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        礦用支架搬運車防人員接近系統(tǒng)研究*

        2021-09-01 07:17:14陳寇忠
        煤礦機電 2021年3期
        關鍵詞:支架區(qū)域方法

        陳寇忠

        (中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

        0 引言

        隨著煤礦無軌輔助運輸技術與裝備的發(fā)展,支架搬運車大量應用于煤礦的搬家倒面工作,支架搬運車在提高煤礦搬家效率的同時,也帶來安全隱患,由于井下作業(yè)空間狹小、噪聲大、光線不足、支架車體積大,操作人員往往視線、聽力受阻,存在很大盲區(qū),極易造成支架車對人員的擠壓傷害事故。[1-2]

        研究開發(fā)適用于支架搬運車的無線定位接近探測防人員接近保護系統(tǒng)已經(jīng)成為目前煤礦輔助運輸技術與裝備迫切需要解決的課題。

        1 現(xiàn)有主要接近探測技術

        目前煤礦井下接近探測方法有以下幾種。

        1)接收信號強度指示(RSSI)法?;陔姶艌龅男盘枏姸戎甘酒?RSSI)法是通過測量磁場強度原理實現(xiàn)測量距離,該方法受煤礦井下惡劣環(huán)境影響大,傳播信號隨著距離的增加衰減厲害,測量誤差偏大,精度不高,一定區(qū)域范圍內(nèi)只能用同心圓來非精確設定,所以該方法不能精確設定操作區(qū)域。RSSI方法一般用來設計接近警告系統(tǒng)。[3]

        2)磁場面積識別方法。該方法是依據(jù)在設備周邊建立復雜三維磁場區(qū)域,個人標簽一旦進入磁場標識區(qū)域,就會被識別,精度能夠達1m,但是該方法依靠設備建立的磁場為橢圓體磁場覆蓋,覆蓋形狀有局限性,而且建立的磁場為低頻電磁場,容易受到干擾,該方法的靈活性和可靠性受到約束,不適用于煤礦用支架搬運車。[4]

        3)測量到達角度(AOA)。該方法是通過移動點到已確定參考點的角度數(shù)據(jù)進行定位,需要依賴極度靈敏度的方向傳感器,硬件成本較高、布置難度大、存在較強的多徑傳播效應。[7]

        4)測量到達時間差(TDOA)。該方法是通過測量移動節(jié)點到多個節(jié)點的到達時間差來推算移動節(jié)點的空間位置,此方法對時鐘同步要求較高,誤差需要控制在納秒等級,實際應用存在成本高,難度大等特點。[8-10]

        通過上述這幾種接近探測方法的討論可以看出,雖然目前市場已有基于上述方法的產(chǎn)品和系統(tǒng),但是考慮到井下環(huán)境、技術局限性及支架搬運車結(jié)構特點,上述方法用到支架搬運車上均存在一定難度。支架搬運車的結(jié)構特點是前機架承載發(fā)動機,駕駛室側(cè)面布置,后機架U型設計,外形呈前窄后寬。

        2 支架搬運車防人員接近探測方法

        實現(xiàn)支架搬運車的防人員接近探測需要實現(xiàn)如下兩步:移動人員和支架搬運車固定點之間的距離測量;移動人員的坐標計算。

        2.1 SDS-TW-TOA測距原理

        如圖1所示,標示卡向探測器發(fā)送數(shù)據(jù)包R1,探測器向標示卡返回數(shù)據(jù)包R2,同時探測器向標示卡發(fā)送數(shù)據(jù)包R3,標示卡向探測器返回數(shù)據(jù)包R4,則標示卡與探測器之間的距離d可用公式(1)計算得到。

        (1)

        式中:T1為標示卡從發(fā)送R1到收到R2的時間延遲;T2為探測器從收到R1到發(fā)送R2的時間延遲;T3為探測器自發(fā)送R3到收到R4的時間延遲;T4為標示卡從收到R3到發(fā)動R4的時間延遲;C為電磁波傳播速度。[5]

        2.2 基于最小二乘定位算法的位置確定

        由于實際測量時存在反射、干擾等非視距影響因素,測出的距離往往比實際偏大,這樣會造成三邊測量法測量移動點的坐標時,存在3個圓交集的是一個共同的區(qū)域,而非一個準確的點,造成方程無解,我們采用最小二乘法求得一個誤差最小的最優(yōu)解來解決此問題。假設支架搬運車定位區(qū)域包含一個移動點和若干參考點,則移動點通過測量自己到參考點的距離,用最小二乘法來確定移動點的坐標。[4]

        圖1 SDS-TW-TOA原理

        如圖2所示,設移動發(fā)射器個人標簽的待測坐標為P=[x,y,z]T,定位參考點探測器k的坐標Pk=[xk,yk,zk]T,k≥3,待測移動發(fā)射器標簽到定位參考點k的距離為dk,則求解坐標P的算法如下圖所述。

