金屬礦山井下有軌車輛精確定位技術(shù)應(yīng)用

康磊田 朱亞楠 劉慧娟

（1.招金礦業(yè)股份有限公司；2.山東金軟科技股份有限公司）

金屬礦山井下車輛精確定位在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中意義重大。有軌電機(jī)車作為井下主要運(yùn)輸方式，因受制于生產(chǎn)設(shè)計(jì)及成本因素，需要進(jìn)行車輛調(diào)度及管控，前提基礎(chǔ)為車輛精確定位。目前，招金礦業(yè)股份有限公司已經(jīng)落地2種井下有軌車輛定位方式：射頻信標(biāo)配合WIFI 及UWB 精確定位。掌握電機(jī)車的準(zhǔn)確位置信息，可以協(xié)助地面調(diào)度中心及車載控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握車輛運(yùn)行及停靠位置，有效避免井下電機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)追尾、彎道道岔處碰撞等事故，從而進(jìn)一步提高車輛運(yùn)行的準(zhǔn)確性和安全性，為金屬礦山井下有軌運(yùn)輸無(wú)人駕駛奠定基礎(chǔ)。

1 2種精確定位的基本原理

車載射頻模塊通過(guò)車頭位置天線與軌旁信標(biāo)進(jìn)行通信，當(dāng)車載射頻模塊正確讀到軌旁信標(biāo)時(shí)，射頻模塊將信標(biāo)ID 信息發(fā)送到控制器，控制器傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)定位信標(biāo)位置比對(duì)，為車載控制系統(tǒng)提供機(jī)車的準(zhǔn)確運(yùn)行位置信息。大尹格莊金礦為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放礦，輔以無(wú)線AP 及紅外和行駛距離測(cè)量等多種定位方式，整體設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。UWB 定位需在軌旁安裝定位基站，通過(guò)車載定位卡，定位基站接收定位卡位置信息，協(xié)議轉(zhuǎn)換后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上傳到定位系統(tǒng)上位機(jī)［1-5］。

1.1 基于UWB技術(shù)的井下精確定位系統(tǒng)

1.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)的無(wú)線通訊定位通常利用高頻載波調(diào)制窄帶信號(hào)，接收機(jī)接收后進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，信號(hào)的實(shí)際占用帶寬較窄。而UWB（Ultra Wideband）超寬帶技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)線通信定位技術(shù)差別較大，是通過(guò)調(diào)制解調(diào)納秒級(jí)的極窄脈沖實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的傳輸。因脈沖時(shí)間寬度很窄，因此可實(shí)現(xiàn)頻譜上的超寬帶，使用的帶寬在500 MHz以上。

超寬帶（UWB）定位實(shí)現(xiàn)算法主要有信號(hào)角度測(cè)量法（AOA）、信號(hào)強(qiáng)度分析法（RSS）、到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）、時(shí)間差定位法（TDOA）。信號(hào)角度測(cè)量法通過(guò)計(jì)算被測(cè)點(diǎn)到2 個(gè)接收機(jī)的信號(hào)到達(dá)角度實(shí)現(xiàn)定位，天線配置比較復(fù)雜，角度誤差對(duì)定位精度影響比測(cè)距誤差更大。信號(hào)強(qiáng)度分析法是通過(guò)接收信號(hào)的強(qiáng)度與信號(hào)傳播距離的對(duì)比計(jì)算，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。信號(hào)強(qiáng)度分析法定位覆蓋距離較近，信道傳輸模型的依賴性高，多路徑及環(huán)境條件變化都會(huì)影響定位精度，距離測(cè)量的精度與信號(hào)的帶寬無(wú)關(guān)，不能發(fā)揮UWB 技術(shù)帶寬大的優(yōu)勢(shì)。所以，角度測(cè)量法和信號(hào)強(qiáng)度分析法不單獨(dú)用于UWB 定位，只作為輔助手段的初級(jí)粗略定位，UWB 實(shí)現(xiàn)精確定位主要依靠精密測(cè)距完成。目前最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方式是利用事先布置好的已知位置的錨站，與新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，并利用時(shí)間差定位算法（TDOA），測(cè)量出不同錨站與移動(dòng)標(biāo)簽的傳輸時(shí)延差，通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)錨站的時(shí)間確定標(biāo)簽的距離。利用標(biāo)簽到各個(gè)錨站的距離（以已知位置錨站為中心，錨站信號(hào)覆蓋距離為半徑作圓），就能確定標(biāo)簽的位置。但是絕對(duì)時(shí)間比較難測(cè)量，通過(guò)比較信號(hào)到達(dá)已知位置監(jiān)測(cè)站的絕對(duì)時(shí)間差，就能作出以錨站為焦點(diǎn)、距離差為長(zhǎng)軸的雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。用多個(gè)錨站接收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)標(biāo)簽位置，TDOA 算法與TOA 算法相比不加入專門的時(shí)間戳，定位精度進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于監(jiān)測(cè)站的高精度時(shí)間同步，通過(guò)有線時(shí)間同步可以控制在0.1 ns 以內(nèi)，系統(tǒng)需增加同步控制器并增加網(wǎng)絡(luò)部署成本。

