Принципы построения системы дистанционного и автономного управления карьерным самосвалом

Д.А. Клебанов, директор по развитию ОАО «ВИСТ Групп»; И.В. Кузнецов, главный инженер ОАО «ВИСТ Групп»; Н.В. Бигель, зам. главного конструктора ОАО «БЕЛАЗ» управляющая компания холдинга «БЕЛАЗ&ХОЛДИНГ»

В настоящее время добыча полезных ископаемых ведется во все более усложняющихся горно-геологических условиях: углубление карьеров, вследствие чего борта карьеров становятся круче, сложные климатические условия – все это существенно затрудняет присутствие человека в зоне ведения горных работ.

Одним из возможных путей решения вышеназванных проблем может стать внедрение безлюдной технологии при ведении открытых горных работ, которые бы обеспечили минимальное присутствие людей непосредственно в забоях. В настоящее время в ведущих горнодобывающих предприятиях наметилась устойчивая тенденция создания и внедрения в рабочей зоне карьера дистанционно-управляемой техники и систем автономных грузоперевозок на основе роботизированных самосвалов. Система автономных грузоперевозок снижает влияние человека на режим управления самосвалом, обеспечивает не только движение по технологической дороге между пунктами загрузки и разгрузки, но и маневрирование в местах разгрузки. Внедрение системы позволяет существенно повысить производительность горнотранспортного комплекса, сократить расходы на техобслуживание, уменьшить энергозатраты. Роботизированные самосвалы уже успешно эксплуатируются в горнодобывающих компаниях Чили и Австралии.

По оценкам зарубежных экспертов, автоматизированное управление работой автотранспорта позволяет повысить его производительность более чем на 20%.

Компьютерный диспетчер

Мировым лидером в разработке и внедрении роботизированных самосвалов является компания Komatsu. Система данного производителя впервые была введена в эксплуатацию на одном из железорудных карьеров компании Rio Tinto в провинции Пилбара в Австралии в 2008 г. К концу 2015 г. компания планирует развертывание в этом регионе системы автономных грузоперевозок с не менее чем 150 роботизированными самосвалами.

Другой ведущий мировой производитель карьерной техники – компания Caterpillar – в настоящее время ведет активные работы по созданию автономной системы грузоперевозок при проведении горных работ. Планами предусмотрен запуск первых демонстрационных образцов в 2015 г.

Центр управления производством 8 горных предприятий будет размещён в г. Эдмонтон (Канада). В сентябре 2012 г. японская компания Hitachi также объявила о планах разработки системы автономных грузоперевозок полного технологического цикла к 2017 г., на основе карьерных самосвалов Hitachi с электроприводом переменного тока. Тестирование данной системы запланировано уже в текущем году.

Анализ реализованных проектов роботизированных карьерных самосвалов ведущих мировых производителей позволяет выделить общую архитектуру программного обеспечения, которая в общем виде состоит из следующих операций:

  • получение и обработка данных с датчиков;
  • объединение и согласование полученных данных;
  • обработка изображений;
  • определение характеристик препятствий, дорожных условий и транспортных средств в направлении движения;
  • определение характеристик дорожного полотна;
  • построение цифровой карты;
  • позиционирование самосвала и определение текущего состояния системы;
  • принятие решений;
  • управление исполнительными устройствами и системами;
  • ведение журнала полученных данных для последующего их анализа.

В системах управления роботизированных карьерных самосвалов программное обеспечение имеет два уровня: нижний, который отвечает за взаимодействие с датчиками и исполнительными устройствами; верхний – отвечает непосредственно за реализацию алгоритма управления машиной.

Для тестирования системы управления самосвалом проводится моделирование поведения алгоритмов. Оптимальная среда для тестов системы управления – Matlab/Simulink, которая позволяет использовать технологию быстрого прототипирования RAD. В данной среде возможно получение Си кода верхнего уровня.

Для разработки программного обеспечения нижнего уровня выбирается среда в зависимости от типа используемых в бортовых контроллерах микропроцессоров и, как правило, язык разработки С/С++ или С#. Для улучшения быстродействия в критических ситуациях могут быть использованы вставки кода на языке Assembler.№4 (110) 2013

В настоящее время для обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции горнодобывающей отрасли, предприятия вынуждены искать пути повышения эффективности производства, в том числе и на основе мирового опыта внедрения безлюдных технологий открытых горных работ с применением роботизированной карьерной техники. С этой целью компанией «ВИСТ Групп» совместно с ОАО «БЕЛАЗ» – управляющей компанией холдинга «БЕЛАЗ-ХОЛДИНГ» в 2010 г. был впервые разработан и представлен в рамках научно-технической конференции «Перспективы развития карьерного транспорта» в апреле 2010 г. дистанционно-управляемый (с удалённого рабочего места оператора) самосвал БелАЗ-75137 грузоподъемностью 130 т с электроприводом постоянного тока (рис. 1).Рис. 1 Карьерный автосамосвал БелАЗ75137, оснащенный системой дистанционного управления и удаленное рабочее место оператора

