矿用无人驾驶电动皮卡车底层设计与整车改造

薛忠新，欧阳敏，毕跃起，杨斐文，范生军，王 峰，吉 强，侯 刚

(1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 榆林 719313；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030032)

煤炭当前依然是国家主体能源，煤炭企业依据党中央和国家的能源战略，按照绿色低碳的发展方向，对标实现碳达峰、碳中和目标任务，依据八部委联合印发的《关于推进煤矿智能化发展的指导意见》，积极发展煤矿绿色、智能技术与成套装备[1-3]。

智能矿山概念、无人驾驶矿卡、远程遥控操作等先进技术和理念在矿业发达国家开始了应用研究。目前诸多技术成果已经投入实际生产，创造了巨大经济效益[4-6]。2007年底，AtlasCopeo公司在芬兰的Kemi矿山成功进行了地下矿用汽车的自动化试验[7]；美国卡特彼勒集团在索罗门矿区进行无人驾驶卡车集群化作业，车队规模已增至59台，累计运量超过2.4亿t，是世界单一矿区规模最大的无人车队，与同类普通车队相比，生产力提高20%，且有效提高了生产安全系数。我国2019 年颁布了煤矿机器人重点研发目录[8]，以国家能源集团为代表的大型采矿企业与技术装备企业合作，开发出5类、38种矿用机器人，初步完成智能化综采工作面、露天煤矿无人驾驶等技术的研究与应用，正在构建绿色高效安全的智能化井工矿井[9，10]。

中国煤炭科工集团太原研究院分析论证了基于4G通信技术的煤矿井下防爆车辆无人驾驶的可行性[11，12]；丁震等人[13]分析了国内外露天矿山用卡车无人驾驶技术发展现状，详细介绍了露天矿山卡车无人驾驶关键技术；通过分析对比前装线控和后装线控两种技术路线的优缺点，提出多传感器高度融合将是露天矿山卡车实现全天候环境感知的发展方向。中国矿业大学提出了一种红外置顶循迹的井下无人驾驶无轨胶轮车及其行驶控制方法[14]；余娅荣[15]以运动过程中局部路径跟踪为研究对象，提出基于模型预测的前馈-反馈模糊控制算法，能对系统未来的行为作出预测并解决系统建模的不确定性、外部环境干扰和时间延迟问题。张伦[16]对矿用自卸卡车进行了线控化改装。研发了无人驾驶接口控制器及卡车发动机、电控系统、液压系统接口程序，以CAN总线方式与整车控制系统进行通信，实现整车的系统控制、数据反馈。线控改造有效的提升了矿卡的安全性。吴鑫[17]结合煤矿井下运输环境和无人驾驶技术要求，提出了运输调度网、光纤骨干网和移动接入网组成的三层网络结构，对基于无线网络传感的定位技术、轨道障碍物识别、井下环境检测和无刷直流电机运动控制等进行技术分析。

电动皮卡车是煤矿辅助运输系统中的重要交通工具，可用于运输物料、仪器设备以及工作人员等，具有效率高、用途广和机动性强等特点。但是，由于井下恶劣的环境以及人工驾驶的不确定性，导致无轨胶轮车运输事故频发[18-20]。无人驾驶技术具有自动、高效、安全等优势，将其应用于无轨胶轮车可大幅降低井下运输事故发生率，促进井下无人化运输系统建立。

1 无人驾驶车辆技术框架

无人驾驶车辆系统方案示意如图1所示，其主要由执行层、控制层、决策规划层、认知层和感知层五部分组成。其中执行层为电动皮卡车的转向系统、制动系统、驱动系统、以及电器系统如灯光、喇叭等。

执行层中整车信号交互方式为CAN总线通信，CAN总线通信具有结构简单、传输速率高、技术与理论成熟广泛应用于汽车以及自动化机器人等领域。考虑到电动皮卡车在井下狭窄空间内工作环境十分复杂，为了确保无人驾驶过程中整车能够安全可靠的运行，电动皮卡车采用CAN总线通信控制。无人驾驶系统的执行机构，如制动器的电磁阀、转向机构的转向电机、驱动总成的驱动电机、整车控制器以及灯光、喇叭等均采用CAN总线控制。

感知层为无人驾驶车辆系统与外界环境信息交互的界面，主要由各种感知元件组成，通过感知不同形式、不同层次的外界环境信息综合判断车辆的位置姿态，从而避免无人驾驶车辆运行过程中发生碰撞，确保整车安全可靠的运行。感知元件主要由激光雷达、视觉摄像头、毫米波雷达，GPS导航、UWB设备，如图2所示。

无人驾驶系统感知元件布置情况如图3所示，在电动皮卡车前翼两侧布置两个激光雷达，在车尾保险杠处布置一个激光雷达；在汽车前保险杠后保险杠位置安装两个毫米波雷达；在电动皮卡车顶部和前舱盖位置内部沿整车中轴线布置两个RTK天线，在电动皮卡车后驾驶室内部布置UWB设备；将高清相机安装驾驶室内部。

