基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)

王 飛

（1.瓦斯災(zāi)害應(yīng)急信息技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著智能礦山建設(shè)推進，大量智能裝備在煤礦井下推廣應(yīng)用。山東煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求（試行）》明確規(guī)定：系統(tǒng)在理想狀態(tài)下靜態(tài)定位精度能夠達到0.3 m，采煤工作面及進回風(fēng)巷、掘進工作面人員定位精度應(yīng)達到1 m。

目前，煤礦井下人員定位系統(tǒng)以基于射頻識別技術(shù)（RFID）的定位系統(tǒng)數(shù)量最大[1-2]，使用RFID具有以下問題：定位精度受讀卡器分布密度限制，只能實現(xiàn)區(qū)域定位，不能做到精確定位[3-4]。隨著定位技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，ZigBee、UWB精確定位技術(shù)逐漸在市場上推廣和應(yīng)用[5]。采用ZigBee技術(shù)[6-7]實現(xiàn)靜態(tài)條件下定位精度5 m、移動條件定位精度10 m，尚未滿足礦井對人員精確定位的需求。采用UWB技術(shù)[8-9]實現(xiàn)0.3 m定位精度，但是基站布置較多、定位算法復(fù)雜和成本相對較高。為了滿足礦井精確定位需求，同時解決系統(tǒng)建設(shè)成本高的問題，設(shè)計一種基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在礦井巷道和工作面實現(xiàn)高精度精確定位，單基站精確定位并發(fā)容量大、系統(tǒng)安裝便捷，從而滿足智能礦山建設(shè)需求。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)組成如圖1。基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)主要包括4個部分：服務(wù)器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、基站和定位卡。基站通過光纖或網(wǎng)線接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，與服務(wù)器實現(xiàn)高速、可靠的雙向通信。基站具有2路UWB通道和2路ZigBee通道，UWB通道用于基站與定位卡之間的TOF測距，實現(xiàn)礦井巷道內(nèi)的UWB精確定位。ZigBee通道用于UWB測距時隙資源管理。定位卡具有1路UWB通道和1路Zig－Bee通道，UWB用于TOF測距，ZigBee用于掃描網(wǎng)絡(luò)和申請UWB測距時隙資源。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

2 基站組網(wǎng)

在礦井巷道中，每隔一段距離安裝1個基站，實現(xiàn)巷道全覆蓋，相鄰基站之間存在部分重疊區(qū)域。為了避免相鄰基站ZigBee無線信號互相沖突，基站的ZigBee左信道和ZigBee右信道采用不同頻段，基站UWB左、右信道與ZigBee左、右信道如圖2。

圖2 基站UWB左、右信道與ZigBee左、右信道Fig.2 UWB channel and ZigBee channel of base station

由于基站UWB左信道和UWB右信道采用相同頻段，相鄰基站的UWB通道必須采用不同頻段，從而避免相鄰基站的UWB無線信號沖突。

3 UWB精確定位算法

3.1 TOF測距技術(shù)

OF測距流程圖如圖3。基于TOF技術(shù)的UWB點對點測距，一般需要3次通信[10-11]：測距請求幀（POLL，單播）；測距響應(yīng)幀（RESP，單播）；測距數(shù)據(jù)幀（FINAL，單播）。

圖3 TOF測距流程圖Fig.3 Schematic diagram of TOF ranging

定位卡與基站之間的距離D計算公式為：

式中：TSP為測距請求幀的發(fā)送時間戳；TRP為測距請求幀的接收時間戳；TSR為測距響應(yīng)幀的發(fā)送時間戳；TRR為測距響應(yīng)幀的接收時間戳；TSF為測距數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間戳；TRF為測距數(shù)據(jù)幀的接收時間戳；c為光速，3.0×108m/s。

3.2 線型定位算法

礦井巷道屬于狹長空間，一維定位算法完全可以滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求，為此，提出一種基于無線信號強度（RSSI）比較的線型定位算法，基于RSSI比較的線型定位算法的工作流程如圖4。