未來(lái)企業(yè)如需大規(guī)模部署UWB 定位技術(shù)，需要在巷道內(nèi)預(yù)先敷設(shè)大量定位基站，而目前DecaWave生產(chǎn)的UWB 芯片DW1000 作為定位基站的核心芯片，其市場(chǎng)占有率達(dá)到95%以上，符合IEEE802.15.4-2011超寬帶標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 核心定位芯片DW1000

DW1000 其定位最小誤差在10 cm 以內(nèi)，最遠(yuǎn)傳輸距離為450 m 直視距離，非直視距離為45 m，是可實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)距和定位的低功耗芯片。

DW1000 需接外部38.4 MHz 的晶振，支持SPI 通信。芯片配備2 個(gè)頻率合成器，可以在500 和900 MHz 工頻模式工作，通過(guò)寫寄存器配置帶寬模式，帶寬（BW）設(shè)置范圍與功耗成正比。DW1000 芯片內(nèi)寄存器不可編程，通過(guò)控制變量賦值實(shí)現(xiàn)控制，時(shí)間同步控制對(duì)寄存器的操作特別嚴(yán)格。此芯片可以通過(guò)2 種方法定位：到達(dá)時(shí)間差（TDOA）以及雙向測(cè)距（TOF）定位。時(shí)間控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致定位誤差。井下環(huán)境濕度大也會(huì)衰減發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，影響定位覆蓋距離，主要因?yàn)闊o(wú)線電波傳播介質(zhì)的性質(zhì)（介電常數(shù)）發(fā)生變化，電磁波波速就會(huì)產(chǎn)生變化。

1.1.3 DW1000定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）錨站。錨站與標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信，接收來(lái)自標(biāo)簽的請(qǐng)求信息、位置更新信息，并對(duì)接入信息響應(yīng)。同時(shí)將位置更新最終位置信息回傳給解算服務(wù)器；從錨站與主錨站進(jìn)行通信信息交互。

（2）標(biāo)簽。標(biāo)簽與錨站進(jìn)行無(wú)線通信，發(fā)送接入請(qǐng)求信息、位置更新信息，并在信息中加入標(biāo)簽電量等信息，反饋為位置更新信息。

（3）應(yīng)用服務(wù)器。該服務(wù)器接收來(lái)自主錨站的含標(biāo)簽ID 的位置更新信息，根據(jù)距離、速度等相關(guān)參數(shù)計(jì)算位置信息，并連同解析的標(biāo)簽電量信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。其中電量更新頻率可以按設(shè)定的周期更新；同時(shí)提供在導(dǎo)入的地圖上進(jìn)行標(biāo)簽跟蹤，路徑回訪等功能。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。該服務(wù)器供解算服務(wù)器、錨站、標(biāo)簽等數(shù)據(jù)寫入、存儲(chǔ)功能。

