CN106121723A - 一种工作面装备定位系统 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种工作面装备定位系统，适用于采煤过程中移动设备和人员位置的实时准确感知。该系统由液压支架、采煤机、锚点、无芯片标签、刮板机和定位服务器等组成。锚点和无芯片标签之间采用超宽通信，利用超宽带的高时域分辨率特性测量锚点和标签之间的距离,利用无芯片标签上的惯性单元测量被测对象的速度、运动方向、加速度等物理特性。锚点分别采集其与部署在液压支架顶梁下的无芯片标签之间的距离以及各运动参量，并传送给定位服务器，计算得到支架和采煤机的精确位置、运动方向和速度等运动状态，从而实现装备的精确定位。

Description

一种工作面装备定位系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种工作面装备定位系统。

背景技术

煤炭是作为我国主要能源，在一次能源消费结构中占70％左右，在世界范围内超过40％的发电量直接由煤炭生产。综采工艺在长壁工作面中取得巨大成功，但综采工作面系统是煤矿生产中设备最多、环境最恶劣、工作最复杂的系统，人员长期处于这种恶劣的环境对身体造成很大危害。综采长壁工作面采煤机破煤、装煤、运煤和液压支护都实现了机械化和一定程度的自动化。

该方法可以实现综采装备间以及和周边环境之间的位置感知，提高综采工作面的智能化程度，提高煤炭回采率、设备开机率和机器效率，降低人员使用，减少安全隐患，从根本上解决安全生产问题。研究成果也可以推广到一般工业行业，如冶金、钢铁、制造业等的生产过程自动化。

而基于有芯片超宽带的实时定位技术趋向成熟，但是都应用在车间、厂房等类似于装配流水线的场景，基础设施相对稳定，环境动态变化小。煤炭生产环境不断变化，液压支架等机器设备随着工作面的推进不断移动，网络基础设施和电磁测量设备安装和维护困难，大量部署带芯片的超宽带设备成本高，而且长期持续供电非常困难。所以市场上现有的实时定位系统从技术上和经济上，都不能满足煤矿智能化采煤对精确定位的需求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处，提供一种工作面装备定位系统。

本发明解决现有技术问题的方案是：

系统由液压支架、采煤机、锚点、无芯片标签、刮板机和定位服务器等组成。锚点和无芯片标签之间采用超宽带通信，利用超宽带的高时域分辨率特性测量锚点和标签之间的距离,利用无芯片标签上的惯性单元测量被测对象的速度、运动方向、加速度等物理特性。锚点分别采集其与部署在液压支架和采煤 机上的无芯片标签之间的距离以及各运动参量，并传送给定位服务器，计算得到支架和采煤机的精确位置、运动方向和速度等运动状态。计算得到的液压支架和采煤机实时的精确位置信息分别反馈给采煤机控制系统、液压支架电液控系统，从而实现装备的精确定位。

本系统采用无芯片超宽带标签，超宽带信号发射和接收机向周围发送超宽带无线电信号，无芯片标签接收并由线圈激励生成信号反馈给读卡器，实现识别和测距、定位。该技术具备成本低的特点，一个印刷电路无芯片超宽带标签的成本可以控制在0.1美元以内，不需要电源和芯片，适合于在复杂恶劣环境大量部署，并具有精确定位的潜力，可以使用无芯超宽带技术来实现低成本的高精度定位系统。

系统无固定锚点。将超宽带标签贴在液压支架顶梁下及帮护板下部以及其它需要定位的装置上，而在采煤机移动机身和煤壁等其它位置部署一定数量的超宽带读卡器(主动模块)作为系统锚点，形成一个非固定锚点的无线定位系统，实现采煤机周边标签的局部定位。当采煤机经过支架时，整个煤机机身所覆盖的支架以及割煤前后滚筒外侧的数个支架是位置感知所感兴趣的重点对象。算法拟采集上述局部范围各个标签点和煤机移动机身上左右锚点间的距离测量信息以及标签之间的测距信息，构造局部范围的距离矩阵。采煤机行走遍历了整个工作面后，系统会覆盖所有的被测标签，完成各装备的检测和定位。从而，达到大大减小采动过程中采煤机移动机身上定位锚点与无芯标签之间距离，降低对无芯超宽带信号传输距离的要求。

本发明的效益是：提高综采系统时间利用率(Time Utilization Degree)，降低设备损耗，避免不必要停机；采用无芯片标签，降低成本；提高安全生产系数，对煤机运行中危险区域的人员预警，并能够实现自动急停，综采工作面 设备精确定位能够减少工作面的人工作业，甚至做到工作面无人，能从根本上解决安全生产问题。

附图说明

图1为本发明专利的系统结意图；

图2为本发明专利中锚点结构框图；

图3为本发明在综采工作面系统中布置的平面示意图；

图4为本发明液压支架和采煤机上标签部署示意图；

图5为本发明锚点部署和移动方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的描述：

系统组成：定位锚点1、定位标签5、定位服务器13。定位锚点主要完成精确距离测量和信息接入。定位标签用作被定位对象，主要有超宽带测距和MEMS惯性单元模块，用来采集锚点和标签之间距离，以及标签安装对象的运动状态。定位服务器实现基于数据融合的精确定位，并用作数据处理和发布，如锚点位置的更新校准、定位标签位置、报警设置、数据发布等。

锚点和标签结构：锚点和标签的结构类似，如附图2所示。主要包括嵌入式微处理器、主要由电源模块、超宽带模块、MEMS惯性单元、无线以太网通信模块(标签设备部需要)等组成部分。锚点设备一方面通过超宽带无线通信模块与定位标签进行通信，用来采集锚点和各个定位标签之间的距离；另一方面通过工业以太网与定位服务器连接，起到网关的作用。

