基于激光雷达的主动式人员接近检测系统设计

韩 飞

(国能神东煤炭集团生产服务中心，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

矿井下作业环境恶劣、灯光黑暗、粉尘较大能见度低，工况环境复杂、作业面阻挡障碍物多且井下多为人员交互式作业，作业面工况复杂[1]。支架搬运车在搬运支架过程中受限于车辆自身结构和支架阻挡，不可避免地存在大量盲区，驾驶员视野受阻，不能发现接近车辆危险区域的作业人员，对作业范围内的人员构成了严重的安全威胁。因此，开发一种车载人员接近检测系统，当有人员位于车辆作业告警区域时进行预警和采取紧急操作措施，保证井下作业的安全生产运行。

井下人员接近检测系统是指在井下作业环境下，相关作业人员靠近作业设备一定范围后，设备能检测出靠近人员的识别置信度、数量、距离以及方位，设定电子围栏。当作业及相关人员被检测到进入电子围栏后，整车控制系统发出报警，当发现有人员进入安全危险区域后，整车控制系统发出设备紧急制动措施，确保人员人身安全。人员接近检测系统分为被动式和主动式2大类型。被动式人员接近检测系统是指相关人员贴上电子标签通过应答的方式确定人员与基站的距离与方位，从而实现人员接近的判别和功能实现。

目前，井下人员接近检测系统主要基于UWB(超宽带无线载波通信技术)原理进行开发和设计。在车辆合适部位安装UWB定位基站，定位基站发射UWB无线信号，人员定位标签(识别卡)收到信号后直接向该探测器发送返回信号，通过发送和返回时间差计算出定位标签和基站之间的距离，从而进一步计算出人员与设备的距离[2]。该种检测原理理论上可以达到0.3 m的检测分辨率，精度较高，但无线信号受环境、移动设备的速度影响较大。更为主要的是它属于被动式检测方式，只能检测识别带有特定定位标签(识别卡)的人员，而没有携带定位标签的人员则不能被检测，且标签携带不方便易丢失，随着井下交互式作业日益复杂，需要检测的人员不断增多，基于该原理的被动式人员接近检测系统逐渐不适应井下煤矿作业使用要求[3]。主动式人员接近系统是指在车辆上安装合适的探测传感器扫描采集人体信息，采用特殊算法识别出人体，并且获得人体的探测距离和方位。与被动系统的区别在于它能主动扫描探测识别所有区域内人体而不是特定的某些人，适用范围更加广泛，行车也更加安全，因此主动式人员接近系统将成为未来发展方向。当前通用的人员检测为红外人员检测原理[4]，检测系统已经非常成熟，常用于室内人员的监控和识别。但红外热成像在远距离、多尘环境下的人员识别率不高。因此不能应用于井下作业设备的人员检测系统。

随着人工智能时代的到来，科技水平的快速提升，越来越多的探测技术开始应用于智能无人驾驶[5]。其中激光雷达技术发展尤为迅速，已被广泛应用于车辆无人驾驶道路识别等高新科技领域[6]。

激光雷达的工作原理与雷达非常相近，是利用可见和近红外光波(多为950 nm波段附近的红外光)发射、反射和接收来探测物体[7]。以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，照射到人员物体等目标物上，激光光波会反射到雷达的接收器上[8]，通过测算激光脉冲发送和接收的时间差可以计算出从激光雷达到目标点的距离。另外利用激光反射强度的差异特性，激光雷达传输出的UDP数据包经过有效数据提取、点云坐标转化和反射强度补偿得到单个扫描周期内所有测量点数据，每个测量点数据包含三维坐标和反射强度值，形如(X，Y，Z，I)，将这些测量点数据组织在一起，即构成激光雷达单帧测量数据的点云表示[9]。在经过多线多帧扫描后，可得到精确的三维立体图像，图中的各个物体、人员通过合适的图像处理算法识别出来，这就是人员接近系统的基本工作原理，如图1所示[10-11]。

图1 激光雷达工作原理简图

3.1 系统硬件简介

激光雷达人员接近系统由激光雷达、人员感知处理控制器、整车控制器以及人员接近监控显示器组成，系统包含5个激光雷达，分别分布于车辆的前后端以及框架内部，其结构框图和布置图如图2所示。激光雷达在人员接近探测与报警方面可以通过对点云数据进行深度分析，辨识出接近物的种类、距离以及方位。

图2 激光雷达人员接近系统组成框图及安装

3.1.1 激光雷达

激光雷达是人员接近系统的核心部件。目前开始应用于工程领域激光雷达分为机械式、混合式以及全固态3种激光雷达，由于机械式激光雷达太过昂贵并不适合工程机械领域应用。而随着固态激光雷达制造技术迅猛发展，成本快速降低，固态式激光雷达成为当下激光雷达企业重点研发的方向。文中选用大疆M40激光雷达，其参数见表1。

表1 大疆M40激光雷达主要参数

3.1.2 人员感知处理控制器

人员感知处理控制器是人员接近系统的关键部件，可以通过对采集的点位云信号进行处理，提取人体特征。32线每秒有近20帧数据，而每帧可以产生近13万个点云数据，这是一个空间参考系中能够表征障碍物空间分布和表面性质的大量点。如此庞大的数据量，对于控制器的要求非常高。本项目中选用TW-T600边缘计算平台作为控制器，该平台已经广泛应用于机器人、无人配送车、低空防御、智能巡检、智慧楼宇等自主化机器，是边缘端部署 AI算力进行深度学习的理想载体。其主要性能参数见表2。

