溫賢培

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

煤礦安全“六大系統(tǒng)”中高精度的人員定位系統(tǒng)是工作人員安全生產(chǎn)的有力保障[1-3]。相對(duì)于地面普遍采用的GPS 定位技術(shù)，煤礦井下采用藍(lán)牙、Zigbee、RFID、UWB 等室內(nèi)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員定位，傳統(tǒng)2.4 GHz 定位技術(shù)幾乎都采用RSSI 判斷距離的方法實(shí)現(xiàn)定位，煤礦井下空間狹小、路況復(fù)雜、粉塵量大，導(dǎo)致RSSI 信號(hào)極不穩(wěn)定，定位精度通常只能達(dá)到米級(jí)，已不適應(yīng)定位精度需求越來越高的煤礦井下人員定位系統(tǒng)[4-6]。

UWB 技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，它采用超寬帶方式進(jìn)行信息傳輸，單通道帶寬可達(dá)500 MHz，頻譜覆蓋3.5 GHz 到6 GHz 范圍，由于采用瞬時(shí)尖峰脈沖發(fā)射數(shù)據(jù)，不需要使用像傳統(tǒng)無線通信體制中的載波，其具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度低，發(fā)射信號(hào)穿透力強(qiáng)，信息安全性高，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無線接入，且可采用類GPS 定位方式實(shí)現(xiàn)高并發(fā)量需求，現(xiàn)已成為室內(nèi)定位首選定位技術(shù)[7-8]。煤礦井下采用UWB 讀卡器實(shí)現(xiàn)井下人員精度定位，UWB 讀卡器根據(jù)安裝環(huán)境選用不同長(zhǎng)度的饋線和不同型號(hào)的天線，為確保定位精度滿足標(biāo)準(zhǔn)需求，現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后需進(jìn)行天線延時(shí)參數(shù)標(biāo)定，傳統(tǒng)標(biāo)定方法采用全站儀進(jìn)行標(biāo)定距離測(cè)量，并手動(dòng)迭代校準(zhǔn)天線延時(shí)參數(shù)以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，在煤礦井下操作難度較大且極其不方便，需要一種方便快捷的標(biāo)定方法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

1 UWB 測(cè)距原理

UWB 信號(hào)在本質(zhì)上是占空比很短的射頻脈沖信號(hào)，并在脈沖信號(hào)上進(jìn)行無載波擴(kuò)譜，用戶要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行一定方式調(diào)制后放大到所需功率，再通過變壓器和電容耦合到天線發(fā)射出去，信號(hào)發(fā)射瞬間功率較大但功率譜密度卻很小。當(dāng)天線接收到UWB 信號(hào)時(shí)同樣經(jīng)過變壓器和電容耦合到信息接收端，對(duì)接收信息進(jìn)行濾波放大再經(jīng)過一系列復(fù)雜算法進(jìn)行信息分離，分離出前導(dǎo)碼、序列號(hào)、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼以及干擾等信息，并對(duì)信息進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)，最后輸出數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)報(bào)告。

UWB 實(shí)現(xiàn)精確定位可以采用時(shí)間差定位法（TDOA）、到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）、相位差定位法（PDOA）以及飛行時(shí)間定位法（TOF），但不管采用哪種定位法都會(huì)受到天線延時(shí)參數(shù)的影響。UWB 測(cè)距流程如圖1。

圖1 UWB 測(cè)距流程Fig.1 UWB Ranging process

Tag 發(fā)出Poll 幀經(jīng)過天線發(fā)送延時(shí)Ttx2時(shí)間段后發(fā)射到空氣中，Poll 幀發(fā)送時(shí)間戳計(jì)為Poll_Tx，Anchor 接收到Poll 幀時(shí)間戳計(jì)為Poll_Rx，經(jīng)過天線接收延時(shí)Trx1時(shí)間段后接收數(shù)據(jù)，Anchor 處理數(shù)據(jù)所需時(shí)間為Tt1’，然后發(fā)出Resp 幀數(shù)據(jù)，經(jīng)過天線發(fā)送延時(shí)Ttx1時(shí)間段后發(fā)送到空氣中，Resp 數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間戳為Resp_Tx，Tag 采用同樣的方式處理，根據(jù)式（1）可求出測(cè)距距離d：