综采工作面锚点部署：锚点设备部署在靠近掘进机截割头的附近，锚点数量决定于测距技术，对ToA测距系统建议使用4个或更多的锚点设备。如图3所示，共有ABCD四个锚点分别部署在掘进机后端已掘煤壁两侧。

综采工作面标签设备部署：图4所示，对于液压支架，定位标签可以悬挂固定在采煤机顶梁下侧，侧视方向标签不被本液压支架立柱等部件阻挡。对于采煤机，定位标签固定在机身中部。

在工作面开挖的t0时刻，认为是锚点和各个定位标签的初始状态和位置，定位服务器应用程序会依据地测数据对锚点位置和各个标签的坐标进行初始化校准。如t0时刻A锚点的位置为而该时刻标签1的位置为 标签1和锚点A的距离表示为 ${\underset{\‾}{d}}_{t_0}^{A1}=\left|\right|p_{t_0}^A-p_{t_0}^1\left|\right|=\sqrt{{(x_{t_0}^A-x_{t_0}^1)}^2+{(y_{t_0}^A-y_{t_0}^1)}^2+{(y_{t_0}^A-y_{t_0}^1)}^2}.$

锚点校准：长壁采煤工作面随着开采过程会向前推进，锚点需要随着工作面的推进定期推移。如可以在每个检修班，根据需要调整锚点的位置。在顺槽开拓阶段，地测部门已经掌握了顺槽的测量信息，可以预先规划并标注出整条顺槽中拟安装锚点的位置，并保存坐标信息。锚点是无线设备，质量轻，适合移动部署，方便固定。可以根据实际情况，使用三脚架安放在预先选定位置，或者在煤壁上固定。一般情况下，每个检修班把处于接近采空区位置的锚点调整到下一个预设的位置。图5示意了两次相邻的锚点调节和校准过程。在t0+M时刻，锚点A和C分别移动到各自顺槽内的某一坐标已知的位置；下一次则是在t0+N内时刻，锚点B和D分别移动到各自顺槽内的某一坐标已知的位置。依此方式，锚点交替地沿着回采的方向跟随工作面推移，以保证综采工作面内的各个标签与锚点之间最大可能地有可视信号传输。每次调整锚点位置后，需要更细定位服务器应用程序内锚点的坐标信息。

实时定位算法和工作面弯曲检测和找直方法：采用多传感器融合，对锚点和各个标签之间的超宽带测距结果，以及各个标签的惯性单元提供的速度、加速度等信息进行融合处理，实时精确地跟踪每一个标签的位置和运动状态，进 而检测工作面内溜槽的曲线状态。通过闭环反馈，电液控系统和煤机控制系统实时地或得各个液压支架和采煤机的位置和运动状态，进行实时调控液压支架推移千斤顶形成和采煤机割煤深度等参数，刮板机进行调直。

超宽带测距和定位方法：不妨假设在n时刻，标签1的位置为未知，锚点A的坐标已知，系统采用回路时延测距离原理，测量锚点和标签见的距离。不妨假设在t1时刻，系统可测量到标签和各个锚点的距离 包含了测量误差；各个锚点和标签1之间的实际距离记作， 是未知量。锚点位置已知的前提下，标签距离锚点的位置通过测量得到，可以利用三角定位方法，计算出标签的位置。但是工作面环境恶劣，无线电经常会经理NLOS传播环境，造成测距和定位精度不准。

惯性单元定位方法：表示速度矢量，表示加速度矢量，T为采样周期，根据基本物理学原理，利用惯性单元的输出可以得到某一采样时刻惯性单元相对于初始时刻的位置。利用惯性单元推导位置和运动状态，随着时间的推移误差会不断积累，造成测量结果不在准确。

为了克服在综采工作面环境下单独使用超宽带或者惯性系统定位面临的挑战，本发明使用标签和各个锚点之间的测量距离标签上的三轴加速度计、三轴陀螺仪传感器值为输入，采用多传感器数据融的方法，开发高精度的综采工作面弯曲检测系统。

超宽带和惯性单元传感器融合算法：t+1时刻的位置信息的计算，综合考虑超宽带系统的定位结果和惯性系统的定位结果，增加信息的冗余性，形成互补。融合算法中定位对象的位置p _t+1是p _t，T，等众多变量的函数。该算法在定位服务器上实现。

定位服务器把支架、煤机的位置和运动状态等信息实时地提供给支架电液 控系统和煤机控制系统，用来调整采煤机割煤深度以及液压支架推移千斤顶参数，实现长壁工作面弯曲检测和找直。

对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种工作面装备定位系统,其特征在于：本系统采用无芯片超宽带标签，超宽带信号发射和接收机向周围发送超宽带无线电信号，无芯片标签接收并由线圈激励生成信号反馈给读卡器，实现识别、测距和定位。

2.根据权利要求1所述的工作面装备定位系统，其特征在于：多目标识别技术，煤矿井下高产高效综采工作面长度可达300米，液压支架有150～200套，每个液压支架上、刮板机上部署多个无芯片超宽带标签，整个工作面就需要对数以百计的标签进行识别。

3.根据权利要求1所述的工作面装备定位系统，其特征在于：系统无固定锚点。将超宽带标签贴在液压支架顶梁下及帮护板下部以及其它需要定位的装置上，而在采煤机移动机身和煤壁等其它位置部署一定数量的超宽带读卡器(主动模块)作为系统锚点，形成一个非固定锚点的无线定位系统。

4.根据权利要求1所述的工作面装备定位系统，其特征在于：算法拟采集上述局部范围各个标签点和煤机移动机身上左右锚点间的距离测量信息以及标签之间的测距信息，构造局部范围的距离矩阵。