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        煤礦現(xiàn)場人員二維精確定位方法

        2023-03-04 09:56:34溫賢培
        煤礦安全 2023年1期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        溫賢培

        (中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039)

        人員定位系統(tǒng)作為煤礦現(xiàn)場安全生產(chǎn)的重要保障,通常采用RFID、藍(lán)牙、ZigBee、紅外線超聲波等技術(shù)實現(xiàn)人員定位功能,但煤礦現(xiàn)場設(shè)備安放雜亂、粉塵浮游物含量高、多徑效應(yīng)嚴(yán)重等諸多因數(shù)影響導(dǎo)致傳統(tǒng)定位技術(shù)定位精度較差,越來越不能滿足現(xiàn)階段高并發(fā)量、高精度的現(xiàn)場使用需求。UWB 超寬帶技術(shù)相比傳統(tǒng)人員定位系統(tǒng)而言,具有定位精度高、穿透性強(qiáng)、抗多徑強(qiáng)、并發(fā)量高等特點,現(xiàn)已成為煤礦現(xiàn)場主流人員定位技術(shù)[1-4]。TOF二維定位通過對標(biāo)識卡分配測距時序,標(biāo)識卡根據(jù)測距時序依次與定位區(qū)域的基站進(jìn)行DS-TWR 測距,然后將標(biāo)識卡與各個基站測距數(shù)據(jù)上傳中心站,最后中心站定位引擎根據(jù)測距距離解算出二維坐標(biāo),但TOF 二維定位要求標(biāo)識卡依次與定位區(qū)域基站進(jìn)行DS-TWR 測距,定位時間長且定位流程較復(fù)雜。為此,將TOF 結(jié)合TDOA 進(jìn)行二維定位,只需標(biāo)識卡與定位區(qū)域主基站進(jìn)行1 次DS-TWR 測距,中心站定位引擎即可求解出標(biāo)識卡與定位區(qū)域各個基站距離并求解出二維坐標(biāo),該定位方法即保證了二維定位精度,也實現(xiàn)了快速定位的需求[5-7]。

        1 系統(tǒng)設(shè)計

        TOF 結(jié)合TDOA 定位示意圖如圖1。

        圖1 TOF 結(jié)合TDOA 定位示意圖Fig.1 TOF combined with TDOA positioning diagram

        TOF 結(jié)合TDOA 進(jìn)行二維定位時采用4 個基站進(jìn)行聯(lián)合定位,標(biāo)號依次為Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4,Anchor1 負(fù)責(zé)和標(biāo)識卡(Tag) 進(jìn)行DS-TWR 測距,其它基站負(fù)責(zé)進(jìn)行監(jiān)聽DS-TWR 測距過程中的所有信息。當(dāng)Tag 進(jìn)入該區(qū)域后會發(fā)起入網(wǎng)請求幀,Anchor1 接收到入網(wǎng)請求幀之后會存儲里面附帶的信息并為Tag 分配測距時序,當(dāng)測距時序到達(dá)后Tag 主動與Anchor1 進(jìn)行DS-TWR 測距,在測距過程中另外3 個基站將監(jiān)聽DS-TWR 測距過程中的所有信息,并將信息進(jìn)行存儲上傳中心站定位引擎,定位引擎可分別求解出Tag 距離各個基站的距離,進(jìn)而求解出標(biāo)識卡二維坐標(biāo)。

        2 TOF 結(jié)合TDOA 二維定位

        2.1 TOF 無線測距

        TOF 定位技術(shù)通過測量無線信號的傳播時間來計算標(biāo)識卡與基站之間的距離,但標(biāo)識卡與基站間晶振時鐘頻率不同且不同步導(dǎo)致測量誤差,采用雙邊雙向測距(DS-TWR)方法進(jìn)行測距能夠有效減少晶振引入的測量誤差[8-10]。DS-TWR 測距流程如圖2。

        圖2 DS-TWR 測距流程Fig.2 DS-TWR ranging process

        標(biāo)識卡發(fā)送測距請求幀(Poll)并檢測發(fā)送時間戳,基站接收Poll 幀并檢測Poll 幀接收時間戳,由于標(biāo)識卡和基站間沒有時鐘同步,因此無法獲取兩者間信息傳輸時的飛行時間。經(jīng)過雙向測距后基站發(fā)出測距響應(yīng)幀(Resp),標(biāo)識卡接收Resp 后回復(fù)測距數(shù)據(jù)幀(Fianl)。

