基于SDSＧTWR算法的TOF精確定位系統

殷 臻, 黃慧哲, 李 偉,陸 毅, 賀乃寶, 羅印升

(江蘇理工學院 電氣信息工程學院， 江蘇 常州 213001)

基于SDSＧTWR算法的TOF精確定位系統

(江蘇理工學院 電氣信息工程學院， 江蘇 常州 213001)

分析了SDS-TWR測距算法的定位原理，提出了基于TOF(time of flight，TOF )技術、采用SDS-TWR(symmetrical double-sided two way ranging，SDSTWR )測距算法的煤礦巷道精確定位系統方案。測試結果表明, 該系統的定位精度95%，達到6 m以內信號有效覆蓋范圍半徑為500 m，功耗滿足礦用設計要求，驗證了方案的可行性。

煤礦巷道； 精確定位； TOF； SDS-TWR

煤炭開采環境基本是地下且巷道條件復雜、環境惡劣,因此井下人員定位系統在煤礦安全生產以及考勤管理方面發揮著重要的作用[1]。目前市場上區域定位系統已不能滿足煤礦對人員位置信息的實時性與準確性要求,并且絕大多數精確定位系統方案成本高,覆蓋范圍小[1-2]。本文在研究TOF(time of flight)技術的測距原理的基礎上,提出了一種基于TOF技術、采用SDS-TWR測距算法的精確定位方案,并通過實驗驗證了該方案的可行性。

1 TOF技術及TWR測距原理

TOF技術通過測量無線信號在2個節點之間的飛行時間實現距離測量。傳統TOF方案一般采用雙路(TWR)測距算法,該算法采用雙向測量,因此該算法不需要進行節點間的數據同步。在TWR測距中節點A發送一個Poll數據到節點B,節點B收到數據包后返回一個Ack數據包,如圖1所示。

TroundA為節點A發出Poll數據包到接收到Ack數據包用的時間；TReplyB為節點B收到Poll數據包到發出Ack包所用的時間。數據包傳播時間Tp為

(1)

節點A與節點B之間的距離d為

(2)

時鐘晶體存在頻率偏差,設節點A的頻率偏差為FdA,節點B的頻率偏差為FdB,則數據包在空中傳播的實際時間Tr為

(3)

數據包在空中傳輸時間的誤差ΔT為

由于TroundA=2Tp+TReplyBB

由于Tp遠小于TReplyB,因此FdA×Tp可以忽略不計，則有

(4)

因此節點A和節點B的距離誤差Δd為

(5)

2 SDS-TWR測距算法原理

為了避免TWR方法中晶體頻率誤差引起的計時

誤差,引入SDS-TWR算法[3]。SDS-TWR是TWR算法的改進,利用2個節點雙邊各進行一次TWR過程實現消除節點間晶體頻率誤差[4]引起的計時誤差,其過程見圖2。

圖2 SDS-TWR 測距算法原理

SDS-TWR的測距過程是在節點A發起一次的測距完成后,再利用節點B進行反方向測距一次,則數據包傳播時間Tp即為

(6)

由于節點時鐘晶體存在頻率偏差,信號在空中傳播的實際時間Tr為

(7)

無線數據包在空中傳輸時間的誤差ΔTs為

(8)

由于Tp遠小于TReplyB和TReplyA,因此FdB×Tp和FdA×Tp可以忽略不計,因此有

(9)

對比TWR的ΔT和SDS-TWR的ΔTs,可以看出SDS-TWR大大降低了晶體頻率偏差所引起計時誤差。假設晶振頻偏為±50×10-6Hz,節點相應時間差為0.1ms,因此測距誤差理論值為±3m,如果選用低頻偏的晶體如±10×10-6Hz可進一步降低測距理論誤差至±0.6m。

3 精確定位系統設計

3.1 系統架構

為進一步驗證采用SDS-TWR測距算法的可行性,設計了采用SDS-TWR測距算法并基于TOF技術精確定位系統[5]。系統主要由定位主機、定位服務器、交換機、井下定位基站以及定位標簽等組成[6]。系統結構見圖3。

基站和定位標簽都采用集成了ZigBee協議[7]與TOF測距引擎的JN5168無線微處理器[8],射頻前端射頻功放,使得發射功率達到了+10dBm,射頻發射電流控制在55mA以內,接收電流控制在31mA內,休眠電流不大于2μA；基站主控器采用STM32系列[9]控制器為核心,具有高速以太網及RS485[10]總線接口。定位標簽采用鋰電池供電,采用定時器喚醒技術,每3s喚醒一次標簽進行定位。

3.2 系統工作流程

(1) 網絡注冊。定位標簽3s喚醒一次后進行網絡搜索,發送廣播數據包,如基站處于工作狀態,基站收到數據包后分配時隙給標簽卡,回復同步數據包,完成注冊。若注冊失敗再次喚醒后重新進行注冊。

