹄勾完成對控制閥的操作，同時在車斗前后位置分別增加行程開關，監控車斗降下與升起是否到位。

為了實現電信號控制液壓油箱功能，現將原位置處的旋轉臂拆除，通過定制工裝使直線電機直接推拉液壓油箱的馬蹄勾。直線電機安裝在支架上，通過連接件與液壓油箱的馬蹄勾實現剛性連接，需要動作時，PDC控制直線電機下拉實現升斗，上推實現下降。同時，該功能將轉為撥擋開關，安裝在駕駛室操作臺上，替代原有操縱機構，實現人工駕駛時依然可以實現車斗操作。為檢測車斗是否已下降到位，在車斗前方的車架上加裝行程開關，為檢測車斗是否舉升到位，在車斗后部加裝行程開關。使用過程中，在人工操作模式下，使用前需要確保PDC上電，采用撥擋開關控制車斗升降。遙控/自動模式下，當PDC收到升斗或降斗命令后，控制直線電機推動液壓油箱，同時控制油門、剎車、檔位進入指定狀態，使舉升機構開始動作。此過程中，PDC將監控行程開關工作情況，確認車斗是否成功完成升斗或降斗操作。

2.6 加裝傳感器

礦卡端還須加裝工控機、交換機等部件，以及IMU、RTK、激光雷達、攝像頭等傳感器。IMU用來檢測設備車身傾角與震動加速度，RTK用來實現車身的高精定位與朝向角定向，四路攝像頭分別安裝于車頭車尾、兩后視鏡，兩路激光雷達分別安裝于車頭與車尾。傳感器配置如圖6所示。

3 性能測試

工控機安裝有高精定位、避障檢測、魯棒控制、安全監控等核心軟件模塊。高精定位模塊接收RTK發布的經度、緯度、高度、朝向角等數據，以及IMU發布的車身加速度、角速度等數據，通過融合算法計算車身位置、姿態、速度。避障檢測模塊接收激光雷達發布的點云數據，通過三維點云聚類、分割與過濾，檢測車輛行駛軌跡前方設定范圍內的人、車等障礙物，并發布障礙物位置、大小等信息。魯棒控制模塊接收云端服務器下發的行駛路線，PDC發布的底盤數據，融合定位模塊發布的車身位置、姿態數據，對車身進行橫向軌跡控制與縱向速度控制，以控制車身沿設定路線自動行駛。安全監控模塊通過IMU檢測車身的異常震動、傾斜等情況，通過PDC接收底盤告警信息，以發布綜合告警信息。

行駛過程中接收避障檢測模塊發布的障礙物信息，當檢測到障礙物時自動剎車停止。整體運行過程中始終接收安全檢測模塊發布的綜合告警信息，根據告警嚴重等級控制車身減速行駛或剎車停止。工控機與PDC間均建立周期性心跳機制，當心跳信號失活時PDC自動緊急停車。實踐證明，礦卡智能化線控改裝后，車輛行駛速度滿足礦區安全規定，路徑跟蹤行駛的橫向誤差≤0.5m，速度控制誤差≤3km/h；自動對位后橫向誤差≤0.5m，縱向誤差≤0.5m。

4 結語

用現代先進技術改造和提升舊的設備，適應智能化設備的需要，是我國制造業的發展方向[4]。礦卡線控改裝是實現礦卡無人駕駛線性控制的基礎。與傳統的人工駕駛模式相比，無人駕駛可有效提升露天煤礦現有礦卡工作效率，減少安全事故的發生，實現嚴酷環境下長時間連續作業，對礦山運輸作業具有很強的示范推廣作用。