Рис. 1 Карьерный автосамосвал БелА3-75137, оснащенный системой дистанционного управления и удаленное рабочее место оператора

Разработанная система дистанционного управления самосвалом БЕЛАЗ стала важным шагом на пути к созданию роботизированного карьерного самосвала. Особенность системы заключается в том, что для сохранения ручного режима управления самосвалом задействованные органы управления, исполнительные механизмы и устройства подключены параллельно к соответствующим входам/выходам бортового контроллера.

Система дистанционного управления карьерного самосвала БелАЗ-75137 состоит из бортовой системы управления и рабочего места оператора, оборудованного широкоформатными высококонтрастными жидкокристаллическими дисплеями (рис. 2).008 2

Рабочее место оператора оснащено комфортабельным сиденьем, приборной панелью, рулевым колесом и органами управления как в кабине серийного самосвала. На дисплеях отображается дорожная обстановка в реальном времени. Для имитации присутствия водителя в кабине самосвала обеспечено прослушивание работы дизельного двигателя. Эргономическая конструкция рабочего места водителя позволяет оператору, находящемуся в естественной обстановке симулятора кабины, безопасно управлять самосвалом на расстоянии. На удаленном рабочем месте оператора установлены контроллер, приемопередатчик телеметрической и командной информации, приемник видео- и аудиоинформации с антеннами. На приборной панели установлен выключатель аварийного останова самосвала.

В состав бортового оборудования системы дистанционного управления самосвала входят контроллер, приемо-передающее оборудование беспроводной связи командной и телеметрической информации и передачи видео- и аудиоинформации, видеокамеры переднего и заднего обзора, левого и правого бортов, шаговый двигатель с драйвером для управления положением передних колес через гидроусилитель потока рулевой системы, а также различные датчики.

В рамках данного проекта разработчиками были реализованы алгоритмы управления, обеспечивающие выполнение основных функций самосвала:

  • пуск, остановка и управление оборотами дизельного двигателя;
  • сборка схемы в тяговом режиме;
  • управление электромеханической трансмиссией в соответствии с логикой работы системы управления тяговым электроприводом;
  • поворот управляемых колес в выбранном направлении движения самосвала;
  • управление стояночным тормозом и рабочей тормозной системой;
  • управление опрокидывающим механизмом;
  • управление оборудованием системы освещения, световой и звуковой сигнализации самосвала и управление жалюзи радиатора двигателя, аналогичного штатному;
  • аварийный останов.

Программное обеспечение бортового контроллера и контроллера удаленного рабочего места оператора реализует алгоритм дистанционного управления самосвала путем передачи команд управления по каналу беспроводной связи.

Для повышения безопасности управления предусмотрена система аварийной остановки, которая обеспечивает принудительную остановку самосвала в движении при возникновении нештатных ситуаций с удаленного рабочего места оператора путем включения кнопки аварийной остановки, и автоматическую остановку в движении – при пропадании управляющего канала радиосвязи, зависании бортового контроллера, исчезновении напряжения питания бортовой сети.

В настоящее время на основе опыта создания системы дистанционного карьерного самосвала специалистами компании «ВИСТ Групп» совместно со специалистами «БЕЛАЗ» разработаны система управления, алгоритмы и программное обеспечение прототипа роботизированного карьерного самосвала БелАЗ-75131 с электроприводом постоянного тока. Апробация работоспособности алгоритмов и элементов системы управления в условиях заводского полигона «БЕЛАЗ» в 2012–2013 гг. подтвердила правильность выбранных технических решений, которые уже в настоящее время могут быть внедрены на серийных карьерных самосвалах БЕЛАЗ.008 3

Основным отличием роботизированного самосвала БелАЗ-75131 от самосвала с дистанционным управлением является возможность его работы в автономном режиме под управлением бортового компьютера с более совершенной системой видеобзора и предотвращения столкновений. Оператор, находящийся в удаленном рабочем месте, может обеспечивать управление машиной дистанционно, при необходимости переключаясь с автономного режима или меняя программно траекторию движения самосвала или его маршрут.

При разработке системы управления роботизированного самосвала потребовалось решение следующих задач:

  • обеспечение движения самосвала по выбранному маршруту к месту загрузки или разгрузки в автоматическом режиме на основе данных высокоточной спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС с удаленным контролем прохождения маршрута из рабочего места оператора;
  • разъезд со встречным транспортом и определение препятствий с использованием данных лазерного дальномера и радаров;
  • обеспечение высокой пропускной способности каналов беспроводной передачи данных и устойчивости управления самосвалом с удаленного рабочего места оператора;
  • интеграция с многофункциональной системой диагностики и контроля автосамосвала;
  • сопряжение оборудования системы управления параллельно штатным электрическим цепям бортового оборудования самосвала.

