礦用無軌膠輪車精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈艷陽

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)有限公司常村煤礦， 山西 長治 046102）

引言

無軌膠輪車由于未設(shè)置軌道而具有機(jī)動(dòng)靈活、載重能力以及車型多樣等特點(diǎn)，因此在礦機(jī)安全生產(chǎn)中承擔(dān)著不可或缺的作用。井下無軌膠輪車能夠極大地優(yōu)化輔助運(yùn)輸過程，從而能夠提高生產(chǎn)效率，并且能夠提高礦井的安全管理能力?，F(xiàn)在我國礦井輔助運(yùn)輸巷道的寬度往往比較窄，當(dāng)引進(jìn)無軌膠輪車時(shí)，往往由于井下巷道狹窄、視線受阻等原因，在無軌膠輪車運(yùn)行的過程中，看不清楚來往的車輛，出現(xiàn)局部堵塞，從而降低無軌膠車的工作效率，甚至發(fā)生安全事故?，F(xiàn)在，在煤礦井下無軌膠輪車領(lǐng)域的研究主要有車輛區(qū)域定位以及超限速報(bào)警等。對(duì)區(qū)域定位技術(shù)而言，主要是基于RFID、Zigbee、WiFi 等方式，此類應(yīng)用存在定位不準(zhǔn)確以及出現(xiàn)漏卡率等現(xiàn)象，由此可以看出其并不能滿足井下無軌膠車的使用。因此基于UWB 技術(shù)提出了煤礦無軌膠輪車精確定位實(shí)現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)研發(fā)的煤礦無軌膠輪車精確定位系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)部分：物理層、傳輸層和應(yīng)用層組成，相應(yīng)的硬件主要包括標(biāo)識(shí)卡、車輛定位讀卡器、車輛管理分站、服務(wù)器軟件。圖1 表示相應(yīng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中物理層包括標(biāo)識(shí)卡以及車輛定位讀卡器，其可以實(shí)現(xiàn)無線測距數(shù)據(jù)的傳輸。傳輸層車輛管理分站包括3 路RS485 口、2 路網(wǎng)口以及相應(yīng)的3路光口，其可以實(shí)現(xiàn)巡檢等硬件。安裝的標(biāo)識(shí)卡主要借助UWB 測距以及對(duì)應(yīng)的車輛定位讀卡器實(shí)現(xiàn)測距，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過交互傳輸給讀卡器，通過RS485 將計(jì)算結(jié)果傳輸給車輛管理分站，最后借助光纖將車輛信息以及相應(yīng)的信號(hào)燈所處的狀態(tài)傳輸給服務(wù)器，最終在服務(wù)器上顯示信息[1-2]。

圖1 無軌膠輪車精確定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)定位原理

UWB 精確定位包括如下兩種方法：到達(dá)時(shí)間法（TOA）、時(shí)間差定位法（TDOA），其中TOA 主要是用來計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，而后者主要可以用來計(jì)算幾何曲線的交點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)信息的傳輸?shù)取１驹O(shè)計(jì)使用TOA，基于TOA 進(jìn)行定位模型的修改，當(dāng)標(biāo)記卡發(fā)出一次廣播包時(shí)，表明已經(jīng)完成測距定位，如下頁圖2表示改進(jìn)型TOA 定位原理。當(dāng)標(biāo)記卡在T1時(shí)刻發(fā)起廣播，那么主射頻以及輔射頻接收到廣播包的時(shí)刻分別為T2、T5，當(dāng)主射頻對(duì)廣播信號(hào)進(jìn)行處理之后，將在T3時(shí)刻輸送包括T2時(shí)刻的數(shù)據(jù)包給標(biāo)識(shí)卡，相應(yīng)的標(biāo)記卡可以在T4時(shí)刻收到主射頻反饋的數(shù)據(jù)信息。而相應(yīng)的輔射頻可以在T5時(shí)刻收到標(biāo)識(shí)卡的廣播包，并完成數(shù)據(jù)處理并且延遲一定時(shí)間，最后在T6時(shí)刻輸送給數(shù)據(jù)包一個(gè)標(biāo)記卡，而標(biāo)記卡可以在T7時(shí)刻收到輔射頻的數(shù)據(jù)包。在標(biāo)記卡中可以依據(jù)相應(yīng)的時(shí)間計(jì)算出主射頻與輔射頻之間的距離值，諸如T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7，這時(shí)可以在T8時(shí)刻把相應(yīng)的距離值輸送給主射頻。

