摘要

Hovermap（翼目神）自主智能無人機應用于地下礦山采場和井巷工程的三維空間數(shù)據(jù)采集，具有安全、高效、簡便等不可替代的優(yōu)勢。與現(xiàn)有的空區(qū)測量技術以及傳統(tǒng)的激光掃描技術相比，無人機采集數(shù)據(jù)時間更短，同時將人員暴露在危險區(qū)域的機會降至最低，可以極大提高礦山作業(yè)安全和生產(chǎn)效率，已經(jīng)在很多國內外許多礦山獲得成功應用案例。該項自主智能無人機創(chuàng)新技術來自于澳洲科學與工業(yè)研究組織CSIRO旗下的翼目神公司，已經(jīng)被天河道云（北京）科技有限公司成功引進國內地下礦山，備受客戶好評。

一

無人機簡史：A Brief History of UAV

無人機，包括無人飛行器（UAV）和微型飛行器（MAV），已用于多種民用和軍事應用以及任務。這些無人飛行系統(tǒng)能夠根據(jù)其任務類型攜帶不同的傳感器，例如聲音，視覺，化學和生物傳感器。為了提高無人機的性能和效率，研究人員將注意力集中在無人機的設計優(yōu)化上，從而導致開發(fā)和制造各種類型的具有多種功能的飛行器。

空中交通工具用于工業(yè)應用的歷史可以追溯到19世紀。1860年，氣球用于遙感目的拍照。在1903年，將帶有手持式航拍相機的鴿子用于攝影。在第一次世界大戰(zhàn)開始時，開發(fā)了被稱為無人機起源的空中魚雷。以下是無人機發(fā)展里程碑歷史事件，可稱之為無人機簡史：

1900年

美國科學家特斯拉（對，馬斯克的新能源電動汽車公司就是以他的名字命名的）提出將雷達與無線電通訊相結合的遙控無人機設想。

1915年

第一次世界大戰(zhàn)中，英國航空偵察機探測德國鐵路情況，拍得1500多張照片。

1918年

一戰(zhàn)結束，美國根據(jù)特斯拉理論，研制出第一架無人機（空中魚雷）。飛行距離80公里。但準確率很低。

1940年

第二次世界大戰(zhàn)中，美軍使用15,000架目標無人機，訓練炮兵。

1950年

美國國防公司研發(fā)軍事監(jiān)視無人機，后來用于越南戰(zhàn)爭。

1982年

以色列以無人機擔任偵察，情報收集，跟蹤和通訊軍事任務。

1980、90年以后

美國RQ-4全球鷹、 MQ-1捕食者用于海灣戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭。

進入21世紀，隨著輕型復合材料的廣泛應用，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的成熟，電子與無線電控制技術的改進，尤其是多旋翼無人機結構的出現(xiàn)，無人機行業(yè)進入井噴式快速發(fā)展階段。

隨著無人機研發(fā)技術逐漸成熟，制造成本大幅降低，無人機在各個領域得到了廣泛應用，除軍事用途外，還包括農業(yè)植保、電力巡檢、警用執(zhí)法、地質勘探、環(huán)境監(jiān)測、森林防火以及影視航拍等民用領域，且其適用領域還在迅速拓展。

圖用于測量測繪任務的無人機

二

地下礦山測量需要自主智能無人機

伴隨著淺部礦產(chǎn)資源開采程度的提高，國內外礦山正逐步走向深部開采階段。深部開采帶來的巖層高應力會對巷道和采場的圍巖造成破壞；另外深部礦山造成的高溫、有毒有害氣體的環(huán)境條件，進一步惡化了井下生產(chǎn)設備和井巷設施的使用條件。

深部礦山安全生產(chǎn)一方面要求管理人員需要更加掌握現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，另一方面更是增加了測量人員采集數(shù)據(jù)的作業(yè)難度和風險。因此，人們把希望轉向為測量測繪行業(yè)帶來根本性技術變革的無人機。

然而，無人機在地下空間測繪尤其是地下礦山測量的應用卻受到極大限制。首先，用于無人機定向和導航的GPS信號在地下空間不發(fā)生作用；其次，地下空間的可見度很低或等于零。因此，地下礦山測量迫切需要無人機能夠具備地下空間環(huán)境的智能識別能力，以便于進行自主導航和智能測量。

