掘进面超带宽测距精度模拟试验研究.pdf

214江西煤炭科技2023年第3 期掘进面超带宽测距精度模拟试验研究卫立刚,毕建乙（山西临汾西山生辉煤业有限公司，山西临汾0 410 0 0）摘要：掘进工作面由于作业条件差、粉尘浓度高、湿度大等问题，严重影响超宽带（UWB)定位，尤其是粉尘会对UWB测距产生误差，导致超宽带（UWB）定位精度难以满足矿井智能化的要求。通过理论分析和模拟试验开展研究，发现UWB测距精度的主要影响因素为多径效应与非视距传播。试验结果证明，UWB测距误差随着粉尘浓度升高而增大，且UWB测距误差增幅也会随着粉尘浓度升高而逐步加快。关键词：超宽带（UWB；测距精度；粉尘浓度；非视距传播；多径效应中图分类号：TD263.2;TD679Abstract:Due to poor working conditions,high dust concentration,and high humidity in the excavation face,ultra wideband(UWB)positioning has been affected seriously,which makes it dfficult for UWB positioning accuracy to meet the requirements ofmine intlligence.On the basis of theoretical analysis and simulation experiments,the author finds that the main influencingfactors of UWB ranging accuracy are multipath effects and non-line-of-sight propagation,whose experimental results show thatthe UWB ranging error increases with the increase of dust concentration,and the increase in UWB ranging error will graduallyaccelerate with the increase of dust concentration.Key words:ultra-wideband(UWB);ranging accuracy;dust concentration;non-line-of-sight propagation;multipath effect近些年来伴随着科技迅猛发展，智能化开采已经逐步被各大煤炭集团推广，以实现少人或无人开采。与智能化综采面相比,综掘工作面的智能化程度仍然较低，掘进过程所使用的锚杆钻机及掘进机等设备依然需要大量人员1-2 操作。综掘面智能化程度的严重脱节制约着矿井智能化的发展。因此大力发展智能化综掘面已经成为当前急需解决的问题。目前，综掘工作面设备定位不精准，严重影响着综掘面智能化水平的提高3 ,阻碍综掘作业达到远程操控、自主操控的要求。虽然全球卫星定位系统能实现高精度定位室外物体，但是矿井作业空间不足、十分狭小，加之设备遮蔽导致信号在传输过程中显著衰减，因此通过卫星定位很难做到精准定位4-5。井下各地点设备在定位过程中需提供特定坐标的相对位置，无需提供准确的经纬度坐标。所以在井下巷道内经常设置基站提供定位信息，接着将绝对空间信息整合在一起，达到定位精准的目的。超宽带(UWB)定位技术拥有安全性高、定位精度高、功耗低、穿透力强、复杂度低的优点，逐步应用在各大煤炭集团矿井中用来精准定位人文献标识码：AResearch on Simulation Test of Ultra-Bandwidth Ranging Accuracy of Driving FaceWei Ligang,Bi Jianyi(Shanxi Linfen Xishanshenghui Coal Industry Co.,Ltd.,Linfen,Shanxi 041000)1.1UWB测距机理超宽带技术无需通过传统通信体制中的载波，只需要通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽，属于一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。相比于传统的窄带系统，超宽带技术具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分文章编号：10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 2 14-0 3员及静止或移动物体。但掘进工作面粉尘浓度高、湿度大、作业环境差，特别是粉尘对电磁波的传输影响较大，而UWB信号实质为电磁波，导致使用UWB测距时产生误差，使得定位精度难以满足矿井智能化要求6-8。现场实践已表明粉尘对UWB测距的精度产生很大影响，需要在实验室进行相关研究。所以，决定通过模拟试验分析掘进面UWB测距精度与粉尘浓度之间变化规律。1机理与影响因素2023年第3 期精确的定位精度。UWB测距原理为利用光速与传输数据在环境中飞行时间相乘，计算获得数据传输距离，进而实测两点之间距离。1.2UWB测距精度影响因素在矿井掘进工作面复杂环境中，影响UWB测距误差的主要因素为多径效应与非视距传播。所谓多径效应就是通过不同路径发射电磁波之后，其抵达接收端时间各不相同，以各自相位叠加起来，从而产生干扰现象，导致原信号发生失真或错误。比如沿着2 条不同路径所发射的电磁波，但二者路径的长度却有半个波长的差距，那么到达终点时这2 条路径信号的波峰与波谷正好重合、相互抵消，无法计算发射与接收电磁波两点的距离。所谓非视距传播就是在发射电磁波过程中，因遇到障碍物比如粉尘等，阻挡电磁波传播,形成衍射、折射及反射现象，如图1所示，使得电磁波无法沿着直线传递，或电磁波传递衰退，难以继续下去。而多径效应与非视距传播和作业环境之间存在紧密关联，即粉尘浓度越高的作业环境，电磁波传递过程中所受到阻力越大，测距误差就越明显。粉尘颗粒衍射折射图1因粉尘影响电磁波传播2试验结果为研究UWB测距精度随着粉尘浓度的变化规律，在地面选定一处密闭工棚开展模拟试验，主要模拟矿井掘进面作业环境，工棚尺寸（高宽）为5m5.5m,如图2 所示。