（5）位置更新流程。在該狀態(tài)下標(biāo)簽已擁有自己專屬的通信時(shí)隙，位置更新流程：首先標(biāo)簽發(fā)起信息給鄰近的3個(gè)錨站，并記錄初始時(shí)間ti（第i次更新）3 個(gè)錨站收到信息并在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)反饋給標(biāo)簽，標(biāo)簽收到反饋消息，并記錄每個(gè)錨站通信的時(shí)間差tj（第j個(gè)錨站），時(shí)間差與無(wú)線電波傳輸速率乘積即為標(biāo)簽與錨站的距離。標(biāo)簽將3 個(gè)距離信息打包回傳給主錨站，主錨站回傳給后臺(tái)上位機(jī)，上位機(jī)服務(wù)器中的解算模塊利用距離信息計(jì)算出本次標(biāo)簽位置更新信息，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，完成位置更新。

1.2 基于RFID技術(shù)的井下精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID 定位是利用電磁感應(yīng)原理，無(wú)線激發(fā)近距離標(biāo)簽讀取定位信息。通過(guò)固定式讀寫器讀取目標(biāo)RFID 標(biāo)簽的特征信息（如身份ID、接收信號(hào)強(qiáng)度等），采用近鄰法、接收信號(hào)強(qiáng)度確定RFID 電子標(biāo)簽所在位置。RFID用于有軌車輛定位的典型應(yīng)用是對(duì)車輛是否存在于某個(gè)區(qū)域的辨識(shí)，不能做到實(shí)時(shí)。因此為實(shí)現(xiàn)精確車輛定位，需增加輔助定位設(shè)施。

大尹格莊金礦有軌車輛定位系統(tǒng)主要包括：位置檢測(cè)、速度檢測(cè)、調(diào)速、位置校正等單元模塊；位置檢測(cè)單元包括電子讀卡器和電子標(biāo)簽，電子讀卡器安裝在電機(jī)車頂部，多個(gè)電子標(biāo)簽設(shè)置在電機(jī)車架線上方以及巷道兩側(cè)，電子標(biāo)簽與電子讀卡器相對(duì)安裝；速度檢測(cè)包括電機(jī)車的從動(dòng)輪和磁性編碼器，磁性編碼器安裝在從動(dòng)輪上，編碼器信號(hào)接入車載控制器，調(diào)速單元包括車載控制器和變頻器；位置校正單元包括激光發(fā)射器裝置和激光接收器裝置，激光發(fā)射器裝置安裝在電機(jī)車的車頭，相對(duì)一側(cè)巷道壁上設(shè)置激光接收器裝置，激光接收器裝置與激光發(fā)射器裝置距離100～105 cm、位于同一水平面上，實(shí)現(xiàn)位置校正。

通過(guò)多重組合定位方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)與精確定位，包括以下4種定位方式。①無(wú)線AP 定位：機(jī)車無(wú)線終端與巷道內(nèi)無(wú)線AP 基站鏈接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定位；②編碼器定位：反饋脈沖結(jié)合車輪周長(zhǎng)計(jì)算移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；③RFID 區(qū)間定位：車載讀卡器讀取巷道內(nèi)信標(biāo)信號(hào)，獲取機(jī)車區(qū)間位置；④組合開(kāi)關(guān)定位：機(jī)車通過(guò)巷道內(nèi)的多重組合開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)特殊位置定位。通過(guò)精確定位輔助以PLC 控制及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車無(wú)人駕駛。

2 應(yīng)用情況

目前金屬礦山車輛定位普遍采用工業(yè)環(huán)網(wǎng)（部分位置因組環(huán)困難，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）下聯(lián)定位卡讀卡分站，通過(guò)環(huán)網(wǎng)保障任意環(huán)網(wǎng)交換機(jī)出現(xiàn)故障或線路中斷，定位系統(tǒng)仍舊可以通訊。

