基于UWB技術(shù)混合算法的工作面人員精準(zhǔn)定位技術(shù)研究及應(yīng)用

孫鵬亮 汪文良 智寶巖 趙亞軍

1.中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司 北京 100011;2.常州佐安電器有限公司 江蘇常州 213000;3.中煤陜西榆林能源化工有限公司 陜西榆林 719000;4.中煤大同能源有限責(zé)任公司 山西大同 037001

1 概述

煤礦工作面人員的精確定位是實(shí)現(xiàn)煤礦智能開(kāi)采技術(shù)常態(tài)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一,隨著超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)技術(shù)的逐步成熟,近年來(lái)被行業(yè)逐步引入。UWB技術(shù)在原理上具有較高的帶寬信號(hào),定位精度準(zhǔn)、時(shí)間分辨率高、衍射能力強(qiáng)、設(shè)備功耗低、定位卡待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。與其他的定位技術(shù)相比,能夠更好地適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境。因此,更適用于井下綜采工作面的人員定位場(chǎng)景。

2 UWB技術(shù)的定位方法對(duì)比分析

UWB是基于短能量脈沖,通過(guò)正交頻分調(diào)制或直接排序進(jìn)一步處理,調(diào)整到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。主要特點(diǎn)是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。該項(xiàng)技術(shù)依據(jù)信號(hào)在基站間飛行時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)測(cè)量距離TOF(Time of Flight)。該方法采用兩個(gè)不同的異步收發(fā)機(jī)接收同一信號(hào)源的飛行時(shí)間,通過(guò)時(shí)間差測(cè)量相對(duì)距離。雙向飛行時(shí)間法每個(gè)信號(hào)接收設(shè)備從開(kāi)始工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的時(shí)間標(biāo)志戳。設(shè)備A在時(shí)間T1發(fā)射請(qǐng)求信號(hào),設(shè)備B在T2時(shí)刻發(fā)射響應(yīng)信號(hào),被設(shè)備A在本身標(biāo)定的時(shí)間標(biāo)志T2時(shí)刻接收。這樣便能夠計(jì)算出該脈沖信號(hào)在設(shè)備A和設(shè)備B之間的傳播時(shí)間,通過(guò)時(shí)間差值計(jì)算相距的距離S。但是單獨(dú)采用TOF方式計(jì)算,存在嚴(yán)苛的束縛條件:信號(hào)發(fā)射裝置和信號(hào)接收裝置應(yīng)該長(zhǎng)期保持同步。這是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。而雙向雙通道測(cè)可以有效解決這個(gè)問(wèn)題,它采用了時(shí)間飛行計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)又極大地去除了時(shí)間飛行計(jì)算方法的同步問(wèn)題,為該種方法的應(yīng)用解決了實(shí)際問(wèn)題。因此,在UWB技術(shù)的使用方面可以借鑒這種算法,采用TOA(到達(dá)時(shí)間)、TDOA(到達(dá)時(shí)間差)、AOA(到達(dá)角度或稱為DOA估計(jì))定位技術(shù)和這三種技術(shù)的混合技術(shù)。

TOA主要是通過(guò)定位卡與兩個(gè)以上的定位基站建立信號(hào)連接,通過(guò)定位卡信號(hào)與基站之間進(jìn)行畫(huà)圓計(jì)算,通過(guò)多個(gè)定位基站畫(huà)圓的焦點(diǎn)來(lái)確定定位卡的位置。但如果在信號(hào)傳播過(guò)程中收到外界環(huán)境因素干擾,則在畫(huà)圓的過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)偏差,而整體的定位精度將會(huì)出現(xiàn)較大問(wèn)題,同時(shí)還需要基站做時(shí)鐘同步處理。TDOA的定位方式不需要定位基站和定位卡之間的同步,僅需要定位基站之間自己同步即可。定位基站的安裝位置固定后,定位基站之間實(shí)現(xiàn)同步相對(duì)容易,這樣從工程實(shí)踐角度TDOA的定位方式比TOA定位方式容易工程化。AOA的特點(diǎn)就是不需要大量的定位基站,靠少量的基站根據(jù)角度計(jì)算即可定位。移動(dòng)終端根據(jù)與基站1和基站2連個(gè)基站形成基于水平方向的角度,判斷角度值,作射線延長(zhǎng),匯集到同一點(diǎn),該點(diǎn)即為移動(dòng)終端的位置,這種方法可以極大地縮減對(duì)基站數(shù)量的依賴。但是其缺點(diǎn)是長(zhǎng)距離的判定會(huì)因?yàn)榻嵌鹊钠钤斐奢^大的誤差。一般不適宜在長(zhǎng)距離定位中應(yīng)用。