Система управления обеспечивает следующие режимы работы карьерного самосвала:

  • ручное управление из кабины;
  • дистанционное управление с удаленного рабочего места (диспетчерского центра);
  • автономное управление от бортового компьютера;
  • высший приоритет ручного управления перед автоматическим (дистанционным).

Структурная схема совмещенной системы дистанционного и автономного управления роботизированным карьерным самосвалом представлена на рис. 3.

Система управления включает две части:

  • оборудование системы дистанционного управления рабочего места оператора;
  • бортовое оборудование системы дистанционного и автономного управления.

На борту самосвала размещаются бортовой компьютер и контроллер, коммутатор Ethernet, оборудование широкополосной беспроводной передачи данных, двухканальный приемник GPS/ГЛОНАСС оборудования спутниковой системы высокоточной навигации, системы видеообзора и аудиоинформации, предотвращения столкновений и аварийного останова.

На рабочем месте для обеспечения сантиметровой точности позиционирования и автономного движения по записанному маршруту с учетом ширины дороги для данного типа самосвала устанавливается приемник GPS/ГЛОНАСС базовой навигационной станции с точными координатами для передачи поправки в режиме RTK (англ. Real Time Kinematic) на борт самосвала. RTK-поправки от базовой навигационной станции передаются в формате RTCM SC-104 со скоростью не менее 2400 бит/с и задержкой – не более 0,5–2°C.

При движении самосвала на открытой местности прием сигнала осуществляется от 4 до 11–12 спутников одновременно, что обеспечивает его позиционирование и движение по заданной траектории с точностью не хуже ±10 см. В системе управления предусмотрена возможность отображения местоположения самосвала на цифровой карте местности – на дисплее рабочего места оператора.

Для повышения надежности и непрерывности получения навигационной информации при плохих условиях приема сигнала от спутников целесообразна интеграция бортовой навигационной системы на основе приемников GPS/ГЛОНАСС с инерциальными средствами.

Алгоритмы программного обеспечения бортового компьютера управляют контроллером для осуществления движения самосвала с заданной скоростью по выбранному маршруту к месту загрузки или разгрузки в автоматическом режиме на основании данных системы высокоточной спутниковой навигации, обеспечивают снижение скорости и торможение по данным системы предупреждения столкновений, а также аварийные остановки.

В системе видеообзора и аудиоконтроля сигнал с аналоговых камер передается на видеосервер для обеспечения сжатия и передачи потокового видео через широкополосную систему передачи данных. Для отображения видео на дисплеях удаленного рабочего места оператора используется графическая станция. Дисплеи обеспечивают возможность мультиэкранного режима для вывода изображений от нескольких видеокамер на один дисплей и автоматическую коммутацию видеосигналов с видеокамеры переднего обзора на заднюю и наоборот. Кроме того, на одном из дисплеев может отображаться цифровая карта местности с отображением местоположения и координат автономного самосвала.

Для обеспечения безопасного использования техники самосвал оборудован системой предупреждения столкновений, которая на основе видеокамер, радаров и лидара обеспечивает отображение опасных границ на дисплее рабочего места оператора и выдает предупреждающие звуковые сигналы о препятствиях. Если самосвал, работающий в режиме автономного управления, достигает такой границы, на основе данных датчиков обнаружения алгоритм программного обеспечения бортового компьютера активирует функцию остановки (торможение) самосвала для исключения контакта с препятствием. После остановки самосвала и отключения функции дистанционного управления двигатель продолжает работать.

Для обеспечения дистанционного и автономного управления карьерным самосвалом используется система широкополосной беспроводной передачи данных в диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, которая обеспечивает передачу и прием команд управления и сигналов, видео и аудиоинформации, навигационных поправок в режиме RTK, активацию автономного режима и удаленную загрузку в память бортового компьютера маршрутов движения. Для надежности управления самосвалом в дистанционном режиме предусмотрен резервный канал управления на основе оборудования УКВ-радиосвязи диапазона 430–900 МГц.

Система также обеспечивает прием данных о работоспособности самосвала и неисправностях его бортовых систем, поступающих от многофункциональной системы диагностики на режимах холостого хода, пусковых и предпусковых, а в экстренных случаях – и синхронно, с выполнением контроля в процессе движения (рис. 4).008 4

Особенностью многофункциональной системы диагностики самосвала является то, что она представляет собой интегрированную систему, в состав которой входят модуль визуализации и распределенные модули управления, информационный обмен и передача команд между которыми организованы по стандартному протоколу SAE J1939 CAN.

