礦用支架搬運車防人員接近系統研究*

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與裝備的發展，支架搬運車大量應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，極易造成支架車對人員的擠壓傷害事故。[1-2]

研究開發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已經成為目前煤礦輔助運輸技術與裝備迫切需要解決的課題。

1 現有主要接近探測技術

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測量距離，該方法受煤礦井下惡劣環境影響大，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，一定區域范圍內只能用同心圓來非精確設定，所以該方法不能精確設定操作區域。RSSI方法一般用來設計接近警告系統。[3]

2)磁場面積識別方法。該方法是依據在設備周邊建立復雜三維磁場區域，個人標簽一旦進入磁場標識區域，就會被識別，精度能夠達1m,但是該方法依靠設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據進行定位，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。[7]

4)測量到達時間差(TDOA)。該方法是通過測量移動節點到多個節點的到達時間差來推算移動節點的空間位置，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品和系統，但是考慮到井下環境、技術局限性及支架搬運車結構特點，上述方法用到支架搬運車上均存在一定難度。支架搬運車的結構特點是前機架承載發動機，駕駛室側面布置，后機架U型設計，外形呈前窄后寬。

2 支架搬運車防人員接近探測方法

實現支架搬運車的防人員接近探測需要實現如下兩步：移動人員和支架搬運車固定點之間的距離測量;移動人員的坐標計算。

2.1 SDS-TW-TOA測距原理

如圖1所示，標示卡向探測器發送數據包R1，探測器向標示卡返回數據包R2，同時探測器向標示卡發送數據包R3，標示卡向探測器返回數據包R4，則標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為標示卡從發送R1到收到R2的時間延遲；T2為探測器從收到R1到發送R2的時間延遲；T3為探測器自發送R3到收到R4的時間延遲；T4為標示卡從收到R3到發動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時，存在3個圓交集的是一個共同的區域，而非一個準確的點，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解來解決此問題。假設支架搬運車定位區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。[4]

圖1 SDS-TW-TOA原理

如圖2所示，設移動發射器個人標簽的待測坐標為P=[x,y,z]T，定位參考點探測器k的坐標Pk=[xk,yk,zk]T，k≥3，待測移動發射器標簽到定位參考點k的距離為dk，則求解坐標P的算法如下圖所述。

圖2 最小二乘算法定位

根據個人標簽到各探測器的距離，考慮三維平面定位環境，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P：

(3)

這樣就得到了移動點相對于支架搬運車的坐標P，實現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設計

3.1 系統架構

支架搬運車防人員接近探測裝置架構如圖3所示，主要包括主控器、顯示器、探測器及具有定位標簽的礦燈。考慮到支架搬運車前窄后寬、后機架U型結構特點，車輛周圍一共布置6個探測器，布置位置如圖4所示。

圖3 接近探測裝置系統架構

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，負責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計；顯示器采用本安型設計，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；定位標示卡與礦燈集成一體設計，保證佩戴標示卡人員的供電時長，不用額外供電。

3.2 區域控制策略

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。考慮到支架搬運車的使用特點，將支架搬運車設定操作區域、警告區域、停機區域；并將支架搬運車結構特點的參數配置保存于主控器當中；如圖5所示，A區域為支架搬運車操作區域，當標示卡處于該區域時，支架搬運車運行整車；B區域為警告區域，當標示卡處于該區域時，防人員接近系統發出雙向預警，顯示器閃爍，語音報警器提示“人員接近請注意”，定位標示卡發出振動，提示佩戴人員已進入支架搬運車警告區域；C區域為危險區域，當標示卡進入該區域時，防人員接近系統輸出節點動作，支架搬運車熄火，保證人員安全?？刂撇呗粤鞒倘鐖D6所示，S代表標示卡離支架搬運車的距離，L為警告距離設定值，M為停機熄火設定值。

圖5 支架車區域設定方案

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。根據支架搬運車的結構特點，結合支架搬運車的運行速度，設定駕駛室俯視平面范圍為操作區域A，停機距離M設定為支架搬運車兩側6 m、前后8 m，警告距離L設定為支架搬運車前后50 m、兩側10 m。試驗結果見表1～表3。從表1～3可以看出,進入警告區域時，系統警告并發出報警；進入危險區域時，系統發出危險報警并熄火停車。

表1 防人員接近裝置判定試驗結果1

表2 防人員接近裝置判定試驗結果2

表3 防人員接近裝置判定試驗結果3

試驗結果顯示，該支架搬運車防人員接近系統最大有效定位距離101 m，響應時間900 ms，最大定位誤差0.4 m，可以滿足煤礦安全生產對支架搬運車的防人員接近應用需求。

5 結論

1)該防人員接近系統采用SDS-TW-TOA測距算法及最小二乘定位算法，應用于支架搬運車，并在神東煤炭集團大柳塔煤礦進行了全面試驗，試驗結果表明，該系統定位精度高、響應時間短，人員判定準確，能夠滿足煤礦安全生產對井下支架搬運車防人員接近探測的應用需求。

2)該防人員接近系統只能對佩戴有定位標簽礦燈的人員進行定位測距，對沒有佩戴定位標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對井下人員的探測防護。