圖4 基于RSSI比較的線型定位算法Fig.4 Linear positioning algorithm based on RSSI

定位卡發(fā)送UWB測距請求幀，基站的UWB左信道和右信道接收到UWB測距請求幀后，會產(chǎn)生無線信號強度值，如果沒有接收到UWB測距請求幀，則該值為0。由于基站2路UWB通道采用定向天線，UWB左信道和右信道接收到UWB測距請求幀的無線信號強度存在明顯差別。基站通過比較UWB左信道和右信道的無線信號強度值，判斷出定位卡所在基站的左、右方向，即在左信道覆蓋范圍還是在右信道覆蓋范圍。

3.3 時隙資源調(diào)度算法

為了提高單基站精度定位并發(fā)容量，采用時分機制避免UWB無線信號沖突[12]。基站采用超幀模式管理UWB測距時隙資源，超幀長度可以靈活配置，1 s的測距周期包含100個測距時隙，因此，測距周期越長則并發(fā)測距容量越大。超幀結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 超幀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Time slot structure diagram

UWB測距時隙根據(jù)狀態(tài)可分為空閑時隙和工作時隙。空閑時隙用于分配給定位卡進行UWB測距，空閑時隙變更為工作時隙。工作時隙用于定位卡與基站完成TOF測距，若在工作時隙內(nèi)未發(fā)生TOF測距，基站則收回該時隙，工作時隙變更為空閑時隙。UWB測距時隙資源的管理機制如圖6。

圖6 UWB測距時隙資源的管理機制Fig.6 UWB time-slot resource management mechanism

4 試驗測試

為了測試系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)，在瓦斯災(zāi)害應(yīng)急信息技術(shù)國家重點實驗室清水溪實驗巷道內(nèi)搭建測試平臺。系統(tǒng)測試平臺如圖7，布置2臺基站、200個定位卡和1臺電腦，2臺基站之間距離約為400 m，均采用增益為16 dB的定向天線，天線安置高度約為2 m、距巷道壁約0.8 m。200個定位卡均勻布置在巷道中間，高度約為1 m。

圖7 系統(tǒng)測試平臺Fig.7 System test platform

斷電基站B，定位周期為2 s，包含200個測距時隙。在基站A的50、100、200、300、400 m處，分別放置40個定位卡。測試5 min，隨機選取其中5個定位卡進行分析，除去最大值和最小值，取其平均值作為定位結(jié)果。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析，精確定位誤差小于0.3 m，最大通信距離可達400 m，滿足礦井精確定位需求。

上電基站B和基站A，定位卡在巷道中移動，記錄UWB無線信號強度值，隨機選取其中1個定位卡進行分析，其UWB左、右信道無線信號強度比較如圖8。

根據(jù)圖8測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析，基站UWB左、右信道接收到定位卡發(fā)送測距請求幀的RSSI存在明顯差別，方向判斷正確率為100%。

圖8 UWB左、右信道無線信號強度值比較Fig.8 Comparison diagram of UWB left and right channels wireless signal strength values

5 結(jié)語

針對礦井巷道的環(huán)境特點，研究了系統(tǒng)組網(wǎng)模型和UWB精確定位算法，設(shè)計了一種基于UWB技術(shù)的礦井精確定位系統(tǒng)，從而滿足礦井精確定位需求。系統(tǒng)采用統(tǒng)一管理UWB測距時隙資源、合理劃分基站UWB頻段，避免UWB無線信號沖突，大大提高單基站精度定位并發(fā)容量，而且基于無線信號強度比較的線型定位算法復(fù)雜度低、適用性強。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)定位精度≤±0.3 m，單基站精確定位并發(fā)容量可達200，定位距離可達400 m；系統(tǒng)能夠提供一種精度高、并發(fā)容量大、安裝便捷的礦井精確定位系統(tǒng)，從而滿足智能礦山建設(shè)需求。