煤矿地下毫米波雷达点云成像与环境地图导航研究进展
发布时间：2020-12-25 15:45
环境感知与地下空间导航是煤矿智能化信息领域的重要研究方向,对实现无人化、全自动化、智能化的煤矿生产作业至关重要。随着第五代移动通信技术(5th generation mobile networks,5G)和毫米波成像雷达软硬件日益紧密结合与成熟,毫米波探测与通讯应用到更多领域。5G通讯技术依托高速率、低延时、高带宽的特点给现有的无线电通讯技术带来巨大的变革;同时,毫米波雷达相比激光雷达,低成本、抗干扰、三维点云(3 dimension point cloud,3D)数量相对激光点云数量少1～2个数量级的特点,使得其在地下环境3D成像及同步定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)领域得到越来越多的关注。基于5G通讯的V2X(Vehicle to Everything)技术结合毫米波SLAM导航,为煤矿机器人的自主导航提供新的解决方案。系统综述了当下煤矿机器人自主导航以及实现煤矿智能化所面临的问题;近期国内外毫米波成像最新进展;地下环境毫米波雷达模块组通讯与信号获取方法;高分辨率成像遇到的稀疏特征提取问题;稀疏点云的处理策略与算...
【文章来源】：煤炭学报. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
不同场景下车载、机载和移动式毫米波雷达工作示意
随着技术的发展和迭代,单芯片集成化毫米波雷达(MMIC)和虚拟孔径4D成像雷达成为前沿技术。目前,美国TI(Texas Instruments)公司推出首款集成了射频前端、DSP和MCU的RFCMOS单芯片毫米波传感器,在减小尺寸的同时检测空间和速度分辨率提高了3倍,多个芯片级联有效增强了雷达的分辨率[12]。目前,基于方位角、仰角、距离和多普勒等四维数据立方体的4D成像雷达[13],支持2 000多个虚拟通道,实现方位1°、高程2°分辨率,每秒3.6万点云输出。此外,英飞凌、NXP、ADI、安森美、瑞萨等国际半导体公司也在推出毫米波雷达芯片,集成化毫米波芯片的出现大大降低了智能化设备开发难度和成本,预计未来有更多毫米波产业的落地。国内毫米波雷达芯片已经起步,但还需不断地积累核心技术。2.2 5G通讯融合
随着技术不断成熟以及成本不断降低,探测与通讯软硬件一体化设计成为趋势。国际最新IEEE 802.11ad高速无线通讯标准,其帧数据具有良好相关性的重复序列,适合于雷达测距[20-21]。在未来采用共口径天线技术结合分时复用的硬件,可以同时实现探测与高速无线通讯两种功能集成。如图3所示,MCU控制雷达的分时复用,77G射频及V2X射频分别通过共口径天线收发77G的探测毫米波和基于5G通讯的V2X毫米波。下一代无人驾驶不仅需要依赖机器人所配备的毫米波传感器进行环境感知,还需要与其他机器人、路边基础的网络设施(基站)、终端进行5G通讯。单个机器人自身的环境感知与智能车联网V2X的结合可实现无人化、全自动化的大规模机器人的集群作业。如图4所示,在巷道转角处的运输车3对于其他运输车来说是盲区。传统“沿墙壁”反应式导航,在弯道必须减速;SLAM导航重复进入相同环境时,可利用先验离线地图信息,提前动作应对弯道等路况;如果弯道处有车辆3的存在,那么前2种方法均会失效,只有通过V2X获取车辆3的速度、位置信息和动作方向,才可以更好的规划路径,保证行驶安全。
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G技术在煤矿智能化中的应用展望[J]. 王国法,赵国瑞,胡亚辉. 煤炭学报. 2020(01)
[2]煤矿机器人体系及关键技术[J]. 葛世荣,胡而已,裴文良. 煤炭学报. 2020(01)
[3]车载毫米波雷达目标检测与定位技术研究[J]. 于渊,郑银香,赵成林,魏子平,陶艺文,李斌. 移动通信. 2019(11)
[4]智慧矿山与5G和WiFi6[J]. 孙继平,陈晖升. 工矿自动化. 2019(10)
[5]煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究[J]. 杨林,马宏伟,王岩,王川伟,张珍珍. 工矿自动化. 2019(09)
[6]煤炭智能化无人开采的现状与展望[J]. 李首滨. 中国煤炭. 2019(04)
[7]智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J]. 王国法,赵国瑞,任怀伟. 煤炭学报. 2019(01)
[8]改进粒子群算法的三维空间路径规划研究[J]. 杨超杰,裴以建,刘朋. 计算机工程与应用. 2019(11)
