礦用井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯衛(wèi)鵬

(山西焦煤集團(tuán) 介休正益煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

煤礦井下地理環(huán)境復(fù)雜多變，人員、車輛以及設(shè)備的監(jiān)控難度大。隨著國(guó)內(nèi)煤礦井下自動(dòng)化、智能化開采進(jìn)程的不斷推進(jìn)，確保井下人員、車輛以及設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行成為煤炭行業(yè)面對(duì)的核心問題。目前，煤礦井下人員定位主要采用的技術(shù)有紅外線定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙定位、射頻識(shí)別定位、超寬帶定位以及ZigBee、WiFi定位等，定位精度為厘米級(jí)，最高精度可達(dá)1 m，最低精度為10 m；優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備功耗低、響應(yīng)速度快、信號(hào)傳播范圍大；缺點(diǎn)為定位精度受燈光、粉塵等環(huán)境影響較大，存在多徑效應(yīng)問題，定位精度穩(wěn)定性不高[1-2]。國(guó)外學(xué)者利用最近鄰算法開發(fā)WIFI、RADAR定位系統(tǒng)，將接收到的信號(hào)強(qiáng)度與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而達(dá)到定位的目的[3]；文獻(xiàn)[4]提出質(zhì)心定位算法，將相鄰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，但設(shè)置參考點(diǎn)的難度以及運(yùn)算量較大；文獻(xiàn)[5]提出一種核化距離算，應(yīng)用支持向量機(jī)分類器作為井下人員定位手段，但定位精度相對(duì)較差。文章將超寬帶技術(shù)與慣導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下人員、車輛的實(shí)時(shí)、精確定位。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

超寬帶定位技術(shù)采用非正弦波窄脈沖技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、發(fā)送功率小的特點(diǎn)，傳輸速率可達(dá)3.1～10.6 GHz,傳輸時(shí)延為微妙級(jí)，可采用的定位算法有接收信號(hào)強(qiáng)度處理(RSSI)算法、根據(jù)信號(hào)達(dá)到角度定位算法(TOA)以及根據(jù)信號(hào)達(dá)到時(shí)間差定位算法(TDOA)等[6-7]。TDOA定位算法與其他相比，定位精度可至厘米級(jí)，文章基于TDOA算法實(shí)現(xiàn)井下人員、車輛的精確定位。煤礦井下人員定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦用井下人員定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

礦用井下人員定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)由地面、井下兩大系統(tǒng)組成；地面系統(tǒng)包括地面交換機(jī)和中心站兩部分，地面交換機(jī)用于接收井下交換機(jī)數(shù)據(jù)，將人員、車輛以及傳感器信息，轉(zhuǎn)發(fā)至中心站后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、車輛位置信心的精確定位。中心站除完成井下數(shù)據(jù)的解算功能外，還需完成對(duì)UWB基站、INS設(shè)備、標(biāo)識(shí)卡、傳感器以及物體運(yùn)動(dòng)軌跡的在線監(jiān)測(cè)和管理。井下部分由區(qū)域控制器、井下交換機(jī)、UWB定位分站、UWB+INS人員標(biāo)識(shí)卡、UWB+INS車輛標(biāo)識(shí)卡、傳感器信息等。在UWB定位分站覆蓋的區(qū)域范圍內(nèi)，周期性的采集標(biāo)識(shí)卡、傳感器信息完成實(shí)時(shí)測(cè)距與通信，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至區(qū)域控制器。對(duì)于未在UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)的人員標(biāo)識(shí)卡、車輛標(biāo)識(shí)卡、傳感器，經(jīng)慣導(dǎo)模塊對(duì)移動(dòng)軌跡信息進(jìn)行儲(chǔ)存，并在移動(dòng)至UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)之后將數(shù)據(jù)上傳實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 UWB定位分站硬件

UWB定位分站硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用M6C2C CPU核心板，擴(kuò)展TDOA定位算法以及卡爾曼濾波算法，該核心板支持高精度測(cè)距、定位以及數(shù)據(jù)同步傳輸。外接的DW1000芯片在傳輸速率為850 Kbps時(shí)的最遠(yuǎn)可視距離為150 m，為增強(qiáng)井下人員定位可視距離，擴(kuò)展功率放大器，增強(qiáng)射頻信號(hào)的發(fā)射功率和靈敏度，增加UWB定位基站與標(biāo)識(shí)卡、傳感器的通訊距離[8-9]。UWB定位分站將測(cè)距、定位數(shù)據(jù)以CAN總線通訊模式進(jìn)行上傳，交由區(qū)域控制器進(jìn)行處理。

圖2 UWB定位分站硬件設(shè)計(jì)

