自主智能无人机在地下矿山测量中的应用(上)

　　摘要

　　自主智能无人机应用于地下矿山采场和井巷工程的三维空间数据采集，具有安全、高效、简便等不可替代的优势。与现有的空区测量技术以及传统的激光扫描技术相比，无人机采集数据时间更短，同时将人员暴露在危险区域的机会降至最低，可以极大提高矿山作业安全和生产效率，已经在很多国内外许多矿山获得成功应用案例。该项自主智能无人机创新技术来自于澳洲科学与工业研究组织CSIRO旗下的翼目神公司，已经被天河道云(北京)科技有限公司成功引进国内地下矿山，备受客户好评。

　　一、无人机简史：A Brief History of UAV

　　无人机，包括无人飞行器(UAV)和微型飞行器(MAV)，已用于多种民用和军事应用以及任务。这些无人飞行系统能够根据其任务类型携带不同的传感器，例如声音，视觉，化学和生物传感器。为了提高无人机的性能和效率，研究人员将注意力集中在无人机的设计优化上，从而导致开发和制造各种类型的具有多种功能的飞行器。

　　空中交通工具用于工业应用的历史可以追溯到19世纪。1860年，气球用于遥感目的拍照。在1903年，将带有手持式航拍相机的鸽子用于摄影。在第一次世界大战开始时，开发了被称为无人机起源的空中鱼雷。以下是无人机发展里程碑历史事件，可称之为无人机简史：

　　1900年

　　美国科学家特斯拉(对，马斯克的新能源电动汽车公司就是以他的名字命名的)提出将雷达与无线电通讯相结合的遥控无人机设想。

　　1915年

　　第一次世界大战中，英国航空侦察机探测德国铁路情况，拍得1500多张照片。

　　1918年

　　一战结束，美国根据特斯拉理论，研制出第一架无人机(空中鱼雷)。飞行距离80公里。但准确率很低。

　　1940年

　　第二次世界大战中，美军使用15,000架目标无人机，训练炮兵。

　　1950年

　　美国国防公司研发军事监视无人机，后来用于越南战争。

　　1982年

　　以色列以无人机担任侦察，情报收集，跟踪和通讯军事任务。

　　1980、90年以后

　　美国RQ-4全球鹰、 MQ-1捕食者用于海湾战争、阿富汗战争。

　　进入21世纪，随着轻型复合材料的广泛应用，卫星定位系统的成熟，电子与无线电控制技术的改进，尤其是多旋翼无人机结构的出现，无人机行业进入井喷式快速发展阶段。

　　随着无人机研发技术逐渐成熟，制造成本大幅降低，无人机在各个领域得到了广泛应用，除军事用途外，还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域，且其适用领域还在迅速拓展。

　　图 用于测量测绘任务的无人机

　　二、地下矿山测量需要自主智能无人机

　　伴随着浅部矿产资源开采程度的提高，国内外矿山正逐步走向深部开采阶段。深部开采带来的岩层高应力会对巷道和采场的围岩造成破坏;另外深部矿山造成的高温、有毒有害气体的环境条件，进一步恶化了井下生产设备和井巷设施的使用条件。

　　深部矿山安全生产一方面要求管理人员需要更加掌握现场测量数据，另一方面更是增加了测量人员采集数据的作业难度和风险。因此，人们把希望转向为测量测绘行业带来根本性技术变革的无人机。

　　然而，无人机在地下空间测绘尤其是地下矿山测量的应用却受到极大限制。首先，用于无人机定向和导航的GPS信号在地下空间不发生作用;其次，地下空间的可见度很低或等于零。因此，地下矿山测量迫切需要无人机能够具备地下空间环境的智能识别能力，以便于进行自主导航和智能测量。

　　社会需求永远是推动技术发展的动力。“社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”(恩格斯语)。于是，专门应用于地下矿山测量的、基于SLAM的自主导航无人机机载激光扫描技术应运而生。

　　采用无人机机载激光扫描仪采集地下矿山作业区域的数据，便于矿山管理者和技术人员掌握地下巷道和采场的岩石破坏以及作业环境变化，为地下矿山安全生产提供科学有效的技术支持。

　　2.1地下矿山测量难题：危险、耗时、失真

　　地下矿山有些人员难以进入的区域如放矿口、溜井、采空区、爆破后的采场的测量，需要专门的测量仪器设备。由于地下矿山作业条件恶劣，对井下测量工作造成极大不便。矿山测量人员需要对采场、采空区等危险区域进行定期测量，以便掌握作业环境的变化，及时发现危险因素。以前这些测量都是需要人员进入并手动测量，条件十分艰苦，数据采集过程伴有极大的安全隐患。

　　前几年一些矿山引进的基于激光扫描技术的空区测量系统，在帮助矿山管理人员掌握采场和采空区的真实情况方面，曾经发挥了积极作用。传统激光测量系统通常由一个连接在延伸杆上的三维激光扫描仪组成，能够为采场和采空区内部情况和围岩破坏情况提供最佳的三维测量数据。但是，传统激光测量系统最大的不足之处之一是扫描非常耗时，而且经常需要重复扫描。更重要的是，为了提高测量覆盖范围，需要把测量设备尽可能远地伸入采场，并要求测量人员在靠近放矿点或采场工作;测量结束，测量人员必须把扫描仪收回。由于空区测量洞口的顶板及地面缺乏足够的安全保护，操作测量延伸杆的作业人员的人身安全不能得到充分保证，并且严重影响作业效率。

