矿井机车精确定位技术的研究
1绪论
1.1课题背景和研究意义
煤炭资源是我国能源的重要组成部分，煤炭开采的效率是该行业的基础。我国煤炭行业很大部分为矿井开采，然而矿井开采的安全问题严重威胁了该行业的生存。因此矿井的安全生产成为了整个煤炭行业的重要节点。其中，矿井的轨道运输是井下煤矿生产的重要环节。但是矿山井下环境恶劣，巷道错综复杂，机车在运行过程中容易造成运输事故。矿井的安全运输也成为了，煤矿安全生产的一大隐患。
矿井机车是井下运输的重要设备，通常用于运输井下的物资、设备和人员。相比于地面的运行系统，矿井巷道狭长，空间较小，难于进行车辆之间的快速错车。而且现阶段的调度方法不够规范、信息化程度低，十分容易造成巷道的堵塞，导致物资的积压，更严重造成安全事故，从而影响井下煤矿的生产。造成矿井机车运行事故和降低其运输效率的因素很多，但最主要的原因是机车在运行过程中不能够准确的得到其位置信息，从而发生机车与机车之间相互碰撞，机车与人员或设备相撞。因此，提高矿井机车的调度手段，减少矿井机车运输事故，提高煤矿生产效率变的尤为重要。
在国内矿山井下机车的运输效率很低，机车井下运输并不能够满足当前的开采速度，而且由于定位监测技术的落后，导致矿井事故时常发生，严重威胁着我果煤矿工人的安全和矿井的生产效率。虽然在国内的部分矿井安装了定位监测系统，但是现阶段我国的定位技术还不够成熟稳重，不能得到准确的位置信息。
矿井机车的精确定位技术能够准确得到机车的位置信息，使调度者做出准确有效的判断，从而提局矿井运输的效率，减少事故的发生，是矿井机车安全有效运行的重要技术，在矿井的安全生产中起到至关重要的作用。只有采用精确定位技术才能实现机车在运行过程中按照控制台所发布的指令进行准确启停，不会产生时间误差，精确定位到机车运行位置；定位误差很小，避免误闯红灯和占道；同时，才能实现机车精确停靠在某个指定的位置，便于货物装卸和上下乘客，从而使矿井电机车能够高效、安全运行。目前部分学者对矿井机车精确定位技术做了相关的研宄，也提出了相关的定位技术，但是由于矿井巷道的复杂，环境的恶劣等因素，定位精度并不能达到理想的条件。
1.2国内外矿井机车精确定位技术的发展和研究现状
矿井机车是煤矿井下负责煤矿、设备和人员运输的重要工具，从发现煤矿以来，矿井的开采和运输环境恶劣，并且由于开采和运输技术的落后，导致煤矿的生产效率低下，矿井事故频繁发生。如何改善矿井的生产环境，减少矿井运输事故，提高煤矿开采效率，保证煤矿的安全生产等问题一直是这一行业的重中之重。随着国内外煤矿机械设备和计算机智能控制的快速发展，越来越多的国家对矿井机车的智能运输进行了大量的研究和开发。首先是西欧、日本等国家提出了机车的自动定位和运行技术，实现了矿山井下的安全生产。现阶段西欧部分国家如德国、芬兰、法国和日本的焦炉电机车已经能够完成自主定位，部分国家还达到了机车的无人驾驶。在国内，矿井机车的自动定位技术研发起步较晚，相比与国外技术较为落后。但是近几年国内机车定位相关技术的快速发展，我国的矿山井下机车定位技术正朝着国际先进水平前进。
本文的研宄对象是面向矿井电机车无人驾驶系统的精确定位技术。研究目的是提出一套适宜于矿井电机车无人驾驶系统的精确定位的方法和解决方案，并运用理论研究成果成功构建面向矿井电机车无人驾驶系统的精确定位技术的样机；主要工作是研宄以红外、无线、超声波等技术，通过实验与测试，探讨精确定位的方法。本研究项目一方面确定机车新的定位原理和方法，为形成一种新的机车精确定位技术奠定基础。另一方面在一定程度上丰富和完善精确定位的关键技术理论，推动其在矿井电机车无人驾驶系统的进一步应用。
2定位技术简介
2.1无线传感网络定位技术
2.1.1无线传感网络概述
无线传感器网络的应用领域比较广泛，像智能家居，环境监测，军事，健康护理等，并且已逐渐渗入到人类生活的各个领域。尽管现在还出与起步阶段，但已经体现出巨大的潜力，将会是以后科学研究的一个热点。
在无线传感网络中传感器节点的位置坐标信息是必不可少的，因为在大多数的应用中如：数据的釆集，地域的监测等，很多的数据信息需要相对应的位置坐标，不然，这些信息就不是完整的，甚至在一些情况下也就没有意义。只有在传感器节点清楚自身所处的位置，才能明确的表示在哪个具体位置坐标或区域坐标获取数据，然后得出该位置或区域发生的特定事件，最后实现对外部目标的定位和追踪；另外，在清楚其位置的分布状况后，将大大改进网络的路由效率，改善整个网络的覆盖质量。所以传感器节点的位置坐标信息，在整个网络中有着关键性的作用。
无线电鉴相定位技术是利用两个无线电发射基站，在同一时刻发射无线电波，定位目标通过接收设备接收到无线信号后（必须都接收到），对该信号进行放大和相关的处理，并利用鉴相器进行分析从而得出目标位置。该技术可在内200m进行定位服务，而且具有较高定位精度，但是其定位成本较高，要达到两基站的同步发射也较为困难，并且信号容易受环境和其他信号的干扰。
