一種基于TOF測距的礦井精確定位設(shè)計(jì)

曾永華

【摘 要】為了提高礦山井下定位系統(tǒng)的精度，本文提出了一種基于TOF測距算法的精確定位設(shè)計(jì)。本文闡述了無線測距方式的選擇、無線測距設(shè)計(jì)及基于nRF2401芯片精確定位收/發(fā)模塊的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】精確定位；TOF測距；nRF2401

0 引言

隨著礦山自動化、信息化建設(shè)的不斷深入，礦山行業(yè)對井下人員/機(jī)車等動目標(biāo)的定位管理要求越來越高，傳統(tǒng)的區(qū)域定位已經(jīng)難以滿足礦山建設(shè)的需要。與區(qū)域定位只能定位一個(gè)大的區(qū)域范圍不同，精確定位能將井下動目標(biāo)準(zhǔn)確定位到具體位置，能直觀展現(xiàn)井下動目標(biāo)的確切位置，對礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 無線測距方式選擇

1.1 小區(qū)定位測距

采用泄漏電纜，以多點(diǎn)連續(xù)的射頻信號實(shí)現(xiàn)巷道長距離信號連續(xù)覆蓋，在重點(diǎn)及關(guān)鍵區(qū)域密集設(shè)置定位器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)精確定位。

小區(qū)定位的定位精度較低，定位參照點(diǎn)多，數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性較差。

1.2 RSSI定位測距

Zigbee和WiFi網(wǎng)絡(luò)通常采用RSSI定位方法，通過無線信號的傳輸損耗模型計(jì)算移動節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的距離：[p（d）]dBm=[p（d0）]dBm-10nlg（d/d0）+XdBm

p（d）為距離發(fā)射點(diǎn)d米處的接受信號強(qiáng)度，即RSSI值；p（d0）為參考距離為d0的信號功率；n為實(shí)際的路徑損耗指數(shù)，障礙物越多，n值越大；X為0均值的高斯分布隨機(jī)變量。

無線信號的傳輸損耗模型受環(huán)境影響大，礦山井下巷道狹窄、不規(guī)范，環(huán)境濕度大，巷道壁及巷道內(nèi)設(shè)備對信號有吸收、反射、折射等影響，定位誤差較難控制。

1.3 TOF測距定位

TOF（飛行時(shí)間，Time of Flight）。根據(jù)IEEE802.15.4a規(guī)范，定義了兩種測距標(biāo)準(zhǔn)： TW-TOA和SDS-TW-TOA。

TW-TOA測距方式：節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測距幀、節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A返回響應(yīng)幀，Tab為節(jié)點(diǎn)A發(fā)出幀到收幀間的時(shí)間，Tdb為節(jié)點(diǎn)B自身延時(shí)，節(jié)點(diǎn)AB間的距離dAB=0.5*c*（Tab-Tdb），其中c=3*108m/s。

SDS-TW-TOA測距方式：在TW-TOA的基礎(chǔ)上增加了節(jié)點(diǎn)A 向節(jié)點(diǎn)B的二次響應(yīng)幀，Tba為節(jié)點(diǎn)B發(fā)出幀到收到幀的時(shí)間，Tda為節(jié)點(diǎn)A自身延時(shí)，節(jié)點(diǎn)AB間的距離dAB=0.25*c*（Tab+Tba-Tdb-Tda）。

TOF兩種測距方法都具有精度高、抗擾強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)，符合在礦山井下應(yīng)用的環(huán)境要求。

考慮節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的晶振誤差限度，SDS-TW-TOA方式理論上能更好地控制不同發(fā)射器間晶振頻率差異引起的測距誤差。

通過以上比較，本次設(shè)計(jì)采用SDS-TW-TOA方式的TOF測距方式。

2 無線測距設(shè)計(jì)

礦山井下動目標(biāo)的定位測距，一般通過在礦井巷道安裝定位測距接收器、動目標(biāo)配備發(fā)射器來實(shí)現(xiàn)。發(fā)射器發(fā)出標(biāo)識碼信號，通過天線發(fā)射，再由接收器接收。由于被測目標(biāo)是移動的，要求信號必須具備傳送速度快、容量大、信息傳送可靠的特點(diǎn)。與一般通信系統(tǒng)類似，發(fā)射端必需將信號編碼、調(diào)制，接收端必需將信號解調(diào)、譯碼。本次采用FM調(diào)制，編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)均由NRF2401芯片自動完成。

TOF測距是一個(gè)連續(xù)的通訊過程，節(jié)點(diǎn)間的訪問沖突會導(dǎo)致測距產(chǎn)生嚴(yán)重偏差甚至測距失敗。因此，在SDS-TW-TOA測距中需要設(shè)計(jì)一套無線空中協(xié)議來協(xié)調(diào)所有發(fā)射器的測距和通訊。本次采用TDMA時(shí)分多路存儲方法來協(xié)調(diào)多個(gè)發(fā)射器的測距和定位。

空中協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程：

1）接收器廣播空閑時(shí)隙數(shù)據(jù)幀，通知所有發(fā)射器開始分配時(shí)隙；

2）發(fā)射器收到后發(fā)送時(shí)隙申請；

3）接收器接受時(shí)隙申請后，確定各定位時(shí)隙并廣播；

4）分配到時(shí)隙的發(fā)射器在規(guī)定時(shí)間完成測距，然后重新進(jìn)入休眠；未分配到時(shí)隙的發(fā)射器也進(jìn)入休眠；

5）接收器在所有定位時(shí)隙執(zhí)行完后，重新進(jìn)入階段1）。

在無線通信協(xié)議的物理層加入CCA空閑信道評估機(jī)制，能減少無線信道碰撞、增加了無線并發(fā)數(shù)、降低漏讀率。

根據(jù)定位參照點(diǎn)數(shù)量可分為單點(diǎn)、兩點(diǎn)和多點(diǎn)定位。單點(diǎn)定位只采用一臺接收器，能定位某個(gè)發(fā)射器到收發(fā)器的距離，不區(qū)分方向。兩點(diǎn)定位采用一臺收發(fā)器定位、一臺作為參考點(diǎn)，既定位距離又可區(qū)分方向。由于礦山井下巷道的特殊性（線性特征），只需采用單點(diǎn)定位或兩點(diǎn)定位。

3 基于nRF2401的收發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射器設(shè)計(jì)

發(fā)射器采用nFR2401芯片實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)。nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，由頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等功能模塊，只需要增加很少外部器件就可組成無線收發(fā)系統(tǒng)。芯片功耗低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA。

本設(shè)計(jì)采用ShockBurstTM收發(fā)模式，可降低功耗、減少碰撞，自動處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。

本設(shè)計(jì)采用外部晶振為16MHz，空閑模式工作電流為32uA。

3.2 接收器設(shè)計(jì)

接收器由主控、電源、通信、定位等模塊組成。主控模塊采用LPC2114芯片，電源模塊將18V電源輸入經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成5V和3.3V，通信模塊通過RS485總線實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與上位機(jī)通信。定位模塊采用nRF24E1芯片，其自帶2.4GHz無線收發(fā)器nRF2401和增強(qiáng)型8051內(nèi)核。

4 結(jié)語

本文所提出的采用TOF（SDS-TW-TOA方式）測距的精確定位設(shè)計(jì)，經(jīng)測試能夠?qū)崿F(xiàn)3-5m精度的定位，適應(yīng)礦山井下的應(yīng)用環(huán)境，是一種可行的礦井精確定位設(shè)計(jì)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]