段笑蔚

（山西科林礦山檢測技術有限責任公司，山西 陽泉045000）

引言

隨著近年來煤炭開采深度不斷加大，人工作業(yè)的危險性不斷提高，為了減少人員傷亡，同時為了實現深部煤層無人化開采，進一步提高煤炭能源生產能力，國內外專家學者一直致力于無人采掘裝備的研究，煤礦開展生產最主要的設備就是掘進機，掘進機的自主巡航作業(yè)功能是實現綜掘面無人化的前提，它主要通過自主定位定向系統(tǒng)檢測掘進機機身坐標和位姿參數，進而判斷掘進機是否進入預定掘進航線進行作業(yè)。超寬帶技術是一種新型無線電技術，將這項技術應用于掘進機自主定位定向系統(tǒng)中能夠實現高精度測距，為綜掘工作無人化奠定了基礎。

1 基于超寬技術的自主定位系統(tǒng)原理

1.1 超寬帶技術

超寬帶技術的出現使無線技術進入了新的發(fā)展階段，超寬帶（UWB）在提出時是指信號占用帶寬很寬。UWB是1989年在美國提出來的，并在2002年被進行了商用定義，信號帶寬直接影響自身的距離分辨力，這種寬帶特性使UWB無線定位系統(tǒng)與窄帶無線定位系統(tǒng)相比在距離分辨精度方面具有很大的優(yōu)勢。UWB系統(tǒng)的測量精度非常高，其測距定位精度可以達到毫米級。此外，UWB定位系統(tǒng)發(fā)射的信號占空比低，多徑信號比常規(guī)窄帶信號更容易分離。由于UWB定位系統(tǒng)采用擴頻信號，所以系統(tǒng)的頻帶較寬，在信道容量保持不變時，高帶寬能夠減小信噪比，由此可見，UWB定位系統(tǒng)具備抗干擾特性，非常適合應用在掘進機自主定位定向系統(tǒng)中。目前，現有的UWB定位系統(tǒng)在國內還不是很常見，在英國和美國應用比較廣泛[1]。

1.2 TW－TOF測距法

無線定位系統(tǒng)是通過建立數學模型來計算對象的位置坐標的，進而實現定位功能，數學模型主要是根據與位置有關的距離變量來建立的，理論上可將UWB的定位方法分為三種，一種是根據接收信號強度進行定位的，一種是根據信號到達角度進行定位的，還有一種是根據接收信號的時間長短來進行定位的。UWB信號對時間有較高的分辨率，根據這一特點，可以設計出運用TW-TOF測距方法的掘進機自主定位方案。一般情況下，對于兩個具有相同時鐘源的無線電收發(fā)器來說，采用TW-TOF測距法能夠得到兩者之間的真實距離，還可以獲得測量信號的傳播時間，同時對信號到達時間進行記錄。通過運用TW-TOF測距法能夠實現這一功能。

2 UWB 自主定位定向系統(tǒng)的設計

2.1 機身坐標定位

自主定位系統(tǒng)的設計主要包括對機身坐標定位、機身位姿測量和基站自主標定三個部分，掘進機機身坐標定位方案如圖1所示，自主定位系統(tǒng)應具有至少3個UWB天線的基站，用于向周圍空間發(fā)射信號，機身定位點在接收到信號后會做出相應的響應。這時，利用TW-TOF測距法能夠獲得定位點與基站之間的距離。掘進機在巷道中作業(yè)時，其基站群的坐標是可以獲得的，通過基站群的坐標可以計算出定位點的坐標。然后與預設掘進路線進行對比，能夠判斷出掘進機的位置與預設軌跡是否相同。如果偏離軌跡也可以得到偏差值[2]。

圖1 坐標定位方案

2.2 機身位姿測量

掘進機機身位姿的測量主要是獲得機身的3個姿態(tài)角，根據角度的測量能夠得到機身的實時位姿，姿態(tài)角主要包括航向角、俯仰角和橫滾角。掘進機在工作過程中應具有自動控制功能，其截割的巷道斷面要滿足巷道成型標準，即使在截割過程中不可避免地出現了誤差，但誤差也應保持在合理范圍內，掘進機的截割頭與機身具有一定的位置關系，通過對機身位姿的測量能夠得到掘進機截割頭的位置，并判斷其是否滿足巷道成型標準。位姿測量方案如圖2所示，為了確保位姿測量的精準性，掘進機位姿檢測系統(tǒng)應包括至少3個機身定位點。定位點的位置是不變的，基站的坐標位置也是明確的，與機身坐標定位原理相同，經過計算，便能夠得到機身的實時位姿。