        圖2 最小二乘算法定位

        根據(jù)個人標簽到各探測器的距離,考慮三維平面定位環(huán)境,可得k+1個距離方程:

        (n∈0,1,…,k)

        (2)

        展開式(2)并進行線性優(yōu)化后可用下列矩陣表示:

        AP=B

        其中矩陣A、矩陣B為

        采用最小二乘法求解上述矩陣可得到坐標P:

        (3)

        這樣就得到了移動點相對于支架搬運車的坐標P,實現(xiàn)了支架搬運車人員接近探測。

        3 支架搬運車防人員接近系統(tǒng)設計

        3.1 系統(tǒng)架構

        支架搬運車防人員接近探測裝置架構如圖3所示,主要包括主控器、顯示器、探測器及具有定位標簽的礦燈。考慮到支架搬運車前窄后寬、后機架U型結(jié)構特點,車輛周圍一共布置6個探測器,布置位置如圖4所示。

        圖3 接近探測裝置系統(tǒng)架構

        圖4 支架搬運車探測器布置位置

        主控器是支架搬運車防人員接近探測裝置的核心,采用24 V直流供電,負責向探測器供電并傳輸定位信息與動作指示,采用隔爆兼本安型設計;顯示器采用本安型設計,用于實時顯示人員相對于支架搬運車的位置;探測器為礦用本安型,用于實時發(fā)送接收個人相對于探測器的距離,通過RS232將信號傳輸給主控器,主控器通過核心處理單元解算移動點相對于支架搬運車的位置;定位標示卡與礦燈集成一體設計,保證佩戴標示卡人員的供電時長,不用額外供電。

        3.2 區(qū)域控制策略

        支架搬運車空載最高車速不大于20 km/h、重載最高車速不大于10 km/h??紤]到支架搬運車的使用特點,將支架搬運車設定操作區(qū)域、警告區(qū)域、停機區(qū)域;并將支架搬運車結(jié)構特點的參數(shù)配置保存于主控器當中;如圖5所示,A區(qū)域為支架搬運車操作區(qū)域,當標示卡處于該區(qū)域時,支架搬運車運行整車;B區(qū)域為警告區(qū)域,當標示卡處于該區(qū)域時,防人員接近系統(tǒng)發(fā)出雙向預警,顯示器閃爍,語音報警器提示“人員接近請注意”,定位標示卡發(fā)出振動,提示佩戴人員已進入支架搬運車警告區(qū)域;C區(qū)域為危險區(qū)域,當標示卡進入該區(qū)域時,防人員接近系統(tǒng)輸出節(jié)點動作,支架搬運車熄火,保證人員安全??刂撇呗粤鞒倘鐖D6所示,S代表標示卡離支架搬運車的距離,L為警告距離設定值,M為停機熄火設定值。

        圖5 支架車區(qū)域設定方案

        圖6 控制策略流程

        4 試驗與分析

        為了檢驗該裝置的可行性和有效性,裝備該系統(tǒng)的試驗支架搬運車在神東煤炭集團大柳塔煤礦進行,該車一共安裝有1臺控制器、6臺探測器和1臺顯示器。根據(jù)支架搬運車的結(jié)構特點,結(jié)合支架搬運車的運行速度,設定駕駛室俯視平面范圍為操作區(qū)域A,停機距離M設定為支架搬運車兩側(cè)6 m、前后8 m,警告距離L設定為支架搬運車前后50 m、兩側(cè)10 m。試驗結(jié)果見表1~表3。從表1~3可以看出,進入警告區(qū)域時,系統(tǒng)警告并發(fā)出報警;進入危險區(qū)域時,系統(tǒng)發(fā)出危險報警并熄火停車。

        表1 防人員接近裝置判定試驗結(jié)果1

        表2 防人員接近裝置判定試驗結(jié)果2

        表3 防人員接近裝置判定試驗結(jié)果3

        試驗結(jié)果顯示,該支架搬運車防人員接近系統(tǒng)最大有效定位距離101 m,響應時間900 ms,最大定位誤差0.4 m,可以滿足煤礦安全生產(chǎn)對支架搬運車的防人員接近應用需求。

        5 結(jié)論

        1)該防人員接近系統(tǒng)采用SDS-TW-TOA測距算法及最小二乘定位算法,應用于支架搬運車,并在神東煤炭集團大柳塔煤礦進行了全面試驗,試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)定位精度高、響應時間短,人員判定準確,能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)對井下支架搬運車防人員接近探測的應用需求。

        2)該防人員接近系統(tǒng)只能對佩戴有定位標簽礦燈的人員進行定位測距,對沒有佩戴定位標簽礦燈的人員不能進行防護,需要進一步研究更好的方法實現(xiàn)對井下人員的探測防護。

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