基于UWB 的礦用一體化智能車載終端的設計

韓 陽

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

煤礦井下輔助運輸擔負著全礦井生產所需人員、物資及設備的中轉和運輸工作，是保證煤礦安全生產和提高生產效率的重要一環[1]。礦用無軌膠輪車以其機動靈活、運輸效率高、應用范圍廣的特點，是煤礦井下輔助運輸的主要設備。目前煤礦井下輔助運輸發展比較滯后，普遍存在著巷道狹窄，環境昏暗，人車混流等現象，缺乏對車輛的精確定位、智能調度與有效監管，導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生，行車安全隱患大、成本高，無法實現井下輔助運輸的安全高效智慧運行。隨著《煤礦智能化建設指南（2021 年版）》、AQ 1119—2023《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》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，研究設計了一種基于UWB 精確定位技術，融合精確定位、4G/5G 無線通信、視頻監控、數據采集、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、智能調度、數據采集、安全預警、語音通話、人機交互等功能需求[3]，對煤礦企業保障井下人、車運行安全，提升煤礦井下智能輔助運輸建設具有重要意義與示范效應。

1 智能車載終端總體設計

根據煤礦井下對輔助運輸的應用需求，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 通信數據采集模塊、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計圖如圖1。

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

智能車載終端安裝于車輛駕駛室內，由車載電源供電。其中UWB 精確定位模塊采用UWB 與慣導融合的定位算法[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據，獲取車輛的里程、車速、轉速、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，實現在井下昏暗環境下的行車記錄，倒車影像、駕駛員AI 視頻監控的功能[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 網絡與系統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；觸摸屏模塊實現與駕駛員的人機交互功能；基于安卓平臺的車輛定位調度APP 結合自身車輛及周圍人、車的精確位置信息，實現井下輔助運輸的智能調度與行車安全預警。

2 智能車載終端硬件

智能車載終端硬件設計結構圖如圖2。

圖2 智能車載終端硬件設計結構圖Fig.2 Hardware design structure diagram of intelligent vehicle terminal

智能車載終端以國產廠商瑞芯微研發的6 核64 位ARM 處理器RK3399 為控制核心，和以UWB 通信收發芯片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用處理器芯片，內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 數據采集模塊、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井下智能調度的核心支撐。UWB 精確定位模塊由主控ARM STM32L051、UWB 無線收發電路、發射/接收信號放大電路、慣導電路、UWB 天線組成。主控ARM 按照UWB與慣導融合的定位算法，通過UWB 無線收發電路收與車外定位基站實時通信，通過發射/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 收發電路圖如圖3。UWB 無線收發電路以DW000 為核心，DW1000 是高集成的UWB 射頻收發芯片，包含1 個模擬前端、1 個接收器、1個發送器和與片外主控器連接的SPI 數字后端[8]，是UWB 通信的關鍵核心。

圖3 UWB 收發電路圖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UWB 信號的收發。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HHM1595A1 巴倫轉換器，將差分信號轉換為單端射頻信號[10]，進一步通過發射/接收放大電路及UWB 天線來增加發射功率，提高通信范圍。慣導電路用以輔助定位，使智能車載終端在非視距環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，實現駕駛室及周圍環境的視頻監控。RK3399 的USB 接口資源有限，因此視頻監控模塊以USB 擴展芯片Fe1.1s 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、車輛與駕駛員交互的平臺[13],采用安卓系統設計車輛定位調度APP 程序，根據車載終端的總體設計和功能需求，劃分各功能任務模塊分別設計。

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現場試驗。車載終端的UWB 通信參數設置為信道2，通信速率850 kbps、脈沖重復率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，并在車輛側面安裝光傳感器。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，經過測試點位時，光傳感器發出的光信號被光反射板反射，回傳觸發光傳感器，測試軟件記錄該觸發時間時刻，即車輛經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，計算最大動態誤差。

2）井下工業現場試驗。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現場試驗，如：①智能調度試驗：井下用車人員可通過用戶版APP 發起用車申請，指定乘車位置，設定預約時間，上位機系統根據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后，導航到乘車位置，完成派車任務[14]，實現“井下智能打車”；②4G/5G無線通信試驗：智能車載終端通過4G/5G 無線網絡，實時獲取到上位機系統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果見表1。

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

經試驗，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、智能調度、數據采集、安全預警、語音通話、人機交互等功能需求。

5 結 語

基于煤礦井下智能輔助運輸的實際需求，研究設計了一種基于安卓平臺，融合UWB 精確定位、4G/5G 無線通信、視頻監控、數據采集、語音通話等多種功能于一體的智能車載終端，實現井下輔助運輸的安全高效智慧運行。測試結果表明：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、智能調度、數據采集、語音通話等功能的應用要求，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與管理水平。