圖2 位姿測量方案

2.3 基站自主標定

掘進機基站的自主標定是系統(tǒng)需要實現的又一重要功能。雖然我國不斷地進行掘進機無人技術的研究，但由于受作業(yè)環(huán)境和狀況的限制，目前使用的掘進機還是半自主的，還是要人工作業(yè)的，與全自主的掘進機還是存在很大差距的。在掘進機工作過程中，其與基站的距離是不斷增加的，隨著距離的增大，掘進機自主標定的誤差也會變大，使得標定位置準確度大大降低，最后變得沒有參考價值，系統(tǒng)失效?；拘枰萌斯みM行標定，人工標定速度慢并且危險性較高?；诖?，為了增大掘進機的測量距離，需要制定出跟隨性較強的自主標定方案，以便于對掘進機的位置參數進行實時測量，這樣也會縮短人工作業(yè)時間，大大降低危險性。根據上述要求制定的基站標定方案如圖3所示，該系統(tǒng)硬件應包含至少三個定位點，同時多個基站群，本系統(tǒng)設置了四個，這四個基站群應具有智能性，它們應具備基本的移動測量和通訊等功能。當掘進機的有效距離達到極限時，系統(tǒng)內的自主標定基站群開始運行，它們會按照預設的軌跡向前移動，在基站群向前移動時，其它基站群會對其測距，從而更新坐標，消除誤差，由于是無人化掘進作業(yè)，所以基站群在移動時能夠自動進行避障和規(guī)劃路線。

圖3 基站標定方案

3 UWB自主定位定向系統(tǒng)精度分析

根據規(guī)定，實際巷道邊界與理論之間的誤差應小于10 cm，這就要求定位系統(tǒng)應具有較高的精度。通常情況下，系統(tǒng)的有效測量距離應不小于50 m，太小的測量范圍在實際工作中應用價值不大。目前，我國井下掘進作業(yè)的定位系統(tǒng)的測量距離能達到百米。在巷道成型過程中，掘進機的最終邊界誤差的大小會受多種因素的影響，只有機身定位精度足夠高，其它控制系統(tǒng)才能具有較高的精度。利用Matlab可以對系統(tǒng)的定位測量進行仿真模擬，最終得到系統(tǒng)的定位誤差分布規(guī)律。該定位定向系統(tǒng)的參數不是直接測量得到的，它需要通過對基站測距參數進行運算來得到。所以，系統(tǒng)誤差與測量范圍有關，系統(tǒng)的測量范圍越大，運算得到的交匯解區(qū)域越大，誤差也越大。通過對系統(tǒng)進行Matlab仿真可以看出系統(tǒng)的有效測量范圍已經超過了400 m，與以往傳統(tǒng)的測量技術相比，該系統(tǒng)有效測量距離是以往的4倍，明顯提高了測量距離，為實現掘進機無人化奠定了基礎，同時也證明了超寬帶技術的優(yōu)越性[3]。

4 結論

從以上研究結果可以看出，基于超寬帶技術的掘進機自主定位定向系統(tǒng)能夠有效提高測量距離，為實現掘進機無人化作業(yè)提供了思路，基于超寬帶TW-TOF測距技術的定位定向法減少了人工作業(yè)，工作效率也因此得到了提升，它是自主巡航作業(yè)中不可或缺的先進技術。由于掘進機工作環(huán)境比較復雜，在掘進過程中容易偏掘導致巷道錯位，不能滿足相關質量標準，基于超寬帶技術的自主定位系統(tǒng)有效解決了這一問題，與其他定位定向系統(tǒng)相比，它能夠實時對掘進機的位置狀態(tài)進行監(jiān)測，對機身位姿進行測量，進行基站自主標定，它是實現無人化綜掘的基礎。