UWB基站图2 模拟井下环境在试验中选择PulsOn440模块（简称P440模块）作为UWB基站，如图3 所示。P440模块为一种UWB无线收发器，波段范围为3.14.8 GHz，其静态定位准确率较高,误差相对较小，仅有2 江西煤炭科技10mm;P440模块也是一种相干无线收发器，每个发射脉冲的能量能够叠加起来加强接收信号的信噪比。图3 P440模块实物试验过程中共需P440模块2 个，其中一个模块需接通电源，主要作用是接收或发送电磁波；另一个模块连接于电脑端，用于实时测量2 个模块之间的距离,另外将数据传输至电脑端;因2 个模块之间的电磁波在传播过程中可能发生改变，导致所得测距值发生小幅度波动，不利于准确读取测距值。所以此次试验在不同粉尘浓度环境中，随机多次测量距离值，之后求平均值。通过标尺测定P440模块之间距离，人工测出为50 0 0 mm，接着在密闭工棚5g/m粉尘浓度试验环境中对模块之间的距离开始测定，测量结反射果为50 0 4mm,因此认为试验过程中固有误差为4mm。通过电子天平称取一定质量的粉尘，使用大功率鼓风机将粉尘吹人工棚中。2个P440模块在不同粉尘浓度环境下所测量距离，如表1所示。不同粉尘浓度环境下的测距误差，如图4所示。从图4和表1发现：UWB测距误差随着粉尘浓度升高而增加，且测距误差增幅也在加大。因此在现场实际生产中需要重点加强粉尘治理，降低作业地点粉尘浓度，提高UWB测距的精度。表1UWB测距值粉尘浓度测距值/(gm)/mm55004.02075 004.34165 004.56195 004.88165005.210045 005.512275 006.21.4155 006.516285007.118035 007.820075008.322155008.7215.粉尘浓度测距值/(gm)/mm24065009.326255 010.328085 010.830075 011.632105012.736245 013.4.38865 014.742085 015.94.4375016.846805 018.348185 019.850275 020.8216222018wu/16141210864010002.0003000400050006000粉尘浓度/(ug m-3)图4UWB测距误差随粉尘浓度的变化规律3结语结合UWB测距机理，研究电磁波在传递时的主要影响因素是多径效应与非视距传播，而粉尘浓度与这一因素紧密关联，利用模拟试验分析UWB测距精度与粉尘浓度之间的关系。试验结果得到UWB测距误差随着粉尘浓度升高而增大，且UWB测距误差增幅也逐步加快。下一步需要重点研究在掘进面（粉尘浓度较高的区域）提高UWB测距的技术改进措施，保证测距精度，以满足掘进工作面智能化通信系统的需要江西煤炭科技参考文献：1叶伟.煤矿井下目标定位的研究现状与展望J.北京：中国矿业,2 0 2 1,3 0(1)：8 2-8 9,10 5.2沈国杰，周德胜，郑雪娜，等.基于UWB的矿井巷道精准三维定位系统设计J.重庆：矿业安全与环保2 0 2 0，47(6):80-84.3戴剑波.低功耗精确定位语音对讲信息矿灯设计J.抚顺：煤矿安全，2 0 2 1,52(12）：142-146.112023年第3 期4】丁震，张雨晨.煤矿井下粉尘浓度对UWB测距精度的影响研究.常州：工矿自动化，2 0 2 1,47(11)：13 1-13 4.5葛世荣，王世佳，曹波，等.智能采运机组自主定位原理与技术J.北京：煤炭学报，2 0 2 2,47(1)：7 5-8 6.6牛卫国.基于UWB的煤矿胶轮车智能运输管理系统的开发实践J.兰州：机械研究与应用,2 0 2 0,3 3（1)：151-154.7郭安斌,苏红俊,闫孝姐.基于UWB技术的矿山电铲定位算法研究J.常州：工矿自动化，2 0 2 0,46(12)：95-10 0.8申伟光.基于UWB技术的煤矿井下无线定位系统J.抚顺：煤矿安全2 0 18,49(10)：13 1-13 4.作者简介：卫立刚（198 3 一），男，山西平陆人，2 0 0 6 年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，硕士研究生，采煤高级工程师，现从事煤矿生产与矿井“一通三防”安全技术管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 1编辑：许敦昂（上接2 13 页）绘制的记忆截割曲线，虚线部分是使用滚筒自动调高技术后得到的记忆截割曲线。从图中可以看出，采煤机滚筒高度随着煤层不断变化，使用自动调高系统之后的记忆截割曲线和手动调节的记忆截割曲线相差不大，最大相差的高度只有0.0 8 m，说明自动调高系统比较可靠。1.61.41.2/0.80.60.40.20LL11121314151617718191101采煤机位置/dm图7记忆截割曲线5结论将设计的采煤机滚筒自动调高系统在四台矿8735工作面具体应用之后，可以得出以下结论：1)使用滚筒自动调高系统之后，滚筒的自动记忆截割曲线和手动曲线最大只相差0.0 8 m，误差很小，采煤机的整体运行比较稳定。2)使用自动调高技术之后，滚筒的调高不再需要人工干预，节省了滚筒手动调高对开采时间的影响，提高了开采效率。参考文献：1宋腾.采煤机自动调高控制及其关键技术研究.内蒙古煤炭经济，2 0 2 1（14）：6 3-6 4.2任朋飞.采煤机自动调高控制系统的研究与设计D.西安科技大学，2 0 18.3张晓全.采煤机自动调高系统研究及其应用J.陕西煤炭,2 0 18,3 7(3):13 4-13 6.4】高永新，张新鑫.采煤机自动调高控制系统设计J.北京：测控技术,2 0 16,3 5(5)：57-6 0.5曹鹏，周平,张世洪，等.采煤机自动调高系统的仿真与分析J.哈尔滨：煤矿机械，2 0 15，3 6（8）：7 8-8 0.6王西静.采煤机自动调高系统数学模型分析J.哈尔滨：煤炭技术，2 0 15,3 4（4）：2 6 6-2 6 8.作者简介：魏智明（1994一），男，山西怀仁人，2 0 18 年毕业于太原理工大学现代科技学院，助理工程师，研究方向：煤矿机电。收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 8编辑：项元海