牛永剛， 竇學(xué)麗， 殷鵬， 李京生， 欒良良， 藍(lán)祥

(北京永安信通科技有限公司， 北京 100089)

0 引言

采煤作業(yè)是煤礦井下最重要、最危險(xiǎn)的前端生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)煤礦井下綜采工作面內(nèi)的人員、采煤機(jī)等動(dòng)目標(biāo)的位置進(jìn)行監(jiān)控，可以有效保障工作面生產(chǎn)安全[1-2]。井下動(dòng)目標(biāo)定位一般采用基于無(wú)線通信的定位方法[3]。傳統(tǒng)的無(wú)線定位技術(shù)包括WiFi、射頻識(shí)別(RFID)、ZigBee等，這些技術(shù)由于自身局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜采工作面的高精度定位[4-5]。超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)具有抗多徑能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度定位，在礦井無(wú)線定位領(lǐng)域有很大優(yōu)勢(shì)[6]，滿足綜采工作面定位系統(tǒng)的精確度要求。

劉清[7]提出了一種基于UWB測(cè)距原理的采煤機(jī)定位系統(tǒng)，利用UWB的測(cè)距原理確定采煤機(jī)在工作面的相對(duì)位置，解決了復(fù)雜工況下采煤機(jī)定位精度低的問(wèn)題。劉一鳴等[8]提出了一種基于UWB的采煤機(jī)定位精度提升算法，利用信息過(guò)濾算法對(duì)信號(hào)值進(jìn)行過(guò)濾，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的精確定位。但上述研究忽略了安裝在液壓支架上的基站位置變化對(duì)定位效果的影響。激光測(cè)距技術(shù)具有很好的單色性、方向性、相干性和高亮度的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體相對(duì)距離的高精度測(cè)量[9]，是校準(zhǔn)基站位置較理想的選擇。綜采工作面環(huán)境惡劣，設(shè)備復(fù)雜，能見(jiàn)度低，人員與采煤機(jī)的相對(duì)位置是重要的安全監(jiān)控內(nèi)容，宜采用二維定位方法。本文將激光測(cè)距技術(shù)應(yīng)用到礦山環(huán)境中，結(jié)合UWB定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于UWB與激光測(cè)距的綜采工作面定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用UWB通信來(lái)提高系統(tǒng)定位精度，利用激光測(cè)距技術(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)定位基站位置。在山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司高河煤礦E2308工作面對(duì)基站位置校準(zhǔn)精度和系統(tǒng)定位精度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的定位精度，有效解決了基站位置校準(zhǔn)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于UWB與激光測(cè)距的綜采工作面定位系統(tǒng)主要由定位基站、定位標(biāo)志卡、交換機(jī)、地面數(shù)據(jù)中心組成，如圖1所示。定位基站安裝在液壓支架上，液壓支架位置變動(dòng)，基站位置隨之變動(dòng)，采用激光測(cè)距傳感器測(cè)量定位基站之間的距離。定位基站外接天線，發(fā)射固定功率的UWB無(wú)線信號(hào)，與佩戴在人員身上或安裝在設(shè)備上的定位標(biāo)志卡通信，通過(guò)信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)、到達(dá)時(shí)間差估計(jì)、到達(dá)角估計(jì)、飛行時(shí)間估計(jì)等定位方法來(lái)確定移動(dòng)目標(biāo)的位置信息[10-11]。定位基站接入礦井環(huán)網(wǎng)，通過(guò)礦井環(huán)網(wǎng)將位置信息數(shù)據(jù)上傳至地面數(shù)據(jù)中心。定位系統(tǒng)軟件將定位數(shù)據(jù)在地面監(jiān)控中心進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，輔助管理決策。

圖1 基于UWB與激光測(cè)距的綜采工作面定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 UWB二維定位

采用DW1000 UWB 芯片[12]實(shí)現(xiàn)定位基站和定位標(biāo)志卡之間的通信。通過(guò)UWB定位技術(shù)的飛行時(shí)間法來(lái)計(jì)算基站與標(biāo)志卡之間的距離。定位基站安裝在液壓支架頂梁上，每個(gè)基站外接1個(gè)天線，基站天線采用全向平面天線，以垂直極化方式發(fā)射UWB電磁波信號(hào)。UWB電磁波信號(hào)的中心頻率為4.0 GHz。基站天線安裝位置有2種：靠近煤壁方向和遠(yuǎn)離煤壁方向，如圖2所示。天線位置1和天線位置2的間距大于2 m，2種天線安裝位置交錯(cuò)排列，使3個(gè)基站天線組成三角形(系統(tǒng)最少需要3個(gè)基站組成)。

圖2 定位基站安裝位置

基于UWB與激光測(cè)距的綜采工作面定位系統(tǒng)定位原理如圖3所示。通過(guò)基站A，B，C對(duì)移動(dòng)目標(biāo)M進(jìn)行定位。本文采用最大似然法進(jìn)行定位解算[13-14]。假設(shè)基站A，B，C的位置坐標(biāo)分別為(x1，y1), (x2，y2), (x3，y3), 移動(dòng)目標(biāo)M的坐標(biāo)為(x，y)，移動(dòng)目標(biāo)M到基站A，B，C之間的距離分別為d1，d2，d3，則可得

