中国报告大厅网讯，在地下金属矿开采深度不断加深的当下，人员工作环境愈发恶劣。各大矿山纷纷加大对无人化、智能化设备的投入，地下铲运机作为地下矿山开采的主力设备，其自主铲装技术的突破对实现作业全流程无人化意义重大。它不仅能保障地下人员作业安全，还能提升地下作业经济效益。
2008年，国内开启了地下智能铲运机研发的征程。当时，相关单位联合依托 “十一五科技支撑计划”，对国产铲运机进行智能化改造，实现了视距遥控功能。通过采用前视激光雷达、铰接角传感器、里程计、侧视信标雷达等多传感器融合方式，首次在地表实现了地下铲运机智能行驶，为铲运机智能化发展迈出了关键的第一步。
到了2014年，基于 “十二五国家 863 计划”，进一步开发了地下智能铲运机。借助智能铲运机本体、地下通讯网络、UWB 及激光雷达的定位方式，成功实现了地表远程遥控铲装以及井下自主智能行驶的功能，让铲运机在智能化道路上又前进了一大步。
2022年，新一代地下智能铲运机自主研发成功。此次研发依托 “十三五国家重点研发计划”，利用多传感器融合技术，实现了地下铲运机车体姿态实时感知、巷道环境实时感知、料堆形状实时建模。不仅实现了自主行驶，还首次达成了自主铲装作业，使铲运机作业全流程迈向自动化及智能化，并在工业现场进行了示范应用。
《2025-2030年中国铲运机行业市场分析及发展前景预测报告》指出，要让铲运机实现自主铲装，一系列关键功能必不可少。这依赖于车身姿态实时感知与控制、铲装环境及动作实时感知与控制、精确的定位与导航以及巷道环境的精确感知，这些功能构建起了自主铲装的坚实基础。
在这个系统中，铲运机通过里程计实时检测车辆的车速，发动机 ECU 监测发动机转速，变速箱 APC120 反馈变速箱挡位，转角传感器感知铰接角，油温传感器和油压传感器分别检测油温与油压。同时，车载 PLC 对油门、刹车、转向油缸、大臂油缸、转斗油缸的动作进行实时控制。如此一来，便能实现对铲运机车辆本体姿态的实时精准感知与控制。
铲运机运用 UWB、多线激光雷达及里程计的多传感器融合定位方式，实现实时精确定位。车载计算机对全局及局部路径进行规划，依靠精确定位系统，引导铲运机按照预定轨迹行驶，确保其在复杂的地下环境中也能准确行进。
多线激光雷达对料堆进行实时扫描，通过检测大臂油缸伸缩量及转斗油缸伸缩量，结合车身姿态系统，对铲装动作进行精确控制。同时，通过实时检测车体垂直倾角、举升油压、转斗油压，对铲装物料进行精确称重，以保证满斗率，提升铲装作业的质量和效率。
通过巷道摄像头，铲运机可对巷道环境进行监测;固定通讯模块实现车体和外界的实时通讯;固定的 UWB 模块及事先标定的绝对坐标，用于实现对车体的实时定位;通讯模块和远程驾驶模块，则能实现对车辆状态的远程监测和控制，让操作人员随时掌握铲运机的工作状况。
完成上述实车改造后的第三代地下智能铲运机，具备了更强大的功能，为自主铲装作业提供了有力支持。
地下铲运机以多线车载激光雷达及自身车辆位置信息为基础，对料堆进行实时扫描，构建料堆三维模型，从而确定铲装中心位置。料堆扫描系统以车辆为搭载平台，利用三维激光雷达进行料堆扫描。结合车辆定位信息对扫描信息进行实时编码处理，随后进行点云数据滤波、配准、点云分割，得到矿石料堆的三维深度信息，进而精准确定铲装中心点。
根据确定的铲装中心位置及铲运机当前位置，同时识别墙壁，规划向料堆中心的行驶轨迹。由于铲运机车身不规则且前后车体铰接，在巷道中行驶轨迹复杂，转弯时更是难控制。加之地下巷道狭窄，巷道壁表面凹凸不平，轨迹偏差计算难度大，这些因素都增加了行驶控制的难度。因此，基于铲运机的铰接结构及运行轨迹特点，结合规划路径和精确定位信息，采用横向位置偏差、航向角偏差、航向角偏差变化率的三偏差融合算法，使铲运机能够按照预定轨迹朝铲装点行驶。
铲运机到达铲装点后，依据构建的三维料堆信息，以铲装满斗率为目标规划铲装轨迹。具体而言，依靠激光点云数据拟合得到的实时料堆轮廓曲线，结合铲入阶段的铲入深度，规划铲装曲线，得到铲斗铲尖的位移轨迹曲线。再依据铲运机工作机构位置构建的运动学方程，对铲尖的位移轨迹曲线进行逆求解，得出与铲尖位移轨迹曲线对应的铲运机举升缸和转斗缸的实时位置。
根据实际铲装车速，结合铲尖位移轨迹曲线的逆求解结果，得到举升缸和转斗缸的精确理论行程。通过车载计算机和车载 PLC 实现对两根油缸的精确控制，利用转角传感器和拉线传感器实现对两根油缸实时行程的实时反馈，实现举升缸和转斗缸的精确闭环控制。进而实现对铲装的精准控制，确保铲运机按照预定铲装轨迹进行铲装，保证一次铲装的满斗率。
通过对铲运机行业工作机构特性的研究，建立称重模型，设计高精度动态称重系统。在一次铲装完成后，对矿石进行自动称重。若满斗率达标，铲运机退出铲装，进入自主行驶，前往卸载点;若满斗率不达标，则返回上一步，进行二次铲装。
上述系统搭建完成后，首先进行功能及可靠性测试。之后开展人工铲装测试，记录司机端的操作，并结合三维料堆信息进行综合分析，以此改进铲装策略。经过一系列测试，得到了具体的试验参数及效果。例如，在称重数据校验方面，对不同实际重量的矿石进行计算重量的测试，偏差百分比在一定范围内，验证了称重系统的准确性。在铲斗轨迹空载跟踪效果、地下铲运机路径跟踪效果以及试验铲装效果等方面，也都有相应的数据和图表展示，为系统的优化提供了依据。
地表厂内试验完成，铲运机本体所有系统测试完毕后，进入井下实车测试。地下铲运机进入巷道后，与通讯系统、调度系统、UWB 定位系统、图像采集系统进行联调。全部系统打通后，开始试验。经过多轮改进，铲运机铲斗能够较好地跟踪规划曲线，达到理想的铲装效果。第三方测试显示，一次铲装满斗率达到 97.3%，详细的铲装数据进一步证明了系统的有效性。
针对地下铲运机铲装作业特性，综合考虑工况因素影响，对地下铲运机自主铲装作业展开深入研究。搭建的自主铲装系统，通过厂内试验打通了车辆本体所有系统并完成测试。在井下巷道与通讯系统、调度系统、UWB 定位系统、图像采集系统联调后，完成最终测试，一次铲装满斗率达 97.3%。测试结果表明，完善的系统开发、合理的传感器布置以及有效的程序控制，是实现无人化铲装的可行途径。该研究成果为地下铲运机全流程自主化作业提供了重要参考，有望推动铲运机行业在智能化、无人化方向上取得更大发展，提升地下矿山开采的整体效率和安全性。
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