基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)

王 飛

（1.瓦斯災(zāi)害應(yīng)急信息技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著智能礦山建設(shè)推進(jìn)，大量智能裝備在煤礦井下推廣應(yīng)用。山東煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求（試行）》明確規(guī)定：系統(tǒng)在理想狀態(tài)下靜態(tài)定位精度能夠達(dá)到0.3 m，采煤工作面及進(jìn)回風(fēng)巷、掘進(jìn)工作面人員定位精度應(yīng)達(dá)到1 m。

目前，煤礦井下人員定位系統(tǒng)以基于射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的定位系統(tǒng)數(shù)量最大[1-2]，使用RFID具有以下問(wèn)題：定位精度受讀卡器分布密度限制，只能實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位，不能做到精確定位[3-4]。隨著定位技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，ZigBee、UWB精確定位技術(shù)逐漸在市場(chǎng)上推廣和應(yīng)用[5]。采用ZigBee技術(shù)[6-7]實(shí)現(xiàn)靜態(tài)條件下定位精度5 m、移動(dòng)條件定位精度10 m，尚未滿足礦井對(duì)人員精確定位的需求。采用UWB技術(shù)[8-9]實(shí)現(xiàn)0.3 m定位精度，但是基站布置較多、定位算法復(fù)雜和成本相對(duì)較高。為了滿足礦井精確定位需求，同時(shí)解決系統(tǒng)建設(shè)成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在礦井巷道和工作面實(shí)現(xiàn)高精度精確定位，單基站精確定位并發(fā)容量大、系統(tǒng)安裝便捷，從而滿足智能礦山建設(shè)需求。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成如圖1。基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)主要包括4個(gè)部分：服務(wù)器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、基站和定位卡?；就ㄟ^(guò)光纖或網(wǎng)線接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，與服務(wù)器實(shí)現(xiàn)高速、可靠的雙向通信?；揪哂?路UWB通道和2路ZigBee通道，UWB通道用于基站與定位卡之間的TOF測(cè)距，實(shí)現(xiàn)礦井巷道內(nèi)的UWB精確定位。ZigBee通道用于UWB測(cè)距時(shí)隙資源管理。定位卡具有1路UWB通道和1路Zig－Bee通道，UWB用于TOF測(cè)距，ZigBee用于掃描網(wǎng)絡(luò)和申請(qǐng)UWB測(cè)距時(shí)隙資源。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

2 基站組網(wǎng)

在礦井巷道中，每隔一段距離安裝1個(gè)基站，實(shí)現(xiàn)巷道全覆蓋，相鄰基站之間存在部分重疊區(qū)域。為了避免相鄰基站ZigBee無(wú)線信號(hào)互相沖突，基站的ZigBee左信道和ZigBee右信道采用不同頻段，基站UWB左、右信道與ZigBee左、右信道如圖2。

圖2 基站UWB左、右信道與ZigBee左、右信道Fig.2 UWB channel and ZigBee channel of base station

由于基站UWB左信道和UWB右信道采用相同頻段，相鄰基站的UWB通道必須采用不同頻段，從而避免相鄰基站的UWB無(wú)線信號(hào)沖突。

3 UWB精確定位算法

3.1 TOF測(cè)距技術(shù)

OF測(cè)距流程圖如圖3?；赥OF技術(shù)的UWB點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距，一般需要3次通信[10-11]：測(cè)距請(qǐng)求幀（POLL，單播）；測(cè)距響應(yīng)幀（RESP，單播）；測(cè)距數(shù)據(jù)幀（FINAL，單播）。

圖3 TOF測(cè)距流程圖Fig.3 Schematic diagram of TOF ranging

定位卡與基站之間的距離D計(jì)算公式為：

式中：TSP為測(cè)距請(qǐng)求幀的發(fā)送時(shí)間戳；TRP為測(cè)距請(qǐng)求幀的接收時(shí)間戳；TSR為測(cè)距響應(yīng)幀的發(fā)送時(shí)間戳；TRR為測(cè)距響應(yīng)幀的接收時(shí)間戳；TSF為測(cè)距數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間戳；TRF為測(cè)距數(shù)據(jù)幀的接收時(shí)間戳；c為光速，3.0×108m/s。

3.2 線型定位算法

礦井巷道屬于狹長(zhǎng)空間，一維定位算法完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，為此，提出一種基于無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）比較的線型定位算法，基于RSSI比較的線型定位算法的工作流程如圖4。

