基于UWB TOF測距的礦井精確定位方法研究

王 飛

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037)

0 引言

隨著智能礦山建設(shè)的推進(jìn),礦井精確定位系統(tǒng)在煤礦井下得到推廣應(yīng)用[1]。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)的靜態(tài)定位誤差小于0.3 m,采煤工作面、掘進(jìn)工作面及運(yùn)輸巷道的靜態(tài)定位誤差小于1.0 m[2]。因此,研究礦井精確定位方法、實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的精確定位,有利于提高礦井安全生產(chǎn)管理水平。一旦發(fā)生礦井災(zāi)害事故,救援隊(duì)伍可以準(zhǔn)確、快速地到達(dá)災(zāi)難現(xiàn)場實(shí)施救援工作[3]。

目前,超寬帶(ultra wide band,UWB)定位技術(shù)具有定位精度高、并發(fā)容量大、通信速率快和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4-5],定位精度可達(dá)30 cm,得到了越來越多科研機(jī)構(gòu)和研究單位的重視。針對(duì)UWB定位技術(shù),主要有3種定位方法[6]：到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)、到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival, TDOA)和飛行時(shí)間(time of flight,TOF)。TOA需要定位卡與定位基站、定位基站與定位基站之間嚴(yán)格時(shí)鐘同步，所以系統(tǒng)時(shí)鐘同步困難、晶振穩(wěn)定性要求高、系統(tǒng)復(fù)雜、成本高[7]。TDOA不需定位卡與定位基站時(shí)鐘同步,但需定位基站與定位基站之間嚴(yán)格時(shí)鐘同步，所以系統(tǒng)時(shí)鐘同步困難、晶振穩(wěn)定性要求高、成本較高[8]。TOF不需要定位卡與定位基站、定位基站與定位基站之間嚴(yán)格時(shí)鐘同步,所以系統(tǒng)簡單、成本低[9]。

針對(duì)礦井線型巷道和交叉路口,本文提出一種基于UWB TOF測距的礦井精確定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)定位基站之間、定位基站與定位卡之間均無需時(shí)鐘同步,大大降低了定位基站和定位卡的復(fù)雜度和成本,實(shí)現(xiàn)了礦井巷道高精度精確定位。該系統(tǒng)具有設(shè)備安裝便捷、組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、適用性廣的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足礦井巷道的精確定位需求。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

礦井精確定位系統(tǒng)主要包括服務(wù)器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、定位基站和定位卡這4個(gè)部分。UWB精確定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 UWB精確定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

服務(wù)器根據(jù)TOF測距值計(jì)算出定位卡的具體位置。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)由交換機(jī)組成,建立高速數(shù)據(jù)傳輸通道。定位基站具有3路光纖接口和1路UWB通道。定位卡具有1路UWB通道。定位基站通過光纖接口建立1個(gè)樹型以太網(wǎng),用于高速、可靠和實(shí)時(shí)地傳輸精確定位數(shù)據(jù)。定位基站采用UWB通道與定位卡進(jìn)行TOF測距，測得定位基站與定位卡之間的距離值。定位基站通過樹型以太網(wǎng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將TOF測距值傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器采用線型巷道定位算法或交叉路口算法得出定位卡的具體位置,從而實(shí)現(xiàn)礦井巷道的精確定位。

1.2 基站組網(wǎng)

在礦井巷道中,定位基站主要有2種組網(wǎng)模式，分別為線型巷道組網(wǎng)和交叉路口組網(wǎng)。定位基站組網(wǎng)模式如圖2所示。

圖2 定位基站組網(wǎng)模式

在線型巷道,每隔一段距離布置1臺(tái)定位基站。在交叉路口,每個(gè)路口處布置1臺(tái)定位基站。定位基站之間無需時(shí)鐘同步,相鄰基站之間需要完全重疊覆蓋，從而保證定位卡能與多個(gè)定位基站同時(shí)進(jìn)行TOF測距。

定位基站組網(wǎng)流程如圖3所示。

圖3 定位基站組網(wǎng)流程圖

2 精確定位技術(shù)

2.1 改進(jìn)型TOF測距技術(shù)

TOF測距原理如圖4所示。一般TOF測距需要3次通信[10]。

圖4 TOF測距原理圖

(1)

式中：TSP為測距請(qǐng)求幀的發(fā)送時(shí)間戳；TRP為測距請(qǐng)求幀的接收時(shí)間戳；TSR為測距響應(yīng)幀的發(fā)送時(shí)間戳；TRR為測距響應(yīng)幀的接收時(shí)間戳；TSF為測距數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間戳；TRF為測距數(shù)據(jù)幀的接收時(shí)間戳；TF為UWB無線信號(hào)在定位卡與定位基站之間的飛行時(shí)間。

使用式(1)計(jì)算得出UWB信號(hào)在定位基站與定位卡之間的空中飛行時(shí)間TF,具有更高的測距精度,可大幅降低晶振漂移造成的定位誤差[11]。

因此,定位卡與定位基站之間的距離計(jì)算公式為：

D=TF×C

(2)

式中：D為定位卡與定位基站之間的TOF測距值；C為光速,3.0×108m/s。

在線型巷道處,定位卡要與2個(gè)定位基站進(jìn)行TOF測距。在交叉路口處,定位卡要與3個(gè)定位基站進(jìn)行TOF測距。因此，定位卡分別需要進(jìn)行6次或9次UWB通信。為了減少測距時(shí)間、提高測距效率,對(duì)TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距流程進(jìn)行了優(yōu)化,提出改進(jìn)型TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距方法。改進(jìn)型TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距原理如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距原理圖