3 UWB技術(shù)在井下工作面人員精確定位研究

為解決井下人員主動(dòng)安全防護(hù),需要精準(zhǔn)獲取工作面人員位置信息,再與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)閉鎖保護(hù)。核心問(wèn)題是對(duì)人員在工作面位置的精準(zhǔn)定位。為解決該技術(shù)問(wèn)題,近年來(lái)逐步開(kāi)展基于UWB技術(shù)的綜采工作面人員精確定位相關(guān)技術(shù)研究。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn),將TOA、AOA和TDOA三種定位方式進(jìn)行有機(jī)融合,可得到較好效果。首先利用TOA的值計(jì)算出移動(dòng)終端和基站之間的距離R,那么可以確定移動(dòng)終端的位置在以基站為圓心,R為半徑的圓周上。接著利用天線陣列從移動(dòng)終端到基站作出一條射線,則射線與圓之間的交點(diǎn)就是移動(dòng)終端的位置。若移動(dòng)終端的位置為(X0,Y0),基站位置為(X,Y),在基站測(cè)得的移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)的到達(dá)角度為θ,基站和移動(dòng)終端的距離為R,則他們滿足如下方程:

(Xo-X)2+(Yo-Y)2=R2

再結(jié)合TDOA-AOA定位方法,對(duì)上述精度進(jìn)行矯正,具體原理如下圖1所示。

圖1 TDOA-AOA定位示意圖

通過(guò)兩者的相互結(jié)合,相互矯正,以獲得更準(zhǔn)確的定位信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)終端的精準(zhǔn)定位。這種定位方式可有效避免單一定位原理造成的誤差。減少工作面復(fù)雜環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?實(shí)現(xiàn)人員位置的精準(zhǔn)定位。

4 基于UWB的高精度人員定位算法分析

4.1 加權(quán)算法原理

讀卡器讀取定位卡信息時(shí),障礙物遮擋引起的通信延時(shí)誤差,影響定位精度。運(yùn)用無(wú)障礙物遮擋測(cè)距結(jié)果加權(quán)平均大大提高了定位的精準(zhǔn)度?；谏鲜龇绞?人員定位卡距離第一個(gè)讀卡器的位置計(jì)算方法為:

4.2 加權(quán)算法實(shí)現(xiàn)

上述公式中r1、r2…rn,根據(jù)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃p原理,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了r的數(shù)學(xué)估算模型,其模型算法為:los=32.44+20lgF+20lgd,式中l(wèi)os表示信號(hào)衰減,單位dB,F表示信號(hào)頻率,單位MHz,d表示距離,單位km。

接收信號(hào)強(qiáng)度為:s_r=p_t-los;其中,s_rd表示距離為d時(shí)的理論接收信號(hào)強(qiáng)度,p_t表示發(fā)射功率,los表示信號(hào)衰減。則接收信號(hào)強(qiáng)度和通信距離的計(jì)算可表示為:

s_rd=p_t-32.44-20lgF-20lgd

通過(guò)測(cè)試提出符合適應(yīng)環(huán)境的加權(quán)因子公式:

r=1-(s_rd-s_r)/(s_rd+102)

其中,r是加權(quán)因子,s_rd表示距離為d時(shí),無(wú)遮擋時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度,s_r表示實(shí)際接收的信號(hào)強(qiáng)度。

4.3 無(wú)遮擋數(shù)據(jù)仿真

在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展無(wú)遮擋數(shù)據(jù)仿真研究,首先將定位卡和讀卡器中間不放置任何物體,采用對(duì)稱雙邊兩路測(cè)距方法進(jìn)行距離測(cè)試,進(jìn)行反復(fù)100次的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍小于0.2m,信號(hào)強(qiáng)度基本在-83～-86dB之間。

圖2 信號(hào)測(cè)距及強(qiáng)度仿真示意圖

4.4 有遮擋情況仿真

對(duì)不同結(jié)構(gòu)遮擋物進(jìn)行仿真,將定位卡與信號(hào)采集裝置之間分別放置一個(gè)水泥墻體、一個(gè)巖石類障礙物、煤塊類障礙物、水幕類障礙物、鋼鐵支護(hù)結(jié)構(gòu)類等五種障礙物,分別進(jìn)行50次的信號(hào)傳輸測(cè)試,具體的測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖4 加權(quán)算法優(yōu)化定位計(jì)算結(jié)果圖

