基于UWB测距的悬臂式掘进机位姿检测方法研究

发布时间：2020-07-23 11:40

【摘要】：煤炭是我国的主体能源,而深部煤层的瓦斯爆炸、岩层垮塌、突水等地质灾害发生率高、偶然性强,对采掘矿工的生命安全威胁极大。因此,深部危险煤层安全高效开采是煤炭工业发展中的更高需求,迫切需要自主设计和制造适合深部开采的无人机械化综掘设备。在深部危险煤层的无人化掘进作业中,悬臂式掘进机的自主导控是实现综掘工作面无人化的核心,而悬臂式掘进机的位姿检测是掘进机自主导控的基础和关键。长期以来,利用点激光指向仪人工定向掘进是完成悬臂式掘进机定向作业的主要手段,这种手段不仅定向精度低,而且无法提供掘进机自主导控所需的所有位姿参数。因此,在国家能源科技“十二五”规划中明确提出要重点研究“基于三维定位的远程控制技术”,从而实现综采综掘工作面自动化与无人化。本文基于超宽带(Ultra Wide-Band,UWB)信号在局域范围内的高精度时间分辨率,提出一种基于UWB信号双向飞行时间测距(Two Way-Time Of Flight,TW-TOF)的悬臂式掘进机位姿检测系统(Ultra wide-band Pose Detection System,UPDS)及其检测方法,可实现悬臂式掘进机在狭长封闭巷道空间中的位姿参数连续测量,为实现悬臂式掘进机的自主导控及综掘工作面的无人化开采提供了可靠的理论基础。具体研究工作如下:(1)构建了UPDS系统结构,提出了UPDS检测方法及自主标定方法。基于悬臂式掘进机的工作特性,分析了悬臂式掘进机的定位原理及位姿检测原理,确定了悬臂式掘进机自主导控所需的完整位姿参数;基于悬臂式掘进机的工况条件及UWB信号在介质中的传播特性,对比了基于UWB信号的多种定位模型。基于优选的UWB信号测距参量定位模型,构建了UPDS系统结构并设计了UPDS位姿检测方法,可以实现悬臂式掘进机的位姿参数的远程、非接触式连续测量;推导了UPDS坐标解算及姿态角解算模型;为提高UPDS系统有效测量距离,减少井下工作人员对基站标定次数,提出了一种基于多部定位基站机器人步进式协同标定的UPDS自主标定方法,完成对UPDS系统的连续自主标定;构建了UPDS定位基站机器人的结构模型并且设计了UPDS自主标定策略。(2)推导了基于UWB距离参量定位模型的UPDS定位算法。基于UPDS系统特点,构建了三种基于UWB测距参量的UPDS定位解算模型:信号到达时间(Time Of Arrival,TOA)定位模型、信号到达时间之差(Time Difference of Arrival,TDOA)定位模型以及信号到达时间之和(Time Summation Of Arrival,TSOA)定位模型;基于TOA、TDOA以及TSOA三种定位解算模型,推导了8种面向UPDS的定位算法,包括:基于TOA定位模型的Caffery定位法(Caffery定位法)、基于Caffery与Taylor级数展开的融合定位法(CT定位法);基于TDOA定位模型的间接法(TDOA间接法)、基于Taylor级数展开的TDOA定位法(Taylor-D定位法)、基于TDOA定位模型的Chan定位法(Chan-D定位法);基于TSOA定位模型的间接法(TSOA间接法)、基于Taylor级数展开的TSOA定位法(Taylor-S定位法)、基于TSOA定位模型的Chan定位法(Chan-S定位法);此外,根据UPDS系统的定位原理,分析了TOA、TDOA以及TSOA三种定位模型的误差影响因素。(3)分析了UPDS定位算法在狭长封闭巷道中定位精度及误差分布规律。在10m-95m狭长空间中开展了UWB测距实验,选用了美国Time domain公司研制的P440模块进行多次测距获得完整实测数据,基于UWB实测测距数据,对UPDS的8种定位算法进行了仿真定位分析;仿真模拟了8种定位算法在95m范围内的定位节点分布、各轴误差分布以及定位均方根误差随测量距离变化曲线;对比了各定位算法的特点、精度、误差变化规律,基于仿真分析结果,优选了四种定位算法:Caffery定位法、CT定位法、TDOA间接法以及TSOA间接法。为了探究不同算法在狭长封闭巷道空间中的定位精度变化规律,提出一种面向狭长封闭巷道空间的全断面定位误差场,利用该方法可以直观体现不同算法在狭长封闭巷道中的精度及误差分布规律。通过对比四种定位算法在狭长巷道空间中的全断面定位误差场,确定了CT定位法在10m-95m的狭长巷道空间中具有更高的定位精密度,因此将CT定位法作为UPDS现场实验的核心算法。(4)开展了UPDS现场位姿检测实验,验证了系统的有效性。探究了基站几何布局对UPDS定位精度的影响以及机身定位节点几何布局对UPDS姿态角解算精度的影响;基于优选的基站几何布局,在悬臂式掘进机自主导控实验室中的模拟巷道开展了UPDS现场实验,验证了UPDS系统有效以及UPDS在狭长巷道中的定位精度及姿态角解算精度;在模拟巷道中10m-78m的范围内选取了10个掘进机位置节点进行标定及测量,通过对UPDS的实测数据分析可得UPDS在X轴、Y轴方向可以达到厘米级定位精度,对掘进机偏向角可以达到5°的检测精度,满足综掘工作面开采要求,为实现悬臂式掘进机的自主导控提供了可靠的理论基础及实践基础。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD421.5
【图文】：

示意图,掘进机,悬臂式掘进机,环境

悬臂式掘进机的工作环境称为综合机械化掘进工作面，一般综掘巷道位于地下300-800m处的岩层之间，巷道断面的尺寸取决于悬臂式掘进机的规格，如图2.1所示，以EBZ160型掘进机为例，巷道宽约3-5米，高约2-4.8m，掘进机后方链接刮板输送机，为便于研究规律性理论，可以将综掘巷道抽象为一种狭长封闭空间。悬臂式掘进机的重量一般可达数十吨重，而EBZ300、EBZ320等大尺寸机型的掘进体重都在100吨以上；综掘工作面的悬臂式掘进机的行进方式不同于综采工作面的采煤机，掘进机由履带式行走部完成掘进机的位移，在行进过程中，没有其他机构对掘进机机身进行约束；当悬臂式掘进机进行截割作业时

分布图,时频域,超宽带信号,分布图

超宽带信号时频域分布图

测距模块

P440模块是一种带宽在3G-5GHz的超宽带无线收发器，它可以实现如下功可以在2个或者2个以上的模块之间进行测距，刷新率最高为125Hz。可以在多个模块之间实现通信。可作为单点雷达，双基地雷达或者多基地雷达。可同时执行四种功能（测距、数据传输、单点雷达和多基地雷达）。具备用以优化双向飞行时间原理的自组网功能，在网络内进行测距可DMA组网模式或者ALOHA组网模式，实现多个模块的同时测距。支持多达11个独立信道，因此可模拟CDMA组网。硬件设计的运行要求完全符合所有工业级温度环境（-40℃至85℃），同晃动或者高频震动中运行。天线射频的辐射强度符合美国FCC的15条规定，同时遵循欧洲电信标准条款302065保密协议。可以通过USB、串口、SPI、网口或者CAN等方式连接模块并通过API以监测模块的目的（开发）。USB驱动兼容Windows Vista 32/64、Windows7 Windows8 32/64系统。UWB测距模块P440实物图如5.1所示，

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