「视频讲解」陈先中——毫米波雷达+5G在煤矿井下的研究进展|传感器|毫米波|煤矿|陈先中|雷达

本期推送北京科技大学陈先中教授发表于《煤炭学报》第6期的文章。为方便大家深入了解本文内容，《煤炭学报》邀请陈先中教授通过视频对相关成果进行了详解。

文章信息为：

陈先中,刘荣杰,张森,等.煤矿地下毫米波雷达点云成像与环境地图导航研究进展[J].煤炭学报,2020,45(6):2182-2192.

视频解析

创新点

（1）设计了一种新的鲁棒性和穿透性强、不受光线影响的成本低毫米波成像雷达，研制了一种新的基于多目标4D（速度+距离+水平+垂直方位）连续调频波雷达硬件系统，实现多天线布阵以获取井下煤矿环境对象数据。

（2）毫米波成像雷达兼备5G通信功能，V2X协议可以实现煤矿井下的万物互联，高效低耗的感知与通信的软硬件协同融合（天线与处理单元共用）是发展趋势。

（ 3 ）基于毫米波 3D 点云的深度学习框架增强了智能环境感知的适应性和实时性，结合 SLAM 和路径规划算法可改善移动机器人自主导航性能。

作者简介

陈先中，男，1966年9月12日生，安徽合肥人，北京科技大学自动化学院教授，博士生导师，自动控制技术研究所所长，工业过程知识自动化教育部重点实验室主任。主持多项国家级科研基金和企业合作项目，获省部级科技奖励2项，发表学术论文60余篇，发明专利30多项。

研究方向

传感器技术，毫米波成像及导航技术

主要成果

长期致力于工业恶劣环境特种传感器研究，以超声波、微波与毫米波雷达的硬件制造为主要特色，致力于复杂环境高精密传感器的设计加工，并取得多项创新性成果，尤其是为煤矿提供了一种基于纯粹毫米波导航的环境数据感知系统。提出的一种新的5G+毫米波环境低成本高可靠性的感知+通讯系统，实现了高效低耗与低成本的毫米波通讯与感知交互的地图导航系统，为煤矿井下智能化机器人导航技术提供了一种新的方法。

摘要

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法评估;深度学习在毫米波稀疏点云处理中的研究现状与发展方向;SLAM算法应用于不同环境的研究现状及SLAM导航算法。

最后归纳了煤矿地下环境中应用SLAM地图构建、路径规划及避障的困难和挑战,并对未来煤矿复杂环境下毫米波通讯与导航兼容并蓄的新应用提出了展望。

部分图片

不同场景下车载、机载和移动式毫米波雷达工作示意

4D成像雷达

毫米波融合5G通讯框

煤矿巷道中毫米波的感知和通讯融合应用

煤矿机器人毫米波天线设计

毫米波雷达稀疏点云获取示意

SLAM算法框架

基于毫米波雷达的煤矿地下环境导航框图

来源：

陈先中,刘荣杰,张森,等.煤矿地下毫米波雷达点云成像与环境地图导航研究进展[J].煤炭学报,2020,45(6):2182-2192.

CHEN Xianzhong,LIU Rongjie,ZHANG Sen,et al.Development of millimeter wave radar imaging and SLAM in underground coal mine environment[J].Journal of China Coal Society,2020,45(6):2182-2192.

责任编辑：郭晓炜编辑整理：郭晓炜审核：常琛

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