基于UWB 的礦井機(jī)車測速系統(tǒng)

劉世森

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

《煤礦安全規(guī)程》（2016 年修訂版）第392 條規(guī)定：采用無軌膠輪車運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)符合下列要求：運(yùn)行速度，運(yùn)人時(shí)不超過25 km/h，運(yùn)送物料時(shí)不超過40 km/h?！督饘俜墙饘俚叵碌V山無軌運(yùn)人車安全技術(shù)要求》2017 年的征求意見稿中明確提出行駛速度不得超過30 km/h。學(xué)者根據(jù)公開的論文報(bào)道2013—2017 年期間在全國煤礦共發(fā)生各類生產(chǎn)事故死亡事故1945 起[2]，交通運(yùn)輸死亡事故409起，僅次于頂板事故，位居第2 位。相關(guān)學(xué)者對礦井機(jī)車測速方法進(jìn)行許多研究[3-7]，通過合理的控制車速可以有效的較少和預(yù)防交通運(yùn)輸事故。礦井無線實(shí)時(shí)定位技術(shù)是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，UWB 技術(shù)具有定位精度高、抗干擾和抗多徑能力強(qiáng)[8-9]，為此提出一種基于UWB 的礦井機(jī)車測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對礦井機(jī)車進(jìn)行精準(zhǔn)定位和準(zhǔn)確測速，能夠提高執(zhí)法依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于UWB 的礦井機(jī)車測速系統(tǒng)主要由車載卡、本安型讀卡器、電源、工業(yè)環(huán)網(wǎng)平臺(tái)和服務(wù)器等組成。本安型讀卡器通過光纖或者網(wǎng)線就近接入交換機(jī)，再通過光纖向下傳輸，本安型讀卡器之間通過光纖或網(wǎng)線相連。在巷道方向沿車輛行進(jìn)方向間隔一定距離安裝本安型讀卡器，當(dāng)安裝在車輛上的車載卡進(jìn)入到本安型讀卡器無線覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，采用UWB 方式與本安型讀卡器進(jìn)行無線交互，并實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)收到的信息計(jì)算出車輛的平均速度，最終在web 終端進(jìn)行顯示。

2 定位原理

UWB 技術(shù)是一種基于脈沖的技術(shù)，其脈沖小于1 ns，測距精度可達(dá)亞米級，具備發(fā)射功率低、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。UWB 精確定位方式主要有到達(dá)時(shí)間法（TOA）和時(shí)間差定位法（TDOA）[10-11]。研究以TOA方法為基礎(chǔ)的TWR 單程測距方法。

礦井機(jī)車測速是基于車輛定位設(shè)計(jì)的，針對礦井一維線性空間，本安型讀卡器采用雙射頻UWB模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置測距模塊和偵聽模塊，即可完成讀卡器兩側(cè)待定位目標(biāo)的定位和定向，本安型讀卡器定位原理圖如圖1，讀卡器包括測距模塊、偵聽模塊、射頻天線、時(shí)鐘單元、網(wǎng)絡(luò)模塊及微控制器模塊。測距模塊用于與車載卡進(jìn)行無線交互并記錄信號發(fā)送和接收時(shí)間戳，偵聽模塊用于接收信號并記錄無線信號交互過程中的信號到達(dá)時(shí)間戳，網(wǎng)絡(luò)模塊用于讀卡器之間或與交換機(jī)的通信連接。定位工作時(shí)序圖如圖2。

圖1 本安型讀卡器定位原理圖Fig.1 Positioning schematic of intrinsically safe card reader module

定位工作時(shí)序其步驟如下：①由車載卡X 發(fā)起廣播請求信號，并記錄測距請求信號發(fā)送時(shí)間戳tXB，發(fā)送到UWB 偵聽模塊A 和UWB 測距模塊B；②UWB 測距模塊B 與UWB 偵聽模塊A 收到車載卡X 的信號后，測距模塊B 和偵聽模塊A 分別記錄測距請求接受信號時(shí)間戳rB和rA；③測距模塊B 發(fā)送測距應(yīng)答信號到車載卡X 與偵聽模塊A，測距應(yīng)答信號為廣播包，并記錄發(fā)送時(shí)間戳tB；④偵聽模塊A 接收到測距應(yīng)答信號可以獲得時(shí)間戳信息rAB，車載卡X 收到信號后，記錄測距應(yīng)答信號時(shí)間戳rXB。車載卡X 到UWB 測距模塊B 的距離d 為：

圖2 定位工作時(shí)序圖Fig.1 The diagram of positioning sequence

式中：c 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，一般以真空中的光速來代替。

在獲取了車載卡的距離信息之后，仍然無法確定車載卡在一維線性巷道環(huán)境中的絕對位置，車載卡判定方向過程如下。

由于偵聽模塊A 和測距模塊B 之間的距離L為恒定值，則有：

若車載卡在本安型讀卡器的左側(cè)，有：

將式（2）代入到式（3）中，當(dāng)車載卡在本安型讀卡器的左側(cè)時(shí)有：

若車載卡在本安型讀卡器的右側(cè)，有：

將式（2）代入到式（5）中，當(dāng)車載卡在本安型讀卡器的右側(cè)時(shí)有:

根據(jù)式（4）和式（6）可知，通過計(jì)算的值，即可完成車載卡方向的判定，結(jié)合距離信息d 即實(shí)現(xiàn)車載卡的定位。

綜上所述，根據(jù)車載卡、測距模塊以及監(jiān)聽模塊所記錄的時(shí)間戳信息，實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算車載卡與讀卡器之間距離的同時(shí)也完成對車載卡相對于讀卡器的方向的判斷，結(jié)合讀卡器自身的位置信息，可以實(shí)現(xiàn)在一維環(huán)境下對車載卡的精確位置信息的獲取。根據(jù)該定位原理可以同時(shí)完成單個(gè)讀卡器兩側(cè)的定位，且車載卡與讀卡器只需進(jìn)行單次測距，測距耗時(shí)縮短，從而增加車載卡的續(xù)航時(shí)間，同時(shí)也減少了無線信道的占用，增加了系統(tǒng)的容量。

3 測速原理

車輛運(yùn)行速度：

式中:△t 為車輛運(yùn)行的時(shí)間，s;△d 為在此時(shí)間段內(nèi)車輛運(yùn)行的實(shí)際距離，m。

設(shè)車輛在在ti時(shí)刻的位置信息為di，其中i=0，1，2，…，n，服務(wù)器計(jì)算車輛某一瞬時(shí)速度vi-1為：

服務(wù)器計(jì)算某一控制路段的平均速度vˉ為：

4 讀卡器

本安型讀卡器硬件構(gòu)成框圖如圖3。微控制器選用STM32F407ZGT6，帶有FPU 的32 位Cortex-M4內(nèi)核微處理器，主頻高度168 MHz，15 個(gè)通信接口。DW1000 符合IEEE802.15.4-2011 超寬帶標(biāo)準(zhǔn)，定位精度可達(dá)厘米級，支持TOA 測距和TDOA 精確定位[12]。在110 kpbs/s 通訊速率情況下，理想條件下DW1000 最大測距距離為60 m，不符合礦井現(xiàn)場應(yīng)用需求，故需增加功率放大器，以便增加最大無線覆蓋距離。工業(yè)交換機(jī)處理器具備3 路光口和2 路網(wǎng)口，可進(jìn)行讀卡器之間級聯(lián)。電源管理模塊負(fù)責(zé)芯片的供電控制。

讀卡器軟件流程如圖4。讀卡器上電后，首先對CPU 系統(tǒng)和UWB 芯片進(jìn)行初始化配置，等待車載卡所發(fā)送的入網(wǎng)請求幀，當(dāng)收到車載卡的入網(wǎng)請求幀后，向車載卡回復(fù)入網(wǎng)響應(yīng)幀；當(dāng)車載卡入網(wǎng)完成后，按照TOA 測距原理完成與偵聽模塊和監(jiān)聽模塊的無線信息交互；UWB 無線信息交互過程完成后，按照通信協(xié)議將定位結(jié)果通過光纖傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖3 本安型讀卡器硬件構(gòu)成框圖Fig.3 Block diagram of the hardware configuration of intrinsically safe card reader

圖4 讀卡器軟件流程圖Fig.4 Software process of the card reader

5 車載卡

車載卡要求使用壽命長，故主控模塊采用ARM低功耗處理器微處理器，采用澆封電池滿足本安電路設(shè)計(jì)，UWB 射頻模塊參照定位讀卡器硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。車載卡硬件主要由以下幾個(gè)模塊組成：ARM 低功耗處理器、DW1000 射頻芯片、功放、按鍵、振動(dòng)傳感器、電源芯片和電池等。

車載卡軟件流程如圖5。車載卡上電后，首先進(jìn)行初始化配置，然后主動(dòng)掃描網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送入網(wǎng)請求幀，申請測距時(shí)隙，當(dāng)收到讀卡器回復(fù)的入網(wǎng)響應(yīng)幀后，入網(wǎng)成功，車載卡與讀卡器之間建立起一對一的無線通訊連接，采用TOA 測距方式與讀卡器進(jìn)行UWB 無線信息交互，直至測距成功；測距成功后，為了節(jié)省功耗，車載卡進(jìn)入掉電模式，等待定時(shí)器定時(shí)喚醒進(jìn)行下一輪定位。車載卡如果入網(wǎng)不成功，則直接進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，周期性進(jìn)行入網(wǎng)請求，直至入網(wǎng)成功。

圖5 車載卡軟件流程設(shè)計(jì)圖Fig.5 Software process of the vehicle card

6 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，在山東省兗礦集團(tuán)濟(jì)寧三號井搭建測速系統(tǒng)，按照每隔500 m 布置1 臺(tái)讀卡器，共布置5 臺(tái)讀卡器，車輛攜帶車載卡進(jìn)行測速測試，分別設(shè)定為15、20、25、30、35 km/h，針對不同速度進(jìn)行8 個(gè)來回測試，其中實(shí)際車速為車輛儀表盤上顯示的車速,測試實(shí)驗(yàn)的實(shí)際車速、測量車速和平均誤差值見表1。由表1 可知本方法測速誤差控制在2%以內(nèi)，仍然在可以接受的范圍內(nèi)，滿足巷道環(huán)境的車輛測速應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

表1 速度平均估計(jì)值及誤差Table 1 Average estimated value and error of speed

7 結(jié) 語

提出了提出了一種基于UWB 的礦井機(jī)車測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。闡述了系統(tǒng)的總體組成架構(gòu)，設(shè)計(jì)了適用于礦井一維線性空間的定位方法，讀卡器采用基于TOA 測量方法的雙射頻模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置測距模塊與監(jiān)聽模塊以實(shí)現(xiàn)對機(jī)車的精確定位和方向識(shí)別，單次測距時(shí)間短，分析了基于無線定位的機(jī)車測速原理，詳細(xì)介紹了讀卡器和車載卡的硬件、軟件設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)車測速誤差控制在2%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場測速應(yīng)用。