2 无人驾驶车辆执行层改造

根据无人驾驶车辆由控制层、决策规划层、认知层和感知层的构架，以及车辆在煤矿井下环境的工作特点结合上述执行层的设计方案对电动皮卡车进行整车改造，以满足整个无人驾驶系统的要求。改造内容主要由电池系统、转向系统、制动系统、动力系统、整车控制系统以及灯光、喇叭电器系统。

2.1 皮卡车电池系统改造

皮卡车原有电池系统状况：皮卡车原有供电系统为磷酸铁锂电池，电池数目较少，续航里程无法保证，分别布置在皮卡车后备箱与皮卡车底部；没有线控系统控制；电池堆没有可靠固定，并且没有防爆防护。将原有的小容量磷酸铁锂电池箱替换成大容量磷酸铁锂电池箱，并且需要进行防爆安装。电池箱在皮卡车中可安装位置有两处，一处是皮卡车底部位置，一处时皮卡车后备箱位置。确定好电池箱的尺寸以后，反复测量后备箱与汽车底盘安装空间，两处位置均可以安放电池箱。考虑到后备箱还要安装无人驾驶控制器，电源充电器以及电池控制箱，这些控制箱与人交互较多，需要放在易于接触的开放的位置。将电池箱电池充电器电池控制箱以及控制箱放在后备箱，会造成后备箱空间紧张，且不易于后期调试与维护。此外也会造成整车重心后移，整车载荷大部分由后桥承担，造成整车操纵性能与稳定性能下降。综合考虑，决定将电池箱安装于底部。

电池箱安放在车底，采用型钢制作电池箱托架，将电池箱放置在托架上，并采用螺栓紧固。将电池箱与托架置于电动皮卡车底部，电池箱接线喇叭嘴朝后。线缆由轿厢底板穿过，分别与电池充电箱和电池控制箱相连。采用U形卡将电池箱托盘悬挂于电动皮卡车底盘左右两侧纵梁上。为了防止电池箱前后摆动，在电池箱托架两侧分别焊接两个吊耳，将吊耳与皮卡车纵梁上的吊耳采用螺栓紧固连接，使电池箱与皮卡车可靠的装配在一起。

考虑操作的便利性，及后备箱空间的充分利用，计划将电池充电箱，电池控制箱与自动驾驶控制箱分上下两层固定在支架上。具体布置如下：将支架采用螺栓连接方式固定在电动皮卡车底盘的纵梁上，电池充电器的线束从靠近车厢一侧引出，向后排座椅处延伸。电池控制箱线束从两侧引出向后排座椅处延伸，供电线束穿过车厢底板进入到电池箱，通信线束从座椅底下穿过至电动皮卡车前舱，线束整理好捆扎，并由汽车底板内饰覆盖。该布置方案有效的利用了电动皮卡车后背箱空间，同时可以方便对电动皮卡车进行调试与维护，布置简洁稳定可靠。

电池控制箱电池界面显示电池箱装配完成后，检查电缆与电池控制箱，充电箱连接线路是否连接正确，接线端子时候牢固可靠，是否有裸露的线头。确认无连接错误后进行上电调试。首先打开电池控制线开关，给电池供电系统供电，电池系统完成自检后在电池控制箱屏幕上会显示电池组每块电池的工作状态，检查每块电池的电压、工作温度是否正常，经检查电池组每块电池电压均在3.2V左右，工作温度位24℃(环境温度)上下。整体电池组输出电压257V，与实际测量的值吻合，说明电池组与整个供电系统能够正常工作。插入标准充电枪，操作充电机充电。经实际测试，充电功能正常。

2.2 动力系统改造

电动皮卡车电机，以及电机控制器的驱动总成如图4所示，驱动电机与减速器总成、主减速器以及差速器总成一起装在后桥上，电机接线主要有通信线路和供电线路组成。电机控制器位于电动皮卡车底部，中间靠后位置，通过线缆与电机相连。

电机与电机控制器改造内容：驱动系统硬件布置没有变化，电缆接线需要调整。由于更换了电池系统，电池系统供电线路需要重新连接。检测电缆与接线柱的连接可靠性，检测绝缘性能。检测完毕后对供电系统与驱动电机控制器连线进行局部通电测试，供电系统与驱动电机控制器可以正常运行，无异常现象。对电池供电系统、驱动电机控制器与驱动电机进行联合调试，供电后给驱动电机线控接口发报文。为保证系统安全，先进行低转速正转与反转测试，驱动电机可以正常运转，再进行高转速正转与反转测试，驱动电机可以正常运转。

