矿山智驾如何解决定位问题？

[首发于智驾最前沿微信公众号]最近在和小伙伴交流时，他提到矿山智驾的使用场景很偏，对此，智驾最前沿想到一个问题，矿山智驾是如何解决定位问题的？

其实之前和大家聊乘用车智驾时，很少会把定位当核心问题来讨论，因为乘用车行驶的环境相对稳定，卫星信号也基本可靠。

但到了矿山，情况完全不同。

矿坑深度、复杂地形、粉尘以及不断变化的运输道路，都会让定位变得更加困难。

尤其对于无人矿卡来说，大概知道自己在哪里远远不够。

车辆需要持续知道自己的位置、姿态以及相对于道路和其他设备的关系，而且即使某一种定位手段失效，也不能让整个系统失去位置判断能力。

因此，当前矿山智驾的定位思路，已经不是依赖某一种设备就可以的。

而是需通过全球导航卫星系统（GNSS）、惯性测量单元（IMU）、激光雷达、轮速以及地图等多种信息进行融合。

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为什么矿山定位更难？

在露天矿中，GNSS，特别是基于实时动态定位（RTK）的高精度卫星定位，仍然是很多无人矿卡的重要定位手段。

在开阔区域，它可以提供较高精度的绝对位置。

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但矿坑越深，周围矿壁越高，卫星信号就越容易受到遮挡和多路径效应影响。

车辆一旦进入GNSS信号较差的区域，定位精度就可能明显下降，甚至出现短时间失锁。

更麻烦的是，矿山道路本身还在不断变化。

采掘推进、道路调整和排土区域变化，都会让原来的环境发生改变。

所以矿山定位面对的实际上是两个问题。

一是车辆在整个矿区的绝对位置；二是卫星信号变差以后，车辆还能不能连续知道自己走到了哪里。

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GNSS提供全局位置

IMU负责保持连续

IMU是矿山定位系统里非常重要的一环。

IMU通过陀螺仪和加速度计持续测量车辆的运动和姿态变化。

它本身并不知道车辆在矿区地图上的准确坐标，但可以在GNSS暂时不可用时，根据车辆之前的状态继续推算运动。

它最大的价值不是绝对精度，而是连续性。

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但IMU也存在明显问题，随着时间推移，其惯性测量误差会不断累积。

所以，IMU不能长期单独承担定位任务，更可靠的做法是利用GNSS对其进行周期性校正。

这样一来，GNSS负责告诉车辆在什么地方，IMU则负责在短时间内保证车辆知道自己怎么移动。

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激光雷达解决卫星看不到的问题

当GNSS失效后，车辆还可以利用激光雷达判断自己在哪里。

激光雷达会持续扫描周围环境，形成三维点云。

矿坑边坡、岩石、道路设施等环境特征，都可以成为定位参考。

系统将实时扫描到的点云与已有地图进行匹配，就能够估计车辆当前的位置和姿态。

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这类技术本质上与激光雷达SLAM以及激光雷达与IMU融合的LIO技术有关。

近年来，针对矿山无人运输车辆的研究，也越来越重视这种GNSS受限环境下的激光雷达与IMU协同定位。

对于地下矿山来说，这种技术非常重要，因为地下巷道本身就不存在稳定的GNSS信号。

因此，激光雷达在矿山智驾里不仅负责看障碍物，也承担着给车辆定位的任务。

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UWB补齐地下矿山的绝对坐标

对于露天矿来说，GNSS信号虽然会受遮挡，但毕竟还有。

可到了地下矿山，GNSS信号完全不存在，这时候就需要其他手段来提供绝对位置的参考。

UWB（超宽带）就是其中一种重要的补充方案。

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它需要在巷道顶部或侧壁每隔一段距离部署固定基站，车辆上安装UWB标签。

通过测量标签与多个基站之间信号的飞行时间，系统就能计算出车辆在矿井坐标系中的精确位置，精度通常在10cm～30cm。

它最大的价值是，无需依赖卫星，在地下也能提供绝对坐标参考，可以周期性校正IMU累积的漂移误差。

但它需要提前布设基站，覆盖范围越大部署成本越高。

在长直巷道中信号容易因岩壁反射产生多径干扰，所以还需要与IMU、激光SLAM等技术融合使用。

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真正关键的是多源融合

但如果将矿山定位简单理解成RTK+IMU+激光雷达是完全不对的。

真正关键的技术其实是融合。

在开阔区域，GNSS信号可靠，系统可以更多依赖GNSS提供全局位置。

进入深坑后，GNSS质量下降，激光雷达和IMU的重要性提高。

如果某一段环境缺少明显特征，激光雷达匹配也可能变得困难，这时就需要依靠IMU、轮速等信息维持短时间的连续定位。

而到了地下矿山，GNSS完全不可用，UWB接过提供绝对坐标的任务，与激光SLAM和IMU组合形成另一套定位方案。

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也就是说，系统并不是固定依赖某一个传感器，而是在不同环境下动态利用不同的信息。

此外，矿山的定位系统还越来越重视定位是否可信。

如果GNSS突然跳点，或者激光雷达匹配结果与IMU明显冲突，系统需要及时识别定位异常。

而不是继续向规划和控制系统输出一个看起来很精确、实际上已经错误的位置。

对于矿山无人驾驶来说，追求可靠甚至比单纯追求厘米级精度更加重要。

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从高精度定位走向高可靠定位

所以，矿山智驾真正需要的，并不是一个永远不会出错的定位传感器，而是一套能够适应复杂环境的定位系统。

GNSS负责提供全局坐标，IMU保证短时间运动连续性，激光雷达利用环境特征进行定位修正，轮速等信息进一步提供运动约束，地图则提供整个矿区的空间参考。

对于地下矿山，还可能进一步结合UWB等基础设施定位技术，弥补卫星信号完全不可用的问题。

这种多源融合的思路，已经成为矿山智驾定位发展的重要方向。

对于一辆需要长期无人运行的矿卡来说，真正重要的问题从来不是定位有多准。

而是当环境发生变化、某一种传感器出现问题时，车辆还能不能继续可靠地知道自己在哪里。

这也是矿山智驾定位与乘用车智驾定位最大的区别。

乘用车智驾定位是在相对稳定的城市道路环境中追求更准，而矿山智驾定位是在极端不确定的环境中追求不断连、更可靠。