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(tuán) 煤炭運輸部，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著智能化開采理論與設(shè)備不斷發(fā)展，綜采工作面已經(jīng)向著少人化甚至無人化開采的目標(biāo)邁進(jìn)。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(jìn)機、錨桿鉆機等掘進(jìn)設(shè)備操控仍需大量人工輔助作業(yè)[1-2]。綜掘工作面智能化與綜采工作面智能化的脫節(jié)導(dǎo)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(wù)是解決綜掘工作面設(shè)備精準(zhǔn)定位問題[3]，從而可實現(xiàn)綜掘作業(yè)遠(yuǎn)程操控、自主操控。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)可對室外物體進(jìn)行高精度定位，然而煤礦井下空間狹小且設(shè)備遮蔽造成信號大幅度衰減，利用衛(wèi)星定位存在困難[4]。煤礦井下設(shè)備定位不需要知道精確的經(jīng)緯度坐標(biāo)，只需要特定坐標(biāo)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(xiàn)精準(zhǔn)定位。超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)定位技術(shù)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(fù)雜度低、定位精度高等優(yōu)點，已被應(yīng)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(shù)的礦山電鏟定位算法，并選用到達(dá)時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)算法構(gòu)建礦山電鏟定位模型，定位誤差在1 m以內(nèi)。申偉光[6]設(shè)計了井下無線定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，給出了定位基站的硬件選擇，采用UWB技術(shù)實現(xiàn)定位基站之間的無線通信。牛衛(wèi)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(shù)解決煤礦膠輪車位置精準(zhǔn)跟蹤、信號精準(zhǔn)控制、到站精準(zhǔn)提醒的需求。然而綜掘工作面環(huán)境惡劣，粉塵濃度大，UWB信號實質(zhì)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(dá)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(shù)不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)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(shù)據(jù)，從而具有吉赫茲量級的帶寬[8-10]，實質(zhì)上是以很高的射頻頻率來達(dá)到高帶寬。UWB測距是通過計算傳輸數(shù)據(jù)在空中飛行的時間乘以光速得出數(shù)據(jù)飛行距離，從而測得兩節(jié)點間的距離。

在復(fù)雜的煤礦井下局域環(huán)境中，多徑效應(yīng)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(yīng)是指電磁波經(jīng)不同路徑傳播后，各分量場到達(dá)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(chǎn)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(dá)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(fā)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(fā)生衍射、折射、反射(圖1)，導(dǎo)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(yīng)與非視距傳播的產(chǎn)生與環(huán)境有著密切的關(guān)系，一般情況下，環(huán)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(jié)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(jìn)行實驗，如圖2所示。

圖2 實驗環(huán)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(fā)器，同時也是相干無線收發(fā)器，即每一個發(fā)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(tài)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(shù)據(jù)呈現(xiàn)在電腦端；另一個模塊只需通上電源，接收或發(fā)送電磁波。由于2個模塊之間的電磁波傳播會實時發(fā)生變化，所以測距值會在一個極小的范圍內(nèi)發(fā)生波動，導(dǎo)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(biāo)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(huán)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(zhǔn)確稱量一定量的粉塵，將其用大功率鼓風(fēng)機吹撒在實驗環(huán)境中。

在不同粉塵濃度下對2個P440模塊進(jìn)行測距，結(jié)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(jié)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(yīng)與非視距傳播的影響，而多徑效應(yīng)及非視距傳播的產(chǎn)生與粉塵濃度緊密相關(guān)，通過實驗探討了粉塵濃度對UWB測距精度的影響。實驗結(jié)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。