基于毫米波雷达的掘进机行进航迹修正系统

技术领域

本发明属于毫米波雷达技术领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的掘进机行进航迹修正系统。

背景技术

随着浅层煤层的枯竭，矿井正逐年向深部煤层延伸，但是深层煤炭开采危险系数高，严重威胁井下工人的生命安全。研究表明，深层采煤是造成人员伤亡最严重的灾害之一，而大部分伤亡是由于掘进机航迹偏离导致的深层坍塌，所以掘进机的工作性能和工作效率直接影响到采煤工作的效率和采煤过程的安全，在深部煤层中如何保证掘进机的行进航迹正确至关重要。

针对掘进机行进航迹偏离的问题，现有的解决技术主要包括激光雷达扫描和测距技术、视觉识别技术和基于惯性导航系统的掘进机定位技术。但是深层矿井具有光线昏暗、含有大量尘埃和颗粒物、地形复杂、易震动等特点，激光束在该环境下传播会被颗粒物散射或吸收光线，影响激光雷达的测量准确性和可靠性；颗粒物和尘埃会附着在摄像头表面，影响图像的质量和清晰度从而降低视觉识别的准确性；机械设备运行、地壳运动等震动会干扰惯性传感器的测量，影响定位的准确性，并且随着时间的推移，这些测量会累积误差，进而导致掘进机位置和方向信息获取不准确。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于毫米波雷达的掘进机行进航迹修正系统，在安装布局参考单元的基础上通过雷达单元、信标单元、信号处理单元和数据处理单元得到信标的角度差信息判断掘进机航迹是否发生偏离从而进行航迹修正，并且对不同角度方向的成像进行仿真。实现掘进机行迹快速修正，仿真掘进机跑偏。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于毫米波雷达的掘进机行进航迹修正系统，包括装置部署系统、毫米波雷达硬件系统、毫米波雷达软件系统以及掘进机伺服系统；

所述装置部署系统通过用于雷达、信标的安装位置，确保雷达接收到信标强反射回波从而获取信标精确位置，使得掘进机根据该信标精确位置调整行进方向；

所述毫米波雷达硬件系统安装于掘进机尾部正中间，毫米波雷达发射天线发射线性调频连续波，经信标反射，毫米波雷达接收天线接收信标反射回波，用于接收视野范围内的目标回波，并将回波采样数据发送至毫米波雷达软件系统；

所述毫米波雷达软件系统接收毫米波雷达硬件系统发送的回波采样数据，采样数据经过信号处理单元的信号处理算法和数据处理单元的图像处理算法得到航迹修正角度，并将修正角度传输给掘进机伺服系统；

所述掘进机伺服系统将接收的所述航迹修正角度作为输入，通过控制单元调节掘进机的行进航迹方向。

所述装置部署系统包括掘进机、毫米波雷达以及信标；所述毫米波雷达安装于掘进机尾部正中间并与尾部面垂直，以掘进机标准行进方向反方向延长线为基准两个信标对称安装在延长线两侧，使得初始位置状态下两个信标与掘进机所成方向角度相等。

所述毫米波雷达的雷达波束方向与掘进机行进方向相反；

当掘进机在行进过程中未发生偏移，信标一与信标二与雷达中心的夹角α

所述毫米波雷达硬件系统包括射频单元、天线单元以及基带处理板单元；

射频单元，用于调控并生成雷达发射波形，并将信号发送至天线单元；

天线单元，包括发射天线和接收天线，采用一维稀疏阵列布局用于提高雷达角度分辨率，发射天线发射射频单元合成的信号，接收天线接收信标反射回波发给基带处理板单元；

基带处理板单元，接收回波信号，回波信号经混频器生成中频信号，中频信号通过ADC采样将模拟信号转变成数字信号，并将数字信号传输给毫米波雷达软件系统。

所述射频单元包含4个射频芯片用于接收天线的数据，每个射频芯片的发射和接收端口分别连接4根发射天线和4根接收天线，并将4个射频芯片进行级联形成16个发射和16个接收通道的雷达天线阵列；