式中：d 為測(cè)距距離；Tta為Poll_Tx 和Resp_Rx時(shí)間差；Ttb為Poll_Rx 和Resp_Tx 時(shí)間差；Ttc為Resp_Rx和Final_Tx 時(shí)間差；Ttd為Resp_Tx 和Final_Rx 時(shí)間差；c 為光速。

為了確保測(cè)距精度滿足使用需求，公式中的變量都必須精準(zhǔn)可靠，以Ttb時(shí)間測(cè)量為例，UWB 芯片只能夠直接測(cè)量出Tt1’的值，然后加上Trx1和Ttx1的值得出Ttb的值，Trx1、Ttx1分別為Anchor 天線的接收、發(fā)送延時(shí)，接收、發(fā)送延時(shí)參數(shù)偏差都會(huì)影響測(cè)距精度，因此UWB 讀卡器天線延時(shí)參數(shù)標(biāo)定準(zhǔn)確與否將直接影響距離測(cè)量精度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

UWB 讀卡器天線延時(shí)參數(shù)標(biāo)定前必須準(zhǔn)確測(cè)量出待標(biāo)定的距離值，通?？刹捎眉す鉁y(cè)距儀或全站儀進(jìn)行精確測(cè)量，但普通的激光測(cè)距儀量程較短不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，全站儀測(cè)距精度高達(dá)毫米級(jí)，測(cè)量范圍也可上千米，但是全站儀標(biāo)定流程太復(fù)雜也太費(fèi)時(shí)，不能滿足復(fù)雜環(huán)境下快速自動(dòng)標(biāo)定UWB 天線的需求。UWB 測(cè)距技術(shù)本身就滿足厘米級(jí)的距離測(cè)量，采用特殊匹配的UWB 設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定距離測(cè)量，并通過濾波處理作為標(biāo)定距離供UWB讀卡器自動(dòng)標(biāo)定使用，UWB 讀卡器根據(jù)標(biāo)定距離自動(dòng)修改UWB 天線延時(shí)參數(shù)，直到UWB 讀卡器測(cè)距值與標(biāo)定值偏差在規(guī)定范圍內(nèi)則認(rèn)為標(biāo)定完成。

將UWB 標(biāo)識(shí)卡放置于UWB 讀卡器前一段距離并固定不動(dòng)，放置距離最好大于100 m 以上，減少其它因數(shù)造成的測(cè)距偏差。UWB 測(cè)距通常會(huì)有10 cm 左右的波動(dòng)偏差，系統(tǒng)將100 次測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行順序排序，取中間40 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波算出標(biāo)定值Dt，UWB 手持讀卡器將標(biāo)定距離Dt通過UWB 網(wǎng)絡(luò)傳輸給UWB 讀卡器并啟動(dòng)自動(dòng)標(biāo)定流程。

UWB 讀卡器接收到標(biāo)定距離Dt后啟動(dòng)自動(dòng)標(biāo)定程序，自動(dòng)標(biāo)定程序超時(shí)時(shí)間為8 s，UWB 讀卡器測(cè)距值與Dt相差10 cm 以內(nèi)且則認(rèn)為標(biāo)定成功，否則標(biāo)定失敗。標(biāo)定流程圖如圖2。

圖2 標(biāo)定流程圖Fig.2 Calibration flow chart

2.2 通信協(xié)議

UWB 手持讀卡器入網(wǎng)到UWB 讀卡器網(wǎng)絡(luò)，UWB 讀卡器分配時(shí)序以供與UWB 手持讀卡器通訊。通信協(xié)議由UWB 手持讀卡器發(fā)起，UWB 讀卡器接收信息后回傳信息完成數(shù)據(jù)交互。

1）UWB 手持讀卡器協(xié)議。請(qǐng)求協(xié)議附帶工作模式控制字，通知UWB 讀卡器切換為何種工作模式，模式分為測(cè)距模式和標(biāo)定模式，同時(shí)傳輸供UWB天線標(biāo)定所使用的距離標(biāo)定值。UWB 手持讀卡器通信協(xié)議見表1。