4.5 不同遮擋物仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比不同遮擋物仿真結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)定位精度、信號(hào)強(qiáng)度影響各不相同。如上圖所示,水泥墻體結(jié)構(gòu)對(duì)定位精度影響最大,誤差為1米,水幕類結(jié)構(gòu)對(duì)定位精度影響最小。針對(duì)信號(hào)不同衰減規(guī)律,利用公式計(jì)算不同的加權(quán)因子及權(quán)重,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化仿真。

4.6 利用加權(quán)算法計(jì)算

通過(guò)利用加權(quán)算法的優(yōu)化,將50米實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù),通過(guò)加權(quán)算法優(yōu)化,再對(duì)上述情況進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果的定位誤差都小于0.3米,達(dá)到了預(yù)期效果。

5 實(shí)際應(yīng)用情況

以中煤集團(tuán)某煤礦為例,工作面寬度260m,煤層厚度平均厚度為6.1m,煤層傾角≤10°。根據(jù)工作面的地質(zhì)條件以及工作面設(shè)備的特性,采用相對(duì)密集的布置方式,在工作面內(nèi)布置6臺(tái)基站,分別布置在順槽轉(zhuǎn)載機(jī)、工作面5號(hào)支架、41號(hào)支架、77號(hào)支架、113號(hào)支架、149號(hào)支架處,每臺(tái)基站之間的距離為36架,支架的中心距為1.75m,因此兩臺(tái)基站間的距離為63m。每臺(tái)基站所在的支架安裝兩個(gè)信號(hào)接收器,分別指向左右兩個(gè)方向,用于接收不同位置的信號(hào)。首次安裝結(jié)束后分別對(duì)液壓支架立柱前側(cè)行人通道和立柱后側(cè)行人通道分別獨(dú)立定位,受液壓支架立柱封閉性影響,信號(hào)無(wú)法進(jìn)行穿越傳輸,兩種定位方式不能夠同時(shí)計(jì)算人員位置,容易造成人員位置的跳變。出現(xiàn)這種情況的主要原因是立柱阻擋信號(hào)后,當(dāng)人員異動(dòng)后,躲過(guò)立柱的阻擋既能收到信號(hào),這樣造成位置跳變。此外,由于基站無(wú)法精確判斷前后部人員通道位置,容易出現(xiàn)前部和后部基站對(duì)同一位置的人員進(jìn)行同時(shí)“搶”信號(hào),都認(rèn)為在自己判定的范圍內(nèi),這樣就容易導(dǎo)致頻繁輸出不同的結(jié)果,出現(xiàn)人員位置跳變。因此采取在單一側(cè)通道進(jìn)行人員位置判定,將讀卡器安裝在立柱后側(cè)人員通道上方位置用于識(shí)別人員的位置。井下工作面精確定位設(shè)備安裝數(shù)量如下表所示:

設(shè)備安裝數(shù)量表

開(kāi)始調(diào)試過(guò)程中,保障電池的使用能力和降低電池電量的損耗,讀卡器的刷新頻率較低為10s一次,但操作人員在工作面行走過(guò)程中,經(jīng)過(guò)每架的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10s。這樣就造成人員跳架。為解決該問(wèn)題,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,不斷提高讀卡器的刷新頻率,最后將讀卡器刷新頻率提高為500ms/次,進(jìn)而滿足對(duì)人員精確定位的要求,人員在行走的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)跳架。雖然提高了刷新頻率,實(shí)現(xiàn)人員能夠精準(zhǔn)定位,但是電池電量的使用能力方面大大降低。工作面人員行走過(guò)程中,從機(jī)頭向結(jié)尾方向,以1.4m/s以下的速度行走,在行走的過(guò)程中無(wú)論是哪個(gè)方向,均能夠準(zhǔn)確識(shí)別人員的位置信息,基本不存在跳架現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)本文分析了基于不同計(jì)算方式的UWB技術(shù),并對(duì)不同的計(jì)算方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,形成了基于混合計(jì)算方式的UWB技術(shù)方案,該方案在實(shí)際使用過(guò)程中具有較好的適應(yīng)性。

(2)針對(duì)井下工作面實(shí)際工況存在遮擋的特性,在研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了遮擋分析,得出遮擋物帶來(lái)的誤差原因,提出了誤差修正的方法。

(3)本文對(duì)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行了部署和測(cè)試,通過(guò)井下工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,定位精度達(dá)到0.3米,系統(tǒng)能夠與支架電液控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了人員所在位置的支架自動(dòng)停止動(dòng)作,提高了主動(dòng)安全防護(hù)能力,具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。