Hovermap翼目神自主智慧無人機在地下礦山測量中應用（上篇）

摘要

Hovermap（翼目神）自主智慧無人機應用於地下礦山採場和井巷工程的三維空間資料採集，具有安全、高效、簡便等不可替代的優勢。與現有的空區測量技術以及傳統的鐳射掃描技術相比，無人機採集資料時間更短，同時將人員暴露在危險區域的機會降至最低，可以極大提高礦山作業安全和生產效率，已經在很多國內外許多礦山獲得成功應用案例。該項自主智慧無人機創新技術來自於澳洲科學與工業研究組織CSIRO旗下的翼目神公司，已經被天河道雲（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），已用於多種民用和軍事應用以及任務。這些無人飛行系統能夠根據其任務型別攜帶不同的感測器，例如聲音，視覺，化學和生物感測器。為了提高無人機的效能和效率，研究人員將注意力集中在無人機的設計最佳化上，從而導致開發和製造各種型別的具有多種功能的飛行器。

空中交通工具用於工業應用的歷史可以追溯到19世紀。1860年，氣球用於遙感目的拍照。在1903年，將帶有手持式航拍相機的鴿子用於攝影。在第一次世界大戰開始時，開發了被稱為無人機起源的空中魚雷。以下是無人機發展里程碑歷史事件，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

一戰結束，美國根據特斯拉理論，研製出第一架無人機（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

美國國防公司研發軍事監視無人機，後來用於越南戰爭。

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年以後

美國RQ-4全球鷹、 MQ-1捕食者用於海灣戰爭、阿富汗戰爭。

進入21世紀，隨著輕型複合材料的廣泛應用，衛星定位系統的成熟，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，無人機行業進入井噴式快速發展階段。

隨著無人機研發技術逐漸成熟，製造成本大幅降低，無人機在各個領域得到了廣泛應用，除軍事用途外，還包括農業植保、電力巡檢、警用執法、地質勘探、環境監測、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

用於測量測繪任務的無人機

二

地下礦山測量需要自主智慧無人機

伴隨著淺部礦產資源開採程度的提高，國內外礦山正逐步走向深部開採階段。深部開採帶來的岩層高應力會對巷道和採場的圍巖造成破壞；另外深部礦山造成的高溫、有毒有害氣體的環境條件，進一步惡化了井下生產裝置和井巷設施的使用條件。

深部礦山安全生產一方面要求管理人員需要更加掌握現場測量資料，另一方面更是增加了測量人員採集資料的作業難度和風險。因此，人們把希望轉向為測量測繪行業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，用於無人機定向和導航的GPS訊號在地下空間不發生作用；其次，地下空間的可見度很低或等於零。因此，地下礦山測量迫切需要無人機能夠具備地下空間環境的智慧識別能力，以便於進行自主導航和智慧測量。

社會需求永遠是推動技術發展的動力。“社會一旦有技術上的需要，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）。於是，專門應用於地下礦山測量的、基於SLAM的自主導航無人機機載鐳射掃描技術應運而生。

採用無人機機載鐳射掃描器採集地下礦山作業區域的資料，便於礦山管理者和技術人員掌握地下巷道和採場的岩石破壞以及作業環境變化，為地下礦山安全生產提供科學有效的技術支援。

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域如放礦口、溜井、採空區、爆破後的採場的測量，需要專門的測量儀器裝置。由於地下礦山作業條件惡劣，對井下測量工作造成極大不便。礦山測量人員需要對採場、採空區等危險區域進行定期測量，以便掌握作業環境的變化，及時發現危險因素。以前這些測量都是需要人員進入並手動測量，條件十分艱苦，資料採集過程伴有極大的安全隱患。

前幾年一些礦山引進的基於鐳射掃描技術的空區測量系統，在幫助礦山管理人員掌握採場和採空區的真實情況方面，曾經發揮了積極作用。傳統鐳射測量系統通常由一個連線在延伸杆上的三維鐳射掃描器組成，能夠為採場和採空區內部情況和圍巖破壞情況提供最佳的三維測量資料。但是，傳統鐳射測量系統最大的不足之處之一是掃描非常耗時，而且經常需要重複掃描。更重要的是，為了提高測量覆蓋範圍，需要把測量裝置儘可能遠地伸入採場，並要求測量人員在靠近放礦點或採場工作；測量結束，測量人員必須把掃描器收回。由於空區測量洞口的頂板及地面缺乏足夠的安全保護，操作測量延伸杆的作業人員的人身安全不能得到充分保證，並且嚴重影響作業效率。

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傳統鐳射測量裝置測量位置示意

尤其是對於大型採場和空區的全覆蓋測量，

傳統鐳射測量

方法需要透過周邊多個入口進行掃描。每次掃描需要30分鐘到1小時的時間來設定和完成，還不包括掃描地點之間的裝置和人員運輸時間。此外，測量資料後處理工作量也很大。因此，每個採場或空區的測量時間耗時數日甚至數週的時間。

傳統鐳射測量系統

的另一個不足之處是，掃描點雲資料中空間點密度不均勻，掃描覆蓋範圍不完全，某些區域存在掃描死角，從而造成資料失真。這就大大地降低了資料的價值，不利於岩土穩定性分析、工程量計算以及生產資料整合分析。

圖

傳統鐳射測量系統掃描死角示意圖

傳統鐳射測量系統雖然不失為可用的採場和空區測量手段，但是既耗時、危險，並且精準程度與存在著問題，從而降低地下礦山生產月進度測量報告效率和質量，影響正常的生產排程計劃編制。

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

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織CSIRO旗下的翼目神高科技公司研製成功地下無人機智慧測量技術，可以使測量人員停留在安全區域，並儘可能減少靠近危險或不可進入區域的測量作業時間，從而降低安全風險。該方案由商用無人機、鐳射雷達感測器和機載電腦組成硬體系統；擁有SLAM （Simultaneous Localization And Mapping，即同步定位與地圖繪製）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劃提供定位、避障及周邊空間資訊。礦山測量人員無需進入任何危險區域，就可以快速得到高質量的地下空間測量資料。

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翼目神Hovermap模組：基於SLAM的多功能移動鐳射掃描解決方案

翼目神Hovermap基於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演算法用於無人機測圖、導航、防碰撞和定位，實現無人機在無GPS訊號的地下空間的自主飛行和自動避障。

翼目神Hovermap自主智慧無人機，具備先進的防碰撞和自主智慧飛行功能，可以實現超視距（BVLOS）飛行、複雜地下空間飛行能夠對任何地下區域進行無死角、高解析度掃描；可以在幾分鐘內採集到高解析度鐳射掃描點雲資料和影象資料，為採礦和岩土工程師提供高質量的空間體量和岩層結構資料，提高了礦山安全生產的決策能力，幫助提高生產進度。

根據無人機技術的發展，目前大型採場、採空區（100米）也能在5分鐘內完成測繪作業。飛行速度大概控制在1–2米/秒的範圍。