基于SDSＧTWR算法的TOF精確定位系統(tǒng)

殷 臻, 黃慧哲, 李 偉,陸 毅, 賀乃寶, 羅印升

(江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

基于SDSＧTWR算法的TOF精確定位系統(tǒng)

(江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

分析了SDS-TWR測距算法的定位原理，提出了基于TOF(time of flight，TOF )技術(shù)、采用SDS-TWR(symmetrical double-sided two way ranging，SDSTWR )測距算法的煤礦巷道精確定位系統(tǒng)方案。測試結(jié)果表明, 該系統(tǒng)的定位精度95%，達(dá)到6 m以內(nèi)信號有效覆蓋范圍半徑為500 m，功耗滿足礦用設(shè)計要求，驗證了方案的可行性。

煤礦巷道； 精確定位； TOF； SDS-TWR

煤炭開采環(huán)境基本是地下且巷道條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣,因此井下人員定位系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)以及考勤管理方面發(fā)揮著重要的作用[1]。目前市場上區(qū)域定位系統(tǒng)已不能滿足煤礦對人員位置信息的實時性與準(zhǔn)確性要求,并且絕大多數(shù)精確定位系統(tǒng)方案成本高,覆蓋范圍小[1-2]。本文在研究TOF(time of flight)技術(shù)的測距原理的基礎(chǔ)上,提出了一種基于TOF技術(shù)、采用SDS-TWR測距算法的精確定位方案,并通過實驗驗證了該方案的可行性。

1 TOF技術(shù)及TWR測距原理

TOF技術(shù)通過測量無線信號在2個節(jié)點之間的飛行時間實現(xiàn)距離測量。傳統(tǒng)TOF方案一般采用雙路(TWR)測距算法,該算法采用雙向測量,因此該算法不需要進(jìn)行節(jié)點間的數(shù)據(jù)同步。在TWR測距中節(jié)點A發(fā)送一個Poll數(shù)據(jù)到節(jié)點B,節(jié)點B收到數(shù)據(jù)包后返回一個Ack數(shù)據(jù)包,如圖1所示。

TroundA為節(jié)點A發(fā)出Poll數(shù)據(jù)包到接收到Ack數(shù)據(jù)包用的時間；TReplyB為節(jié)點B收到Poll數(shù)據(jù)包到發(fā)出Ack包所用的時間。數(shù)據(jù)包傳播時間Tp為

(1)

節(jié)點A與節(jié)點B之間的距離d為

(2)

時鐘晶體存在頻率偏差,設(shè)節(jié)點A的頻率偏差為FdA,節(jié)點B的頻率偏差為FdB,則數(shù)據(jù)包在空中傳播的實際時間Tr為

(3)

數(shù)據(jù)包在空中傳輸時間的誤差ΔT為

由于TroundA=2Tp+TReplyBB

由于Tp遠(yuǎn)小于TReplyB,因此FdA×Tp可以忽略不計，則有

(4)

因此節(jié)點A和節(jié)點B的距離誤差Δd為

(5)

2 SDS-TWR測距算法原理

為了避免TWR方法中晶體頻率誤差引起的計時

誤差,引入SDS-TWR算法[3]。SDS-TWR是TWR算法的改進(jìn),利用2個節(jié)點雙邊各進(jìn)行一次TWR過程實現(xiàn)消除節(jié)點間晶體頻率誤差[4]引起的計時誤差,其過程見圖2。

圖2 SDS-TWR 測距算法原理

SDS-TWR的測距過程是在節(jié)點A發(fā)起一次的測距完成后,再利用節(jié)點B進(jìn)行反方向測距一次,則數(shù)據(jù)包傳播時間Tp即為

(6)

由于節(jié)點時鐘晶體存在頻率偏差,信號在空中傳播的實際時間Tr為

(7)

無線數(shù)據(jù)包在空中傳輸時間的誤差ΔTs為

(8)

由于Tp遠(yuǎn)小于TReplyB和TReplyA,因此FdB×Tp和FdA×Tp可以忽略不計,因此有

(9)

對比TWR的ΔT和SDS-TWR的ΔTs,可以看出SDS-TWR大大降低了晶體頻率偏差所引起計時誤差。假設(shè)晶振頻偏為±50×10-6Hz,節(jié)點相應(yīng)時間差為0.1ms,因此測距誤差理論值為±3m,如果選用低頻偏的晶體如±10×10-6Hz可進(jìn)一步降低測距理論誤差至±0.6m。

3 精確定位系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為進(jìn)一步驗證采用SDS-TWR測距算法的可行性,設(shè)計了采用SDS-TWR測距算法并基于TOF技術(shù)精確定位系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)主要由定位主機(jī)、定位服務(wù)器、交換機(jī)、井下定位基站以及定位標(biāo)簽等組成[6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

基站和定位標(biāo)簽都采用集成了ZigBee協(xié)議[7]與TOF測距引擎的JN5168無線微處理器[8],射頻前端射頻功放,使得發(fā)射功率達(dá)到了+10dBm,射頻發(fā)射電流控制在55mA以內(nèi),接收電流控制在31mA內(nèi),休眠電流不大于2μA；基站主控器采用STM32系列[9]控制器為核心,具有高速以太網(wǎng)及RS485[10]總線接口。定位標(biāo)簽采用鋰電池供電,采用定時器喚醒技術(shù),每3s喚醒一次標(biāo)簽進(jìn)行定位。

