基于UWB 的礦用一體化智能車載終端的設(shè)計

韓 陽

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

煤礦井下輔助運輸擔負著全礦井生產(chǎn)所需人員、物資及設(shè)備的中轉(zhuǎn)和運輸工作，是保證煤礦安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率的重要一環(huán)[1]。礦用無軌膠輪車以其機動靈活、運輸效率高、應(yīng)用范圍廣的特點，是煤礦井下輔助運輸?shù)闹饕O(shè)備。目前煤礦井下輔助運輸發(fā)展比較滯后，普遍存在著巷道狹窄，環(huán)境昏暗，人車混流等現(xiàn)象，缺乏對車輛的精確定位、智能調(diào)度與有效監(jiān)管，導(dǎo)致井下車輛運行無序、效率低，車輛超速、疲勞駕駛、怠工等違章行為時有發(fā)生，行車安全隱患大、成本高，無法實現(xiàn)井下輔助運輸?shù)陌踩咝е腔圻\行。隨著《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》、AQ 1119—2023《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》等國家政策的出臺，基于精確位置的井下智能輔助運輸被明確提出[2]。

鑒于此，研究設(shè)計了一種基于UWB 精確定位技術(shù)，融合精確定位、4G/5G 無線通信、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、語音通話等多種功能于一體的智能車載終端，滿足當前煤礦對井下車輛的精確定位、智能調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、安全預(yù)警、語音通話、人機交互等功能需求[3]，對煤礦企業(yè)保障井下人、車運行安全，提升煤礦井下智能輔助運輸建設(shè)具有重要意義與示范效應(yīng)。

1 智能車載終端總體設(shè)計

根據(jù)煤礦井下對輔助運輸?shù)膽?yīng)用需求，基于安卓平臺，融合多種功能于一體的智能車載終端主要由UWB 精確定位模塊、4G/5G 無線通信模塊、CAN 通信數(shù)據(jù)采集模塊、視頻模塊、語音模塊、觸摸屏模塊、電源管理模塊組成[4]。智能車載終端總體設(shè)計圖如圖1。

圖1 智能車載終端總體設(shè)計圖Fig.1 Overall design diagram of intelligent vehicle terminal

智能車載終端安裝于車輛駕駛室內(nèi)，由車載電源供電。其中UWB 精確定位模塊采用UWB 與慣導(dǎo)融合的定位算法[5]，與車外的定位基站實時UWB 無線通信，實現(xiàn)對車輛的厘米級精確定位功能；CAN 通信模塊通過CAN 總線采集車輛的行車控制器數(shù)據(jù)，獲取車輛的里程、車速、轉(zhuǎn)速、水溫等車輛的工況信息；視頻模塊配接3 組本安型低照度攝像儀，實現(xiàn)在井下昏暗環(huán)境下的行車記錄，倒車影像、駕駛員AI 視頻監(jiān)控的功能[6]；4G/5G 無線通信模塊將采集到的車輛工況信息以及視頻信息通過井下4G/5G 網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)上位機完成信息交互，獲取周圍車輛、人員位置信息；語音模塊實現(xiàn)與其他車載終端或本安手機的高清語音通話功能；觸摸屏模塊實現(xiàn)與駕駛員的人機交互功能；基于安卓平臺的車輛定位調(diào)度APP 結(jié)合自身車輛及周圍人、車的精確位置信息，實現(xiàn)井下輔助運輸?shù)闹悄苷{(diào)度與行車安全預(yù)警。

2 智能車載終端硬件

智能車載終端硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 智能車載終端硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware design structure diagram of intelligent vehicle terminal

智能車載終端以國產(chǎn)廠商瑞芯微研發(fā)的6 核64 位ARM 處理器RK3399 為控制核心，和以UWB 通信收發(fā)芯片DW1000 為精確定位核心。RK3399 是一款低功耗、高性能且有豐富的接口的應(yīng)用處理器芯片，內(nèi)置多個高性能硬件處理引擎，能夠支持多種格式的視頻解碼[7]。智能車載終端由電源管理模塊、ARM 核心模塊、UWB 精確定位模塊、4G/5G 無線通信模塊、CAN 數(shù)據(jù)采集模塊、語音電路模塊、USB 視頻電路模塊、觸摸屏電路模塊、存儲模塊、聲光指示模塊、按鍵輸入模塊組成。

2.1 UWB 精確定位模塊

車輛的精確位置是實現(xiàn)井下智能調(diào)度的核心支撐。UWB 精確定位模塊由主控ARM STM32L051、UWB 無線收發(fā)電路、發(fā)射/接收信號放大電路、慣導(dǎo)電路、UWB 天線組成。主控ARM 按照UWB與慣導(dǎo)融合的定位算法，通過UWB 無線收發(fā)電路收與車外定位基站實時通信，通過發(fā)射/接收信號放大電路、UWB 天線對UWB 信號進行放大，增強其無線傳輸能力。

UWB 收發(fā)電路圖如圖3。UWB 無線收發(fā)電路以DW000 為核心，DW1000 是高集成的UWB 射頻收發(fā)芯片，包含1 個模擬前端、1 個接收器、1個發(fā)送器和與片外主控器連接的SPI 數(shù)字后端[8]，是UWB 通信的關(guān)鍵核心。