所述天线单元由16根发射天线16根接收天线布局而成，其中发射天线和接收天线都分别包含8根方位维天线8根俯仰维天线，发射天线的方位维天线之间的间距设为4λ，接收天线的方位维天线之间的间距为0.5λ，发射天线和接收天线的俯仰维天线之间的距离设为1λ；

所述基带处理板单元包含接口、flash存储芯片、GPS授时模块、网口、电源部分、DDR存储芯片、ZYNQ主芯片、程序在线升级模块；

接口将射频单元的数据传输给基带处理板单元的ZYNQ主芯片，ZYNQ主芯片对原始雷达数据进行处理，处理后的数据信息通过网口发送给掘进机的控制系统；flash存储芯片和DDR存储芯片用于存储计算过程中的临时数据；GPS授时模块用于为雷达数据提供一个统一的时间信号；电源部分用于给整个雷达系统供电；程序在线升级模块用于在不拆卸雷达的情况下给雷达系统远程升级。

所述毫米雷达软件系统包括信号处理单元和数据处理单元；

信号处理单元，信号处理单元接收基带处理板模块生成的数字信号，数字信号经过2D-FFT算法得到目标距离多普勒(RDM)数据，然后将RDM输入静目标提取模块，基于恒虚警率检测算法(CFAR)生成目标距离方位(RAM)信息,最后根据距离方位功率谱重构模块将目标距离、角度的信息张量成雷达视角下的二维平面点云图，并将点云信息发送至数据处理单元；

数据处理单元，接收信号处理单元中距离方位功率谱重构模块发送的点云数据，通过检测模块提取静目标点云图中的信标点云块并发送至聚类模块，聚类模块采用聚类算法获取信标质心坐标信息并传输给偏差角度获取模块，偏差角度获取模块利用减法计算输出航迹修正角度并将其发送给掘进机伺服系统。

所述掘进机伺服系统将接收的来自数据处理单元偏差角度获取模块发送的航迹修正角度作为输入，经过控制单元，得到正确航调整方向对掘进机航迹进行修正。

判断航迹修正角度是否等于0，如果等于0，掘进机保持原方向继续前进，否则判断其是否大于0，如果大于0，则掘进机往右发生偏移，需通过控制单元将掘进机的行进方向向左调整，否则向右调整，直到航迹修正角度等于0保持掘进机行进方向。

本发明的有益效果：

(1)安全性能提升，掘进机在行进过程中通过毫米波雷达获取的位置信息自主校准轨迹避免了传统修正轨迹方式下需要人工干预，从而保证了工作人员的生命安全。

(2)高效性，该系统可以在掘进机运行过程中实时调控避免传统修正轨迹方式下需要暂停掘进机作业而带来的时间延误。

(3)适应强，毫米波雷达发射的毫米波可以穿透粉尘，不受光线影响，可以适应深层矿井的恶劣环境。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于毫米波雷达掘进机行进航迹修正系统结构框图

图2是本发明实施例提供的装置部署系统原理框图。

图3是本发明实施例提供的毫米波雷达硬件系统结构图。

图4是本发明实施例提供的毫米波雷达软件系统功能图。

图5是本发明实施例提供的掘进机伺服系统控制流程图。

图6是本发明实施例提供的仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明公开的一种基于毫米波雷达的掘进机行进航迹修正系统，包括装置部署系统、毫米波雷达硬件系统、毫米波雷达软件系统和掘进机伺服系统。装置部署系统中，毫米波雷达安装于掘进机尾部正中间并与尾部面垂直，以掘进机正确初始行进方向反方向延长线为基准两个信标对称安装在延长线两侧；毫米波雷达硬件系统包含射频单元、天线单元、基带处理板单元，接收两个角反的回波，经过处理生成数字信号传送给毫米波雷达软件系统；毫米波雷达软件系统包含信号处理单元、数据处理单元，数字信号通过信号处理单元的处理得到雷达视角下的二维平面点云，点云数据根据数据处理单元最终获取航迹修正角度；掘进机伺服系统接收修正角度，通过角度的正负判断掘进机行进航迹的调控方向到达正确行进的目的。