表2 TW-T600边缘计算平台主要参数

3.1.3 整车控制器及显示器

人员接近系统需要在整车电气控制平台上完成，人员感知处理控制器通过CAN总线将处理好的人员姿态、距离及方位数据传输至整车控制器。整车控制器和显示屏可以不改变车辆上既有型号。目前航天重工生产的支架搬运车已经配置有该人员接近系统。该车使用德国IFM公司出品的CR0032作为整车控制器，该控制器已经广泛应用于高端工程装备上，有着高可靠性和稳定性。最为突出的便是高速计算能力，采用32-Bit Infineon ricore 1796 DSP芯片作为主处理器，主频高达150 MHz，程序运行周期可以缩小至8 ms内；
外部有16个信号采集输入以及16个控制输出、4个独立的CAN总线通道。完全能够满足人员接近系统的运算需求。

显示屏为本安型15英寸液晶显示屏，由航天重工研制生产，该显示屏可以显示整车状态、电驱动状态，状态信号通过CAN总线传送。同时也可以显示显示多分屏视频监控信号，另外显示屏还带有报警蜂鸣器，可以在紧急情况下进行报警指示。

3.2 激光雷达人员接近系统软件设计

激光雷达人员接近系统核心在于软件设计。根据功能区域不同分为人员感知处理控制器软件和整车控制器软件2大部分。人员感知处理控制器软件实现激光雷达信号数据的采集和处理，通过特定算法分离和识别出人体特征，并对人员位置、方位以及置信度进行计算；
整车控制器软件在于对前端发送出的信息进行再处理，与整车运行状态进行融合，最终对人员接近进行监控和实施措施。

3.2.1 人员感知处理控制器软件设计

首先主要采用基于几何物体的角点检测的方法进行2个坐标系的旋转矩阵计算，确定人员接近系统中不同激光雷达之间的坐标系变换关系。

基于机器人操作系统(ROS)平台进行数据的采集管理以及多雷达系统之间的数据拼接，形成数据点云拼接后的视场。目标检测模型是人员感知控制器软件的核心部分。本模型预测出场景中目标包围框的位置、尺寸和类别等信息，采用的检测模型的总体结构框图如图3所示，其中Conv代表卷积层，Deconv代表反卷积层，Res2Net代表多尺度特征学习模块。该模型结构图主要可分为点云的柱状化、多尺度柱内特征学习模块、多尺度伪图特征学习模块以及检测头等4个部分。这里保留了原始的PointPillars模型关于点云的柱状化以及检测头部分的设计，而重点研究如何借助多尺度特征学习方法以增强柱内特征以及伪图特征的学习能力，从而进一步增强其检测性能。

图3 三维目标检测流程

3.2.2 整车控制器软件设计

人员感知处理控制器通过CAN总线将检测范围内人员的姿态距离和方位信息发送至整车控制器[11]。关于人员接近部分的软件设计基于电子围栏思路进行。如图4所示，整车控制器根据车辆的构造特点和矿区安全规范章程在保障车辆能有效运行的状态下建立电子围栏[12]，设立黄色告警区和红色危险区。对接收过来的人员信息进行数据融合生成人员坐标点系。人员在告警区范围之外，系统将人员信息过滤，车辆保持正常操作状态；
告警区内人员未进入危险区，此时人员处于临近危险区域，但车辆尚不能对人员造成实质伤害，此时车辆发出告警信号，提示车辆操作人员注意车辆作业范围内人员分布情况；
当人员进入危险区域后，整车控制器启动安全保护措施，确保危险区域内的人不受到车辆的伤害。当人员离开危险区域后，报警自动解除，车辆恢复正常运行状态。人员的坐标点系信息可以通过显示屏人员显示区域直观显示出来，并通过蜂鸣报警器进行告警指示。显示界面如图5所示。

图4 特种车辆电子围栏示意

图5 整车人员接近监控界面

根据整车监控设计规划，整车屏分为整车状态显示区、电驱系统显示区、视频监控显示区以及人员接近监控显示区域。整车状态和电驱系统显示区域可以显示车辆运行的状态信息；
视频监控可以实时监控车辆前后的人员活动以及周围环境，有利于操作人员监控盲区状态；
人员接近显示区位于屏幕正下方，进入危险区域的人员通过图中所示的红色点闪烁表示，同时显示屏进行蜂鸣报警。人员接近监控系统实时采集人员置信度、方位以及距离数据，可以在显示区域进行动态显示，人员离开告警区域后，红色报警点消失。

3.3 激光雷达人员接近系统仿真分析结果

人员接近系统在实验室环境下利用RVIZ平台进行了激光雷达数据采集和人员识别仿真，人员可以被清晰地识别出来，置信度达到了98%以上，且含有人员坐标和距离信息，完全满足人员接近的技术参数要求。

通过分析上述仿真实验结果可知，基于激光雷达的人员接近系统能够主动有效地辨别出靠近车辆作业区的人员姿态、距离和位置，并能快速地根据人员位置信息作出告警或者控制整车采用主动安全措施，确保接近人员的人身安全。随着在神东公司支架搬运车上的应用，基于激光雷达的主动式人员接近检测系统将大大提高井下作业生产的安全效率。