矿用支架搬运车防人员接近系统研究*

陈寇忠

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

0 引言

随着煤矿无轨辅助运输技术与装备的发展，支架搬运车大量应用于煤矿的搬家倒面工作，支架搬运车在提高煤矿搬家效率的同时，也带来安全隐患，由于井下作业空间狭小、噪声大、光线不足、支架车体积大，操作人员往往视线、听力受阻，存在很大盲区，极易造成支架车对人员的挤压伤害事故。[1-2]

研究开发适用于支架搬运车的无线定位接近探测防人员接近保护系统已经成为目前煤矿辅助运输技术与装备迫切需要解决的课题。

1 现有主要接近探测技术

目前煤矿井下接近探测方法有以下几种。

1)接收信号强度指示(RSSI)法。基于电磁场的信号强度指示器(RSSI)法是通过测量磁场强度原理实现测量距离，该方法受煤矿井下恶劣环境影响大，传播信号随着距离的增加衰减厉害，测量误差偏大，精度不高，一定区域范围内只能用同心圆来非精确设定，所以该方法不能精确设定操作区域。RSSI方法一般用来设计接近警告系统。[3]

2)磁场面积识别方法。该方法是依据在设备周边建立复杂三维磁场区域，个人标签一旦进入磁场标识区域，就会被识别，精度能够达1m,但是该方法依靠设备建立的磁场为椭圆体磁场覆盖，覆盖形状有局限性，而且建立的磁场为低频电磁场，容易受到干扰，该方法的灵活性和可靠性受到约束，不适用于煤矿用支架搬运车。[4]

3)测量到达角度(AOA)。该方法是通过移动点到已确定参考点的角度数据进行定位，需要依赖极度灵敏度的方向传感器，硬件成本较高、布置难度大、存在较强的多径传播效应。[7]

4)测量到达时间差(TDOA)。该方法是通过测量移动节点到多个节点的到达时间差来推算移动节点的空间位置，此方法对时钟同步要求较高，误差需要控制在纳秒等级，实际应用存在成本高，难度大等特点。[8-10]

通过上述这几种接近探测方法的讨论可以看出，虽然目前市场已有基于上述方法的产品和系统，但是考虑到井下环境、技术局限性及支架搬运车结构特点，上述方法用到支架搬运车上均存在一定难度。支架搬运车的结构特点是前机架承载发动机，驾驶室侧面布置，后机架U型设计，外形呈前窄后宽。

2 支架搬运车防人员接近探测方法

实现支架搬运车的防人员接近探测需要实现如下两步：移动人员和支架搬运车固定点之间的距离测量;移动人员的坐标计算。

2.1 SDS-TW-TOA测距原理

如图1所示，标示卡向探测器发送数据包R1，探测器向标示卡返回数据包R2，同时探测器向标示卡发送数据包R3，标示卡向探测器返回数据包R4，则标示卡与探测器之间的距离d可用公式(1)计算得到。

(1)

式中:T1为标示卡从发送R1到收到R2的时间延迟；T2为探测器从收到R1到发送R2的时间延迟；T3为探测器自发送R3到收到R4的时间延迟；T4为标示卡从收到R3到发动R4的时间延迟；C为电磁波传播速度。[5]

2.2 基于最小二乘定位算法的位置确定

由于实际测量时存在反射、干扰等非视距影响因素，测出的距离往往比实际偏大，这样会造成三边测量法测量移动点的坐标时，存在3个圆交集的是一个共同的区域，而非一个准确的点，造成方程无解，我们采用最小二乘法求得一个误差最小的最优解来解决此问题。假设支架搬运车定位区域包含一个移动点和若干参考点，则移动点通过测量自己到参考点的距离，用最小二乘法来确定移动点的坐标。[4]

图1 SDS-TW-TOA原理

如图2所示，设移动发射器个人标签的待测坐标为P=[x,y,z]T，定位参考点探测器k的坐标Pk=[xk,yk,zk]T，k≥3，待测移动发射器标签到定位参考点k的距离为dk，则求解坐标P的算法如下图所述。

