矿卡智能化线控改装技术方案解析

张 丽 张 毅 夏振中

（1．南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188；2．新能源与无人驾驶工程技术研究中心，江苏 南京 211188；3甘肃嘉峪关市酒钢股份公司，甘肃 嘉峪关 735199）

矿山运输作业具有计划性、组织性和封闭性的特征，并且面临招工难、效率低、运营成本特别是劳动力成本越来越高等难题，人工智能的发展为此提供了全新的解决方案[1]。根据国家相关“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的政策要求，露天矿山运输作业的自动化、智能化，也是矿山运输行业发展的必然趋势[2]。矿卡智能化技术不仅能最大限度减少采矿部门对较低技术工人的需求，还能增加生产运营时间，降低人工成本，减少安全事故，大幅提升生产效率[3]。

1 矿卡线控改装目的

当前，我国在用矿卡大多仅支持人工驾驶，为实现矿卡的遥控与自动驾驶，必须先对其进行线控改装，使矿卡能够接收控制信号，并将矿卡产生的必要数据传送至遥控舱，通过遥控接管驾驶控制系统，完成矿卡前进、后退、制动、转向及装载和卸载等无人驾驶功能，进而真正实现“机械化减人，自动化换人，智能化无人”，达到减员降本、提质增效的目的，引领中国露天矿山智能发展新纪元。

2 矿卡智能化线控改装技术方案

矿卡智能化线控改装主要包括对矿卡电源、转向、油门、制动、换挡、举升、灯光系统的改装以及工控机、交换机、IMU、RTK、激光雷达、摄像头、传感器等部件的加装。IMU用来检测设备车身倾角与震动加速度，当车身倾斜或震动加速度超过设定阈值时自动报警。RTK用来实现车身的高精定位与朝向角定向，配合标注了高压线、断面边缘等GIS数据的高精地图，当检测到机体距离高压线、断面边缘过近时自动报警。四路摄像头实时画面通过RTSP协议传输至工控机，两路激光雷达自动检测障碍物，当车头或车尾距离障碍物过近时自动报警。工控机与PDC通过CAN通信，除设备信息与操作指令的交互，工控机与PDC间建立定周期的心跳机制，当心跳信号失活时PDC自动紧急停机。矿卡智能化线控改装硬件结构图如图1所示。

2.1 电源改装

由于原车内最大功率无法满足改装操作设备在最大功率条件下的使用，因此对车内用电进行分流，24V供电直接使用原车24V电，从原车室内断电开关后端取电，增加相应保险丝给24V用电器供电。12V供电采用新增12V蓄电池，并增加24V～12V的DCDC（功率480 W）用于蓄电池充电，12V系统供电。加装1块12V/60Ah的蓄电池、1个24V转12V降压稳压模块。由于该放置箱空间不足，因此需要对其进行扩容，将其在车宽方向加长200mm，板材使用与原箱相同的6mm碳钢，连接使用边缘搭接满焊，如图2所示。

降压稳压模块24V输入从原车蓄电池两端取电（线径2.5mm²，DC自带保险丝）。降压稳压模块24V的使能脚从原车24V断电开关后引入信号，须加保险丝，线径1mm²。降压稳压模块24V的12V输出正负分别接到新增12V蓄电池的正负极，线径6mm²。12V蓄电池取电引入驾驶室为12V用电器供电，线径6mm²，负极可就近搭铁。12V用电由原车24V断电开关通过继电器控制通断。

2.2 灯光改装

在原车灯光开关两端并联继电器，实现灯光的控制。改装灯光种类共计3种，包括近光灯、远光灯、示宽灯。刹车灯、倒车灯与倒车蜂鸣器为自动触发，无须改装。近光灯、远光灯、示宽灯改装如图3所示，虚线为加装部分，分别在近光灯开关、远光灯开关和示宽灯开关触点两侧加装继电器控制装置，通过弱电信号实现近光灯、远光灯和示宽灯的开启和关闭。

2.3 换挡改装

将换挡器内部挡位线路引线在外部接入继电器，通过PDC进行换挡控制。拆开换挡器，将内部PCB-A和PCB-B之间的连接线进行改制，做相应的断线、并线和引线。由于接线原理相同，现以N、D、R1这3个挡位为例对方案进行具体说明。将N、D、R1这3个挡位的引出线分别接到继电器模块里的3个继电器的常闭端，3个继电器分别为N继电器、D继电器和R1继电器，改装部分如图4虚线图所示。PCB-A的N挡引出线同时接到控制器，控制器监控换挡器物理挡位是否处于N挡，控制器通过串口与继电器模块连接。