圖3 礦用精確定位系統結構

(2) 發起測距。標簽成功搜索到網絡并且得到定位時隙后與基站進行測距,測距的結果與標簽的ID[11]以及其他標簽信息統一打包發給基站,測距結束后釋放占用的時隙資源。如果測距失敗再次喚醒后重新進行網絡注冊。

(3) 數據傳輸?；靖鶕煌瑹o線模塊接收到的距離信息判斷方向,重新將數據打包通過高速以太網發送到地面定位服務器。

(4) 數據處理。地面定位服務器收到數據后利用濾波算法,對數據進行二次處理,進一步提高位置數據的準確性。

(5)Web發布。服務器將有效的人員位置信息、人員分布狀況和設備狀態通過Web發布,用戶可以通過PC主機或者手機設備訪問Web進行查看管理。

3.3 方向性判定

在此系統中,利用單CPU驅動2個獨立射頻收發電路實現單基站判斷標簽方向性[12]。井下巷道由于狹小可以想象成一條線,利用定向天線信號反向衰減的特性CPU得到的2個射頻模塊的距離值進行比較,從而判斷標簽的具體位置,此方案的關鍵是基站射頻模塊要作屏蔽處理,防止標簽信號直接通過天線以外的途徑耦合進去,產生錯誤的位置信息,導致誤差變大。位置判定原理示意圖見圖4。

圖4 標簽測距位置判定原理示意圖

規定D2為3 m,D13 m說明標簽在基站右側天線右側,否則標簽在基站2個天線之間。同理,標簽在基站左側也是同樣分析方法,這樣很容易判斷出標簽具體位置,經過實測標簽方向的測反率極低,雙射頻方案的實用性得到了進一步驗證。

4 實驗結果分析

4.1 定位精度與無線覆蓋范圍

(1) 測試環境：晴朗微風,溫度19 ℃,相對濕度65%,空曠郊區公路(無車無遮擋)。

(2) 測試條件:射頻發射功率為+10 dBm,接收靈敏度為-102 dBm,數據速率250 kbit/s,基站采用2.4 GHz頻率、增益為14 dB的定向天線。標簽采用增益為2.5 dB的柔性PCB天線。系統測試了10、50、100、200、350、500 m的位置5次測量數據,位置測試數據見表1。

表1 位置測試數據 m

測試結果說明, 定位精度95%以上保持在6 m以內,有效視距覆蓋范圍到達了500 m以上。

4.2 標簽卡功耗測試

標簽采用單節1 200 mAh鋰電池供電,電池電壓為4.2 V,發射功率為10 dBm,利用示波器抓取標簽的靜態休眠電流為20 μA,發射電流為52 mA,接收電流為30 mA。利用萬用表測量標簽工作1 h的平均功耗約為0.5 mAh,電池理論工作時間為90 d。

5 結語

本文結合JN5168 無線微控制器設計了一套基于TOF定位技術和SDS-TWR測距算法的礦用巷道精確定位系統。實驗結果表明，該系統在定位精度和功耗控制上都達到了設計要求,驗證了方案的可行性。

References)

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[11] 趙俊杰. 煤礦井下人員定位系統的設計與實現[D].新鄉:河南師范大學,2014.

[12] 蘇靜,吳桂義. 煤礦井下人員定位系統現狀與發展趨勢[J]. 內蒙古煤炭經濟,2012(9):111-112.

TOF accurate positioning system based on SDS-TWR algorithm

Yin Zhen, Huang Huizhe, Li Wei, Lu Yi, He Naibao, Luo Yinsheng

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China)

The positioning principle of SDS-TWR ranging algorithm is analyzed, and a scheme of the accurate positioning system for the coal mine roadway based on TOF (time of flight) technology is proposed by using SDS-TWR SDS-TWR (symmetrical double-sided two way ranging) ranging algorithm. Test results show that the positioning accuracy of the system is 95% within 6 m, the effective coverage radius of the signal is 500 m, and the power consumption can meet the design requirements of the mine. Therefore, the feasibility of the scheme is verified.

coal mine roadway; accurate positioning; time of flight(TOF); symmetrical double-sided two way ranging (SDS-TWR)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.024

2016-11-25

2016江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目“TOF技術在無線傳感器網絡中的應用研究”(201611463006Z)

殷臻(1995—)，男，江蘇常州，本科本，主要研究方向電子信息工程

E-mail：2013311113@smail.jstu.edu.cn;

陸毅(1976—)，男，江蘇常州，工學碩士，講師，主要研究方向通信與信息系統.

E-mail：luyi3652002@163.com

TD655

A

1002-4956(2017)5-0095-04