孫鵬亮 汪文良 智寶巖 趙亞軍

1.中國煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司 北京 100011;2.常州佐安電器有限公司 江蘇常州 213000;3.中煤陜西榆林能源化工有限公司 陜西榆林 719000;4.中煤大同能源有限責(zé)任公司 山西大同 037001

1 概述

煤礦工作面人員的精確定位是實現(xiàn)煤礦智能開采技術(shù)常態(tài)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一,隨著超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)技術(shù)的逐步成熟,近年來被行業(yè)逐步引入。UWB技術(shù)在原理上具有較高的帶寬信號,定位精度準(zhǔn)、時間分辨率高、衍射能力強(qiáng)、設(shè)備功耗低、定位卡待機(jī)時間長等特點。與其他的定位技術(shù)相比,能夠更好地適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境。因此,更適用于井下綜采工作面的人員定位場景。

2 UWB技術(shù)的定位方法對比分析

UWB是基于短能量脈沖,通過正交頻分調(diào)制或直接排序進(jìn)一步處理,調(diào)整到一個頻率范圍內(nèi)。主要特點是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。該項技術(shù)依據(jù)信號在基站間飛行時間的長短來測量距離TOF(Time of Flight)。該方法采用兩個不同的異步收發(fā)機(jī)接收同一信號源的飛行時間,通過時間差測量相對距離。雙向飛行時間法每個信號接收設(shè)備從開始工作時會產(chǎn)生一個單獨的時間標(biāo)志戳。設(shè)備A在時間T1發(fā)射請求信號,設(shè)備B在T2時刻發(fā)射響應(yīng)信號,被設(shè)備A在本身標(biāo)定的時間標(biāo)志T2時刻接收。這樣便能夠計算出該脈沖信號在設(shè)備A和設(shè)備B之間的傳播時間,通過時間差值計算相距的距離S。但是單獨采用TOF方式計算,存在嚴(yán)苛的束縛條件:信號發(fā)射裝置和信號接收裝置應(yīng)該長期保持同步。這是一個比較棘手的問題。而雙向雙通道測可以有效解決這個問題,它采用了時間飛行計算方法的優(yōu)點的同時又極大地去除了時間飛行計算方法的同步問題,為該種方法的應(yīng)用解決了實際問題。因此,在UWB技術(shù)的使用方面可以借鑒這種算法,采用TOA(到達(dá)時間)、TDOA(到達(dá)時間差)、AOA(到達(dá)角度或稱為DOA估計)定位技術(shù)和這三種技術(shù)的混合技術(shù)。

TOA主要是通過定位卡與兩個以上的定位基站建立信號連接,通過定位卡信號與基站之間進(jìn)行畫圓計算,通過多個定位基站畫圓的焦點來確定定位卡的位置。但如果在信號傳播過程中收到外界環(huán)境因素干擾,則在畫圓的過程中將會出現(xiàn)偏差,而整體的定位精度將會出現(xiàn)較大問題,同時還需要基站做時鐘同步處理。TDOA的定位方式不需要定位基站和定位卡之間的同步,僅需要定位基站之間自己同步即可。定位基站的安裝位置固定后,定位基站之間實現(xiàn)同步相對容易,這樣從工程實踐角度TDOA的定位方式比TOA定位方式容易工程化。AOA的特點就是不需要大量的定位基站,靠少量的基站根據(jù)角度計算即可定位。移動終端根據(jù)與基站1和基站2連個基站形成基于水平方向的角度,判斷角度值,作射線延長,匯集到同一點,該點即為移動終端的位置,這種方法可以極大地縮減對基站數(shù)量的依賴。但是其缺點是長距離的判定會因為角度的偏差造成較大的誤差。一般不適宜在長距離定位中應(yīng)用。