2.2其他定位技术
2.2.1超声波定位技术
超声波一种振动频率超过20hz的机械波，具有如下几个优点：1）超声波在空气中的传播速度较慢，容易测得其传播时间，并且容易控制发射方向，发射强度，受干扰影响较小。2）超声波受颜色、光照强度和电磁场强度影响小，可用于无光照、空气质量差、灰尘多和无线信号干扰强等恶劣环境中，还可以识别出漫反射性差的物体。3）超声波传感器体积小，结构不复杂，制作成本较低，传播的信息处理简易可靠，十分适宜应用于集成度高的、体积小的硬件中。
播的信息处理简易可靠，十分适宜应用于集成度高的、体积小的硬件中。目前超声波定位技术可分为反射式测距和单向测距。反射式测距原理是利用超声波遇障碍物反射的特性，测得超声波的来回传播时间，从而能够测得距离；单向测距原理是利用超声波和其他电波（一般为无线电波）的传播时间差测距。由于超声波在空气中衰减较快，并且其频率越高被在空气中衰减就越快，所以定位时选择超声波的频率不能太大；但是也不能太小，频率过小会受到空气中其他声波的影响，并且波长也变得越长，导致定位精度下降，一般选择超声波的频率在几十hz左右。
编码电缆定位技术可分为三个部分：上位机、编码电缆和机车。其中机车上装有感应天线箱；编码电缆是一种专用电缆，并且有自己的编码规则。当机车在轨道上移动时始终与编码电缆保持一定的距离，天线箱和电缆之间发生电池親合，从而能够检测出机车的位置，如图2.5所示。
3改进的矿山井下机车精确定位技术...........17
3.1基于TDOA的机车定位技术............17
41机车定位实验平台............35
4.1实验平台的简介.........35
5机车定位技术的测试、分析与评价............43
5机车定位技术的测试、分析与评价
5.1实验测试
无线信标节点采用Zigbee通信协议实现信标节点间的通信。Zigbee技术适用于近距离的无线通信，可以在许多个通信节点之间相互协调而完成通信，并且这些通信节点只需要很少的能量，就能以接力的方式将数据通过无线电波从一个节点传递到另外一个节点，十分适宜于矿井巷道中的无线通信，无线信标测试节点如图5.1所示。
超声波传感器根据工作原理可分为压电式、电磁式和磁致伸缩式等，常用的是压电式超声波探头，其常用的材料是压电晶体和压电陶瓷。发射探头将高频电信号转换成高频机械振动，即产生超声波，接收探头将接收的超声波转换成电信号。
6总结和展望
6.1全文总结
本文从矿井的实际运输情况进行分析和研究，了解到现阶段国内外矿井机车定位技术的研究较少，然而煤矿井下的安全事故时常发生，特别在矿井运输过程中出现的事故占了很大一部分。机车的精确定位技术对提高矿井安全有效的运输有着重要的作用，所以本文提出两种改进的矿井机车精确定位技术。
首先介绍了机车定位技术的国内外发展现状，并对先现阶段的定位技术做了简易的概述和分类，同时分析和比较了几种常用的定位技术。通过对几种定位技术的研究，提出了适宜应用于矿井的机车定位技术。
1）基于TDOA的矿井机车定位技术
TDOA定位技术采用超声波和无线电传播时间差实现测距，由于机车是运动的，并且超声波的传播速度较慢，在定位过程会产生位移误差，为了修正该误差，把位移误差转化为机车到节点的距离误差。要计算出机车到节点真实的距离，还需要增加已知条件，分别通过规律的布置节点和惯性导航技术得出信标节点到机车的垂直距离和机车的运动方向和速度。使用最小二乘法估计出机车的初始位置坐标，并通过泰勒级数最小二乘法修正估计坐标实现定位，定位精度可达。
2）基于RSSI的矿井机车定位技
RSSI定位技术采用无线信号在空气中衰减实现测距，由于矿山井下RSSI值很不稳定，通过高斯加权模型对RSSI值校正，该模型结合了高斯模型和加权模型的优点，在煤矿井下这种恶劣的环境中具有较高的测距精度。单纯的使用加权最小二乘法对位置进行估计并不能有效减小井下一些不确定因素对定位精度的影响，需要对估计出的位置进一步进行校正。该定位技术使用加权距离校正法，信标节点通过高斯加权模型得出定位误差，并根据与机车的距离给于相应的权值，距离越近权值就越大。
其次使用MATLAB对本文提出的定位算法进行仿真，比较改进后的算法与传统的定位算法。仿真结果显示改进后的算法定位精度较高，并且定位误差波动较小。相比于传统的定位算法，增加了定位精度，且在机车不同速度下，保持较为稳定的定位精度。
最后为了进一步验证改进的矿井机车定位技术的有效性，本文建立了机车定位实验平台并开发了相应的软件。实验结果显示改进后的矿井机车定位技术具有较高的定位精度，适用于矿山井下。
参考文献（略）