基于UWB技术的煤矿精确定位系统_陈伟.pdf

计算机应用煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050550引言随着煤矿机械化、信息化、数字化和智能化开采的发展，推动了煤矿井下设备的技术升级和更新，煤矿企业对定位系统的精度要求也越来越高，现有的定位系统已不能满足煤矿企业对高精确定位技术日益增长的需求。国家安标中心发布的煤矿井下人员定位系统安全技术要求（试行）要求：煤矿井下人员精确定位系统最大静态定位误差应不大于0.3 m，空旷无遮挡情况下的无线传输距离应不小于400 m。目前，煤矿人员定位系统还是以RFID、WiFi和ZigBee等无线通信技术为主，这些技术都有各自的局限性。RFID和WiFi技术较早被应用于井下人员定位系统，但只能用于区域定位；ZigBee技术的定位精度为310 m，存在较大误差，易受多径效应影响，定位距离容易产生零漂。基于以上问题，为适应企业对新技术的发展需求，提高井下人员定位系统的定位精度，本文提出一种基于超宽带（UWB）技术的非对称双边双程测距（DS-TWR）方法的精确定位系统，可以提高煤矿对人员的精确定位精度，定位读数可达到厘米级，能够实时对煤矿井下人员进行自动追踪和精准定位，掌握井下人员的行走路线和位置。1定位系统的理论基础1.1UWB定位技术UWB是一种无载波、窄脉冲的无线电通信技术，利用非正弦载波的纳秒级或亚纳秒级的脉冲实现无线通信。UWB发出的不是载波信号，是一种密集的脉冲波，因此具有测距速度快、传输速率高、并发容量大、隐蔽性好、产品设计简单等优点，并且多径分辨能力强，抗干扰效果好，能够实现高精度定位。1.2系统定位算法常见的UWB精确定位方法主要包括接收信号强度（RSSI）、到达角度（AOA）、到达时间（TOF）和达时间差（TDOA）等。RSSI对多径噪声、阴影、散射和干扰敏感，导致超过几十dB的偏差；AOA通过到达*煤炭科学技术研究院有限公司技术创新基金类（2021CX-I-09）基于 UWB 技术的煤矿精确定位系统*陈伟1，2，3（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京100013）摘要：基于ZigBee技术的定位系统定位误差大，不能满足智能化建设需求，提出一种基于超宽带（UWB）技术的煤矿精确定位系统。分析非对称双边双程测距（DS-TWR）的时间测距算法的定位原理，结合煤矿巷道属于狭长的空间环境特点，采用单个读卡分站实现精确定位和行走方向判断。实验结果表明，该系统定位精度误差小于30 cm，无线通信距离半径大于400 m，能够满足当前煤矿人员定位的精度要求。关键词：煤矿；UWB；DS-TWR；读卡分站；精确定位中图分类号：TD67文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0177 04Coal Mine Precise Positioning System Based on UWB TechnologyChen Wei1，2，3（1.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Engineering Research Center for Technology Equipment ofEmergency Refuge in Coal Mine,Beijing 100013，China；3.Beijing Mine Safety Engineering Technology ResearchCenter,Beijing 100013，China）Abstract:Positioning system based on ZigBee technology positioning error is big,cant meet thedemand of intelligent construction,put forward a kind of precise positioning system of coal mine basedon ultra wideband（UWB）technology.Analyzed the asymmetric double-sided two-way ranging（DS-TWR）time ranging algorithm positioning principle,combined with the characteristics that coal roadway haslong and narrow space environment,used a single card read substation to realize accurate positioningand the direction of walking.The experimental results show that the system positioning precision erroris less than 30 cm,and wireless communication distance radius is larger than 400 m,which can satisfythe demands of the current coal mine personnel positioning accuracy.Key words:coal mine；UWB；DS-TWR；card reading substation；precise positioning177第44卷第5期Vol.44 No.5基于UWB技术的煤矿精确定位系统陈伟角度和传输时间计算位置，需要复杂的天线阵列提供角度信息，容易受到多径噪声干扰，难以实现远距离的精确定位；TDOA使用来自几个已知位置坐标参考点的到达时间的差异计算每个消息到达的相对距离，交互速度快，标签容量大，但基站之间需要复杂的无线时钟同步算法，布设条件要求较高；TOF是基于到达时间换算距离的点对点测距方法，算法易实现，抗多径效应、晶振频偏纠正有很大优势，在成本和可靠性上更突出。