Система обеспечивает решение следующих задач:

  • контроль эксплуатационных и технологических параметров самосвала;
  • диагностика неисправностей систем и оборудования;
  • выдача информации о режимах движения и состоянии самосвала;
  • управление оборудованием системы освещения, световой и звуковой сигнализации;
  • предупреждение о возникновении аварийных режимов работы;
  • защита от аварийных режимов;
  • контроль периодичности технического обслуживания самосвала;
  • хранение информации о неисправностях.

Разработанная система управления роботизированного карьерного самосвала позволяет использовать его в составе погрузочно-доставочного комплекса не только для движения по трассе между пунктами загрузки и разгрузки, но и для маневрирования в местах разгрузки. При этом целесообразно в автономном режиме осуществлять движение по заранее записанному на основе данных спутниковой системы высокоточной навигации маршруту.

Сегодня наиболее сложным является реализация режима автоматического или полуавтоматического маневрирования самосвалов в забоях и местах разгрузки из-за случайного характера траекторий маневрирования и наличия непредвиденных препятствий. Между тем, маневры у бровки отвала в условиях плохого заднего обзора и наличия препятствий отнимают значительное время и связаны с повышенным риском для самосвала, а также с дополнительными затратами времени на маневры. Поэтому в конечных точках погрузки и разгрузки самосвала целесообразно, чтобы всеми маневрами машины управлял оператор с удаленного рабочего места. И только после установки самосвала в заданную позицию, вновь включать автономный режим его работы. При необходимости в память бортового компьютера оператор может дистанционно загружать новый маршрут движения.

В настоящее время разработаны и обоснованы принципы автоматического управления движением и точного определения координат самосвалов, маневрирующих на разгрузочных и перегрузочных площадках карьеров. Задача разработки информационной технологии автоматизации управления маневрами карьерного самосвалов в пунктах разгрузки представляет по существу, совокупность целого ряда сложных подзадач. Необходимо как можно точнее определять положение самосвалов на разгрузочной площадке, управлять их движением, учитывая при этом физические возможности машин, следить за возникновением на площадке нештатных ситуаций и делать многое другое – и всё это без участия человека.

Найденный маршрут должен удовлетворять нескольким требованиям:

  • полное исключение столкновений с машинами, которые движутся или стоят на площадке;
  • обязательное продвижение самосвала к бровке отвала задним ходом;
  • равномерное заполнение отвалов;
  • минимизация времени пребывания самосвала на площадке.

Решение сложной задачи поиска оптимального пути на разгрузочной площадке для отдельного самосвала в ряде научных исследований предлагается возложить на стационарный компьютерный диспетчер (сервер), который планирует его манёвры в автоматическом режиме. Для планирования маневров в реальном времени может применяться метод «мнимых» точек и соответствующий алгоритм с возможными вариантами движения нескольких машин и выбором безопасного кратчайшего пути для каждой машины. Выбор же угла поворота управляемых колес и регулирование скорости движения роботизированного самосвала осуществляется бортовым компьютером.

Компьютерный диспетчер также обеспечивает управление несколькими автономными самосвалами, передавая данные о маршруте, скорости и курсе их следования к точкам погрузки и разгрузки.

Подводя итоги, можно утверждать, что внедрение дистанционно-управляемых и автономных самосвалов для выполнения транспортных работ при добыче полезных ископаемых позволит повысить безопасность труда и эффективность открытых горных работ, минимизировать влияние человеческого фактора, увеличить производительность горнотранспортного оборудования. А для районов с неблагоприятными климатическими условиями и непривлекательными для труда современного человека – уменьшить издержки на развитие бытовой инфраструктуры, а также устранить проблему нехватки квалифицированных водителей большегрузных самосвалов. Специалисты «БЕЛАЗ» начинают проработку концепции большегрузного карьерного самосвала увеличенной грузоподъемности (объема кузова) за счёт устранения кабины из его конструкции. Данная модель может выйти с конвейера в ближайшие 3–5 лет. Но в перспективе такие самосвалы должны заменить традиционные конструкции, так как и в производстве, и в стоимости для заказчика они станут коммерчески обоснованными.

Следующим шагом в автоматизации и повышении производительности горных работ должно стать внедрение роботизированных систем управления всем горнотранспортным комплексом, включающим погрузочную технику (экскаваторы, одноковшовые погрузчики), а также другое технологическое оборудование (бульдозеры, буровые станки, грейдеры, вспомогательный транспорт). Полная автоматизация открытых горных работ станет фактической реализацией концепции «Интеллектуального карьера».

Ключевые слова: работ, полезных, карьеров, горных, ископаемых, добыче, позволит, повысить, транспортных, автономных, внедрение, ведения, дистанционно, управляемых, безопасность, самосвалов, эффективность

Журнал "Горная Промышленность" №4 (110) 2013, стр.8