　　图 传统激光测量设备测量位置示意

　　尤其是对于大型采场和空区的全覆盖测量，传统激光测量方法需要通过周边多个入口进行扫描。每次扫描需要30分钟到1小时的时间来设置和完成，还不包括扫描地点之间的设备和人员运输时间。此外，测量数据后处理工作量也很大。因此，每个采场或空区的测量时间耗时数日甚至数周的时间。

　　传统激光测量系统的另一个不足之处是，扫描点云数据中空间点密度不均匀，扫描覆盖范围不完全，某些区域存在扫描死角，从而造成数据失真。这就大大地降低了数据的价值，不利于岩土稳定性分析、工程量计算以及生产数据整合分析。

　　图 传统激光测量系统扫描死角示意图

　　传统激光测量系统虽然不失为可用的采场和空区测量手段，但是既耗时、危险，并且精准程度与存在着问题，从而降低地下矿山生产月进度测量报告效率和质量，影响正常的生产调度计划编制。

　　由此可见，地下矿山测量的人力成本和安全风险都是极高的，而这些因素又会影响测量工作的质量和频次，最终会对安全生产带来重大不利影响。

　　2.2地下矿山无人机测量技术

　　澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO旗下的翼目神高科技公司研制成功地下无人机智能测量技术，可以使测量人员停留在安全区域，并尽可能减少靠近危险或不可进入区域的测量作业时间，从而降低安全风险。该方案由商用无人机、激光雷达传感器和机载电脑组成硬件系统;拥有SLAM (Simultaneous Localization And Mapping，即同步定位与地图绘制)专有核心IP快速计算技术，可以为无人机自主导航实时路径规划提供定位、避障及周边空间信息。矿山测量人员无需进入任何危险区域，就可以快速得到高质量的地下空间测量数据。

　　图 翼目神Hovermap模块：基于SLAM的多功能移动激光扫描解决方案

　　翼目神Hovermap基于先进的机器人自主技术，可捕捉近360˚ ×360˚ 的视场角;其先进的实时SLAM算法用于无人机测图、导航、防碰撞和定位，实现无人机在无GPS信号的地下空间的自主飞行和自动避障。

　　翼目神Hovermap自主智能无人机，具备先进的防碰撞和自主智能飞行功能，可以实现超视距(BVLOS)飞行、复杂地下空间飞行能够对任何地下区域进行无死角、高分辨率扫描;可以在几分钟内采集到高分辨率激光扫描点云数据和图像数据，为采矿和岩土工程师提供高质量的空间体量和岩层结构数据，提高了矿山安全生产的决策能力，帮助提高生产进度。

　　根据无人机技术的发展，目前大型采场、采空区(100米)也能在5分钟内完成测绘作业。飞行速度大概控制在1–2米/秒的范围。

　　图 翼目神Hovermap自主智能无人机

　　飞行中采集的SLAM数据被用来提供自主导航、防碰撞、定位以及保持飞行能力和调节飞行速度。SLAM数据后处理输出，可以提供具有多个属性的高分辨率点云数据，数据格式为*.las、*.laz(1.2或1.4)*.dxf或*.ply等，注册到矿山本地坐标系，可以进行可视化分析计算。

　　有了带有激光扫描测图功能的自主智能无人机，矿山测量人员和岩土工程师可以快速、安全地检查地下巷道、采场和采空区，把对正常生产的干扰降低到最小程度。

　　天河道云矿山测量技术团队曾经把翼目神Hovermap地下无人机测量技术与传统CMS空区测量技术进行了技术比较，发现无人机测量无论在测量准备、扫描时间、覆盖范围、数据质量和后处理便利性方面都远远超过CMS系统。

　　2.3多功能移动测量解决方案

　　翼目神Hovermap多功能移动测量系统，除了支持无人机自主智能飞行，还可以方便地支持有其他各种移动平台：车载、手持、背包、绞车等。

　　多功能移动测量方案

　　【自主智能激光扫描无人机】

　　多功能移动测量方案

　　【车载激光扫描仪】

　　多功能移动测量方案

　　【手持激光扫描仪】

　　多功能移动测量方案

　　背包激光扫描仪

　　翼目神Hovermap自主智能飞行测量技术已经在世界著名矿企例如澳洲BHP奥利匹克坝矿、北星Jundee金矿、加拿大萨德伯里镍矿、巴里克黄金集团阳光矿、瑞典LKAB旗下各矿、印尼Pertamina公司等得到成功应用。

　　图 自主智能无人机测量技术 在国外地下矿山的应用实例

　　图 翼目神地下矿山无人机国外客户

　　天河道云(北京)科技有限公司作为翼目神在中国的业务合作伙伴代理商，早在2019年9月就在大红山铁矿进行了国内地下矿山首飞。目前已经在中国黄金集团、山东黄金集团、江铜集团、昆钢集团等著名矿企旗下各矿山得以成功应用。

　　图 地下无人机测量技术在国内矿山的应用实例

　　图 翼目神地下矿山无人机国内客户

　　作者简介

　　孟丹：天河道云(北京)科技有限公司首席科学家兼副总经理，中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心专家，加拿大北方先进矿业技术中心执行主任兼首席咨询顾问。