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矿山智驾如何解决定位问题?

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[首发于智驾最前沿微信公众号]最近在和小伙伴交流时,他提到矿山智驾的使用场景很偏,对此,智驾最前沿想到一个问题,矿山智驾是如何解决定位问题的?

其实之前和大家聊乘用车智驾时,很少会把定位当核心问题来讨论,因为乘用车行驶的环境相对稳定,卫星信号也基本可靠。

但到了矿山,情况完全不同。

矿坑深度、复杂地形、粉尘以及不断变化的运输道路,都会让定位变得更加困难。

尤其对于无人矿卡来说,大概知道自己在哪里远远不够。

车辆需要持续知道自己的位置、姿态以及相对于道路和其他设备的关系,而且即使某一种定位手段失效,也不能让整个系统失去位置判断能力。

因此,当前矿山智驾的定位思路,已经不是依赖某一种设备就可以的。

而是需通过全球导航卫星系统(GNSS)、惯性测量单元(IMU)、激光雷达、轮速以及地图等多种信息进行融合。

01

为什么矿山定位更难?

在露天矿中,GNSS,特别是基于实时动态定位(RTK)的高精度卫星定位,仍然是很多无人矿卡的重要定位手段。

在开阔区域,它可以提供较高精度的绝对位置。



图片源自:网络

但矿坑越深,周围矿壁越高,卫星信号就越容易受到遮挡和多路径效应影响。

车辆一旦进入GNSS信号较差的区域,定位精度就可能明显下降,甚至出现短时间失锁。

更麻烦的是,矿山道路本身还在不断变化。

采掘推进、道路调整和排土区域变化,都会让原来的环境发生改变。

所以矿山定位面对的实际上是两个问题。

一是车辆在整个矿区的绝对位置;二是卫星信号变差以后,车辆还能不能连续知道自己走到了哪里。

02

GNSS提供全局位置

IMU负责保持连续

IMU是矿山定位系统里非常重要的一环。

IMU通过陀螺仪和加速度计持续测量车辆的运动和姿态变化。

它本身并不知道车辆在矿区地图上的准确坐标,但可以在GNSS暂时不可用时,根据车辆之前的状态继续推算运动。

它最大的价值不是绝对精度,而是连续性。



图片源自:网络

但IMU也存在明显问题,随着时间推移,其惯性测量误差会不断累积。

所以,IMU不能长期单独承担定位任务,更可靠的做法是利用GNSS对其进行周期性校正。

这样一来,GNSS负责告诉车辆在什么地方,IMU则负责在短时间内保证车辆知道自己怎么移动。

03

激光雷达解决卫星看不到的问题

当GNSS失效后,车辆还可以利用激光雷达判断自己在哪里。

激光雷达会持续扫描周围环境,形成三维点云。

矿坑边坡、岩石、道路设施等环境特征,都可以成为定位参考。

系统将实时扫描到的点云与已有地图进行匹配,就能够估计车辆当前的位置和姿态。



图片源自:网络

这类技术本质上与激光雷达SLAM以及激光雷达与IMU融合的LIO技术有关。

近年来,针对矿山无人运输车辆的研究,也越来越重视这种GNSS受限环境下的激光雷达与IMU协同定位。

对于地下矿山来说,这种技术非常重要,因为地下巷道本身就不存在稳定的GNSS信号。

因此,激光雷达在矿山智驾里不仅负责看障碍物,也承担着给车辆定位的任务。

04

UWB补齐地下矿山的绝对坐标

对于露天矿来说,GNSS信号虽然会受遮挡,但毕竟还有。

可到了地下矿山,GNSS信号完全不存在,这时候就需要其他手段来提供绝对位置的参考。

UWB(超宽带)就是其中一种重要的补充方案。



图片源自:网络

它需要在巷道顶部或侧壁每隔一段距离部署固定基站,车辆上安装UWB标签。

通过测量标签与多个基站之间信号的飞行时间,系统就能计算出车辆在矿井坐标系中的精确位置,精度通常在10cm~30cm。

它最大的价值是,无需依赖卫星,在地下也能提供绝对坐标参考,可以周期性校正IMU累积的漂移误差。

但它需要提前布设基站,覆盖范围越大部署成本越高。

在长直巷道中信号容易因岩壁反射产生多径干扰,所以还需要与IMU、激光SLAM等技术融合使用。

05

真正关键的是多源融合

但如果将矿山定位简单理解成RTK+IMU+激光雷达是完全不对的。

真正关键的技术其实是融合。

在开阔区域,GNSS信号可靠,系统可以更多依赖GNSS提供全局位置。

进入深坑后,GNSS质量下降,激光雷达和IMU的重要性提高。

如果某一段环境缺少明显特征,激光雷达匹配也可能变得困难,这时就需要依靠IMU、轮速等信息维持短时间的连续定位。

而到了地下矿山,GNSS完全不可用,UWB接过提供绝对坐标的任务,与激光SLAM和IMU组合形成另一套定位方案。



图片源自:网络

也就是说,系统并不是固定依赖某一个传感器,而是在不同环境下动态利用不同的信息。

此外,矿山的定位系统还越来越重视定位是否可信。

如果GNSS突然跳点,或者激光雷达匹配结果与IMU明显冲突,系统需要及时识别定位异常。

而不是继续向规划和控制系统输出一个看起来很精确、实际上已经错误的位置。

对于矿山无人驾驶来说,追求可靠甚至比单纯追求厘米级精度更加重要。

06

从高精度定位走向高可靠定位

所以,矿山智驾真正需要的,并不是一个永远不会出错的定位传感器,而是一套能够适应复杂环境的定位系统。

GNSS负责提供全局坐标,IMU保证短时间运动连续性,激光雷达利用环境特征进行定位修正,轮速等信息进一步提供运动约束,地图则提供整个矿区的空间参考。

对于地下矿山,还可能进一步结合UWB等基础设施定位技术,弥补卫星信号完全不可用的问题。

这种多源融合的思路,已经成为矿山智驾定位发展的重要方向。

对于一辆需要长期无人运行的矿卡来说,真正重要的问题从来不是定位有多准。

而是当环境发生变化、某一种传感器出现问题时,车辆还能不能继续可靠地知道自己在哪里。

这也是矿山智驾定位与乘用车智驾定位最大的区别。

乘用车智驾定位是在相对稳定的城市道路环境中追求更准,而矿山智驾定位是在极端不确定的环境中追求不断连、更可靠。

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