基于激光雷達的主動式人員接近檢測系統設計

韓 飛

(國能神東煤炭集團生產服務中心，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

礦井下作業環境惡劣、燈光黑暗、粉塵較大能見度低，工況環境復雜、作業面阻擋障礙物多且井下多為人員交互式作業，作業面工況復雜[1]。支架搬運車在搬運支架過程中受限于車輛自身結構和支架阻擋，不可避免地存在大量盲區，駕駛員視野受阻，不能發現接近車輛危險區域的作業人員，對作業范圍內的人員構成了嚴重的安全威脅。因此，開發一種車載人員接近檢測系統，當有人員位于車輛作業告警區域時進行預警和采取緊急操作措施，保證井下作業的安全生產運行。

1 井下人員接近檢測系統概述

井下人員接近檢測系統是指在井下作業環境下，相關作業人員靠近作業設備一定范圍后，設備能檢測出靠近人員的識別置信度、數量、距離以及方位，設定電子圍欄。當作業及相關人員被檢測到進入電子圍欄后，整車控制系統發出報警，當發現有人員進入安全危險區域后，整車控制系統發出設備緊急制動措施，確保人員人身安全。人員接近檢測系統分為被動式和主動式2大類型。被動式人員接近檢測系統是指相關人員貼上電子標簽通過應答的方式確定人員與基站的距離與方位，從而實現人員接近的判別和功能實現。

目前，井下人員接近檢測系統主要基于UWB(超寬帶無線載波通信技術)原理進行開發和設計。在車輛合適部位安裝UWB定位基站，定位基站發射UWB無線信號，人員定位標簽(識別卡)收到信號后直接向該探測器發送返回信號，通過發送和返回時間差計算出定位標簽和基站之間的距離，從而進一步計算出人員與設備的距離[2]。該種檢測原理理論上可以達到0.3 m的檢測分辨率，精度較高，但無線信號受環境、移動設備的速度影響較大。更為主要的是它屬于被動式檢測方式，只能檢測識別帶有特定定位標簽(識別卡)的人員，而沒有攜帶定位標簽的人員則不能被檢測，且標簽攜帶不方便易丟失，隨著井下交互式作業日益復雜，需要檢測的人員不斷增多，基于該原理的被動式人員接近檢測系統逐漸不適應井下煤礦作業使用要求[3]。主動式人員接近系統是指在車輛上安裝合適的探測傳感器掃描采集人體信息，采用特殊算法識別出人體，并且獲得人體的探測距離和方位。與被動系統的區別在于它能主動掃描探測識別所有區域內人體而不是特定的某些人，適用范圍更加廣泛，行車也更加安全，因此主動式人員接近系統將成為未來發展方向。當前通用的人員檢測為紅外人員檢測原理[4]，檢測系統已經非常成熟，常用于室內人員的監控和識別。但紅外熱成像在遠距離、多塵環境下的人員識別率不高。因此不能應用于井下作業設備的人員檢測系統。

2 激光雷達技術應用研究與闡述

隨著人工智能時代的到來，科技水平的快速提升，越來越多的探測技術開始應用于智能無人駕駛[5]。其中激光雷達技術發展尤為迅速，已被廣泛應用于車輛無人駕駛道路識別等高新科技領域[6]。

激光雷達的工作原理與雷達非常相近，是利用可見和近紅外光波(多為950 nm波段附近的紅外光)發射、反射和接收來探測物體[7]。以激光作為信號源，由激光器發射出的脈沖激光，照射到人員物體等目標物上，激光光波會反射到雷達的接收器上[8]，通過測算激光脈沖發送和接收的時間差可以計算出從激光雷達到目標點的距離。另外利用激光反射強度的差異特性，激光雷達傳輸出的UDP數據包經過有效數據提取、點云坐標轉化和反射強度補償得到單個掃描周期內所有測量點數據，每個測量點數據包含三維坐標和反射強度值，形如(X，Y，Z，I)，將這些測量點數據組織在一起，即構成激光雷達單幀測量數據的點云表示[9]。在經過多線多幀掃描后，可得到精確的三維立體圖像，圖中的各個物體、人員通過合適的圖像處理算法識別出來，這就是人員接近系統的基本工作原理，如圖1所示[10-11]。

圖1 激光雷達工作原理簡圖

3 基于激光雷達人員接近系統

3.1 系統硬件簡介

激光雷達人員接近系統由激光雷達、人員感知處理控制器、整車控制器以及人員接近監控顯示器組成，系統包含5個激光雷達，分別分布于車輛的前后端以及框架內部，其結構框圖和布置圖如圖2所示。激光雷達在人員接近探測與報警方面可以通過對點云數據進行深度分析，辨識出接近物的種類、距離以及方位。

圖2 激光雷達人員接近系統組成框圖及安裝

3.1.1 激光雷達

激光雷達是人員接近系統的核心部件。目前開始應用于工程領域激光雷達分為機械式、混合式以及全固態3種激光雷達，由于機械式激光雷達太過昂貴并不適合工程機械領域應用。而隨著固態激光雷達制造技術迅猛發展，成本快速降低，固態式激光雷達成為當下激光雷達企業重點研發的方向。文中選用大疆M40激光雷達，其參數見表1。

表1 大疆M40激光雷達主要參數

3.1.2 人員感知處理控制器

人員感知處理控制器是人員接近系統的關鍵部件，可以通過對采集的點位云信號進行處理，提取人體特征。32線每秒有近20幀數據，而每幀可以產生近13萬個點云數據，這是一個空間參考系中能夠表征障礙物空間分布和表面性質的大量點。如此龐大的數據量，對于控制器的要求非常高。本項目中選用TW-T600邊緣計算平臺作為控制器，該平臺已經廣泛應用于機器人、無人配送車、低空防御、智能巡檢、智慧樓宇等自主化機器，是邊緣端部署 AI算力進行深度學習的理想載體。其主要性能參數見表2。

