王雪松

(太重煤機有限公司，山西 太原 030032)

·試驗研究·

基于UWB技術(shù)的采煤機位置監(jiān)測系統(tǒng)

王雪松

(太重煤機有限公司，山西 太原 030032)

采用UWB(超寬帶)技術(shù)實現(xiàn)綜采工作面采煤機位置和方向監(jiān)測，介紹了硬件設(shè)計方案、距離計算方式和定位的處理過程。該檢測系統(tǒng)具有安裝方便、成本低、抗干擾能力強、實時性高等特點，能滿足煤礦自動化、智能化采煤的技術(shù)需求。

UWB(超寬帶)；采煤機位置；采煤機方向；監(jiān)測；定位方法

近年來，隨著我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，煤炭行業(yè)加快了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和轉(zhuǎn)型速度，減少全國煤礦數(shù)量，增加大型煤礦的比重。同時，在各大中型煤礦中，推進落實自動化、智能化采煤的進度。在煤礦綜采工作面中，采煤機位置和方向是實現(xiàn)采煤機、液壓支架和刮板輸送機3種主要生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)合智能化動作的重要信息。因此，能可靠、快速地獲得采煤機的位置和方向極其重要。

目前，主要有2種采煤機位置和方向監(jiān)測方法：齒輪計數(shù)和紅外監(jiān)測。齒輪計數(shù)是通過監(jiān)測采煤機行走齒輪的轉(zhuǎn)速和方向，并結(jié)合工作面的長度，計算出采煤機行走的位置和方向[1，2]. 最后，該信息以CAN或RS485總線接口的方式，通過采煤機隨機電纜的信號線傳輸至監(jiān)控中心。這種方式存在的缺點是：計數(shù)器的安裝比較困難；隨機電纜的信號線易受三相交流電1 140 V或3 300 V的干擾；其傳輸速率不能太高，一般只有9.6 kbps；隨機電纜易斷，造成通信中斷。紅外監(jiān)測則在采煤機上安裝紅外發(fā)射器，在每臺液壓支架上安裝紅外接收器，通過雙方的收發(fā)確定采煤機的位置和方向。這種方式需要安裝的紅外接收器較多，存在成本較高、安裝和維護工作量較大的缺點[3].

UWB(Ultra Wideband)的中文名為超寬帶，該技術(shù)采用超過1GHz帶寬且不用載波的無線通信技術(shù)[4]. 本文提出通過測量UWB無線信號的傳輸時間來確定UWB收發(fā)裝置之間的距離，進而計算出安裝在采煤機上的UWB無線發(fā)射主機的位置[5，6]. 同時，根據(jù)采煤機位置的變化，推斷采煤機的運行方向。該方法具有穿透能力強、定位精確、傳輸速率高、抗干擾能力強等特點。

1 設(shè)計方案

系統(tǒng)連接圖見圖1. 整個系統(tǒng)主要由UWB無線收發(fā)主機(以下簡稱：主機)、UWB無線收發(fā)從機(以下簡稱：從機)、巷道監(jiān)控主機以及相關(guān)的連接線纜組成。主機安裝在采煤機上，負責實現(xiàn)主動收發(fā)和處理定位信息、時間校準等功能。從機安裝在液壓支架上，每隔10臺液壓支架安裝1個，負責實現(xiàn)定位信息的應(yīng)答處理、與相鄰從機通信、與巷道監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。同一時間，至少有兩個從機接收到主機的定位信息。監(jiān)控主機則利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)采煤機位置和方向信息的圖文顯示、存儲、查詢以及把數(shù)據(jù)分享至其它監(jiān)控設(shè)備等功能。

1.1 主從機硬件設(shè)計

電路原理示意圖見圖2. 主機和從機采用相同的電路結(jié)構(gòu)，主要由單片機模塊、UWB調(diào)制解調(diào)器、恒溫晶振、天線、電池和電源緩沖模塊等組成。

圖1 系統(tǒng)連接圖

圖2 電路原理示意圖

通常采煤機的運行速度比較慢，較快的為20 m/min，因此，不用頻繁地計算采煤機的位置信息。如果每5 s計算一次，采用2節(jié)干電池供電，從機至少可使用2年。較為例外的是：主機的計算量相對較大，需要由采煤機供電；從機1和巷道監(jiān)控主機通信時，較為耗電，需要額外提供電源。電源緩沖模塊電源原理示意圖見圖3.

圖3 電源緩沖模塊電源原理示意圖

結(jié)合采煤機電源輸出和礦用電子產(chǎn)品的基本特性，在電源緩沖電路的設(shè)計上采用2個二極管。另外，為了防止在上電瞬間，輸入電壓過大，造成后級電路元器件的損壞，采用了1個MOS管作為緩沖電路的主芯片。在上電瞬間，MOS管截止，電流經(jīng)過電阻R38，也就是通過電阻分壓，以降低后級電路的電壓。電壓的跳變時間，主要由C51和R42決定。即，當C51充滿電后，MOS管導通，電流不經(jīng)過R38. 這時，VIN和VOUT幾乎相等，兩者相差D7和D8兩個二極管的壓降。

1.2 距離計算方式

在本設(shè)計方案中，采用TOA作為測距的主要方法，由于需要傳輸數(shù)據(jù)，故結(jié)合TDOA的應(yīng)答通信方式。即由主機定期地主動發(fā)送數(shù)據(jù)，在該數(shù)據(jù)中包括時間校準信息、上一次的定位結(jié)果、接收從機號等。相應(yīng)的從機接收到該信息后，在校準時間的同時，返回一個應(yīng)答幀給主機，包括接收時間、巷道傳輸?shù)拿?、相鄰從機距離、接收從機號等。主機則通過接收到的時間計算與該從機的距離。