2.2 人員標(biāo)識(shí)卡硬件

標(biāo)識(shí)卡硬件設(shè)計(jì)部分包括UWB定位單元和INS慣導(dǎo)單元兩部分。UWB定位單元中的核心CPU為STM32103F芯片，負(fù)責(zé)將人員、車輛以及傳感器的坐標(biāo)信息、運(yùn)動(dòng)軌跡信息存儲(chǔ)至Flash[10]。待該標(biāo)識(shí)卡移動(dòng)至UWB定位分站覆蓋區(qū)域后將數(shù)據(jù)經(jīng)該定位分站傳送至區(qū)域控制器；INS慣導(dǎo)單元負(fù)責(zé)對(duì)STM32103F芯片的數(shù)據(jù)局進(jìn)行累計(jì)誤差計(jì)算、處理以及校準(zhǔn)，并獲取該標(biāo)識(shí)卡的加速度、角速度、航位坐標(biāo)等信息進(jìn)而推算該標(biāo)識(shí)卡的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。該標(biāo)識(shí)卡硬件部分由電池供電，并配置有充電管理單元具有低功耗、高射頻的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

煤礦井下人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于Keil ARM軟件平臺(tái)，采用C語言與匯編語言混合編程，根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，軟件部分主要分為UWB定位分站以及標(biāo)識(shí)卡軟件設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 UWB定位分站軟件

UWB定位分站需完成的功能為：

1) 接收標(biāo)識(shí)卡、傳感器測(cè)距、位置坐標(biāo)等信息，并完成TDOA解算、卡爾曼濾波；

2) 發(fā)送UWB定位分站廣播信息，并完成與覆蓋范圍內(nèi)標(biāo)識(shí)卡、傳感器的“標(biāo)簽”工作。UWB定位分站軟件處理詳細(xì)流程如圖3所示。系統(tǒng)上電并完成初始化過程后，循環(huán)檢測(cè)是否接有測(cè)距數(shù)據(jù)包，如果有，則接收該測(cè)距包并采用TDOA算法對(duì)該測(cè)距包進(jìn)行解算，經(jīng)解算結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波，將得到的精確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。UWB定位分站沒有檢測(cè)到測(cè)距包時(shí)，需與標(biāo)識(shí)卡、傳感器進(jìn)行信號(hào)同步。當(dāng)檢測(cè)到同步信號(hào)后完成時(shí)間同步，UWB定位分站檢測(cè)該新加入覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)識(shí)卡、傳感器Flash內(nèi)是否存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)，如果有，則將該數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、濾波并獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)；如果沒有，則循環(huán)進(jìn)入檢測(cè)測(cè)距數(shù)據(jù)包流程。

圖3 UWB定位分站軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 標(biāo)識(shí)卡定位軟件

標(biāo)識(shí)卡需完成的功能為：

1) 位于UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，與UWB定位分站進(jìn)行通訊，將人員、車輛以及傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送UWB定位分站，同時(shí)消除數(shù)據(jù)產(chǎn)生的累計(jì)誤差；

2) 不在UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，通過INS慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取人員、車輛以及傳感器在三維空間的加速度、角速度值，通過加速度計(jì)以及陀螺儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并將系統(tǒng)誤差降低至最低。在獲取物理運(yùn)行過程中的加速度、角速度以及位置坐標(biāo)信息后存儲(chǔ)至Flash中，待進(jìn)入U(xiǎn)WB定位分站覆蓋范圍內(nèi)后進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。處理標(biāo)識(shí)卡的軟件流程如圖4所示，對(duì)于沒有在UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)的載體在獲取加速度/角速度值判斷其是否達(dá)到設(shè)定的閾值，進(jìn)而判斷該載體的下一步動(dòng)作。達(dá)到預(yù)先設(shè)定閾值后，需計(jì)算該載體的實(shí)時(shí)坐標(biāo)值并利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行修正、校準(zhǔn)并添加時(shí)間標(biāo)簽后存儲(chǔ)值Flash內(nèi)存。

圖4 標(biāo)識(shí)卡軟件設(shè)計(jì)流程

4 驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的性能，在某煤礦綜掘巷道內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)該綜掘巷道結(jié)構(gòu)以及無線網(wǎng)絡(luò)通訊需求，每隔120 m設(shè)置一個(gè)UWB定位分站，共設(shè)置8個(gè)，與WiFi、ZigBee以及紅外定位方案進(jìn)行對(duì)比，分別記錄、統(tǒng)計(jì)各方案的定位精度、定位準(zhǔn)確率以及響應(yīng)時(shí)間，并形成表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)可知，UWB+INS人員定位方案的定位精度可達(dá)0.2 m，定位準(zhǔn)確率可達(dá)98.2%，響應(yīng)平均時(shí)間為1.5 s，遠(yuǎn)優(yōu)于WiFi、ZigBee以及紅外定位方案。

表1 四種煤礦井下人員定位技術(shù)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 語

基于UWB以及INS技術(shù)的礦用井下人員定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)綜掘巷道內(nèi)人員的厘米級(jí)精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)定位，保證了井下作業(yè)人員的生命安全，滿足了安全生產(chǎn)需要，解決了原定位系統(tǒng)存在的定位精度低、實(shí)時(shí)性差、成本高的問題，優(yōu)化了煤礦井下安全生產(chǎn)制度，社會(huì)效益良好。