2.1 蠶莊金礦建設(shè)應(yīng)用情況

蠶莊金礦-700 m 水平運(yùn)輸巷采用單巷道運(yùn)輸方式，運(yùn)輸距離長(zhǎng)、道岔路口多，錯(cuò)車巷少，車輛調(diào)度難度較大，影響企業(yè)的安全生產(chǎn)及運(yùn)輸效率。為解決以上問(wèn)題，企業(yè)組建井下環(huán)網(wǎng)，并采用KJ353UWB 無(wú)線定位系統(tǒng)，通過(guò)在運(yùn)輸巷部署UWB 脈沖無(wú)線定位基站，有軌運(yùn)輸電機(jī)車安裝車載定位標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)高精度定位，直線巷道間隔100 m 左右放置1個(gè)基站，精度可以達(dá)到30 cm。車輛運(yùn)行過(guò)程中，位置信息被實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)可以根據(jù)車輛定位情況自動(dòng)對(duì)運(yùn)輸巷道進(jìn)行信號(hào)燈控制，優(yōu)先獲取路權(quán)的電機(jī)車進(jìn)入單路運(yùn)輸巷后，調(diào)度系統(tǒng)將自動(dòng)閉鎖對(duì)向和側(cè)方車道，通過(guò)紅燈提示對(duì)向司機(jī)已經(jīng)有車輛進(jìn)入該區(qū)域，靈活安排運(yùn)輸車輛，提高運(yùn)輸效率。

2.2 大尹格莊金礦建設(shè)應(yīng)用情況

本案例采用ELCO 公司的RF30 信標(biāo)，超高頻（UHF）設(shè)計(jì)，工作頻率為840～960 MHz，IP67 防護(hù)等級(jí)，適合惡劣的工況環(huán)境。目前整套系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行2 a。系統(tǒng)通過(guò)RFID讀卡器讀取巷道信標(biāo)，RFID射頻識(shí)別產(chǎn)品通過(guò)讀取的信標(biāo)編號(hào)進(jìn)行邏輯處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)車區(qū)間定位與自動(dòng)駕駛區(qū)間定速。對(duì)機(jī)車行車狀態(tài)通過(guò)接收光電傳感器反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

車載無(wú)線與巷道定點(diǎn)AP進(jìn)行無(wú)線通訊，AP通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)鏈接控制中心實(shí)現(xiàn)機(jī)車與控制中心上位機(jī)數(shù)據(jù)交互，可在上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車狀態(tài)，對(duì)機(jī)車位置實(shí)時(shí)跟蹤?？刂浦行目蛇h(yuǎn)程下發(fā)控制命令至機(jī)車車載控制器，車載控制器接收信號(hào)后可判斷當(dāng)前行車狀態(tài)，將控制信號(hào)下發(fā)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車的加減速、剎車、前進(jìn)后退等自動(dòng)控制。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

電磁波的傳輸受天線位置、空間損耗、多路徑等等影響，厘米級(jí)的定位用射頻難度較大。RFID 定位精度主要取決于射頻標(biāo)簽的密度，由于技術(shù)和應(yīng)用環(huán)境限制，仍然不屬于真正意義上的精確定位；UWB技術(shù)可以基本滿足高抗干擾能力、高精度定位、低成本、高安全性、低能耗及低發(fā)射功率、收發(fā)器體積小等無(wú)線定位技術(shù)要求，是未來(lái)無(wú)線定位的首選，但任何一個(gè)定位點(diǎn)上都需要有3個(gè)定位基站的支持，UWB定位算法是基于3點(diǎn)定位的，如果基站的數(shù)量降低會(huì)影響定位的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

任何單純的定位技術(shù)均很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛級(jí)別的精確定位，因此出現(xiàn)了射頻定位、超帶寬定位、WIFI定位等多種方式融合以提高定位精度。企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，以滿足企業(yè)安全生產(chǎn)需要為前提，綜合考慮定位精度、造價(jià)等因素，靈活配置及使用，以不斷提高車輛定位精度。UWB技術(shù)作為目前應(yīng)用比較廣泛的精確定位技術(shù)，未來(lái)將發(fā)揮主導(dǎo)作用，通過(guò)增加慣導(dǎo)輔助、激光三維掃描與車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)適時(shí)比對(duì)等融合定位，最終可以實(shí)現(xiàn)井下高速無(wú)人自動(dòng)駕駛運(yùn)輸。