3 UWB技術(shù)在井下工作面人員精確定位研究

為解決井下人員主動安全防護(hù),需要精準(zhǔn)獲取工作面人員位置信息,再與其他設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)動閉鎖保護(hù)。核心問題是對人員在工作面位置的精準(zhǔn)定位。為解決該技術(shù)問題,近年來逐步開展基于UWB技術(shù)的綜采工作面人員精確定位相關(guān)技術(shù)研究。通過對該項技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn),將TOA、AOA和TDOA三種定位方式進(jìn)行有機(jī)融合,可得到較好效果。首先利用TOA的值計算出移動終端和基站之間的距離R,那么可以確定移動終端的位置在以基站為圓心,R為半徑的圓周上。接著利用天線陣列從移動終端到基站作出一條射線,則射線與圓之間的交點就是移動終端的位置。若移動終端的位置為(X0,Y0),基站位置為(X,Y),在基站測得的移動終端發(fā)出的信號的到達(dá)角度為θ,基站和移動終端的距離為R,則他們滿足如下方程:

(Xo-X)2+(Yo-Y)2=R2

再結(jié)合TDOA-AOA定位方法,對上述精度進(jìn)行矯正,具體原理如下圖1所示。

圖1 TDOA-AOA定位示意圖

通過兩者的相互結(jié)合,相互矯正,以獲得更準(zhǔn)確的定位信息。實現(xiàn)對移動終端的精準(zhǔn)定位。這種定位方式可有效避免單一定位原理造成的誤差。減少工作面復(fù)雜環(huán)境對信號傳輸?shù)挠绊?實現(xiàn)人員位置的精準(zhǔn)定位。

4 基于UWB的高精度人員定位算法分析

4.1 加權(quán)算法原理

讀卡器讀取定位卡信息時,障礙物遮擋引起的通信延時誤差,影響定位精度。運用無障礙物遮擋測距結(jié)果加權(quán)平均大大提高了定位的精準(zhǔn)度?；谏鲜龇绞?人員定位卡距離第一個讀卡器的位置計算方法為:

4.2 加權(quán)算法實現(xiàn)

上述公式中r1、r2…rn,根據(jù)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃p原理,結(jié)合實驗數(shù)據(jù)確定了r的數(shù)學(xué)估算模型,其模型算法為:los=32.44+20lgF+20lgd,式中l(wèi)os表示信號衰減,單位dB,F表示信號頻率,單位MHz,d表示距離,單位km。

接收信號強(qiáng)度為:s_r=p_t-los;其中,s_rd表示距離為d時的理論接收信號強(qiáng)度,p_t表示發(fā)射功率,los表示信號衰減。則接收信號強(qiáng)度和通信距離的計算可表示為:

s_rd=p_t-32.44-20lgF-20lgd

通過測試提出符合適應(yīng)環(huán)境的加權(quán)因子公式:

r=1-(s_rd-s_r)/(s_rd+102)

其中,r是加權(quán)因子,s_rd表示距離為d時,無遮擋時的信號強(qiáng)度,s_r表示實際接收的信號強(qiáng)度。

4.3 無遮擋數(shù)據(jù)仿真

在實驗室開展無遮擋數(shù)據(jù)仿真研究,首先將定位卡和讀卡器中間不放置任何物體,采用對稱雙邊兩路測距方法進(jìn)行距離測試,進(jìn)行反復(fù)100次的測試。測試結(jié)果如圖2所示。通過測試發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的波動范圍小于0.2m,信號強(qiáng)度基本在-83～-86dB之間。

圖2 信號測距及強(qiáng)度仿真示意圖

4.4 有遮擋情況仿真

對不同結(jié)構(gòu)遮擋物進(jìn)行仿真,將定位卡與信號采集裝置之間分別放置一個水泥墻體、一個巖石類障礙物、煤塊類障礙物、水幕類障礙物、鋼鐵支護(hù)結(jié)構(gòu)類等五種障礙物,分別進(jìn)行50次的信號傳輸測試,具體的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖3所示。

圖4 加權(quán)算法優(yōu)化定位計算結(jié)果圖

4.5 不同遮擋物仿真結(jié)果分析

通過對比不同遮擋物仿真結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)定位精度、信號強(qiáng)度影響各不相同。如上圖所示,水泥墻體結(jié)構(gòu)對定位精度影響最大,誤差為1米,水幕類結(jié)構(gòu)對定位精度影響最小。針對信號不同衰減規(guī)律,利用公式計算不同的加權(quán)因子及權(quán)重,對仿真結(jié)果進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化仿真。