参照图2，所述装置部署系统，垂直于掘进机尾部平面在尾部正中间上装载毫米波雷达，且雷达波束方向与掘进机行进方向相反，并在掘进机行进路径反方向的两端放置两个信标(角反射器)。当掘进机在行进过程中未发生偏移，信标一与信标二与雷达中心的夹角α

参照图3，所述毫米波雷达硬件系统由射频单元、天线单元、基带板处理单元组成。

射频单元包含4个射频芯片用于接收天线的数据，每个芯片的发射和接收端口分别连接4根发射天线和4根接收天线，并将4个射频芯片进行级联形成16个发射和16个接收通道的雷达天线阵列；天线单元由16根发射天线16根接收天线布局而成，其中发射天线和接收天线都分别包含8根方位维天线8根俯仰维天线，发射天线的方位维天线之间的间距设为4λ，接收天线的方位维天线之间的间距为0.5λ，发射天线和接收天线的俯仰维天线之间的距离设为1λ；基带处理板单元包含接口、flash存储芯片、GPS授时模块、网口、电源部分、DDR存储芯片、ZYNQ主芯片、程序在线升级模块。接口将射频单元的数据传输给基带处理板单元的ZYNQ主芯片，ZYNQ主芯片对原始雷达数据进行处理，处理后的数据信息通过网口发送给掘进机的控制系统；flash存储芯片和DDR存储芯片用于存储计算过程中的临时数据；GPS授时模块用于为雷达数据提供一个统一的时间信号；电源部分用于给整个雷达系统供电；程序在线升级模块用于在不拆卸雷达的情况下给雷达系统远程升级。

参照图4，所述毫米波雷达软件系统，包括信号处理单元、数据处理单元。信号处理单元由2D-FFT模块、静目标提取模块、距离方位功率谱重组模块组成，毫米波雷达软件系统信号处理单元接收数字信号，首先通过信号处理单元的2D-FFT模块做FFT操作处理得到距离多普勒矩阵(RDM)，然后基于加窗操作和恒虚警率检测算法生成距离方位谱(RAM)，最后经过距离方位功率谱重组模块将RAM中获取的距离、方位数据张量成二维平面点云数据；数据处理单元包括检测模块、聚类模块、偏差角度获取模块，毫米波雷达软件系统数据处理单元接收二维平面点云信息，经过检测模块的检测算法得到信标点云，然后输入至聚类模块，采用聚类算法获取信标点云块，最后根据目标点云块的角度信息通过偏差角度获取模块获得两个信标的角度差，即航迹修正角度，并由毫米波雷达软件系统数据处理单元输出用于调控掘进机方向。

参照图5，所述掘进机伺服系统，用于通过毫米波雷达软件系统数据处理单元发送的航迹修正角度控制掘进机的行进方向。其主要控制流程为输入航迹修正角度，判断航迹修正角度是否等于0，如果等于0，掘进机保持原方向继续前进，否则判断其是否大于0，如果大于0，则掘进机往右发生偏移，需通过控制单元将掘进机的行进方向向左调整，否则向右调整，直到航迹修正角度等于0保持掘进机行进方向。

参照图6，用自行车模拟掘进机，将雷达放置于自行车后端上模拟雷达在掘进机上工作，在掘进机行迹上安置2个信标用于测量掘进机角度。当掘进机直行，未发生角度偏移时，测试环境如图6a左边所示，雷达数据处理结果如图6a右边所示，可以看出掘进机在两个信标点中间，信标1的夹角与信标2的夹角相等，草坪模拟的行驶轨道笔直无倾斜。当掘进机向左偏移时，测试环境如图6b左边所示，雷达数据处理结果如图6b右边所示。可以看出掘进机信标点左偏移，信标1的夹角大于信标2的夹角。当掘进机向右偏移时，测试环境如图6c左边所示，雷达数据处理结果如图6c右边所示。可以看出掘进机信标点右偏移，信标1的夹角小于于信标2的夹角。