        經(jīng)過DS-TWR 測距后可以得到6 個時間戳,即Poll_Tx、Poll_Rx、Resp_Tx、Resp_Rx、Final_Tx、Final_Rx,根據(jù)式(1)可求出標(biāo)識卡與基站間距離d:

        式中:Tround1為Poll_Tx 和Resp_Rx 時間差;Treply1為Poll_Rx 和Resp_Tx 時間差;Tround2為Resp_Rx 和Final_Tx 時間差;Treply2為Resp_Tx 和Final_Rx 時間差;c 為光速;d 為測距距離。

        2.2 TOF 結(jié)合TDOA 測距

        TDOA 由于定位速度高,相比TOF 使用得更廣泛,但TOF 的計算精度優(yōu)于TDOA。TDOA 在定位區(qū)域內(nèi)定位精度尚可,在定位區(qū)域外定位精度較差,而TOF 在定位區(qū)域內(nèi)外都具有不錯的定位精度,并且TOF 定位精度優(yōu)于同一基站布局的TDOA 定位精度,還可布置更大的定位面積。因此將TOF 和TDOA結(jié)合起來進(jìn)行定位,可以滿足定位速度快和定位精度高的需求。TOF 結(jié)合TDOA 定位算法無需采用專門的時鐘同步基站,標(biāo)識卡只需與定位區(qū)域內(nèi)的1個基站完成1 次DS-TWR 測距就可以實現(xiàn)標(biāo)識卡與區(qū)域內(nèi)的所有基站完成測距。TOF 結(jié)合TDOA 測距時序圖如圖3。

        圖3 TOF 結(jié)合TDOA 測距時序圖Fig.3 TOF combined with TDOA ranging sequence diagram

        Tag 進(jìn)入聯(lián)合定位區(qū)域并與Anchor1 進(jìn)行入網(wǎng),當(dāng)測距時序到達(dá)后Tag 發(fā)起Poll 幀與Anchor1 進(jìn)行DS-TWR 測距。Tag 發(fā)送完畢Poll 幀之后記錄下發(fā)送時間戳T0A,Anchor1 接收到Poll 幀之后記錄下接收時間戳T1A,此時Anchor2 也處于監(jiān)聽狀態(tài),同樣可以監(jiān)聽到Poll 幀。

        Anchor1 將接收到的Poll 幀信息進(jìn)行處理,處理完畢后回復(fù)Resp 幀表示Anchor1 已經(jīng)成功接收到Poll 幀,并記錄下Resp 幀發(fā)送時間戳T1B,Tag 接收到Resp 幀之后會保存Resp 幀附帶的信息同時記錄下Resp 幀接收時間戳T0B,Anchor2 也記錄下Resp 幀接收時間戳T2B。

        最后Tag 將發(fā)起Final 幀,F(xiàn)inal 幀采用延時發(fā)送模式即定時發(fā)送,F(xiàn)inal 幀里面將附帶T0A、T0B以及Final 幀發(fā)送時間戳T0C,Anchor1 和Anchor2 接收到Final 幀的時間戳分別記作T1C和T2C,DS-TWR 測距流程完畢后各個基站會將時間戳發(fā)送到中心站進(jìn)行結(jié)算。

        當(dāng)通過DS-TWR 測量出Tag 與Anchor1 距離d1之后可以利用TDOA 技術(shù)測量出Anchor2、Anchor3、Anchor4 分別距離Tag 的距離d2、d3、d4,以圖3 時序為例,計算Anchor2 與Tag 之間距離d2,公式如下:

        式中:d1為Tag 與Anchor1 距離;d2為Tag 與Anchor2 距離;d12為Anchor1 和Anchor2 距離;△T12為Poll 幀傳輸?shù)紸nchor1 和Anchor2 的時間差;T12為Resp 幀在Anchor1 和Anchor2 之間傳輸時間;c為光速。

        由式(2)~式(4)可以得出:

        上述公式建立的前提是Anchor1 和Anchor2 這2 個基站UWB 信號部分時鐘是同步的,現(xiàn)實應(yīng)用中時鐘不可能同步,這里將Anchor2 時鐘同步到Anchor1 時鐘,從圖3 可知Anchor1 接收Poll 幀到Final幀中間的時間段是一定的,Anchor2 接收Poll 幀到Final 幀中間的時間段應(yīng)該與Anchor1 相等,因此可以得到Anchor2 與Anchor1 的時間同步系數(shù)k,公式如下:

        時間同步后公式如下:

        因為基站在現(xiàn)場安裝完畢后會測量出各個基站的坐標(biāo),那么基站與基站之間的距離就可事先計算出來,即d12表示Anchor1 和Anchor2 之間距離為常數(shù),通過上述方法也可以計算出d3、d4,那么只需1次DS-TWR 測距就可以計算出Tag 距離各個基站之間的距離。

        3 二維定位坐標(biāo)解算

        TOA 定位示意圖如圖4。

        圖4 TOA 定位示意圖Fig.4 TOA positioning diagram

        通過TOF 結(jié)合TDOA 測距分別測量出了Tag距離各個基站的距離分別為d1、d2、d3、d4,標(biāo)識卡的坐標(biāo)位置可以理解為以4 個基站的坐標(biāo)作為圓心,分別以d1、d2、d3、d4作為各自基站的半徑進(jìn)行畫圓,各個圓的相交點即為標(biāo)識卡坐標(biāo),即通過TOA 定位算法進(jìn)行坐標(biāo)解算。

        Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4 4 個基站的位 置 分 別 是(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc),(xd,yd)標(biāo) 識 卡節(jié)點Tag 的坐標(biāo)為(x,y),Tag 有4 個圓相交可得:

        上述公式中通過3 組等式即可求解出標(biāo)識卡坐標(biāo),4 組等式隨機(jī)組合可求解出4 個標(biāo)識卡坐標(biāo),將4 個坐標(biāo)值進(jìn)行卡爾曼濾波處理后可以得到更準(zhǔn)確標(biāo)識卡坐標(biāo)值。但現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,信號干擾以及非視距等原因都會導(dǎo)致每個基站距離測量誤差不同,上述公式就會出現(xiàn)無解的情況,需要通過最小二乘法、三角質(zhì)心法等算法應(yīng)對現(xiàn)實情況下存在的測量誤差,對標(biāo)識卡二維坐標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)估算。

        4 測試試驗

        設(shè)計了針對TOF 結(jié)合TDOA 二維定位專用讀卡器,在上位機(jī)中心站實現(xiàn)定位引擎坐標(biāo)解算功能,并通過WebGIS 圖實時顯示標(biāo)識卡定位坐標(biāo)。

        針對測試場地現(xiàn)場實際情況采用了6 臺讀卡器、6 個防爆電源、1 個交換機(jī)、1 臺工控機(jī)以及3 張標(biāo)識卡進(jìn)行測試,6 臺讀卡器布置出2 個20 m×20 m 的相鄰定位區(qū)域,中心站定位引擎將2 個定位區(qū)域坐標(biāo)進(jìn)行融合。

        測試過程中選取3 個點作為測試點,3 個點的坐標(biāo)分別為2 個區(qū)域的中間點以及區(qū)域的交界處,將3 張標(biāo)識卡分別放置于測試點進(jìn)行測試,將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并分析?,F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表1。

        表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Table 1 Field test data

        由表1 可知,采用TOF 結(jié)合TDOA 進(jìn)行二維定位總體坐標(biāo)偏差可控制在30 cm 范圍以內(nèi),滿足人員定位標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,但標(biāo)識卡處于定位區(qū)域邊緣時定位誤差較大,后續(xù)將針對定位區(qū)域邊緣等應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行測試以及改進(jìn)。

        5 結(jié) 語

        從TOF 測距原理開始分析,進(jìn)而整理出TOF 二維定位優(yōu)缺點,將TOF 結(jié)合TDOA 進(jìn)行二維定位,只需通過1 次DS-TWR 測距就能夠測量出標(biāo)識卡與各個基站間距離,進(jìn)而求解出二維坐標(biāo),該定位方法具有定位快、定位精度高的特點。但該定位方法定位前需要進(jìn)行入網(wǎng),在跨區(qū)域定位時漫游較困難,后續(xù)將針對跨區(qū)域漫游入網(wǎng)方式進(jìn)行研究,實現(xiàn)跨區(qū)域快速漫游。

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