1.3 天線防護設(shè)計

采煤機運行的工況非常惡劣，經(jīng)常會有煤塊往下掉。主機的天線需要裸露在外面，不能放置在采煤機控制箱里面。為了降低多徑傳輸、反射等影響，并且主機和從機的安裝位置相對固定，在天線的選擇上，選用定向天線，為一個特定形狀的PCB板。在實際使用時，PCB板難以承載煤塊掉下來的力量。為了加強對天線的保護，設(shè)計了1個5 mm厚的塑料天線保護殼。該保護殼在一定程度上會使無線信號衰減，然而經(jīng)實測，對主機和從機的收發(fā)距離影響不大。

1.4 系統(tǒng)處理過程

事先在監(jiān)控主機上設(shè)置好相鄰從機的距離、液壓支架中心距、第1臺和最后1臺從機的安裝位置、主機和從機的收發(fā)頻率等信息。然后，主機定期發(fā)送定位信息請求幀，從機接收到之后立刻返回應(yīng)答幀。主機通過接收到的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀的時間，計算出主機與最近2臺從機的距離。相鄰2個從機之間會通信，并實時更新它們之間的距離信息。主機通過應(yīng)答幀獲得這兩臺從機所安裝的液壓支架編號和它們之間的距離后，采用三角函數(shù)計算公式，計算出主機在液壓支架垂直位置上距離2臺從機的長度。并結(jié)合液壓支架的中心距，得出采煤機的位置。通過比較連續(xù)3次采煤機位置信息的變化，得出采煤機的運行方向。主機計算出來的位置信息，以UWB無線的方式傳給從機，最終，通過從機1的RS485或CAN總線，把位置信息傳輸給巷道的監(jiān)控主機。

1.5 誤差校準

工作面兩邊巷道中心距之間一般有100～310 m的長度，期間的煤層高低起伏，且有一定的傾角。無線信號在這樣的空間里面?zhèn)鬏敚y免會受到干擾，且計算出來的距離有一定的誤差。消除的方法是在刮板輸送機兩邊埋藏磁鐵塊，在采煤機上通過干簧管檢測。由于磁鐵塊的相對位置固定，該位置和UWB無線方式計算出來的相比較，通過其差值自行校準無線定位的數(shù)據(jù)，從而確保本監(jiān)測系統(tǒng)的精度。

1.6 安裝位置

由于UWB屬于超高頻信號，若受到金屬、人體、煤塊等遮擋，無線信號容易衰減或發(fā)生多徑傳輸?shù)默F(xiàn)象，這時計算出來的距離精度大大降低。因此，在以金屬為主的采煤機和液壓支架的設(shè)備中，尋找合適的安裝位置極為重要。為了避免無線傳輸通道受到遮擋，通常把主機安裝在采煤機的左/右牽引部，其天線朝向從機的安裝位置，并在靠近煤壁的方向加裝防護罩，防止煤塊把天線砸壞。從機則安裝在液壓支架立柱前面的頂板上，以避免行人的影響。另外，從機的天線朝向主機的安裝位置。

2 結(jié) 論

本文將UWB技術(shù)應(yīng)用在煤礦綜采工作面中，不僅實現(xiàn)了采煤機位置和方向的監(jiān)測，而且在安裝和使用中較為獨立，可脫離液壓支架電液控制系統(tǒng)和采煤機的電氣控制系統(tǒng)，且具有功耗低、定位精確、安裝方便等特點，符合煤礦綜采工作面的使用條件，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 王亦清.采煤機位置監(jiān)測智能節(jié)點設(shè)計[J].煤礦機械，2010，10(8)：18-20.

[2] 夏護國.采煤機位置監(jiān)測裝置的原理與應(yīng)用[J].礦山機械，2007，11(2)：28-29.

[3] 張連昆.基于超聲波技術(shù)的采煤機位置監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤炭科學技術(shù)，2010，5(4)：7-9.

[4] 蔡新梅.UWB技術(shù)在船舶避碰領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].艦船電子工程，2014，8(5)：11-12.

[5] 楊 楠.基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，2(1)：16-18.

[6] 蔡新梅.基于UWB技術(shù)的船舶避碰系統(tǒng)抗干擾研究[J].艦船電子工程，2015，1(6)：8-10.

[7] 戴 龍.基于通訊行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的UWB系統(tǒng)概述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息工程，2014，11(2)：17-18.

[8] 景新幸.一種1 V低電壓全數(shù)字3.1～10.6 GHz IR-UWB發(fā)射機[J].微電子學與計算機，2014，12(3)：13-14.

[9] 賀廣宇.UWB高精度定位中的信道估計及均衡技術(shù)研究[J].西安電子科技大學，2010，7(4)：15-17.

Position Monitoring System of Shearer Based on UWB Technology

WANG Xuesong

Ultra wide band technology is used to monitor the position and direction of shearer in fully mechanized coal mining face, and the hardware design scheme, distance calculation method and positioning process are introduced. The detection system has the characteristics of convenient in installation, low in cost, strong in anti-interference, reflect the realtime data in live. It satisfies the technical requirements for coal mining automation and intelligent coal mining.

Ultra wide band; Shearer location; Shearer direction; Monitoring; Location method

2016-00-00

王雪松(1982—)，男，河北井陘人，2007年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，工程師，主要從事煤機自動化設(shè)計與研究工作

(E-mail)wxs-119@163.com

TD421.6

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1672-0652(2016)09-0004-03