社會需求永遠是推動技術發(fā)展的動力?！吧鐣坏┯屑夹g上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。”（恩格斯語）。于是，專門應用于地下礦山測量的、基于SLAM的自主導航無人機機載激光掃描技術應運而生。

采用無人機機載激光掃描儀采集地下礦山作業(yè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，便于礦山管理者和技術人員掌握地下巷道和采場的巖石破壞以及作業(yè)環(huán)境變化，為地下礦山安全生產(chǎn)提供科學有效的技術支持。

2.1

地下礦山測量難題：危險、耗時、失真

地下礦山有些人員難以進入的區(qū)域如放礦口、溜井、采空區(qū)、爆破后的采場的測量，需要專門的測量儀器設備。由于地下礦山作業(yè)條件惡劣，對井下測量工作造成極大不便。礦山測量人員需要對采場、采空區(qū)等危險區(qū)域進行定期測量，以便掌握作業(yè)環(huán)境的變化，及時發(fā)現(xiàn)危險因素。以前這些測量都是需要人員進入并手動測量，條件十分艱苦，數(shù)據(jù)采集過程伴有極大的安全隱患。

前幾年一些礦山引進的基于激光掃描技術的空區(qū)測量系統(tǒng)，在幫助礦山管理人員掌握采場和采空區(qū)的真實情況方面，曾經(jīng)發(fā)揮了積極作用。傳統(tǒng)激光測量系統(tǒng)通常由一個連接在延伸桿上的三維激光掃描儀組成，能夠為采場和采空區(qū)內部情況和圍巖破壞情況提供最佳的三維測量數(shù)據(jù)。但是，傳統(tǒng)激光測量系統(tǒng)最大的不足之處之一是掃描非常耗時，而且經(jīng)常需要重復掃描。更重要的是，為了提高測量覆蓋范圍，需要把測量設備盡可能遠地伸入采場，并要求測量人員在靠近放礦點或采場工作；測量結束，測量人員必須把掃描儀收回。由于空區(qū)測量洞口的頂板及地面缺乏足夠的安全保護，操作測量延伸桿的作業(yè)人員的人身安全不能得到充分保證，并且嚴重影響作業(yè)效率。

圖傳統(tǒng)激光測量設備測量位置示意

尤其是對于大型采場和空區(qū)的全覆蓋測量，傳統(tǒng)激光測量方法需要通過周邊多個入口進行掃描。每次掃描需要30分鐘到1小時的時間來設置和完成，還不包括掃描地點之間的設備和人員運輸時間。此外，測量數(shù)據(jù)后處理工作量也很大。因此，每個采場或空區(qū)的測量時間耗時數(shù)日甚至數(shù)周的時間。

傳統(tǒng)激光測量系統(tǒng)的另一個不足之處是，掃描點云數(shù)據(jù)中空間點密度不均勻，掃描覆蓋范圍不完全，某些區(qū)域存在掃描死角，從而造成數(shù)據(jù)失真。這就大大地降低了數(shù)據(jù)的價值，不利于巖土穩(wěn)定性分析、工程量計算以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合分析。

圖傳統(tǒng)激光測量系統(tǒng)掃描死角示意圖

傳統(tǒng)激光測量系統(tǒng)雖然不失為可用的采場和空區(qū)測量手段，但是既耗時、危險，并且精準程度與存在著問題，從而降低地下礦山生產(chǎn)月進度測量報告效率和質量，影響正常的生產(chǎn)調度計劃編制。

由此可見，地下礦山測量的人力成本和安全風險都是極高的，而這些因素又會影響測量工作的質量和頻次，最終會對安全生產(chǎn)帶來重大不利影響。

2.2

地下礦山無人機測量技術

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織CSIRO旗下的翼目神高科技公司研制成功地下無人機智能測量技術，可以使測量人員停留在安全區(qū)域，并盡可能減少靠近危險或不可進入?yún)^(qū)域的測量作業(yè)時間，從而降低安全風險。該方案由商用無人機、激光雷達傳感器和機載電腦組成硬件系統(tǒng)；擁有SLAM （Simultaneous Localization And Mapping，即同步定位與地圖繪制）專有核心IP快速計算技術，可以為無人機自主導航實時路徑規(guī)劃提供定位、避障及周邊空間信息。礦山測量人員無需進入任何危險區(qū)域，就可以快速得到高質量的地下空間測量數(shù)據(jù)。