圖3 UWB 收發(fā)電路圖Fig.3 UWB transceiver circuit diagram

DW1000 采 用SPI 與 主 控ARM STM32L051通信，由ARM 對其控制實現(xiàn)UWB 信號的收發(fā)。DW1000 有8 個電源引腳，由3.3 V 和1.8 V 電源供電，其中1.8 V 給VDDLDOD、VDDLDOA 引腳供電，用以降低能耗[9]。UWB 信號由DW1000 的差分引腳RF_P 和RF_N 輸出，經(jīng)HHM1595A1 巴倫轉(zhuǎn)換器，將差分信號轉(zhuǎn)換為單端射頻信號[10]，進一步通過發(fā)射/接收放大電路及UWB 天線來增加發(fā)射功率，提高通信范圍。慣導(dǎo)電路用以輔助定位，使智能車載終端在非視距環(huán)境下仍具有較好的定位精度。

2.2 USB 視頻電路模塊

USB 接口擴展電路如圖4。

圖4 USB 接口擴展電路圖Fig.4 USB interface expansion circuit diagram

智能車載終端通過USB 接口外接3 組本安型低照度攝像儀，實現(xiàn)駕駛室及周圍環(huán)境的視頻監(jiān)控。RK3399 的USB 接口資源有限，因此視頻監(jiān)控模塊以USB 擴展芯片F(xiàn)e1.1s 為核心，將1 個USB Host 接口接入Fe1.1s 的USB 通信15 腳DMU和16 腳DPU，擴展為4 個次級USB 接口，實現(xiàn)多組攝像儀的接入[11]。

2.3 語音電路模塊和4G/5G 無線通信模塊

智能車載終端的語音模塊以音頻解碼芯片ALC5651 為核心，通過I2S 接口與RK3399 通信，實現(xiàn)語音采集和播放。

智能車載終端的4G/5G 無線通信模塊采用華為公司推出的全球首款商用5G 工業(yè)模組MH5000-31，其支持5G SA/NSA 雙模，最高上行峰值速率可達230 Mbps，最高下行峰值速率可達2 Gbps[12]，通過USB 接口與RK3399 實時通信。5G 的高實時性是車載終端在井下智能輔助運輸應(yīng)用中的重要保障。

3 智能車載終端軟件

智能車載終端總體功能圖如圖5。

圖5 智能車載終端總體功能圖Fig.5 Overall function diagram of intelligent vehicle terminal

智能車載終端是連接上位機系統(tǒng)、車輛與駕駛員交互的平臺[13],采用安卓系統(tǒng)設(shè)計車輛定位調(diào)度APP 程序，根據(jù)車載終端的總體設(shè)計和功能需求，劃分各功能任務(wù)模塊分別設(shè)計。

4 試驗測試

對智能車載終端進行地面定位精度試驗及各項功能的井下工業(yè)現(xiàn)場試驗。車載終端的UWB 通信參數(shù)設(shè)置為信道2，通信速率850 kbps、脈沖重復(fù)率64 MHz。

1）地面定位精度試驗。選取地面500 m 長的平直空曠道路作試驗場地，在0 m 處部署定位基站，車載終端安裝于車輛駕駛室內(nèi)，并在車輛側(cè)面安裝光傳感器。用全站儀標定道路上50.1、148、257.3、360、477 m 共5 個測試點位，并在每個測試點位上放置光反射。車輛以25 km/h 時速勻速行駛，經(jīng)過測試點位時，光傳感器發(fā)出的光信號被光反射板反射，回傳觸發(fā)光傳感器，測試軟件記錄該觸發(fā)時間時刻，即車輛經(jīng)過測試點位的準確時間，查看相同時間點的定位基站的測量值，與實際位置對比，計算最大動態(tài)誤差。

2）井下工業(yè)現(xiàn)場試驗。在山西天地王坡煤礦對智能車載終端的各項功能進行井下工業(yè)現(xiàn)場試驗，如：①智能調(diào)度試驗：井下用車人員可通過用戶版APP 發(fā)起用車申請，指定乘車位置，設(shè)定預(yù)約時間，上位機系統(tǒng)根據(jù)乘車位置及車輛使用情況就近選擇車輛進行派車，減少等待時間，智能車載終端接收到派車任務(wù)后，導(dǎo)航到乘車位置，完成派車任務(wù)[14]，實現(xiàn)“井下智能打車”；②4G/5G無線通信試驗：智能車載終端通過4G/5G 無線網(wǎng)絡(luò)，實時獲取到上位機系統(tǒng)上所有的車輛精確位置信息，并在地圖上顯示；③語音通話試驗：用車載終端成功撥打電話。

地面及井下試驗的結(jié)果見表1。

表1 智能車載終端性能試驗結(jié)果Table 1 Property experiment results of intelligent vehicle terminal

經(jīng)試驗，智能車載終端能夠有效滿足當前煤礦對井下車輛的精確定位、智能調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、安全預(yù)警、語音通話、人機交互等功能需求。

5 結(jié) 語

基于煤礦井下智能輔助運輸?shù)膶嶋H需求，研究設(shè)計了一種基于安卓平臺，融合UWB 精確定位、4G/5G 無線通信、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、語音通話等多種功能于一體的智能車載終端，實現(xiàn)井下輔助運輸?shù)陌踩咝е腔圻\行。測試結(jié)果表明：該車載終端集成度、智能化程度較高，滿足煤礦對車輛的精確定位、智能調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、語音通話等功能的應(yīng)用要求，有效提升井下車輛運輸效率，保障人、車運行安全，有助于提升煤礦井下輔助運輸智能化建設(shè)與管理水平。