圖3 基于UWB與激光測(cè)距的綜采工作面定位系統(tǒng)定位原理

(1)

因式(1)為非線性方程組，不易求解，將其改寫成Dz=b的線性方程組的形式求解，其中D為系數(shù)矩陣，z為變量矩陣，b為常數(shù)矩陣，計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

(4)

實(shí)際測(cè)量中，必須考慮測(cè)量誤差，假設(shè)測(cè)量誤差為e(z), 根據(jù)最小二乘原理得

(5)

對(duì)測(cè)量誤差e(z)求導(dǎo)，得到z的最小值：

(6)

假設(shè)方程有解，那么可得

z=(DTD)-1DTb

(7)

zT就是定位目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

2.2 基站校準(zhǔn)

采用GUJ1400礦用本安型激光測(cè)距傳感器測(cè)量定位基站之間的距離。定位基站通過(guò)CAN總線與液壓支架控制器連接，若基站所在液壓支架移架，則與之相鄰基站的激光測(cè)距傳感器校準(zhǔn)此基站位置?；具B接方式如圖4所示。

圖4 基站連接方式

基站位置校準(zhǔn)方法如圖5所示。綜采工作面移架方式采用單架依次順序式，基站C所在的液壓支架向前推移(推移距離小于2 m)，定位系統(tǒng)收到移架信號(hào)后30 s，與基站C相鄰的最近基站B的激光測(cè)距傳感器通過(guò)測(cè)距得到與基站C的距離k，基站B，C之間的水平距離l通過(guò)二者坐標(biāo)值計(jì)算可得，根據(jù)勾股定理得到二者垂直距離j，從而進(jìn)一步用基站B與基站A之間的垂直距離H減去j得到基站C的移動(dòng)距離h。

圖5 基站位置校準(zhǔn)方法

3 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證基于UWB與激光測(cè)距的綜采工作面定位系統(tǒng)的有效性，在高河煤礦E2308工作面進(jìn)行基站位置校準(zhǔn)精度和系統(tǒng)定位精度的測(cè)試。高河煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬(wàn)t/a，屬高瓦斯礦井，全井田布置一個(gè)開(kāi)采水平(+450 m)。現(xiàn)采3號(hào)煤層，煤層標(biāo)高為460～520 m，煤層厚度為6.2～7.5 m，平均厚度為6.38 m，屬穩(wěn)定性煤層。E2308工作面采用長(zhǎng)壁放頂煤開(kāi)采技術(shù)，可采長(zhǎng)度為653 m，切眼長(zhǎng)度為335 m，采高為6.7 m，儲(chǔ)量為226萬(wàn)t。工作面液壓支架各動(dòng)作采用液壓片閥人工操作方式，采一刀煤，人工放一次煤。E2308工作面目前主要設(shè)備概況：① 采煤機(jī)型號(hào)為MG400/930-WD，采高為2.0～3.5 m，交流變頻無(wú)級(jí)調(diào)速。② 工作面中間液壓支架型號(hào)為ZF8500/22/42，端頭端尾液壓支架型號(hào)為ZFG10800/23/38。工作面架內(nèi)(液壓支架立柱以內(nèi)的空間)行人通道寬為0.6 m，架外(液壓支架立柱以外)到煤壁之間的寬度約為3.5 m。③ 前后部刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ1000/2*1000，電動(dòng)機(jī)功率為1 000 kW，運(yùn)輸能力為2 000 t/h，電壓等級(jí)為3 300 V，采用變頻控制。

3.1 測(cè)試過(guò)程

測(cè)試工作使用的主要器材為礦用本質(zhì)安全型定位基站和車輛定位標(biāo)志卡及相應(yīng)的固定支撐器材。測(cè)試工作在采煤機(jī)停運(yùn)期間進(jìn)行，共使用3個(gè)定位基站和10個(gè)車輛定位標(biāo)志卡。測(cè)試過(guò)程如下：

(1) 在地面利用UWB定位系統(tǒng)管理軟件配置好測(cè)試用基站的IP地址和車輛標(biāo)志卡卡號(hào)。

(2) 選定一段無(wú)地形起伏的工作面作為測(cè)試地點(diǎn)。將測(cè)試用基站與車輛標(biāo)志卡接各自適配電源，并分別固定到相應(yīng)支撐器材上，調(diào)整支撐器材水平。

(3) 將基站A, B, C安裝在液壓支架上，2個(gè)基站之間相距30 m，按照定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案調(diào)整固定天線位置。利用CAN總線連接測(cè)試用基站與業(yè)務(wù)化運(yùn)行的礦井定位系統(tǒng)在測(cè)試點(diǎn)處已存在的最近的定位基站，開(kāi)啟測(cè)試用基站。

