煤礦井下粉塵濃度對UWB測距精度的影響研究

丁震， 張雨晨

(1.國家能源集團 煤炭運輸部，北京 100013；2.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083)

0 引言

隨著智能化開采理論與設備不斷發展，綜采工作面已經向著少人化甚至無人化開采的目標邁進。相比于綜采工作面智能化程度，綜掘工作面智能化程度較低，掘進機、錨桿鉆機等掘進設備操控仍需大量人工輔助作業[1-2]。綜掘工作面智能化與綜采工作面智能化的脫節導致我國煤礦開采智能化水平不高。因此，提高綜掘工作面智能化水平顯得尤為重要。

提高綜掘工作面智能化水平的首要任務是解決綜掘工作面設備精準定位問題[3]，從而可實現綜掘作業遠程操控、自主操控。全球衛星定位系統可對室外物體進行高精度定位，然而煤礦井下空間狹小且設備遮蔽造成信號大幅度衰減，利用衛星定位存在困難[4]。煤礦井下設備定位不需要知道精確的經緯度坐標，只需要特定坐標的相對位置即可。因此煤礦井下多采用布置基站方式解決空間相對定位，再融合絕對空間信息，最終實現精準定位。超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)定位技術是基站定位方式的一種，其具有穿透力強、功耗低、安全性高、復雜度低、定位精度高等優點，已被應用于煤礦井下巷道靜止或移動物體及人員的定位。郭安斌等[5]提出了一種基于UWB技術的礦山電鏟定位算法，并選用到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)算法構建礦山電鏟定位模型，定位誤差在1 m以內。申偉光[6]設計了井下無線定位系統總體結構，給出了定位基站的硬件選擇，采用UWB技術實現定位基站之間的無線通信。牛衛國[7]針對煤礦膠輪車運輸效率偏低的問題，提出了利用UWB技術解決煤礦膠輪車位置精準跟蹤、信號精準控制、到站精準提醒的需求。然而綜掘工作面環境惡劣，粉塵濃度大，UWB信號實質是電磁波，其傳播途中易受粉塵干擾，UWB測距會存在一定誤差，從而定位精度不能達到煤礦智能化需求。因此，本文通過實驗研究煤礦井下粉塵濃度對UWB測距精度的影響。

1 UWB測距原理與測距精度影響因素

UWB技術不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收一種具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有吉赫茲量級的帶寬[8-10]，實質上是以很高的射頻頻率來達到高帶寬。UWB測距是通過計算傳輸數據在空中飛行的時間乘以光速得出數據飛行距離，從而測得兩節點間的距離。

在復雜的煤礦井下局域環境中，多徑效應與非視距傳播是造成UWB測距誤差增大的最主要原因[11-12]。多徑效應是指電磁波經不同路徑傳播后，各分量場到達接收端時間不同，按各自相位相互疊加而造成干擾，使得原來的信號失真，或者產生錯誤[13]。例如電磁波沿不同的2條路徑傳播，而2條路徑的長度正好相差半個波長，那么2路信號到達終點時正好相互抵消(波峰與波谷重合)，此時就不能計算出電磁波收發端的距離[14-15]。非視距傳播主要是指電磁波在傳播過程中受到障礙物(如粉塵顆粒)阻擋，發生衍射、折射、反射(圖1)，導致電磁波不能沿直線傳播，或者造成電磁波傳播失敗。多徑效應與非視距傳播的產生與環境有著密切的關系，一般情況下，環境中粉塵濃度越大，電磁波傳播越受阻，測距誤差越大。

圖1 粉塵影響下的電磁波傳播

2 實驗結果與分析

為探究粉塵濃度對UWB測距精度的影響，在高5 m、寬5.5 m的密閉工棚中模擬煤礦井下局域空間進行實驗，如圖2所示。

圖2 實驗環境

實驗選用的UWB基站為PulsOn 440模塊(簡稱P440模塊)，如圖3所示。P440模塊是一種波段在3.1～4.8 GHz之間的UWB無線收發器，同時也是相干無線收發器，即每一個發射脈沖的能量可以相加來增加接收信號的信噪比。P440模塊的靜態定位誤差相對較小，為2～10 mm。

實驗需要2個P440模塊：一個模塊與電腦端連接，實時測量與另一個模塊之間的距離，并將測得的數據呈現在電腦端；另一個模塊只需通上電源，接收或發送電磁波。由于2個模塊之間的電磁波傳播會實時發生變化，所以測距值會在一個極小的范圍內發生波動，導致讀取測距值困難。因此，本文將在特定粉塵濃度下隨機測得10個距離值，之后對其求平均值。

人工利用標尺測量出2個P440模塊之間的距離為5 000 mm。之后在實驗室環境下(粉塵濃度為5 μg/m3)測量2個模塊之間的平均距離為5 004 mm，將4 mm作為實驗的固有誤差。利用電子天平準確稱量一定量的粉塵，將其用大功率鼓風機吹撒在實驗環境中。

在不同粉塵濃度下對2個P440模塊進行測距，結果見表1，測距誤差如圖4所示。可看出隨著粉塵濃度增加，UWB測距誤差增大，且UWB測距誤差增速加快。

表1 不同粉塵濃度下UWB測距值

圖4 不同粉塵濃度下UWB測距誤差

3 結語

基于UWB測距原理，分析并指出電磁波在傳播過程中易受到多徑效應與非視距傳播的影響，而多徑效應及非視距傳播的產生與粉塵濃度緊密相關，通過實驗探討了粉塵濃度對UWB測距精度的影響。實驗結果表明，粉塵濃度越大，UWB測距誤差越大，且UWB測距誤差增速越快。