4.6 利用加權(quán)算法計算

通過利用加權(quán)算法的優(yōu)化,將50米實測值的數(shù)據(jù),通過加權(quán)算法優(yōu)化,再對上述情況進(jìn)行測試,測試結(jié)果的定位誤差都小于0.3米,達(dá)到了預(yù)期效果。

5 實際應(yīng)用情況

以中煤集團(tuán)某煤礦為例,工作面寬度260m,煤層厚度平均厚度為6.1m,煤層傾角≤10°。根據(jù)工作面的地質(zhì)條件以及工作面設(shè)備的特性,采用相對密集的布置方式,在工作面內(nèi)布置6臺基站,分別布置在順槽轉(zhuǎn)載機(jī)、工作面5號支架、41號支架、77號支架、113號支架、149號支架處,每臺基站之間的距離為36架,支架的中心距為1.75m,因此兩臺基站間的距離為63m。每臺基站所在的支架安裝兩個信號接收器,分別指向左右兩個方向,用于接收不同位置的信號。首次安裝結(jié)束后分別對液壓支架立柱前側(cè)行人通道和立柱后側(cè)行人通道分別獨立定位,受液壓支架立柱封閉性影響,信號無法進(jìn)行穿越傳輸,兩種定位方式不能夠同時計算人員位置,容易造成人員位置的跳變。出現(xiàn)這種情況的主要原因是立柱阻擋信號后,當(dāng)人員異動后,躲過立柱的阻擋既能收到信號,這樣造成位置跳變。此外,由于基站無法精確判斷前后部人員通道位置,容易出現(xiàn)前部和后部基站對同一位置的人員進(jìn)行同時“搶”信號,都認(rèn)為在自己判定的范圍內(nèi),這樣就容易導(dǎo)致頻繁輸出不同的結(jié)果,出現(xiàn)人員位置跳變。因此采取在單一側(cè)通道進(jìn)行人員位置判定,將讀卡器安裝在立柱后側(cè)人員通道上方位置用于識別人員的位置。井下工作面精確定位設(shè)備安裝數(shù)量如下表所示:

設(shè)備安裝數(shù)量表

開始調(diào)試過程中,保障電池的使用能力和降低電池電量的損耗,讀卡器的刷新頻率較低為10s一次,但操作人員在工作面行走過程中,經(jīng)過每架的時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10s。這樣就造成人員跳架。為解決該問題,在實驗過程中,不斷提高讀卡器的刷新頻率,最后將讀卡器刷新頻率提高為500ms/次,進(jìn)而滿足對人員精確定位的要求,人員在行走的過程中不會出現(xiàn)跳架。雖然提高了刷新頻率,實現(xiàn)人員能夠精準(zhǔn)定位,但是電池電量的使用能力方面大大降低。工作面人員行走過程中,從機(jī)頭向結(jié)尾方向,以1.4m/s以下的速度行走,在行走的過程中無論是哪個方向,均能夠準(zhǔn)確識別人員的位置信息,基本不存在跳架現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)本文分析了基于不同計算方式的UWB技術(shù),并對不同的計算方式的優(yōu)缺點進(jìn)行分析,形成了基于混合計算方式的UWB技術(shù)方案,該方案在實際使用過程中具有較好的適應(yīng)性。

(2)針對井下工作面實際工況存在遮擋的特性,在研發(fā)過程中進(jìn)行了遮擋分析,得出遮擋物帶來的誤差原因,提出了誤差修正的方法。

(3)本文對針對現(xiàn)場實際情況進(jìn)行了部署和測試,通過井下工作面實測數(shù)據(jù)驗證,定位精度達(dá)到0.3米,系統(tǒng)能夠與支架電液控制系統(tǒng)聯(lián)動,實現(xiàn)了人員所在位置的支架自動停止動作,提高了主動安全防護(hù)能力,具有較好的推廣應(yīng)用價值。