结合煤矿井下狭长巷道空间的特性，基于TOF的测距方法更适合于煤矿井下的UWB定位。本文研究采用基于TOF的双向测距算法（DS-TWR）进行定位系统分析和设计。测距算法原理如图1所示。图1DS-TWR测距算法原理图定位卡在T1时刻记录该时间戳，分别向外广播发送POLL消息；该消息在定位器A和定位器B处的到达时间分别为T2和T2，同时加上时间戳分别存储于各定位器中。定位器A和定位器B分别在等待Tdelay1和Tdelay1的处理时间后，分别在时间T3和T3发出Respon消息，每个定位器的回复消息中都含有特定的消息码；当识别卡收到Respon消息，保存Respon消息，记录T4和T4时间戳，同时收集第1次POLL消息的时间戳和Respon消息时间戳。识别卡在等待Tdelay2和Tdelay2的处理时间后，在T5时刻将含 有 时 间 戳 的 信 息 一 同 发 出，同 时 打 上Final消息的标志；当定位器分别收到消息后，记录T6和T6的时间，完成测距。识别卡到定位器A和定位器B的传播时间分别为TA和TB，有：TA（T4-T1）-Tdelay1+（T6-T3）-Tdelay2/4（1）TB（T4-T1）-Tdelay1+（T6-T3）-Tdelay2/4（2）根据式（1）和式（2），可得到识别卡到定位点的距离d=TC（3）式中C电磁波速率，取C=3.0108m/s。DS-TWR测距算法不依赖于节点间的时间同步，通过3轮的信号传输计算飞行时间差并得到均值，能有效降低时钟晶振带来的时钟漂移误差，提高测距精度。相对于传统的TOF算法，DS-TWR算法在提高测距精度同时，计算量少，对设备安装、设计要求简单，单基站可实现测距，适用于煤矿井下近似一维空间的精确定位。1.3误差矫正补偿DS-TWR是基于时间的方法，时间精度是引起测距误差的主要因素之一，造成时间误差的因素有2种：UWB模块晶振时钟与系统全局时钟之间存在误差；另一个重要的误差源是天线延迟误差，主要由PCB线路延迟、MCU处理延迟及天线传输延迟等组成。（1）晶振频偏误差补偿读卡分站和定位卡测距的时间戳是由晶振来产生。晶振有不同等级的精度偏差范围，同时晶振时钟具有动态变化特性，随着温度或噪声环境条件的改变而改变，必然造成读卡分站和定位卡的传输速率变得更快或更慢。在系统设计中不得不考虑时钟频偏的问题，其误差传播时间：eA（TA-TC）（A-C）/4（4）eB（TB-TC）（B-C）/4（5）式中A、B、C时钟频率误差偏移；TC传输时间。DS-TWR方法不要求严格同步时钟，并且通过3轮消息的多次计算，同时选择具有较高精度的晶振，能够减小时钟偏移。假如时钟的偏置偏移是恒定的，通过校准来解决该问题。（2）天线和馈线延迟补偿根据无线测距算法原理，测距信号是由芯片生成，通过天线发送和接收。在设计中，天线与芯片之间由天线、馈线、板上器件以及板上电路走线相连，使得在接收UWB测距消息时均会出现延迟，造成时间误差，从而产生测距解算误差；同样，在发送UWB测距消息时，芯片发出的消息经过一段延迟后才能从天线发出，也会出现测距误差。由于天线和馈线的材质、长度和粗细不同，延迟时间也不相同，消息以光速传播，1 ns的时间误差则带来30 cm的距离误差。天线和馈线延迟对基于时间的DS-TWR测距算法产生极大影响，系统在测距过程中需要规避由天线和馈线产生的测距误差。通过补偿天线和馈线的延迟时间，可以有效地校准测距误差，提高基于UWB技术精确定位系统的定位精度。2系统设计T2T2T6T6T3T2T4UWB定位器AUWB定位器B定位卡CPOLLRespon BPOLLT1Tdelay1Respon AFinalFinalTdelay2T4T5Tdelay2Tdelay1178（1）系统组成基于UWB技术的精确定位系统由定位系统软件管理平台、三维GIS平台、数据服务中心、井下交换机、定位卡、本安型读卡分站和防爆电源等组成，整个系统网络架构不超过3层，如图2所示。定位卡与读卡分站完成测距信息交互后，读卡分站根据DS-TWR算法计算出测距距离。读卡分站具有RJ485口和光口，将定位数据传输至数据服务中心，由定位系统软件管理平台进行综合计算并存储，通过Web界面和GIS地图实时展示当前煤矿井下人员的位置。图2系统组成（2）读卡分站设计煤矿巷道为狭长的空间场景，一维定位设计即可满足煤矿井下需求。读卡分站采用双UWB芯片的测距射频模块设计，分为左射频RF1和右射频RF2，定位原理图如图3所示。射频模块分别通过50-3馈线延长连接，配接上2根相同的全向天线。设定天线间距L=1 m。利用DS-TWR测距算法，定位卡发出定位消息，分别与RF1和RF2进行测距，根据式（3）得到测距值分别为d1和d2。图3读卡分站原理图以UWB-RF1测距模块为参考点，根据差值比较法判断井下方向，若d1-d2L，定位卡在读卡分站的前面；若d1-d2L，则定位卡位于读卡器分站的后面；而当d1L且d2L时，定位卡在分站下。（3）读卡分站定位流程采用时分复用防碰撞算法解决UWB信号入网碰撞问题，将单位时间分配成多个等长时间间隔，形成时隙。时隙可分为空闲时隙和工作时隙。定位卡被读卡分站识别后，将空闲时隙分配给定位卡进行UWB测距。UWB测距时隙定位流程如图4所示。图4UWB定位流程3系统测试（1）测试过程为了测试煤矿精确定位系统的定位精度和最大覆盖距离，在霍洛湾煤矿搭建实验平台。系统布置1台地面服务器、1台UWB读卡分站、15张定位卡和1台防爆全站仪。分别设置12 m、43 m、165 m、210 m、301 m、350 m和427 m非规则的测试点，验证静态定位精度；每个测试点放置1个高1.2 m的支架，定位卡固定在