井下人員定位的超寬帶TWR改進(jìn)算法

劉永立， 吳聞軒， 單麒源， 代少軍

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

近年來國家對(duì)于煤礦信息化進(jìn)程的大力推進(jìn)和扶持，數(shù)字化礦山已經(jīng)成為未來煤礦發(fā)展的重要趨勢(shì)，在智能化煤礦十大主要功能系統(tǒng)中，人員定位技術(shù)是基于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、空間信息技術(shù)，以高科技理念為指導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化管理和安全生產(chǎn)的唯一道路[1]。如何運(yùn)用新通訊信號(hào)更加準(zhǔn)確、高效的獲取人員在礦井中的位置，在安全生產(chǎn)領(lǐng)域越來越受到重視。現(xiàn)有礦井人員定位系統(tǒng)主要是基于RFID、Zigbee、Wi-Fi等技術(shù)所開發(fā)窄帶無線通信定位系統(tǒng)[2-3]，存在定位精度不足、抗多徑干擾能力差、信號(hào)穿透能力差、傳輸距離不足等問題。

超寬帶(UWB)信號(hào)在近年來備受關(guān)注，是因其具有定位精度達(dá)到厘米級(jí)、較強(qiáng)的穿透性、抗多徑干擾能力強(qiáng)[4-5]等特點(diǎn)，符合井下人員定位要求的標(biāo)簽與基站間的無線傳輸距離可大于10 m、最大巡檢周期小于30 s等規(guī)范。但是，超寬帶定位在煤礦井下這類特殊非視距下存在原有的基于TOA的TWR算法精確度降低、信號(hào)漏讀率高、TOA算法定位人數(shù)有限等問題。筆者基于超寬帶技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)基于TOA的TWR算法進(jìn)行改進(jìn)，從而增強(qiáng)UWB信號(hào)在井下的定位精度，并且改進(jìn)了硬件電路，使得研究的煤礦人員定位系統(tǒng)更適合煤礦井下實(shí)際應(yīng)用，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)原理

1.1 UWB定位原理

UWB定位系統(tǒng)會(huì)在需要測(cè)定的空間內(nèi)布置多個(gè)基站，通過捕捉標(biāo)簽發(fā)送的UWB信號(hào)，計(jì)算得到標(biāo)簽與基站間的距離，再通過算法得到定位結(jié)果，所以定位基于距離測(cè)量。常見的UWB定位算法基于到達(dá)時(shí)間差定位法(TDOA)以及基于到達(dá)時(shí)間定位法(TOA)[6]。TDOA算法即雙曲線定位，如圖1所示。

圖1 雙曲線定位原理

是通過檢測(cè)信號(hào)到達(dá)各基站的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算定位。其優(yōu)點(diǎn)在于定位精度不會(huì)受到視距的限制，可以有效的穿透墻壁，缺點(diǎn)在于各基站間需要做到嚴(yán)格的時(shí)鐘同步[7]，即達(dá)到絕對(duì)時(shí)間。然而，在面對(duì)煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境時(shí)，時(shí)鐘同步會(huì)受到很多因素的干擾，這會(huì)使得絕對(duì)時(shí)間更難以測(cè)量，硬件成本以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本提高。

TOA算法作為UWB定位中最常用的三邊定位算法[8]，算法原理如圖2所示。以基站作為圓心，向四周搜尋并捕捉標(biāo)簽信號(hào)，根據(jù)已布置的所有基站反饋的距離信息進(jìn)行定位，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于避免了復(fù)雜的時(shí)鐘同步[9-10]，將到達(dá)時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，測(cè)距精度上避開了因?yàn)槊旱V井下環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致晶振的時(shí)鐘震蕩所帶來的誤差，從而影響測(cè)距所得值，使得定位信息不準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是算法本身支持定位的人數(shù)有限，所以需要對(duì)硬件電路進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 三邊定位算法原理

1.2 TOA的TWR測(cè)距算法

定位基于測(cè)距，得出標(biāo)簽與基站的距離值后，通過運(yùn)行上位機(jī)上編寫的TOA算法代碼才能實(shí)時(shí)顯示井下人員位置信息。因此，筆者基于傳統(tǒng)的TOA的定位算法中的TWR測(cè)距算法并加以改進(jìn)，達(dá)到提高井下定位精度的目標(biāo)。傳統(tǒng)TWR測(cè)距算法基站與標(biāo)簽間的信息交互過程如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)TWR算法基站與標(biāo)簽信息交互過程