图2 最小二乘算法定位

根据个人标签到各探测器的距离，考虑三维平面定位环境，可得k+1个距离方程：

(n∈0,1,…,k)

(2)

展开式(2)并进行线性优化后可用下列矩阵表示:

AP=B

其中矩阵A、矩阵B为

采用最小二乘法求解上述矩阵可得到坐标P：

(3)

这样就得到了移动点相对于支架搬运车的坐标P，实现了支架搬运车人员接近探测。

3 支架搬运车防人员接近系统设计

3.1 系统架构

支架搬运车防人员接近探测装置架构如图3所示，主要包括主控器、显示器、探测器及具有定位标签的矿灯。考虑到支架搬运车前窄后宽、后机架U型结构特点，车辆周围一共布置6个探测器，布置位置如图4所示。

图3 接近探测装置系统架构

图4 支架搬运车探测器布置位置

主控器是支架搬运车防人员接近探测装置的核心，采用24 V直流供电，负责向探测器供电并传输定位信息与动作指示，采用隔爆兼本安型设计；显示器采用本安型设计，用于实时显示人员相对于支架搬运车的位置；探测器为矿用本安型，用于实时发送接收个人相对于探测器的距离，通过RS232将信号传输给主控器，主控器通过核心处理单元解算移动点相对于支架搬运车的位置；定位标示卡与矿灯集成一体设计，保证佩戴标示卡人员的供电时长，不用额外供电。

3.2 区域控制策略

支架搬运车空载最高车速不大于20 km/h、重载最高车速不大于10 km/h。考虑到支架搬运车的使用特点，将支架搬运车设定操作区域、警告区域、停机区域；并将支架搬运车结构特点的参数配置保存于主控器当中；如图5所示，A区域为支架搬运车操作区域，当标示卡处于该区域时，支架搬运车运行整车；B区域为警告区域，当标示卡处于该区域时，防人员接近系统发出双向预警，显示器闪烁，语音报警器提示“人员接近请注意”，定位标示卡发出振动，提示佩戴人员已进入支架搬运车警告区域；C区域为危险区域，当标示卡进入该区域时，防人员接近系统输出节点动作，支架搬运车熄火，保证人员安全。控制策略流程如图6所示，S代表标示卡离支架搬运车的距离，L为警告距离设定值，M为停机熄火设定值。

图5 支架车区域设定方案

图6 控制策略流程

4 试验与分析

为了检验该装置的可行性和有效性，装备该系统的试验支架搬运车在神东煤炭集团大柳塔煤矿进行，该车一共安装有1台控制器、6台探测器和1台显示器。根据支架搬运车的结构特点，结合支架搬运车的运行速度，设定驾驶室俯视平面范围为操作区域A，停机距离M设定为支架搬运车两侧6 m、前后8 m，警告距离L设定为支架搬运车前后50 m、两侧10 m。试验结果见表1～表3。从表1～3可以看出,进入警告区域时，系统警告并发出报警；进入危险区域时，系统发出危险报警并熄火停车。

表1 防人员接近装置判定试验结果1

表2 防人员接近装置判定试验结果2

表3 防人员接近装置判定试验结果3

试验结果显示，该支架搬运车防人员接近系统最大有效定位距离101 m，响应时间900 ms，最大定位误差0.4 m，可以满足煤矿安全生产对支架搬运车的防人员接近应用需求。

5 结论

1)该防人员接近系统采用SDS-TW-TOA测距算法及最小二乘定位算法，应用于支架搬运车，并在神东煤炭集团大柳塔煤矿进行了全面试验，试验结果表明，该系统定位精度高、响应时间短，人员判定准确，能够满足煤矿安全生产对井下支架搬运车防人员接近探测的应用需求。

2)该防人员接近系统只能对佩戴有定位标签矿灯的人员进行定位测距，对没有佩戴定位标签矿灯的人员不能进行防护，需要进一步研究更好的方法实现对井下人员的探测防护。