柏思忠

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039）

隨著工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網、人工智能系統(tǒng)、物聯(lián)網等相關技術的發(fā)展，對于各類傳感器的應用需求愈發(fā)增大，例如我國提出的《中國制造2025））和德國政府推出的《Hightech-Strategie 2020 für Deutschland》都將智能傳感器系統(tǒng)（Smart Sensors System）列入戰(zhàn)略發(fā)展領域[1]。GB/T 34069—2017《物聯(lián)網總體技術 智能傳感器特性與分類》[2]明確了智能傳感器定義和特性，其中智能傳感器的物聯(lián)網特性要求能自動向外部發(fā)出信息描述自己的位置，在物聯(lián)網中能自動識別自身在網絡中的位置。GB/T 33900—2017《工業(yè)物聯(lián)網儀表應用屬性協(xié)議》[3]規(guī)定工業(yè)物聯(lián)網儀表位置屬性是指工業(yè)物聯(lián)網儀表的安裝位置，是經緯度確定的絕對位置、海拔高度以及相對位置信息。

礦用智能傳感器工作在井下巷道，無法接收地面衛(wèi)星信號，位置信息必須依靠室內定位技術。張勝利等[4]在室內定位方法和技術綜述中闡述了WiFi、地磁、慣導、Zigbee、藍牙、RFID、紅外、超聲波、UWB等主流室內定位技術的優(yōu)缺點；胡青松等[5]在礦井動目標定位：挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀與趨勢中重點從原理、方法和算法上闡述了WiFi、Zigbee、藍牙、RFID、紅外、超聲波、UWB 等主流無線定位技術需要外圍預裝設備配合才能實現(xiàn)定位，預裝設備增加了成本和不確定性；另外采用地磁數(shù)據庫比對方式的地磁定位易受設備布局和環(huán)境因素變化影響；最后單一慣導存在累積誤差的影響，隨著時間和距離的增加會增大。因此，現(xiàn)有的單一定位技術無法滿足智能傳感器定位的要求。為此，針礦用智能傳感器地面和井下定位的問題，采用地磁輔助慣導/北斗（BDS）的組合定位模式[6]，全部國產化芯片方案，研制出低功耗的自主定位模塊，并將自主定位模塊帶載到現(xiàn)有高低體積分數(shù)甲烷傳感器實現(xiàn)傳感器自主定位功能。

1 地磁輔助慣導/北斗組合定位

1.1 地磁輔助的慣導/北斗組合定位原理

地磁輔助慣導/北斗組合定位原理框圖如圖1。

圖1 組合定位原理框圖Fig.1 Block diagram of combined positioning principle

組合定位在地面以北斗定位為主，沒有衛(wèi)星信號的地方慣導[7]輔助定位，煤礦井下以慣導為主，地磁輔助定位[8]。慣導系統(tǒng)是利用MEMS 慣性測量單元（MEMS IMU）測量載體的加速度，并在給定運動初始條件下，由MCU 算出傳感器的速度、距離和相對位置，由陀螺儀測量傳感器的角速率，并經轉換、處理，輸出傳感器的姿態(tài)。由于慣性器件存在著累計誤差，解算出來的姿態(tài)信息并不準確，所以利用地磁對其進行輔助，在特定地點進行標校消除系統(tǒng)累計誤差[9]。

1.2 慣導姿態(tài)更新算法

根據慣性器件的輸出實時計算出傳感器的姿態(tài)矩陣，姿態(tài)計算采用四元數(shù)法[10-11]，根據一段時間（k時刻到k+1 時刻）內的角度變化量來解算出最新時刻的四元數(shù)，如式（1）：

式中：Q 為姿態(tài)四元數(shù)，由1 個實部 和3 個虛部構成，Q＝q0＋q1i q1＋q2i q2＋q3i q3；tk為k 時刻；tk+1為（k＋1）時刻；ωx為陀螺儀x 軸角速率；ωy為陀螺儀y軸角速率；ωz為陀螺儀z 軸角速率；t 為時間。

