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无人驾驶卡车的研究从露天矿运矿卡车起步

来源:杏彩体育账号    发布时间:2024-07-09 18:02:25

  无人驾驶卡车的研究比大都数人想象的还要早,1939年美国通用汽车公司就在纽约世博会上向世人展示了全球第一辆无人驾驶汽车。从20世纪70年代开始,美国、英国、德国等发达国家开始做无人驾驶汽车的研究,在可行性和实用化方面都取得了突破性的进展。中国从20世纪80年代开始做无人驾驶汽车的研究,国防科技大学在1992年成功研制出中国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。但迄今为止,并未有在城市道路或高速路上真正投入商业运行的无人驾驶汽车。

  当我们谈及无人驾驶汽车时,主要关注的是私人乘用车市场或公共交通。但在其他场合,无人驾驶车辆早已使用,比如,露天采矿的矿山、港口等行业都是已经很成熟的市场,其中很大一部分原因是因为这一些场合是处于围栏概念的限定区域。

  2014年,SAE International(国际汽车工程师协会)就制订了一套无人驾驶汽车分级标准,将其分为L0-L5几个等级。行业内有专家觉得SAE分级之外,有必要再加一个维度,也就是按照地理围栏(Geofence)的概念,进行Geo1~-Geo5的简单分级(见表1)。随着数据的积累和技术的提升,无人车可行驶区域从Geo1矿区无人车少到Geo5基本没围栏,逐步放大区域并最终实现自主驾驶,这种分级显得更为科学。

  进入无人驾驶行业的公司,无疑都看到了在Geo1单一场景下可能会最先实现无人驾驶,然后逐步过渡到复杂场景下的无人驾驶。而且低速车、限定场景的无人驾驶,也会更易得到政府的示范运营许可证或者根本不需要运营许可证。所以,在矿山,特别是在露天矿山,不仅单台卡车早已实现无人驾驶上路运营,而且是以数十辆这样的车队规模成年累月地投入运营。

  为什么需要无人驾驶?首先是人累了,需要休息,我们大家都希望汽车能一直运行;其次是工作条件极其恶劣甚至危险,人不宜在此条件下工作,我们大家都希望能有替代人工作的设备;第三人不可能任何一个时间里精力百分之百集中,而精力不集中就有几率发生误操作甚至事故,我们大家都希望采用任何一个时间里精力都能百分之百集中的设备。

  卡车作为生产力工具,促进其自动化的一个最主要的因素是“钱”。矿山作业十分艰苦枯燥,驾驶员招聘困难,管理运输成本很高。据说国外露天矿卡车司机的年薪是20万美元,国内驾驶员平均薪资低很多,但也要1万元/月,每年一个驾驶员工资支出就是12万,如果要三班倒加休假,那一辆车最少4个驾驶员,每年一辆车驾驶员工资就高达近50万。如能实现卡车无人驾驶,一年仅工资节省的费用就非常可观。

  据介绍,我国仅鄂尔多斯地区的露天矿就有数百家,其中大型露天煤矿7家,每个中小型煤矿需要车辆100台以上,司机200人以上,在这里潜藏着广阔的无人驾驶行业需求。

  以日本小松(KOMATSU)公司为例,其卡车无人驾驶主要是通过自动化运输系统(Autonomous Haulage Sys-tem,AHS)实现的,系统用控制装置、GPS卫星、无线通信技术和软件来取代原来坐在驾驶室内的司机(见图1)。

  首先,露天矿山无人驾驶卡车应该是卡车智能调度系统的一部分,在整个卡车智能调度系统的调度下,实现以下分步操作:

  1)由装备了高精度定位能力GPS系统的车队监测中心控制装置管理,为每辆车指定装载机的位置和运输路线,车辆通过接收无线指令以合适的速度按照目标路线)卡车由GPS、监测中心控制装置无线指令和其它导引装置来确定车辆在矿山的准确坐标并了解周围的情况,使得卡车能在无人操作的情况下实现复杂的装载、运输和卸载循环的自动运行;