2.4 油门改装

油门改装通过直线电机拉动固定在油门踏板上的拉力线，控制车辆油门力度，并通过位移传感器与车速检测实现控制闭环。为控制油门的电信号，在油门踏板上安装拉力线，用直线电机拉动拉力线。在具体操作过程中，施工人员将在油门踏板下与驾驶座侧边开设孔位，用于安装拉力线套管。

油门踏板顶端开通孔用于拉力线穿过，使用专用螺丝锁扣固定，通过直线电机的拉动，可实现油门踩下效果。当直线电机回位时，油门踏板通过原装弹簧回到零位。由于拉力线具有柔软的特性，不影响油门踏板的使用，当人工驾驶时，仍然可以使用油门踏板功能。侧视布置图如图5所示。

直线电机机构包括标准直线电机、防护壳和位移传感器，直线电机行程150mm，大于脚踏板约80mm（顶端）的行程，可满足脚踏板各个位置的拉伸。负载25kg，满足拉动踏板的拉力需求。通过安装内置位移传感器，监控滑块实时位置，实现对脚踏板位置的精确控制。

2.5 举升改装

原车举升液压阀采用机械转杆传递拉动阀门实现举升控制阀动作。为实现电信号控制举升功能，现采用直线电机拉动马蹄勾的方案，将原举升液压控制阀操作机构中的旋转臂拆除，直线电机通过定制件直接拉动马蹄勾完成对控制阀的操作，同时在车斗前后位置分别增加行程开关，监控车斗降下与升起是否到位。

为了实现电信号控制液压油箱功能，现将原位置处的旋转臂拆除，通过定制工装使直线电机直接推拉液压油箱的马蹄勾。直线电机安装在支架上，通过连接件与液压油箱的马蹄勾实现刚性连接，需要动作时，PDC控制直线电机下拉实现升斗，上推实现下降。同时，该功能将转为拨挡开关，安装在驾驶室操作台上，替代原有操纵机构，实现人工驾驶时依然可以实现车斗操作。为检测车斗是否已下降到位，在车斗前方的车架上加装行程开关，为检测车斗是否举升到位，在车斗后部加装行程开关。使用过程中，在人工操作模式下，使用前需要确保PDC上电，采用拨挡开关控制车斗升降。遥控/自动模式下，当PDC收到升斗或降斗命令后，控制直线电机推动液压油箱，同时控制油门、刹车、档位进入指定状态，使举升机构开始动作。此过程中，PDC将监控行程开关工作情况，确认车斗是否成功完成升斗或降斗操作。

2.6 加装传感器

矿卡端还须加装工控机、交换机等部件，以及IMU、RTK、激光雷达、摄像头等传感器。IMU用来检测设备车身倾角与震动加速度，RTK用来实现车身的高精定位与朝向角定向，四路摄像头分别安装于车头车尾、两后视镜，两路激光雷达分别安装于车头与车尾。传感器配置如图6所示。

3 性能测试

工控机安装有高精定位、避障检测、鲁棒控制、安全监控等核心软件模块。高精定位模块接收RTK发布的经度、纬度、高度、朝向角等数据，以及IMU发布的车身加速度、角速度等数据，通过融合算法计算车身位置、姿态、速度。避障检测模块接收激光雷达发布的点云数据，通过三维点云聚类、分割与过滤，检测车辆行驶轨迹前方设定范围内的人、车等障碍物，并发布障碍物位置、大小等信息。鲁棒控制模块接收云端服务器下发的行驶路线，PDC发布的底盘数据，融合定位模块发布的车身位置、姿态数据，对车身进行横向轨迹控制与纵向速度控制，以控制车身沿设定路线自动行驶。安全监控模块通过IMU检测车身的异常震动、倾斜等情况，通过PDC接收底盘告警信息，以发布综合告警信息。

行驶过程中接收避障检测模块发布的障碍物信息，当检测到障碍物时自动刹车停止。整体运行过程中始终接收安全检测模块发布的综合告警信息，根据告警严重等级控制车身减速行驶或刹车停止。工控机与PDC间均建立周期性心跳机制，当心跳信号失活时PDC自动紧急停车。实践证明，矿卡智能化线控改装后，车辆行驶速度满足矿区安全规定，路径跟踪行驶的横向误差≤0.5m，速度控制误差≤3km/h；自动对位后横向误差≤0.5m，纵向误差≤0.5m。

4 结语

用现代先进技术改造和提升旧的设备，适应智能化设备的需要，是我国制造业的发展方向[4]。矿卡线控改装是实现矿卡无人驾驶线性控制的基础。与传统的人工驾驶模式相比，无人驾驶可有效提升露天煤矿现有矿卡工作效率，减少安全事故的发生，实现严酷环境下长时间连续作业，对矿山运输作业具有很强的示范推广作用。