對于固定輸出頻率的陀螺儀而言，計算精度受到陀螺儀輸出頻率的影響，輸出頻率越高，計算精度越高，考慮實際硬件計算能力和需求情況，陀螺儀數(shù)據更新頻率選取0.01 s。當?shù)弥藨B(tài)四元數(shù)時，根據四元數(shù)與姿態(tài)角之間的關系計算出姿態(tài)角[12]，根據陀螺儀實時輸出不斷更新姿態(tài)。

式中：θ 為俯仰角；γ 為橫滾角；ψ 為航向角。

1.3 慣導速度更新算法

取當?shù)氐乩碜鴺讼担|北天-ENU）作為導航坐標系，在從kT 時刻到（k+1）T 時刻的1 個周期T 內，由東北天方向的速度微分方程[1]可以得到東向、北向和天向速度的更新方程：

式中：VE為東向速度；VN為北向速度；VU為天向速度；fE為東向加速度；fN為北向加速度；fU為天向加速度；ωie為位置速率；L 為經度；RN為卯酉圈的曲率半徑；RM為子午圈的曲率半徑；H 為高度；g0為重力加速度；T 為更新時間周期。

1.4 慣導位置更新算法

在從kT 時刻到（k+1）T 時刻的1 個周期T 內，傳感器的經度L 遞推更新方程、緯度B 遞推更新方程、高度H 遞推更新方程如式（6）～式（8）：

1.5 地磁輔助定位算法

在載體靜態(tài)或者勻速運動的狀態(tài)下，單獨利用加速度計只能得到俯仰角和橫滾角，航向角信息需要通過三軸磁強計輔助定位計算[13]，通過預測礦井定位區(qū)域內巷道分叉和轉折點的磁場強度作為慣導信息的標定點，分段調整方向余弦陣，消除慣導累計誤差。

式中：ψ 為航向角；θ 為俯仰角；M 為本地磁場強度；η 為磁傾角；mx為磁強強度x 軸分量。

1.6 北斗定位算法

2 自主定位模塊構成及電路

自主定位模塊包括中央微處理器（MCU）、慣性導航、北斗導航、數(shù)據存儲、數(shù)據接口、電平轉換、電源轉化和外部接口等電路。在地面北斗衛(wèi)星接收信號正常時以北斗定位為主，沒有衛(wèi)星信號的地方以慣導輔助定位；煤礦井下以慣導為主，地磁輔助定位，以此實現(xiàn)智能傳感器地磁輔助慣導/北斗組合定位功能。自主定位模塊構成框圖如圖2，自主定位模塊電路圖如圖3。

圖2 自主定位模塊構成框圖Fig.2 Principle block diagram of autonomous positioning module

圖3 自主定位模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of autonomous positioning module

3 自主定位模塊關鍵技術

整個模塊硬件采用低功耗和國產化設計，軟件采用了零速修正算法、四元數(shù)法、地磁輔助修正算法，實現(xiàn)了智能傳感器移動軌跡存儲和反演。

3.1 模塊硬件低功耗和國產化

MCU 選擇超低功耗HC32L130，0.9 μA @3 V深度休眠模式+ RTC 工作；130 μA/MHz@ 3V@24 MHz 工作模式：CPU 和外設運行，從Flash 運行程序；4 μs 超低功耗喚醒時間，使模式切換更加靈活高效。

MEMS IMU 采用9 軸芯片ICM-20948，3 軸加速度、3 軸陀螺儀和3 軸磁強計，1.8 V 供電，僅需2.5 mW，是目前世界上功耗最低的9 軸慣導芯片。

北斗定位采用低功耗一體化模組TAU1103，工作時3.3 V 供電35 mA，待機模式電流僅需14 μA。

數(shù)據存儲Flash 選用低功耗MX25L128，3.3 V供電最大電流25 mA，休眠狀態(tài)電流不超過20 μA。

自主定位模塊3.3 V 供電時，工作電流小于80 mA，休眠狀態(tài)小于2 mA；外接USB 采用5 V 供電時，工作電流小于100 mA，休眠狀態(tài)小于3 mA。

