基于UWB與激光測(cè)距的地下鏟運(yùn)機(jī)井下定位系統(tǒng)

石瀟杰，李恒通，石 峰，郭 鑫，高澤宇

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160)

伴隨著礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，地下金屬礦山的開采深度逐步加深，以金礦為例，目前國際主流金礦開采深度已達(dá)到1 000 m以下[1]。井下環(huán)境惡劣，高溫高濕粉塵大，隨著深度的增加，人員工作環(huán)境愈加惡劣。目前全球各大礦山都逐步加大對(duì)礦山智能化，無人化的投入。地下鏟運(yùn)機(jī)作為井下礦石開采的重要設(shè)備之一，其自主行使功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山智能化有著重要的意義。

車輛的位置信息是實(shí)現(xiàn)車輛的自主行使的重要參數(shù)之一，由于井下沒有GPS信號(hào)，地下鏟運(yùn)機(jī)不能像乘用汽車那樣利用GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)車輛位置定位，因此需要用其他方式來獲取車輛在井下的位置信息。UWB技術(shù)通過在井下搭建基站，基站與車載標(biāo)簽之間進(jìn)行通訊從而獲取標(biāo)簽與基站之間的實(shí)時(shí)位置信息來達(dá)到車輛位置定位的目的。為獲得車輛準(zhǔn)確的二維位置信息，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽至少要接收3個(gè)基站的位置信息進(jìn)行計(jì)算，且UWB基站布置方式為基站縱向間距與基站的橫向間距比為2∶1。由于地下巷道狹長，單一UWB定位系統(tǒng)需要布置大量基站來保證定位精度，成本太高。為減少成本，研究采用UWB定位與激光測(cè)距融合的定位系統(tǒng)，通過UWB定位來獲取車輛縱向位置信息，激光測(cè)距來獲取車輛橫向位置信息，從而獲得車輛的二維位置信息。

1 基礎(chǔ)定位系統(tǒng)

1.1 UWB定位系統(tǒng)原理

UWB通訊技術(shù)是一種無線載波通訊技術(shù)，它不采用正弦載波而是應(yīng)用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，工作頻譜寬為3.1～10.6 GHz[2]。UWB定位原理與衛(wèi)星定位原理相似，即通過搭建基站，利用發(fā)射的UWB脈沖信號(hào)在基站與標(biāo)簽之間通訊進(jìn)行測(cè)距。系統(tǒng)主要由基站、定位標(biāo)簽、中心處理器三部分組成。

按照測(cè)量參數(shù)的不同，UWB定位原理主要分四種：1)基于到達(dá)時(shí)間法(Time of Arrival，TOA)，2)基于到達(dá)時(shí)間差法(Time Difference of Arrival，ADOA)，3)基于到達(dá)角度法(Angle of Arrival，AOA)和4)基于到達(dá)接收強(qiáng)度法(Received Signal Strength Indication，RSSI)[3-5]。

TOF定位是基于測(cè)距的方式，標(biāo)簽和每個(gè)需要定位的基站發(fā)起測(cè)距，測(cè)距完成后進(jìn)行位置計(jì)算，本文主要采用此種定位方式。

D=c×Δt

(1)

式中，D—標(biāo)簽距基站距離，c—光速，Δt—脈沖在標(biāo)簽與基站間傳遞時(shí)間。

圖1為UWB定位原理圖，基站A坐標(biāo)為(x1，y1)，基站B坐標(biāo)為(x2，y2)，基站D坐標(biāo)為(x3，y3)，定位標(biāo)簽C坐標(biāo)為(x，y)。

圖1 UWB定位原理圖Fig.1 UWB positioning principle

(2)

式中，d1、d2、d3分別為標(biāo)簽到基站A、基站B、基站D之間的距離。

通過求解方程(2)得到定位標(biāo)簽C的坐標(biāo)。

為得到車輛的二維信息坐標(biāo)，車載標(biāo)簽需要接收至少3個(gè)基站的的位置信息。井下巷道狹長，為保障UWB定位精確，基站布置為基站間縱向間距與橫向間距比為2∶1。以長100 m、寬6 m的巷道為例，基站縱向間隔為12 m，橫向間隔為6 m，需要布置至少13個(gè)基站，成本太高。