  或装载机来计算并引导卡车至正确的位置,由装载机自动进行装载;4)卸载时,监测中心控制装置发送卸载点的位置和路线信息,卡车在相应设备引导下到达卸载点,准确进行卸载;

  5)安全方面,在AHS运行下如果障碍物侦测系统发现行走路线上有其它车辆或人,卡车就会马上减速或停车。

  在无人驾驶卡车上,通常装备有以视觉为主的多融合传感器,包括摄像头、激光雷达和毫米波雷达等传感器。其中,主要基于摄像头实现环境感知,以激光雷达和毫米波雷达等其他传感器来提升系统冗余度。通过系统配备的深度学习感知算法,能做到让摄像头像人眼一样实时感知行车旁边的环境,检测和跟踪视野中的各种物体,能够对可视场景进行像素级的解读。

  矿山卡车无人驾驶的研究早在20世纪七十年代就开始了,但最近一段时间进展很慢。而近二十多年来进展加快,以下介绍在露天矿山国外无人驾驶卡车的试验和应用情况。

  日本小松公司第一辆77t无人驾驶卡车首先在日本一家水泥公司的采石场试验,用雷达检测障碍物,最大工作速度36km/h,1996年又在澳大利亚昆士兰矿山使用。1996年,小松公司5辆无人驾驶卡车在西澳大利亚投入运行,采用架线次/s的偶合脉冲激光校准制导和GPS定位系统准确地引导卡车,以cm级精度在矿区道路上运行。2005年,小松公司在智利的铜矿开始做无人运输系统的试验,当时并没有为无人驾驶研制新型卡车,而是采用现有车型,为其安装了多种传感器、控制器和通信组件等设备,确保其可在指令之下自动行驶。而总系统还需要地面控制中心、通信基站等设备,并在导航卫星的支持下工作。

  2008年年底,力拓(Rio Tinto)公司位于澳大利亚的几座铁矿也开始运营小松公司的无人驾驶卡车。位于澳大利亚西北部的皮尔巴拉(Pilbara)地区是闻名于世的铁矿石产区,运输铁矿石的卡车每天24小时不间断地在广袤而空旷的褐红色土地上飞驰(见图2、图3)。而这些两三层楼高的卡车没有驾驶员,也没有随车人员,一切全由1500公里外珀斯市的计算机控制中心来远程控制(见图4)。迄今为止,力拓集团在澳大利亚4个矿山中启用了73辆无人驾驶卡车。

  到2017年底,小松公司在澳大利亚、南北美洲的6座矿山,包括铜、铁和油砂,无人驾驶卡车总数超过100台,累计运输了十五亿吨的物料。这些车辆以及系统在安全性、生产力、环境耐受性和系统灵活性方面经受了考验。

  此外,小松还计划增强无人运输系统在混合型车队的应用能力,即一个车队中同时运行有人驾驶和无人驾驶卡车,这有利于现有矿山慢慢地过渡到全自动矿山。

  2016年,小松发布一款无人驾驶矿用卡车(见图5),直接取消了卡车上的司机驾驶室。新设计的车身重量被平均分配到了四个轮子上,同时还配备四轮驱动和四轮转向,卡车有更好的控制性和可操作性,从而将无人驾驶的概念执行得十分彻底。该车长15m,有效荷载为230t,上限功率2700马力,最高时速可达64km/h。

  小松(中国)投资有限公司是株式会社小松制作所在中国的全资海外子公司,成立于2001年2月,公司总部在上海市。株式会社小松制作所是一家有着80多年历史的全球著名的工程机械制造公司,同时还涉足电子工程、环境保护等高科技领域。小松(中国)投资有限公司秉承日本总公司面向全球的发展的策略思想,把“质量和信赖”作为公司最重要的经营理念,以使用户得到满足需求为宗旨,提供高品质的产品和服务为已任。公司自成立以来,先后在全国范围内设立了7个地区办事处,分别协助遍布各省、市、自治区的小松产品代理商,进行整机销售、服务及零配件供应等相关业务的工作,更好地服务于广大的小松用户。

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