定位卡廣播發(fā)送測距請(qǐng)求幀。周圍的定位基站接收后依次回復(fù)測距響應(yīng)幀。定位卡廣播發(fā)送測距數(shù)據(jù)幀。因此,采用改進(jìn)型TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距方法時(shí),定位卡在線型巷道、交叉路口處僅需4次或5次UWB通信。

參照式(1)、式(2),可以計(jì)算得出定位卡與多個(gè)定位基站之間的距離。

2.2 線型巷道定位算法

針對(duì)線型巷道,定位基站M與定位基站N之間的距離為DMN。線型巷道位置分布如圖6所示。

圖6 線型巷道位置分布

線型巷道定位算法流程如圖7所示。

圖7 線型巷道定位算法流程圖

圖7中，定位卡具體位置存在以下3種情況。

①情況1：定位卡在定位基站M與定位基站N覆蓋區(qū)域的中間。

②情況2：定位卡在定位基站M與定位基站N覆蓋區(qū)域的左側(cè)。

③情況3：定位卡在定位基站M與定位基站N覆蓋區(qū)域的右側(cè)。

采用改進(jìn)型TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距方法,計(jì)算出定位卡與定位基站M、定位基站N的距離值為DM、DN。服務(wù)器根據(jù)DM、DN和DMN,確定定位卡的具體位置,從而實(shí)現(xiàn)線型巷道精確定位。

2.3 交叉路口定位算法

針對(duì)交叉路口(如三岔路口等),定位基站A、定位基站B和定位基站C相互之間的距離為DAB、DBC、DAC。交叉路口位置分布如圖8所示。

圖8 交叉路口位置分布

采用改進(jìn)型TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距方法,計(jì)算出DA、DB、DC。服務(wù)器根據(jù)DA、DB、DC和DAB、DBC、DAC,確定定位卡的具體位置,從而實(shí)現(xiàn)交叉路口精確定位。

交叉路口定位算法流程如圖9所示。

圖9 交叉路口定位算法流程圖

圖9中，定位卡具體位置存在以下4種情況。

①情況1：定位卡在定位基站A、定位基站B和定位基站C的共同覆蓋區(qū)域。

②情況2：定位卡在靠近定位基站A方向的覆蓋區(qū)域。

③情況3：定位卡在靠近定位基站B方向的覆蓋區(qū)域。

④情況4：定位卡在靠近定位基站C方向的覆蓋區(qū)域。

3 試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證線型巷道定位算法和交叉路口定位算法的實(shí)際效果,在瓦斯災(zāi)害應(yīng)急信息技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清水溪實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)搭建測試平臺(tái)。測試平臺(tái)如圖10所示。該平臺(tái)布置4臺(tái)定位基站、30張定位卡；定位基站之間采用光纖連接,采用增益為12 dB的全向天線；天線安置高度約為2 m、距巷道壁約為0.8 m；定位卡均勻地放置在6個(gè)測試點(diǎn),離地面約為1.2 m。

圖10 測試平臺(tái)

精確定位測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 精確定位測試數(shù)據(jù)

定位基站1～定位基站4之間的距離如下：D12為82.4 m、D13為102.5 m、D23為84.6 m、D34為408.2 m。測試點(diǎn)a與定位基站1之間的距離Da1為31.8 m。測試點(diǎn)b與定位基站1、定位基站2、定位基站3之間的距離Db1為52.2 m、Db2為31.8 m、Db3為50.0 m。測試點(diǎn)c與定位基站2之間的距離DC2為43.5 m。測試點(diǎn)d與定位基站3、定位基站4之間的距離Dd3為48.7 m、Dd4為370.5 m。測試點(diǎn)e與定位基站3、定位基站4之間的距離De3為405.1 m、De4為14.1 m。測試點(diǎn)f與定位基站4之間的距離Df4為273.4 m。在測點(diǎn)a～測點(diǎn)f處分別放置5張定位卡,測試10 min,隨機(jī)選取其中6張定位卡的任意定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

根據(jù)表1測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析,精確定位誤差小于0.3 m,最大定位距離大于400 m,位置判斷正確。

4 結(jié)論

針對(duì)礦井現(xiàn)場應(yīng)用需求,本文提出了一種基于UWB TOF測距的精確定位方法。該方法通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、研究定位基站組網(wǎng)機(jī)制,使定位基站之間、定位基站與定位卡之間均無需時(shí)鐘同步,大大降低了定位基站和定位卡的復(fù)雜度和成本。同時(shí)，本文提出一種改進(jìn)型TOF點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測距方法,減少了UWB通信次數(shù),提高了TOF測距效率。根據(jù)礦井巷道空間特點(diǎn),研究巷道線型定位算法和交叉路口定位算法,定位卡與相鄰多個(gè)定位基站同時(shí)測距,實(shí)現(xiàn)礦井巷道精確定位。測試結(jié)果表明,UWB精確定位誤差小于0.3 m,最大定位距離大于400 m,位置判斷機(jī)制可靠、正確。因此,該系統(tǒng)能夠提供一種安裝便捷、組網(wǎng)靈活和成本較低的精確定位方法,為各種移動(dòng)目標(biāo)提供精準(zhǔn)定位和位置信息服務(wù),從而滿足智能礦山建設(shè)需求。