礦用支架搬運車防人員接近系統(tǒng)研究*

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(shù)與裝備的發(fā)展，支架搬運車大量應(yīng)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(shù)與裝備迫切需要解決的課題。

1 現(xiàn)有主要接近探測技術(shù)

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(shè)定，所以該方法不能精確設(shè)定操作區(qū)域。RSSI方法一般用來設(shè)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(shè)備周邊建立復(fù)雜三維磁場區(qū)域，個人標(biāo)簽一旦進入磁場標(biāo)識區(qū)域，就會被識別，精度能夠達1m,但是該方法依靠設(shè)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(yīng)。[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(yīng)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(shù)局限性及支架搬運車結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shè)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(biāo)計算。

2.1 SDS-TW-TOA測距原理

如圖1所示，標(biāo)示卡向探測器發(fā)送數(shù)據(jù)包R1，探測器向標(biāo)示卡返回數(shù)據(jù)包R2，同時探測器向標(biāo)示卡發(fā)送數(shù)據(jù)包R3，標(biāo)示卡向探測器返回數(shù)據(jù)包R4，則標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)時，存在3個圓交集的是一個共同的區(qū)域，而非一個準(zhǔn)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(shè)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(biāo)。[4]

圖1 SDS-TW-TOA原理

如圖2所示，設(shè)移動發(fā)射器個人標(biāo)簽的待測坐標(biāo)為P=[x,y,z]T，定位參考點探測器k的坐標(biāo)Pk=[xk,yk,zk]T，k≥3，待測移動發(fā)射器標(biāo)簽到定位參考點k的距離為dk，則求解坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)P：

(3)

這樣就得到了移動點相對于支架搬運車的坐標(biāo)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(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

支架搬運車防人員接近探測裝置架構(gòu)如圖3所示，主要包括主控器、顯示器、探測器及具有定位標(biāo)簽的礦燈?？紤]到支架搬運車前窄后寬、后機架U型結(jié)構(gòu)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(gòu)

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(fù)責(zé)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(shè)計；顯示器采用本安型設(shè)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(biāo)示卡與礦燈集成一體設(shè)計，保證佩戴標(biāo)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(shè)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(gòu)特點的參數(shù)配置保存于主控器當(dāng)中；如圖5所示，A區(qū)域為支架搬運車操作區(qū)域，當(dāng)標(biāo)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(dāng)標(biāo)示卡處于該區(qū)域時，防人員接近系統(tǒng)發(fā)出雙向預(yù)警，顯示器閃爍，語音報警器提示“人員接近請注意”，定位標(biāo)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(dāng)標(biāo)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(biāo)示卡離支架搬運車的距離，L為警告距離設(shè)定值，M為停機熄火設(shè)定值。

圖5 支架車區(qū)域設(shè)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(gòu)特點，結(jié)合支架搬運車的運行速度，設(shè)定駕駛室俯視平面范圍為操作區(qū)域A，停機距離M設(shè)定為支架搬運車兩側(cè)6 m、前后8 m，警告距離L設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)時間短，人員判定準(zhǔn)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(yīng)用需求。

2)該防人員接近系統(tǒng)只能對佩戴有定位標(biāo)簽礦燈的人員進行定位測距，對沒有佩戴定位標(biāo)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。