基于超寬帶技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)自主定位定向方法研究

段笑蔚

（山西科林礦山檢測技術(shù)有限責(zé)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(xiàn)深部煤層無人化開采，進(jìn)一步提高煤炭能源生產(chǎn)能力，國內(nèi)外專家學(xué)者一直致力于無人采掘裝備的研究，煤礦開展生產(chǎn)最主要的設(shè)備就是掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)的自主巡航作業(yè)功能是實現(xiàn)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(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)和位姿參數(shù)，進(jìn)而判斷掘進(jìn)機(jī)是否進(jìn)入預(yù)定掘進(jìn)航線進(jìn)行作業(yè)。超寬帶技術(shù)是一種新型無線電技術(shù)，將這項技術(shù)應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)自主定位定向系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測距，為綜掘工作無人化奠定了基礎(chǔ)。

1 基于超寬技術(shù)的自主定位系統(tǒng)原理

1.1 超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)的出現(xiàn)使無線技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(dá)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(kuò)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(yīng)用在掘進(jìn)機(jī)自主定位定向系統(tǒng)中。目前，現(xiàn)有的UWB定位系統(tǒng)在國內(nèi)還不是很常見，在英國和美國應(yīng)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(shù)學(xué)模型來計算對象的位置坐標(biāo)的，進(jìn)而實現(xiàn)定位功能，數(shù)學(xué)模型主要是根據(jù)與位置有關(guān)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(jù)接收信號強(qiáng)度進(jìn)行定位的，一種是根據(jù)信號到達(dá)角度進(jìn)行定位的，還有一種是根據(jù)接收信號的時間長短來進(jìn)行定位的。UWB信號對時間有較高的分辨率，根據(jù)這一特點，可以設(shè)計出運用TW-TOF測距方法的掘進(jìn)機(jī)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(dá)時間進(jìn)行記錄。通過運用TW-TOF測距法能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能。

2 UWB 自主定位定向系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 機(jī)身坐標(biāo)定位

自主定位系統(tǒng)的設(shè)計主要包括對機(jī)身坐標(biāo)定位、機(jī)身位姿測量和基站自主標(biāo)定三個部分，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)定位方案如圖1所示，自主定位系統(tǒng)應(yīng)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(jī)身定位點在接收到信號后會做出相應(yīng)的響應(yīng)。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(jìn)機(jī)在巷道中作業(yè)時，其基站群的坐標(biāo)是可以獲得的，通過基站群的坐標(biāo)可以計算出定位點的坐標(biāo)。然后與預(yù)設(shè)掘進(jìn)路線進(jìn)行對比，能夠判斷出掘進(jìn)機(jī)的位置與預(yù)設(shè)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(biāo)定位方案

2.2 機(jī)身位姿測量

掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的測量主要是獲得機(jī)身的3個姿態(tài)角，根據(jù)角度的測量能夠得到機(jī)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(jìn)機(jī)在工作過程中應(yīng)具有自動控制功能，其截割的巷道斷面要滿足巷道成型標(biāo)準(zhǔn)，即使在截割過程中不可避免地出現(xiàn)了誤差，但誤差也應(yīng)保持在合理范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)的截割頭與機(jī)身具有一定的位置關(guān)系，通過對機(jī)身位姿的測量能夠得到掘進(jìn)機(jī)截割頭的位置，并判斷其是否滿足巷道成型標(biāo)準(zhǔn)。位姿測量方案如圖2所示，為了確保位姿測量的精準(zhǔn)性，掘進(jìn)機(jī)位姿檢測系統(tǒng)應(yīng)包括至少3個機(jī)身定位點。定位點的位置是不變的，基站的坐標(biāo)位置也是明確的，與機(jī)身坐標(biāo)定位原理相同，經(jīng)過計算，便能夠得到機(jī)身的實時位姿。

圖2 位姿測量方案

2.3 基站自主標(biāo)定

掘進(jìn)機(jī)基站的自主標(biāo)定是系統(tǒng)需要實現(xiàn)的又一重要功能。雖然我國不斷地進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)無人技術(shù)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(jìn)機(jī)還是半自主的，還是要人工作業(yè)的，與全自主的掘進(jìn)機(jī)還是存在很大差距的。在掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)自主標(biāo)定的誤差也會變大，使得標(biāo)定位置準(zhǔn)確度大大降低，最后變得沒有參考價值，系統(tǒng)失效。基站需要利用人工進(jìn)行標(biāo)定，人工標(biāo)定速度慢并且危險性較高。基于此，為了增大掘進(jìn)機(jī)的測量距離，需要制定出跟隨性較強(qiáng)的自主標(biāo)定方案，以便于對掘進(jìn)機(jī)的位置參數(shù)進(jìn)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(jù)上述要求制定的基站標(biāo)定方案如圖3所示，該系統(tǒng)硬件應(yīng)包含至少三個定位點，同時多個基站群，本系統(tǒng)設(shè)置了四個，這四個基站群應(yīng)具有智能性，它們應(yīng)具備基本的移動測量和通訊等功能。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的有效距離達(dá)到極限時，系統(tǒng)內(nèi)的自主標(biāo)定基站群開始運行，它們會按照預(yù)設(shè)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(biāo)，消除誤差，由于是無人化掘進(jìn)作業(yè)，所以基站群在移動時能夠自動進(jìn)行避障和規(guī)劃路線。

圖3 基站標(biāo)定方案

3 UWB自主定位定向系統(tǒng)精度分析

根據(jù)規(guī)定，實際巷道邊界與理論之間的誤差應(yīng)小于10 cm，這就要求定位系統(tǒng)應(yīng)具有較高的精度。通常情況下，系統(tǒng)的有效測量距離應(yīng)不小于50 m，太小的測量范圍在實際工作中應(yīng)用價值不大。目前，我國井下掘進(jìn)作業(yè)的定位系統(tǒng)的測量距離能達(dá)到百米。在巷道成型過程中，掘進(jìn)機(jī)的最終邊界誤差的大小會受多種因素的影響，只有機(jī)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(jìn)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(shù)不是直接測量得到的，它需要通過對基站測距參數(shù)進(jìn)行運算來得到。所以，系統(tǒng)誤差與測量范圍有關(guān)，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(jìn)行Matlab仿真可以看出系統(tǒng)的有效測量范圍已經(jīng)超過了400 m，與以往傳統(tǒng)的測量技術(shù)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(xiàn)掘進(jìn)機(jī)無人化奠定了基礎(chǔ)，同時也證明了超寬帶技術(shù)的優(yōu)越性[3]。

4 結(jié)論

從以上研究結(jié)果可以看出，基于超寬帶技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)自主定位定向系統(tǒng)能夠有效提高測量距離，為實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)無人化作業(yè)提供了思路，基于超寬帶TW-TOF測距技術(shù)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(jìn)技術(shù)。由于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境比較復(fù)雜，在掘進(jìn)過程中容易偏掘?qū)е孪锏厘e位，不能滿足相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，基于超寬帶技術(shù)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?qū)崟r對掘進(jìn)機(jī)的位置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對機(jī)身位姿進(jìn)行測量，進(jìn)行基站自主標(biāo)定，它是實現(xiàn)無人化綜掘的基礎(chǔ)。