3.2 系統(tǒng)工作流程

(1) 網(wǎng)絡(luò)注冊。定位標(biāo)簽3s喚醒一次后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索,發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包,如基站處于工作狀態(tài),基站收到數(shù)據(jù)包后分配時隙給標(biāo)簽卡,回復(fù)同步數(shù)據(jù)包,完成注冊。若注冊失敗再次喚醒后重新進(jìn)行注冊。

圖3 礦用精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(2) 發(fā)起測距。標(biāo)簽成功搜索到網(wǎng)絡(luò)并且得到定位時隙后與基站進(jìn)行測距,測距的結(jié)果與標(biāo)簽的ID[11]以及其他標(biāo)簽信息統(tǒng)一打包發(fā)給基站,測距結(jié)束后釋放占用的時隙資源。如果測距失敗再次喚醒后重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸?；靖鶕?jù)不同無線模塊接收到的距離信息判斷方向,重新將數(shù)據(jù)打包通過高速以太網(wǎng)發(fā)送到地面定位服務(wù)器。

(4) 數(shù)據(jù)處理。地面定位服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后利用濾波算法,對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理,進(jìn)一步提高位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(5)Web發(fā)布。服務(wù)器將有效的人員位置信息、人員分布狀況和設(shè)備狀態(tài)通過Web發(fā)布,用戶可以通過PC主機(jī)或者手機(jī)設(shè)備訪問Web進(jìn)行查看管理。

3.3 方向性判定

在此系統(tǒng)中,利用單CPU驅(qū)動2個獨立射頻收發(fā)電路實現(xiàn)單基站判斷標(biāo)簽方向性[12]。井下巷道由于狹小可以想象成一條線,利用定向天線信號反向衰減的特性CPU得到的2個射頻模塊的距離值進(jìn)行比較,從而判斷標(biāo)簽的具體位置,此方案的關(guān)鍵是基站射頻模塊要作屏蔽處理,防止標(biāo)簽信號直接通過天線以外的途徑耦合進(jìn)去,產(chǎn)生錯誤的位置信息,導(dǎo)致誤差變大。位置判定原理示意圖見圖4。

圖4 標(biāo)簽測距位置判定原理示意圖

規(guī)定D2為3 m,D13 m說明標(biāo)簽在基站右側(cè)天線右側(cè),否則標(biāo)簽在基站2個天線之間。同理,標(biāo)簽在基站左側(cè)也是同樣分析方法,這樣很容易判斷出標(biāo)簽具體位置,經(jīng)過實測標(biāo)簽方向的測反率極低,雙射頻方案的實用性得到了進(jìn)一步驗證。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 定位精度與無線覆蓋范圍

(1) 測試環(huán)境：晴朗微風(fēng),溫度19 ℃,相對濕度65%,空曠郊區(qū)公路(無車無遮擋)。

(2) 測試條件:射頻發(fā)射功率為+10 dBm,接收靈敏度為-102 dBm,數(shù)據(jù)速率250 kbit/s,基站采用2.4 GHz頻率、增益為14 dB的定向天線。標(biāo)簽采用增益為2.5 dB的柔性PCB天線。系統(tǒng)測試了10、50、100、200、350、500 m的位置5次測量數(shù)據(jù),位置測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 位置測試數(shù)據(jù) m

測試結(jié)果說明, 定位精度95%以上保持在6 m以內(nèi),有效視距覆蓋范圍到達(dá)了500 m以上。

4.2 標(biāo)簽卡功耗測試

標(biāo)簽采用單節(jié)1 200 mAh鋰電池供電,電池電壓為4.2 V,發(fā)射功率為10 dBm,利用示波器抓取標(biāo)簽的靜態(tài)休眠電流為20 μA,發(fā)射電流為52 mA,接收電流為30 mA。利用萬用表測量標(biāo)簽工作1 h的平均功耗約為0.5 mAh,電池理論工作時間為90 d。

5 結(jié)語

本文結(jié)合JN5168 無線微控制器設(shè)計了一套基于TOF定位技術(shù)和SDS-TWR測距算法的礦用巷道精確定位系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在定位精度和功耗控制上都達(dá)到了設(shè)計要求,驗證了方案的可行性。

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TOF accurate positioning system based on SDS-TWR algorithm

Yin Zhen, Huang Huizhe, Li Wei, Lu Yi, He Naibao, Luo Yinsheng

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China)

The positioning principle of SDS-TWR ranging algorithm is analyzed, and a scheme of the accurate positioning system for the coal mine roadway based on TOF (time of flight) technology is proposed by using SDS-TWR SDS-TWR (symmetrical double-sided two way ranging) ranging algorithm. Test results show that the positioning accuracy of the system is 95% within 6 m, the effective coverage radius of the signal is 500 m, and the power consumption can meet the design requirements of the mine. Therefore, the feasibility of the scheme is verified.

coal mine roadway; accurate positioning; time of flight(TOF); symmetrical double-sided two way ranging (SDS-TWR)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.024

2016-11-25

2016江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“TOF技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究”(201611463006Z)

殷臻(1995—)，男，江蘇常州，本科本，主要研究方向電子信息工程

E-mail：2013311113@smail.jstu.edu.cn;

陸毅(1976—)，男，江蘇常州，工學(xué)碩士，講師，主要研究方向通信與信息系統(tǒng).

E-mail：luyi3652002@163.com

TD655

A

1002-4956(2017)5-0095-04