圖翼目神Hovermap模塊：基于SLAM的多功能移動激光掃描解決方案

翼目神Hovermap基于先進的機器人自主技術，可捕捉近360? ×360? 的視場角；其先進的實時SLAM算法用于無人機測圖、導航、防碰撞和定位，實現(xiàn)無人機在無GPS信號的地下空間的自主飛行和自動避障。

翼目神Hovermap自主智能無人機，具備先進的防碰撞和自主智能飛行功能，可以實現(xiàn)超視距（BVLOS）飛行、復雜地下空間飛行能夠對任何地下區(qū)域進行無死角、高分辨率掃描；可以在幾分鐘內采集到高分辨率激光掃描點云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，為采礦和巖土工程師提供高質量的空間體量和巖層結構數(shù)據(jù)，提高了礦山安全生產(chǎn)的決策能力，幫助提高生產(chǎn)進度。

根據(jù)無人機技術的發(fā)展，目前大型采場、采空區(qū)（100米）也能在5分鐘內完成測繪作業(yè)。飛行速度大概控制在1–2米/秒的范圍。

圖翼目神Hovermap自主智能無人機

飛行中采集的SLAM數(shù)據(jù)被用來提供自主導航、防碰撞、定位以及保持飛行能力和調節(jié)飛行速度。SLAM數(shù)據(jù)后處理輸出，可以提供具有多個屬性的高分辨率點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為*.las、*.laz（1.2或1.4）*.dxf或*.ply等，注冊到礦山本地坐標系，可以進行可視化分析計算。

有了帶有激光掃描測圖功能的自主智能無人機，礦山測量人員和巖土工程師可以快速、安全地檢查地下巷道、采場和采空區(qū)，把對正常生產(chǎn)的干擾降低到最小程度。

天河道云礦山測量技術團隊曾經(jīng)把翼目神Hovermap地下無人機測量技術與傳統(tǒng)CMS空區(qū)測量技術進行了技術比較，發(fā)現(xiàn)無人機測量無論在測量準備、掃描時間、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)質量和后處理便利性方面都遠遠超過CMS系統(tǒng)。

2.3

多功能移動測量解決方案

翼目神Hovermap多功能移動測量系統(tǒng)，除了支持無人機自主智能飛行，還可以方便地支持有其他各種移動平臺：車載、手持、背包、絞車等。

多功能移動測量方案【自主智能激光掃描無人機】

多功能移動測量方案【車載激光掃描儀】

多功能移動測量方案【手持激光掃描儀】

多功能移動測量方案背包激光掃描儀

翼目神Hovermap自主智能飛行測量技術已經(jīng)在世界著名礦企例如澳洲BHP奧利匹克壩礦、北星Jundee金礦、加拿大薩德伯里鎳礦、巴里克黃金集團陽光礦、瑞典LKAB旗下各礦、印尼Pertamina公司等得到成功應用。

圖自主智能無人機測量技術在國外地下礦山的應用實例

圖翼目神地下礦山無人機國外客戶

天河道云（北京）科技有限公司作為翼目神在中國區(qū)的總代理商，早在2019年9月就在大紅山鐵礦進行了國內地下礦山首飛。目前已經(jīng)在中國黃金集團、山東黃金集團、江銅集團、昆鋼集團等著名礦企旗下各礦山得以成功應用。

圖

地下無人機測量技術在國內礦山的應用實例

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翼目神地下礦山無人機國內客戶

作者 · 簡介

孟丹：天河道云（北京）科技有限公司首席科學家兼副總經(jīng)理，中國礦業(yè)信息化協(xié)同創(chuàng)新北京市工程研究中心專家，加拿大北方先進礦業(yè)技術中心執(zhí)行主任兼首席咨詢顧問。