[9]地下矿用车辆无人驾驶目标路径规划方法研究[J]. 石峰,郭鑫,龙智卓,李恒通,姜勇,赵继平,宁媛松. 矿冶. 2018(04)
[10]煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J]. 王国法,张德生. 中国矿业大学学报. 2018(03)
硕士论文
[1]77GHz微带阵列天线的研究[D]. 段雷.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：2937948
【文章来源】：煤炭学报. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
不同场景下车载、机载和移动式毫米波雷达工作示意
随着技术的发展和迭代,单芯片集成化毫米波雷达(MMIC)和虚拟孔径4D成像雷达成为前沿技术。目前,美国TI(Texas Instruments)公司推出首款集成了射频前端、DSP和MCU的RFCMOS单芯片毫米波传感器,在减小尺寸的同时检测空间和速度分辨率提高了3倍,多个芯片级联有效增强了雷达的分辨率[12]。目前,基于方位角、仰角、距离和多普勒等四维数据立方体的4D成像雷达[13],支持2 000多个虚拟通道,实现方位1°、高程2°分辨率,每秒3.6万点云输出。此外,英飞凌、NXP、ADI、安森美、瑞萨等国际半导体公司也在推出毫米波雷达芯片,集成化毫米波芯片的出现大大降低了智能化设备开发难度和成本,预计未来有更多毫米波产业的落地。国内毫米波雷达芯片已经起步,但还需不断地积累核心技术。2.2 5G通讯融合
随着技术不断成熟以及成本不断降低,探测与通讯软硬件一体化设计成为趋势。国际最新IEEE 802.11ad高速无线通讯标准,其帧数据具有良好相关性的重复序列,适合于雷达测距[20-21]。在未来采用共口径天线技术结合分时复用的硬件,可以同时实现探测与高速无线通讯两种功能集成。如图3所示,MCU控制雷达的分时复用,77G射频及V2X射频分别通过共口径天线收发77G的探测毫米波和基于5G通讯的V2X毫米波。下一代无人驾驶不仅需要依赖机器人所配备的毫米波传感器进行环境感知,还需要与其他机器人、路边基础的网络设施(基站)、终端进行5G通讯。单个机器人自身的环境感知与智能车联网V2X的结合可实现无人化、全自动化的大规模机器人的集群作业。如图4所示,在巷道转角处的运输车3对于其他运输车来说是盲区。传统“沿墙壁”反应式导航,在弯道必须减速;SLAM导航重复进入相同环境时,可利用先验离线地图信息,提前动作应对弯道等路况;如果弯道处有车辆3的存在,那么前2种方法均会失效,只有通过V2X获取车辆3的速度、位置信息和动作方向,才可以更好的规划路径,保证行驶安全。
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G技术在煤矿智能化中的应用展望[J]. 王国法,赵国瑞,胡亚辉. 煤炭学报. 2020(01)
[2]煤矿机器人体系及关键技术[J]. 葛世荣,胡而已,裴文良. 煤炭学报. 2020(01)
[3]车载毫米波雷达目标检测与定位技术研究[J]. 于渊,郑银香,赵成林,魏子平,陶艺文,李斌. 移动通信. 2019(11)
[4]智慧矿山与5G和WiFi6[J]. 孙继平,陈晖升. 工矿自动化. 2019(10)
[5]煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究[J]. 杨林,马宏伟,王岩,王川伟,张珍珍. 工矿自动化. 2019(09)
[6]煤炭智能化无人开采的现状与展望[J]. 李首滨. 中国煤炭. 2019(04)
[7]智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J]. 王国法,赵国瑞,任怀伟. 煤炭学报. 2019(01)
[8]改进粒子群算法的三维空间路径规划研究[J]. 杨超杰,裴以建,刘朋. 计算机工程与应用. 2019(11)
[9]地下矿用车辆无人驾驶目标路径规划方法研究[J]. 石峰,郭鑫,龙智卓,李恒通,姜勇,赵继平,宁媛松. 矿冶. 2018(04)
[10]煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J]. 王国法,张德生. 中国矿业大学学报. 2018(03)
硕士论文
[1]77GHz微带阵列天线的研究[D]. 段雷.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：2937948
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wltx/2937948.html