圖4 基于RSSI比較的線型定位算法Fig.4 Linear positioning algorithm based on RSSI

定位卡發(fā)送UWB測(cè)距請(qǐng)求幀，基站的UWB左信道和右信道接收到UWB測(cè)距請(qǐng)求幀后，會(huì)產(chǎn)生無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度值，如果沒(méi)有接收到UWB測(cè)距請(qǐng)求幀，則該值為0。由于基站2路UWB通道采用定向天線，UWB左信道和右信道接收到UWB測(cè)距請(qǐng)求幀的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度存在明顯差別。基站通過(guò)比較UWB左信道和右信道的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度值，判斷出定位卡所在基站的左、右方向，即在左信道覆蓋范圍還是在右信道覆蓋范圍。

3.3 時(shí)隙資源調(diào)度算法

為了提高單基站精度定位并發(fā)容量，采用時(shí)分機(jī)制避免UWB無(wú)線信號(hào)沖突[12]?；静捎贸瑤Ｊ焦芾鞺WB測(cè)距時(shí)隙資源，超幀長(zhǎng)度可以靈活配置，1 s的測(cè)距周期包含100個(gè)測(cè)距時(shí)隙，因此，測(cè)距周期越長(zhǎng)則并發(fā)測(cè)距容量越大。超幀結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 超幀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Time slot structure diagram

UWB測(cè)距時(shí)隙根據(jù)狀態(tài)可分為空閑時(shí)隙和工作時(shí)隙?？臻e時(shí)隙用于分配給定位卡進(jìn)行UWB測(cè)距，空閑時(shí)隙變更為工作時(shí)隙。工作時(shí)隙用于定位卡與基站完成TOF測(cè)距，若在工作時(shí)隙內(nèi)未發(fā)生TOF測(cè)距，基站則收回該時(shí)隙，工作時(shí)隙變更為空閑時(shí)隙。UWB測(cè)距時(shí)隙資源的管理機(jī)制如圖6。

圖6 UWB測(cè)距時(shí)隙資源的管理機(jī)制Fig.6 UWB time-slot resource management mechanism

4 試驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)，在瓦斯災(zāi)害應(yīng)急信息技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清水溪實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)搭建測(cè)試平臺(tái)。系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖7，布置2臺(tái)基站、200個(gè)定位卡和1臺(tái)電腦，2臺(tái)基站之間距離約為400 m，均采用增益為16 dB的定向天線，天線安置高度約為2 m、距巷道壁約0.8 m。200個(gè)定位卡均勻布置在巷道中間，高度約為1 m。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)Fig.7 System test platform

斷電基站B，定位周期為2 s，包含200個(gè)測(cè)距時(shí)隙。在基站A的50、100、200、300、400 m處，分別放置40個(gè)定位卡。測(cè)試5 min，隨機(jī)選取其中5個(gè)定位卡進(jìn)行分析，除去最大值和最小值，取其平均值作為定位結(jié)果。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析，精確定位誤差小于0.3 m，最大通信距離可達(dá)400 m，滿足礦井精確定位需求。

上電基站B和基站A，定位卡在巷道中移動(dòng)，記錄UWB無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度值，隨機(jī)選取其中1個(gè)定位卡進(jìn)行分析，其UWB左、右信道無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度比較如圖8。

根據(jù)圖8測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析，基站UWB左、右信道接收到定位卡發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求幀的RSSI存在明顯差別，方向判斷正確率為100%。

圖8 UWB左、右信道無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度值比較Fig.8 Comparison diagram of UWB left and right channels wireless signal strength values

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦井巷道的環(huán)境特點(diǎn)，研究了系統(tǒng)組網(wǎng)模型和UWB精確定位算法，設(shè)計(jì)了一種基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)，從而滿足礦井精確定位需求。系統(tǒng)采用統(tǒng)一管理UWB測(cè)距時(shí)隙資源、合理劃分基站UWB頻段，避免UWB無(wú)線信號(hào)沖突，大大提高單基站精度定位并發(fā)容量，而且基于無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度比較的線型定位算法復(fù)雜度低、適用性強(qiáng)。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)定位精度≤±0.3 m，單基站精確定位并發(fā)容量可達(dá)200，定位距離可達(dá)400 m；系統(tǒng)能夠提供一種精度高、并發(fā)容量大、安裝便捷的礦井精確定位系統(tǒng)，從而滿足智能礦山建設(shè)需求。