(4) 將車輛標(biāo)志卡放置到指定位置，其中2個(gè)在液壓支架內(nèi)，8個(gè)在液壓支架外。基站與標(biāo)志卡位置如圖6所示。

圖6 基站與標(biāo)志卡位置

(5) 利用激光測(cè)距儀、纖維卷尺測(cè)量并且標(biāo)定定位基站A，B，C和10個(gè)車輛標(biāo)志卡的初始坐標(biāo)位置。在之后的測(cè)試過(guò)程中，車輛標(biāo)志卡、基站A和基站B保持位置不變。

(6) 在定位系統(tǒng)控制軟件中進(jìn)行基站位置初始化設(shè)置，然后定位系統(tǒng)開(kāi)始與車輛標(biāo)志卡通信并進(jìn)行定位。

(7) 測(cè)試過(guò)程中液壓支架位置不發(fā)生變動(dòng)，而是通過(guò)改變基站位置來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓支架移架的同等效果。將基站C向前移動(dòng)，并手動(dòng)發(fā)送移架信號(hào)給定位系統(tǒng)控制軟件。

(8) 系統(tǒng)對(duì)基站C的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，然后對(duì)車輛標(biāo)志卡進(jìn)行定位。

(9) 重復(fù)步驟(7)和步驟(8)。

(10) 測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的礦井定位系統(tǒng)上傳至地面服務(wù)器，測(cè)試完畢后從服務(wù)器下載數(shù)據(jù)到本地進(jìn)行分析。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 基站位置校準(zhǔn)精度分析

E2308工作面循環(huán)進(jìn)度為0.8 m，采放比為1∶1.12；一刀一放，采放平行作業(yè)，放煤步距為0.75～0.8 m?；綜以0.2 m為單位間隔向煤壁方向推移，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 基站位置校準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)

測(cè)量結(jié)果表明，激光校準(zhǔn)基站位置的最小誤差為0.008 m，最大誤差為0.014 m，平均誤差為0.011 m，相對(duì)誤差較小，校準(zhǔn)結(jié)果較為精確。

3.2.2 系統(tǒng)定位精度分析

選取初始狀態(tài)和液壓支架推移0.8 m時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)定位精度分析，以真實(shí)反映經(jīng)過(guò)一次移架后的系統(tǒng)定位精度。

以基站A的天線位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，液壓支架延伸方向?yàn)閄軸，指向煤壁的方向?yàn)閅軸，建立相對(duì)坐標(biāo)系，基站B和基站C的天線位置初始坐標(biāo)分別為(30 m,2.2 m)和(60 m,0)。記錄測(cè)量結(jié)果，并計(jì)算X軸和Y軸方向的誤差(Δxi=|xi-x0|,Δyi=|yi-y0|,i為標(biāo)志卡序號(hào),i=1,2,…,10)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)定位結(jié)果

采用精度計(jì)算公式計(jì)算2種情況下的系統(tǒng)定位精度。

(8)

計(jì)算得到初始狀態(tài)下的最小誤差為0.163 m，最大誤差為0.195 m，平均誤差為0.177 m。當(dāng)液壓支架向前推進(jìn)0.8 m時(shí)，最小誤差為0.182 m，最大誤差為0.214 m，平均誤差為0.193 m。2種情況下系統(tǒng)平均誤差相差0.016 m,與基站位置校準(zhǔn)誤差0.012 m(表1)相比略大。

定位誤差結(jié)果如圖7所示。當(dāng)液壓支架推移后，所有標(biāo)志卡的定位誤差均有所增加。根據(jù)本文測(cè)量結(jié)果，由于液壓支架推移1次，誤差會(huì)增大0.016 m，出于對(duì)累積誤差的考慮，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)定位系統(tǒng)統(tǒng)一初始化校準(zhǔn)1次。相同情況下，位置在架內(nèi)的1號(hào)和2號(hào)標(biāo)志卡與架外的其他標(biāo)志卡相比，定位誤差均大于0.012 m，這是由金屬材質(zhì)的液壓支架遮擋所導(dǎo)致的。

圖7 定位誤差

4 結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于UWB與激光測(cè)距的綜采工作面定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DW1000 UWB 芯片實(shí)現(xiàn)定位基站和定位標(biāo)志卡之間的通信，利用UWB定位技術(shù)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行高精度定位，采用GUJ1400礦用本安型激光測(cè)距傳感器測(cè)量定位基站之間的距離，利用激光測(cè)距技術(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)定位基站位置。在高河煤礦井下E2308工作面進(jìn)行了定位系統(tǒng)驗(yàn)證，結(jié)果表明:系統(tǒng)基站位置校準(zhǔn)精度在0.011 m左右，系統(tǒng)定位精度達(dá)0.193 m，定位精度較高，有效解決了基站位置校準(zhǔn)問(wèn)題。該系統(tǒng)方案可為UWB精確定位系統(tǒng)推廣應(yīng)用提供借鑒。