表1 UWB 手持讀卡器通信協(xié)議Table 1 Communication protocol of UWB hand-held card reader

2）UWB 讀卡器協(xié)議。讀卡器接收標(biāo)定命令后進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)，并停止與標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行正常測(cè)距，接收標(biāo)定啟動(dòng)命令后進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定，并實(shí)時(shí)傳回標(biāo)定狀態(tài)。UWB 讀卡器通信協(xié)議見表2。

表2 UWB 讀卡器通訊協(xié)議Table 2 Communication protocol of UWB card reader

3 自動(dòng)標(biāo)定

PID 控制算法具有歷史悠久，性能穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，適應(yīng)性強(qiáng)，控制參數(shù)相互獨(dú)立，良好的閉環(huán)控制性能等優(yōu)點(diǎn)，也是應(yīng)用最廣的控制算法之一[9-10]。系統(tǒng)中采用了增量式PID 控制算法進(jìn)行控制，增量式PID 控制算法相對(duì)于位置式PID 控制算法不需要做累加，而是在當(dāng)前控制量的基礎(chǔ)上增加控制量達(dá)到調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。計(jì)算出現(xiàn)故障時(shí)可丟掉本次增量，減小故障影響，由于執(zhí)行器本身具有記憶功能，可保持上次操作。UWB 天線標(biāo)定系統(tǒng)延時(shí)小、慣性小，能迅速反饋天線參數(shù)變化改變的測(cè)距變化，可取消增量式PID 算法里面的微分項(xiàng)，采用PI 控制已完全能適應(yīng)需求。計(jì)算公式如式（2）：

u（k）=u（k-1）+KP［e（k）-e（k-1）］+KIe（k）（2）

式中：u（k）為天線標(biāo)定值；u（k-1）為上次天線標(biāo)定值；KP為比例參數(shù)；KI為積分參數(shù)；e（k）為標(biāo)定值與測(cè)量值偏差；e（k-1）為上次標(biāo)定值與測(cè)量值之間的偏差。

采用PID 控制后UWB 讀卡器將會(huì)自動(dòng)判斷標(biāo)定距離與測(cè)量距離的偏差值進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)修正，以達(dá)到快速自動(dòng)標(biāo)定的需求，自動(dòng)標(biāo)定成功除了判斷標(biāo)定值與測(cè)量值偏差在10 cm 以內(nèi)，還需對(duì)測(cè)量值進(jìn)行均方差處理引入測(cè)距數(shù)據(jù)波動(dòng)判斷，只有同時(shí)滿足測(cè)距值波動(dòng)小的情況下才能標(biāo)定成功。

4 測(cè)試驗(yàn)證

山西鑫巖煤礦搭建環(huán)境測(cè)試，針對(duì)多臺(tái)UWB讀卡器在100 m 處進(jìn)行標(biāo)定并檢測(cè)不同距離測(cè)距精度，根據(jù)數(shù)據(jù)分析測(cè)試效果，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

由表3 可得，UWB 讀卡器采用自動(dòng)標(biāo)定方法標(biāo)定后的測(cè)距值總體偏差在20 cm 左右，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定30 cm 以內(nèi)的精度需求；現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，未能測(cè)試在200、300、400 m 處標(biāo)定后進(jìn)行測(cè)距的偏差值，后續(xù)測(cè)試中將驗(yàn)證不同環(huán)境不同距離自動(dòng)標(biāo)定天線延時(shí)參數(shù)對(duì)測(cè)距精度的影響。

表3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Field test data

5 結(jié) 語(yǔ)

從UWB 測(cè)距原理分析出發(fā)，研究UWB 讀卡器現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定方法，采用手持UWB 讀卡器協(xié)助UWB 讀卡器快速自動(dòng)標(biāo)定，標(biāo)定后測(cè)距精度滿足標(biāo)準(zhǔn)需求。但標(biāo)定時(shí)標(biāo)識(shí)卡與讀卡器必須處于可視范圍內(nèi)，否則可能會(huì)出現(xiàn)標(biāo)定失敗或標(biāo)定后測(cè)距精度不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定30 cm 以內(nèi)的精度需求，后續(xù)可針對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)研究更合適的濾波算法，為UWB 讀卡器提供更準(zhǔn)確的標(biāo)定數(shù)據(jù)提高標(biāo)定精度。