表2 TW-T600邊緣計算平臺主要參數

3.1.3 整車控制器及顯示器

人員接近系統需要在整車電氣控制平臺上完成，人員感知處理控制器通過CAN總線將處理好的人員姿態、距離及方位數據傳輸至整車控制器。整車控制器和顯示屏可以不改變車輛上既有型號。目前航天重工生產的支架搬運車已經配置有該人員接近系統。該車使用德國IFM公司出品的CR0032作為整車控制器，該控制器已經廣泛應用于高端工程裝備上，有著高可靠性和穩定性。最為突出的便是高速計算能力，采用32-Bit Infineon ricore 1796 DSP芯片作為主處理器，主頻高達150 MHz，程序運行周期可以縮小至8 ms內；外部有16個信號采集輸入以及16個控制輸出、4個獨立的CAN總線通道。完全能夠滿足人員接近系統的運算需求。

顯示屏為本安型15英寸液晶顯示屏，由航天重工研制生產，該顯示屏可以顯示整車狀態、電驅動狀態，狀態信號通過CAN總線傳送。同時也可以顯示顯示多分屏視頻監控信號，另外顯示屏還帶有報警蜂鳴器，可以在緊急情況下進行報警指示。

3.2 激光雷達人員接近系統軟件設計

激光雷達人員接近系統核心在于軟件設計。根據功能區域不同分為人員感知處理控制器軟件和整車控制器軟件2大部分。人員感知處理控制器軟件實現激光雷達信號數據的采集和處理，通過特定算法分離和識別出人體特征，并對人員位置、方位以及置信度進行計算；整車控制器軟件在于對前端發送出的信息進行再處理，與整車運行狀態進行融合，最終對人員接近進行監控和實施措施。

3.2.1 人員感知處理控制器軟件設計

首先主要采用基于幾何物體的角點檢測的方法進行2個坐標系的旋轉矩陣計算，確定人員接近系統中不同激光雷達之間的坐標系變換關系。

基于機器人操作系統(ROS)平臺進行數據的采集管理以及多雷達系統之間的數據拼接，形成數據點云拼接后的視場。目標檢測模型是人員感知控制器軟件的核心部分。本模型預測出場景中目標包圍框的位置、尺寸和類別等信息，采用的檢測模型的總體結構框圖如圖3所示，其中Conv代表卷積層，Deconv代表反卷積層，Res2Net代表多尺度特征學習模塊。該模型結構圖主要可分為點云的柱狀化、多尺度柱內特征學習模塊、多尺度偽圖特征學習模塊以及檢測頭等4個部分。這里保留了原始的PointPillars模型關于點云的柱狀化以及檢測頭部分的設計，而重點研究如何借助多尺度特征學習方法以增強柱內特征以及偽圖特征的學習能力，從而進一步增強其檢測性能。

圖3 三維目標檢測流程

3.2.2 整車控制器軟件設計

人員感知處理控制器通過CAN總線將檢測范圍內人員的姿態距離和方位信息發送至整車控制器[11]。關于人員接近部分的軟件設計基于電子圍欄思路進行。如圖4所示，整車控制器根據車輛的構造特點和礦區安全規范章程在保障車輛能有效運行的狀態下建立電子圍欄[12]，設立黃色告警區和紅色危險區。對接收過來的人員信息進行數據融合生成人員坐標點系。人員在告警區范圍之外，系統將人員信息過濾，車輛保持正常操作狀態；告警區內人員未進入危險區，此時人員處于臨近危險區域，但車輛尚不能對人員造成實質傷害，此時車輛發出告警信號，提示車輛操作人員注意車輛作業范圍內人員分布情況；當人員進入危險區域后，整車控制器啟動安全保護措施，確保危險區域內的人不受到車輛的傷害。當人員離開危險區域后，報警自動解除，車輛恢復正常運行狀態。人員的坐標點系信息可以通過顯示屏人員顯示區域直觀顯示出來，并通過蜂鳴報警器進行告警指示。顯示界面如圖5所示。

圖4 特種車輛電子圍欄示意

圖5 整車人員接近監控界面

根據整車監控設計規劃，整車屏分為整車狀態顯示區、電驅系統顯示區、視頻監控顯示區以及人員接近監控顯示區域。整車狀態和電驅系統顯示區域可以顯示車輛運行的狀態信息；視頻監控可以實時監控車輛前后的人員活動以及周圍環境，有利于操作人員監控盲區狀態；人員接近顯示區位于屏幕正下方，進入危險區域的人員通過圖中所示的紅色點閃爍表示，同時顯示屏進行蜂鳴報警。人員接近監控系統實時采集人員置信度、方位以及距離數據，可以在顯示區域進行動態顯示，人員離開告警區域后，紅色報警點消失。

3.3 激光雷達人員接近系統仿真分析結果

人員接近系統在實驗室環境下利用RVIZ平臺進行了激光雷達數據采集和人員識別仿真，人員可以被清晰地識別出來，置信度達到了98%以上，且含有人員坐標和距離信息，完全滿足人員接近的技術參數要求。

4 結語

通過分析上述仿真實驗結果可知，基于激光雷達的人員接近系統能夠主動有效地辨別出靠近車輛作業區的人員姿態、距離和位置，并能快速地根據人員位置信息作出告警或者控制整車采用主動安全措施，確保接近人員的人身安全。隨著在神東公司支架搬運車上的應用，基于激光雷達的主動式人員接近檢測系統將大大提高井下作業生產的安全效率。