在該過程中，基站首先對(duì)標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，并記錄時(shí)間T1，標(biāo)簽收到信息記錄時(shí)間T2，然后回復(fù)基站一個(gè)ACK包，并記錄T3，這時(shí)標(biāo)簽可計(jì)算出回復(fù)時(shí)間為

Tre=T3-T2。

(1)

當(dāng)基站收到ACK記錄時(shí)間T4，則可以計(jì)算出一個(gè)測(cè)距周期時(shí)間為

Tro=T4-T1。

(2)

由于UWB信號(hào)屬于電磁波，速度等同于光速c=3×108m/s，進(jìn)而得出基站與標(biāo)簽間的距離d為

(3)

當(dāng)上位機(jī)得到3個(gè)距離信息后，通過算法計(jì)算就可以得出并實(shí)時(shí)顯示標(biāo)簽的位置。

1.3 TWR改進(jìn)測(cè)距算法

為了提高井下定位精度，在該交互過程中，增加了一個(gè)交互環(huán)節(jié)，如圖4所示。在傳統(tǒng)的TWR算法單側(cè)雙邊測(cè)距的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)時(shí)間戳，利用多個(gè)往返時(shí)間計(jì)算信號(hào)傳輸?shù)娘w行時(shí)間，減小誤差和漏讀率，并且兩次往返的間隔時(shí)間可以更長(zhǎng)，這對(duì)所測(cè)結(jié)果無影響，可以使得標(biāo)簽與基站間的傳輸距離得到加長(zhǎng)。

圖4 TWR改進(jìn)算法基站與標(biāo)簽信息交互過程

在圖3中4個(gè)時(shí)間戳的基礎(chǔ)上增加了2個(gè)時(shí)間戳，使得測(cè)距值更加準(zhǔn)確，這樣標(biāo)簽與基站間的距離d1為

(4)

2 定位系統(tǒng)

基于UWB技術(shù)設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)中有3個(gè)角色，由基站(Anchor)、標(biāo)簽(Tag)、上位機(jī)(PC)組成，如圖5所示。

圖5 基于UWB的煤礦人員定位系統(tǒng)組成

在室內(nèi)定位的應(yīng)用中，預(yù)先在被定位的區(qū)域布置好至少3個(gè)固定的基站，并從設(shè)立的基站中挑選一個(gè)設(shè)定為主基站，記錄并在上位機(jī)地圖上標(biāo)注所有基站的位置，由采礦人員佩戴標(biāo)簽進(jìn)入定位區(qū)域，標(biāo)簽通過與各基站分別進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這樣每個(gè)基站便可以獲取與標(biāo)簽之間通信時(shí)信號(hào)的傳播時(shí)間，從而通過測(cè)距算法計(jì)算出基站和標(biāo)簽之間的距離，將所有測(cè)距信息通過有線或無線方式傳送給主基站，由主基站上設(shè)置的RJ45接口的網(wǎng)線連接井上調(diào)度室的上位機(jī)，上位機(jī)通過編譯完成的定位算法程序，得出并在平面地圖上顯示井下人員的具體位置。

2.1 測(cè)距原理

定位基于測(cè)距，測(cè)距的準(zhǔn)確性直接影響著定位的精度。在測(cè)距過程中，Tag廣播發(fā)送信號(hào)，與固定好的基站之間進(jìn)行通訊，發(fā)送POLL數(shù)據(jù)包，基站得到數(shù)據(jù)包后回復(fù)RESP數(shù)據(jù)包，標(biāo)簽在收到數(shù)據(jù)包后再發(fā)送Final數(shù)據(jù)包給到基站，以此測(cè)得標(biāo)簽和基站間的距離。標(biāo)簽的軟件工作流程如圖6所示。