1.2 UWB與激光測(cè)距融合定位原理

在UWB與激光測(cè)距融合定位系統(tǒng)中，UWB技術(shù)只負(fù)責(zé)獲取車輛的縱向位置信息，橫向位置信息由激光雷達(dá)給出，可以有效減少基站的布置數(shù)量。同樣以長100 m、寬6 m的巷道為例，基站布置數(shù)量只需要頭尾兩個(gè)。

圖2為UWB與激光測(cè)距融合定位原理，通過安裝在鏟運(yùn)機(jī)側(cè)面的激光雷達(dá)測(cè)得標(biāo)簽距基站AB所成直線的距離d3，與UWB定位系統(tǒng)所得標(biāo)簽距基站的距離d1、d2聯(lián)合求出標(biāo)簽位置。

基站A坐標(biāo)(xa，ya)，基站B坐標(biāo)(xb，yb)，標(biāo)簽C坐標(biāo)(x，y)

圖2 UWB與激光測(cè)距融合定位原理圖Fig.2 UWB and laser fusion positioning principle

(3)

求解方程(3)從而求得標(biāo)簽C坐標(biāo)。

2 模擬試驗(yàn)

在地表搭建模擬巷道分別對(duì)UWB定位系統(tǒng)，和UWB與激光測(cè)距融合定位系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證兩種定位方式的誤差。地表模擬巷道長50 m，寬6 m。

2.1 UWB定位系統(tǒng)地表試驗(yàn)

UWB標(biāo)簽安裝在鏟運(yùn)機(jī)頂部，UWB基站安裝方式如圖3所示，在長50 m、寬6 m的巷道上共安裝7個(gè)基站，標(biāo)簽A安裝在鏟運(yùn)機(jī)車頂，以基站1為原點(diǎn)建立UWB坐標(biāo)系，7個(gè)基站的坐標(biāo)分別為：基站1(0，0)，基站2(0，12)，基站3(0，24)，基站4(0，36)，基站5(0，48)，基站6(6，12)，基站7(6，36)。

圖3 UWB定位基站布置圖Fig.3 UWB sensor layout of UWB positioning system

隨機(jī)選取10個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，通過UWB定位所得位置信息與實(shí)際人工測(cè)量相比較得到表1 UWB定位誤差，平均誤差為0.165 m。

表1 UWB定位誤差

2.2 UWB與激光測(cè)距融合定位系統(tǒng)地表測(cè)試

在長50 m、寬6 m的模擬巷道上安裝兩個(gè)UWB定位基站，車載標(biāo)簽A安裝在車頂上，測(cè)距傳感器B安裝在車輛側(cè)面，如圖4所示，以基站1為原點(diǎn)建立UWB坐標(biāo)系，基站坐標(biāo)分別為：基站1(0，0)，基站2(0，48)。

圖4 UWB與激光測(cè)距融合定位基站布置圖Fig.4 UWB sensor layout of UWB and laser fusion positioning system

隨機(jī)選取10個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，通過UWB與激光測(cè)距融合定位所得位置信息與實(shí)際人工測(cè)量相比較得到表2 UWB與激光測(cè)距融合定位誤差，平均誤差0.186。

UWB與激光測(cè)距融合定位系統(tǒng)所得車輛位置信息的平均誤差為0.186 m，UWB定位系統(tǒng)車輛位置信息的平均誤差為0.165 m。UWB與激光測(cè)距融合定位誤差相比UWB定位誤差略有提高，但總體相差不大。都可以滿足地下鏟運(yùn)機(jī)定位誤差不大于0.3 m的要求。

表2 UWB與激光測(cè)距融合定位誤差

3 結(jié)論

本文以地下鏟運(yùn)機(jī)井下定位為背景，針對(duì)地下巷道狹長的特點(diǎn)，UWB定位系統(tǒng)成本高的問題，提出采用UWB與激光測(cè)距融合的定位系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，UWB與激光測(cè)距融合定位系統(tǒng)可極大地減少UWB定位基站的使用數(shù)量，減少系統(tǒng)成本，且定位精度與UWB定位系統(tǒng)精度相差不大，滿足使用要求。