2.3 灯光控制系统改造

灯光控制系统控制现状：电动皮卡车原有的灯光控制系统为LIN总线控制系统，经检测，灯光工作正常。由于自动车辆线控改造的需要，需要将灯光系统LIN总线控制改成CAN总线控制。需增加CAN转LIN通信网关，安装在辅助电池箱内。改造完成后对灯光系统进行测试，逐一检查近光、远光、倒车、转向、刹车等灯光器件是否能够正常工作。经测试，改造后灯光系统能够满足技术要求。

2.4 整车控制器改造

整车控制器现状：原有的整车控制器为主从控制器模式，共2个CAN通讯接口，位于驾驶室。由于车辆改造后需要增加智能控制无人驾驶模式，在保证原有功能的基础上要增加整车的通信接口，增加供电控制。由于增加了接口线束，需要重新制作整车控制箱，并重新设计接口，重新布置线缆连接。

线控系统改造内容：增加新的合适的整车控制箱，增加全新整车控制器，满足实际需要改造完成后整车控制箱固定在汽车前舱盖支架中。

2.5 制动系统改造

制动踏板现状：原有制动踏板不能反馈制动踏板位置信息，需要增加位置传感器，用来采集制动踏板的位移量。制动踏板改造内容：增加位置传感器，用来采集制动踏板的位移量。将采集到的位置信息传送到整车控制器，配合电子驻车制动按钮实现便捷驻车制动。当人工/自动驾驶按钮由人工切换到自动驾驶时，位置传感器能够将制动踏板信息传递到无人驾驶控制器，对制动踏板信息及时处理，以确保整车的行车安全。

制动器液压系统现状：制动系统主要有液压系统、制动踏板、驻车制动开关、湿式制动器，液压管路组成。原制动系统缺少线控功能。原有液压系统是由液压控制器、油泵电机、油箱、蓄能器、阀体、压力传感器与压力表组成。原有液压系统没有线控功能。液压系统改造内容，增加线控功能，部分线路改造。

制动器改造内容：改造之前首先检查原有制动系统是否能够正常工作。完成测试后进行制动系统线控改造，在原有阀块的基础上增加新的电磁阀：①前后行车制动比例电磁阀，阀体开度由0～5V电压信号控制；②驻车制动由常闭开关电磁阀控制。完成改造后的制动系统进行测试，检查制动器是否产生相应的制动动作。检查改造后的阀体与制动器管路是否出现漏油现象。

2.6 转向系统改造

转向系统现状：改造前的转向柱由方向盘、组合开关、转向柱以及万向节组成。为人工转向，缺少线控功能。

转向系统改造内容：将原有的转向机构拆卸下来，转向柱部分有较大的安装空间可以安装线控转向的执行机构，将转向柱截去一部分，安装线控转向电机以及减速齿轮是集成在一起的，减速齿轮输出轴一端与转向柱相连接，另一端为花键孔，有方向盘一端的转向柱为花键轴将其插入到减速齿轮的输出轴花键孔并调整整个转向柱的长度，使其保证与原来转向柱长度相同，然后将其固定。完成改造之后对转向柱进行测试，检查转向柱的接线情况，给通信接口控制信号，查看改造后的线控转向是否有转向动作。检测完成后将转向柱装回车上，安装过程中调整线控电机的位置以确保转向柱与车体无干涉。安装完成后再次对转向机构进行测试，检查安装完成后的转向系统时候能够正常完成转向动作。

3 无人驾驶电动皮卡车调试

3.1 改造后电动皮卡车的设备排布

需要排布的器件与设备：甲烷传感器、继电器箱、整车控制箱、电池控制箱与充电箱。

新设备排布状况：甲烷传感器安装在汽车前进气格栅后面，该位置空气流通情况较好，可以更为准确的检测环境中的甲烷浓度。继电器箱与整车控制箱安装在辅助电池箱上的支架上，方便程序更新与维护。充电箱与电池控制箱安装在后背箱位置，靠近驱动电机与电池箱，方便线束布置，从后备箱充电更加方便。电池箱与电池控制箱安装在支架上支架下部位置安装自动驾驶控制箱，这样的布置方案极大的节约了后备箱空间，整车质量分布更加均衡。

3.2 改造后电动皮卡车测试

整车改造完成后并在某煤矿公司分别进行了地面和井下进行现场测试如图5所示。分别进行了续航里程测试、最高车速测试、灯光测试、制动系统测试、转向系统测试以及井下无人驾驶测试。

改造后各CAN总线子系统的测试结果见表1。转向系统、制动系统以及行驶系统经过测试满足使用要求。CAN总线通讯可以精准可靠的进行信息传递并且各个机构能够正常运转。

表1 车辆CAN总线改造测试结果

4 结 论

1)经过改造后的电动皮卡车转向系统、制动系统、驱动系统、电器系统可以保证整车正常运行，实现在井下自动前进倒车、转向、制动、照明等功能。

2)采用CAN总线通讯控制的各个执行机构可以精准可靠的进行信息传递，确保无人驾驶系统执行机构的正常运转，保证整车在无人驾驶运行模式下的可靠运行。