所有芯片選擇都遵循國產化原則，全部國產化，避免“卡脖子”問題出現(xiàn)。自主定位模塊所有芯片和廠家見表1。

表1 模塊芯片生產廠家統(tǒng)計表Table 1 Total table of module chip manufacturers

3.2 關鍵算法及軟件設計

關鍵算法包括開機零速修正、四元數(shù)法移動過程姿態(tài)角和位置更新、地磁輔助修正轉彎點航向角3 部分。

零速修正是指智能傳感器上電開機后，靜止一段時間后將速度計算結果清零，達到修正速度誤差的目的。為充分利用開機靜止檢測結果，要求智能傳感器在移動前的起始點靜止30 s 以上，并且將該點建立為平面內相對移動的坐標原點O（0，0）。

四元數(shù)法時陀螺儀輸出的3 軸角速度數(shù)據經過卡爾曼濾波后代入式（1）不斷更新四元數(shù)，更新后的四元數(shù)代入式（2）得到實時姿態(tài)角；慣性導航輸出的3 軸加速度數(shù)據經過式（3）～式（8）轉換為速度更新再到位置更新。

地磁輔助修正是根據實時輸出的3 軸地磁數(shù)據，當智能傳感器在直線運動或有一定弧度的巷道移動時，單位長度內航向角變化不超過閾值（＜15°/m）時，地磁數(shù)據不參與導航參數(shù)航向角修正，智能傳感器移動到礦井定位區(qū)域內巷道分叉和轉折點等這些地磁標定點時，航向角變化超過閾值，該點的航向角如式（9）以地磁數(shù)據為準進行修正，實現(xiàn)地磁輔助定位功能。

結合3 部分算法，智能傳感器自主定位軟件流程圖如圖4。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

當系統(tǒng)開機時，首先將煤礦井下巷道標定點地磁位置數(shù)據下載到存儲單元中，再配置慣性導航參數(shù)，讀取3 軸陀螺儀、3 軸加速度和3 軸地磁數(shù)據，完成初始化；然后將傳感器上電開機，在起始點靜止30s 以上，完成零速修正。實時判斷衛(wèi)星信號有效性，能有效接收北斗衛(wèi)星信號，直接將北斗定位數(shù)據作為當前坐標和位置更新數(shù)據；不能有效接收衛(wèi)星數(shù)據時，以慣性導航為主、地磁校準點比對輔助，更新姿態(tài)角和位置信息，更新后的姿態(tài)角和位置信息一邊輸出一邊存儲，單次處理完畢后重復上述主循環(huán)操作，實現(xiàn)智能傳感器實時更新自主定位信息。

4 試驗驗證

將自主定位模塊搭載到高低體積分數(shù)甲烷傳感器內部，并備有蓄電池可供持續(xù)工作8 h 以上。在地面全長376 m 某環(huán)形道路上，將環(huán)形道的地圖對應彎道處設置標定點A（0，43）、B（－115，46）、C（－116，－24）、D（0，－25）。生成的地磁矩陣數(shù)據如式（11），將其下載到傳感器。

提著傳感器開機后靜止30 s，出發(fā)移動1 圈，回到起點后靜止5 s，測試結果移動軌跡和實際環(huán)道吻合程度較高，終點和起點相差約2 m，航向偏差約2°，整個移動距離375.01 m，與參考距離378 m 相差2.99 m，相對誤差0.8%。

5 結 語

針對智能傳感器物聯(lián)網特性要求，采用地磁輔助的慣導/北斗組合定位算法，研制了智能傳感器自主定位模塊。智能傳感器搭載自主定位模塊可完成移動軌跡存儲和反演，在網傳感器可實時更新位置、速度和姿態(tài)信息，離線傳感器可在恢復網絡后補傳定位信息反演移動軌跡，實現(xiàn)了智能傳感器物聯(lián)網特性要求能自動向外部發(fā)出或自動識別自己的位置信息，智能傳感器自主定位具有以下4 個方面優(yōu)點：①依靠自身測量信息進行連續(xù)定位；②不需接收外部信息，不受外界干擾；③不向外部輻射能量，具有隱蔽性；④同時確定傳感器位置、速度和姿態(tài)信息。但在實際應用中，智能傳感器還需要解決移動中供電和通信問題，才能進一步實用。