圖2 改進(jìn)型TOA 定位原理

標(biāo)識(shí)卡與主射頻之間的距離：

標(biāo)識(shí)卡與輔射頻之間的距離:

式中：C 表示電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，通常為真空中光速的數(shù)值。

對(duì)于井下巷道狹窄通常可以采用一維線性空間進(jìn)行建模，圖3 表示改進(jìn)的TOA 方向判別原理，設(shè)定兩個(gè)電線之間的距離S 為l m，標(biāo)識(shí)卡與主射頻單元之間的距離為D1，標(biāo)識(shí)卡與輔射頻單元之間的距離為D2，其中當(dāng)D1＜D2時(shí)，表示標(biāo)識(shí)卡位于車輛定位讀卡器的左邊，當(dāng)D1+D2＞l m 時(shí)，表明標(biāo)識(shí)卡位于車輛定位讀卡器左邊，反之標(biāo)識(shí)卡在讀卡器位于兩個(gè)天線之間。同理可以得標(biāo)識(shí)卡在車輛定位讀卡器右側(cè)。

圖3 方向判別原理框圖

根據(jù)相應(yīng)的方向判斷，車輛定位讀卡器借助雙無線單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，相應(yīng)的單元框圖如圖4 所示，讀卡器主要借助ARM系列CPU 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要，首先由SPI 驅(qū)動(dòng)UWB 測距主射頻單元以及相應(yīng)的UWB測距輔射頻單元，射頻單元使用兩個(gè)饋線和電線進(jìn)行連接，而對(duì)應(yīng)的UWB 主射頻測距單元主要擔(dān)負(fù)著標(biāo)識(shí)卡處于正確的時(shí)隙。而輔射頻單元可以用于對(duì)標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行測距。電源管理單元主要負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)芯片進(jìn)行供電[3-4]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 車輛定位讀卡器模塊框圖

為了對(duì)無軌膠輪車精確定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)圖1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中測試平臺(tái)主要包括車輛定位讀卡器、車輛管理分站、標(biāo)識(shí)卡、電腦等單元。實(shí)驗(yàn)室選在實(shí)驗(yàn)室走廊，其長寬分別為61 m、寬2.4 m，分別對(duì)10 張標(biāo)記卡進(jìn)行測試并且測試的距離為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，標(biāo)記卡每隔1 s進(jìn)行一次測試，為了能夠有效地降低誤差，對(duì)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行100 次的實(shí)驗(yàn)，在統(tǒng)計(jì)的過程中去除最大以及最小值，取測量值的平均數(shù)，系統(tǒng)定位精度一般為測量距離與實(shí)際距離之間的差值。并且隨機(jī)取其中5 張卡片進(jìn)行相應(yīng)的分析，表1 所示為定位精度測試數(shù)據(jù)。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，總體定位誤差小于0.4 m?？梢娫摱ㄎ幌到y(tǒng)能夠?qū)聼o軌膠輪車實(shí)現(xiàn)精確定位[5-8]。

表1 無軌膠輪車定位精度測試情況表 m

4 結(jié)語

在本文定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮了煤礦巷道一維線性空間所具有的特點(diǎn)，借助單個(gè)車輛定位讀卡器，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下無軌膠輪車進(jìn)行精確定位。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)所具有的定位誤差小于0.4 m，由此可以看出其可以實(shí)現(xiàn)車輛的準(zhǔn)確定位，可以提高運(yùn)輸效率，從而能夠有效地降低煤礦運(yùn)輸事故，提高煤礦行業(yè)的安全性。