在改進(jìn)的TWR測(cè)距過程中，增加RESP數(shù)據(jù)包，一是使所得測(cè)距值更加精準(zhǔn)，二是使測(cè)距過程更規(guī)范。定位幀的基本結(jié)構(gòu)從左往右順序如表1所示。該定位幀遵循IEEE802.15.4協(xié)議。該協(xié)議描述了低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議，其幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是用最低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸，因此該結(jié)構(gòu)適合復(fù)雜煤礦井下環(huán)境下的超寬帶信號(hào)傳輸。因?yàn)槎ㄎ粠牡?個(gè)字節(jié)為一個(gè)自增序列號(hào)，如果不添加一個(gè)RESP過程去確認(rèn)是否為當(dāng)前序號(hào)下的定位幀，可能會(huì)有漏讀情況的發(fā)生，不符合井下人員定位系統(tǒng)要求的漏讀率低于0.000 1,這會(huì)使得測(cè)距信息混亂，影響測(cè)距從而使得定位信息不準(zhǔn)確。

圖6 標(biāo)簽工作流程

表1 POLL、RESP、Final數(shù)據(jù)包的幀格式

2.2 硬件設(shè)計(jì)

使用STM32F103作為主控MCU，Deca wave公司生產(chǎn)的DWM1000模塊生成、發(fā)送和接收UWB信號(hào)，硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7所示。根據(jù)《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》規(guī)定，人員定位系統(tǒng)并發(fā)數(shù)量不少于80個(gè)人，電路設(shè)計(jì)時(shí)加入撥碼開關(guān)，第1個(gè)開關(guān)用來控制標(biāo)簽和基站之間的角色切換，后續(xù)撥碼開關(guān)控制標(biāo)簽的編號(hào)，可以支持至少200人同時(shí)定位。

該設(shè)計(jì)有效避免了當(dāng)處于定位區(qū)域人員過多時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包互相排擠，使得基站處理數(shù)據(jù)崩潰，從而無法定位的情況發(fā)生。

圖7 硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于UWB技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的精度以及可靠性，使用Matlab進(jìn)行仿真。設(shè)置4個(gè)基站和25個(gè)標(biāo)簽，基站編號(hào)從A0至A3，標(biāo)簽編號(hào)從T1至T25，標(biāo)簽與基站分布如圖8所示。繪制誤差分布熱圖，如圖9所示。

圖8 標(biāo)簽與基站分布

圖9 測(cè)距誤差分布熱圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了進(jìn)一步貼近煤礦井下的非視距環(huán)境以及井下復(fù)雜的工作環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試依托黑龍江科技大學(xué)模擬礦井作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來測(cè)試定位系統(tǒng),在模擬礦井中，以綜采工作面為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)際距離使用鋼卷尺測(cè)量，如表2所示。

表2 UWB在綜采工作面的測(cè)量值與實(shí)際值

將所得數(shù)據(jù)使用Matlab處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合并生成擬合函數(shù)及殘差圖，根據(jù)擬合函數(shù)y=1.003x+0.617 6，如圖10所示，即可得到修正系數(shù)，使用修正系數(shù)對(duì)代碼進(jìn)行修改，擬合函數(shù)的曲率越接近1，誤差修正越準(zhǔn)確，反復(fù)修正可進(jìn)一步減少系統(tǒng)誤差。

圖10 UWB測(cè)距擬合函數(shù)

測(cè)距殘差圖如圖11所示，利用殘差圖多次檢驗(yàn)回歸分析，根據(jù)殘差圖判別隨機(jī)誤差，回溯并修改模型，使得殘差圖顯示結(jié)果趨于理想化。

圖11 UWB測(cè)距殘差

結(jié)果表明，標(biāo)簽與基站之間的距離存在誤差，但總體誤差均在10～80 cm內(nèi)，相較于當(dāng)前煤礦運(yùn)用的KJ系列基于RFID、Zigbee等技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)50 m誤差范圍有顯著的提升。

4 結(jié) 論

(1)文中提出的基于UWB技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的定位精度達(dá)到0.8 m，比當(dāng)前使用的煤礦井下人員定位系統(tǒng)50 m誤差范圍有顯著的提升。

(2)改進(jìn)的硬件電路，可以支持至少200人同時(shí)定位。該系統(tǒng)有效覆蓋范圍是半徑為280 m的圓形區(qū)域，符合煤礦用人員定位系統(tǒng)的規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)。