侯衛(wèi)鵬

(山西焦煤集團 介休正益煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

煤礦井下地理環(huán)境復雜多變，人員、車輛以及設(shè)備的監(jiān)控難度大。隨著國內(nèi)煤礦井下自動化、智能化開采進程的不斷推進，確保井下人員、車輛以及設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行成為煤炭行業(yè)面對的核心問題。目前，煤礦井下人員定位主要采用的技術(shù)有紅外線定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍牙定位、射頻識別定位、超寬帶定位以及ZigBee、WiFi定位等，定位精度為厘米級，最高精度可達1 m，最低精度為10 m；優(yōu)點為設(shè)備功耗低、響應速度快、信號傳播范圍大；缺點為定位精度受燈光、粉塵等環(huán)境影響較大，存在多徑效應問題，定位精度穩(wěn)定性不高[1-2]。國外學者利用最近鄰算法開發(fā)WIFI、RADAR定位系統(tǒng)，將接收到的信號強度與存儲數(shù)據(jù)進行匹配，從而達到定位的目的[3]；文獻[4]提出質(zhì)心定位算法，將相鄰點作為參考點，但設(shè)置參考點的難度以及運算量較大；文獻[5]提出一種核化距離算，應用支持向量機分類器作為井下人員定位手段，但定位精度相對較差。文章將超寬帶技術(shù)與慣導技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了煤礦井下人員、車輛的實時、精確定位。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

超寬帶定位技術(shù)采用非正弦波窄脈沖技術(shù)，具有抗干擾能力強、發(fā)送功率小的特點，傳輸速率可達3.1～10.6 GHz,傳輸時延為微妙級，可采用的定位算法有接收信號強度處理(RSSI)算法、根據(jù)信號達到角度定位算法(TOA)以及根據(jù)信號達到時間差定位算法(TDOA)等[6-7]。TDOA定位算法與其他相比，定位精度可至厘米級，文章基于TDOA算法實現(xiàn)井下人員、車輛的精確定位。煤礦井下人員定位系統(tǒng)整體設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦用井下人員定位系統(tǒng)整體設(shè)計

礦用井下人員定位系統(tǒng)整體設(shè)計由地面、井下兩大系統(tǒng)組成；地面系統(tǒng)包括地面交換機和中心站兩部分，地面交換機用于接收井下交換機數(shù)據(jù)，將人員、車輛以及傳感器信息，轉(zhuǎn)發(fā)至中心站后對數(shù)據(jù)進行解算，實現(xiàn)對人員、車輛位置信心的精確定位。中心站除完成井下數(shù)據(jù)的解算功能外，還需完成對UWB基站、INS設(shè)備、標識卡、傳感器以及物體運動軌跡的在線監(jiān)測和管理。井下部分由區(qū)域控制器、井下交換機、UWB定位分站、UWB+INS人員標識卡、UWB+INS車輛標識卡、傳感器信息等。在UWB定位分站覆蓋的區(qū)域范圍內(nèi)，周期性的采集標識卡、傳感器信息完成實時測距與通信，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至區(qū)域控制器。對于未在UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)的人員標識卡、車輛標識卡、傳感器，經(jīng)慣導模塊對移動軌跡信息進行儲存，并在移動至UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)之后將數(shù)據(jù)上傳實現(xiàn)精準定位。

2 硬件設(shè)計

2.1 UWB定位分站硬件

UWB定位分站硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用M6C2C CPU核心板，擴展TDOA定位算法以及卡爾曼濾波算法，該核心板支持高精度測距、定位以及數(shù)據(jù)同步傳輸。外接的DW1000芯片在傳輸速率為850 Kbps時的最遠可視距離為150 m，為增強井下人員定位可視距離，擴展功率放大器，增強射頻信號的發(fā)射功率和靈敏度，增加UWB定位基站與標識卡、傳感器的通訊距離[8-9]。UWB定位分站將測距、定位數(shù)據(jù)以CAN總線通訊模式進行上傳，交由區(qū)域控制器進行處理。

圖2 UWB定位分站硬件設(shè)計

2.2 人員標識卡硬件

標識卡硬件設(shè)計部分包括UWB定位單元和INS慣導單元兩部分。UWB定位單元中的核心CPU為STM32103F芯片，負責將人員、車輛以及傳感器的坐標信息、運動軌跡信息存儲至Flash[10]。待該標識卡移動至UWB定位分站覆蓋區(qū)域后將數(shù)據(jù)經(jīng)該定位分站傳送至區(qū)域控制器；INS慣導單元負責對STM32103F芯片的數(shù)據(jù)局進行累計誤差計算、處理以及校準，并獲取該標識卡的加速度、角速度、航位坐標等信息進而推算該標識卡的坐標數(shù)據(jù)。該標識卡硬件部分由電池供電，并配置有充電管理單元具有低功耗、高射頻的特點。

3 軟件設(shè)計

煤礦井下人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計基于Keil ARM軟件平臺，采用C語言與匯編語言混合編程，根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計，軟件部分主要分為UWB定位分站以及標識卡軟件設(shè)計兩部分。

3.1 UWB定位分站軟件

UWB定位分站需完成的功能為：

1) 接收標識卡、傳感器測距、位置坐標等信息，并完成TDOA解算、卡爾曼濾波；

2) 發(fā)送UWB定位分站廣播信息，并完成與覆蓋范圍內(nèi)標識卡、傳感器的“標簽”工作。UWB定位分站軟件處理詳細流程如圖3所示。系統(tǒng)上電并完成初始化過程后，循環(huán)檢測是否接有測距數(shù)據(jù)包，如果有，則接收該測距包并采用TDOA算法對該測距包進行解算，經(jīng)解算結(jié)果進行卡爾曼濾波，將得到的精確的坐標數(shù)據(jù)進行上傳。UWB定位分站沒有檢測到測距包時，需與標識卡、傳感器進行信號同步。當檢測到同步信號后完成時間同步，UWB定位分站檢測該新加入覆蓋范圍內(nèi)的標識卡、傳感器Flash內(nèi)是否存儲有數(shù)據(jù)，如果有，則將該數(shù)據(jù)進行解算、濾波并獲取坐標數(shù)據(jù)；如果沒有，則循環(huán)進入檢測測距數(shù)據(jù)包流程。

圖3 UWB定位分站軟件設(shè)計流程

3.2 標識卡定位軟件

標識卡需完成的功能為：

1) 位于UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)時，與UWB定位分站進行通訊，將人員、車輛以及傳感器實時數(shù)據(jù)發(fā)送UWB定位分站，同時消除數(shù)據(jù)產(chǎn)生的累計誤差；

2) 不在UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)時，通過INS慣導系統(tǒng)獲取人員、車輛以及傳感器在三維空間的加速度、角速度值，通過加速度計以及陀螺儀對數(shù)據(jù)進行采樣并將系統(tǒng)誤差降低至最低。在獲取物理運行過程中的加速度、角速度以及位置坐標信息后存儲至Flash中，待進入UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)后進行數(shù)據(jù)上傳。處理標識卡的軟件流程如圖4所示，對于沒有在UWB定位分站覆蓋范圍內(nèi)的載體在獲取加速度/角速度值判斷其是否達到設(shè)定的閾值，進而判斷該載體的下一步動作。達到預先設(shè)定閾值后，需計算該載體的實時坐標值并利用卡爾曼濾波算法進行修正、校準并添加時間標簽后存儲值Flash內(nèi)存。

圖4 標識卡軟件設(shè)計流程

4 驗證分析

為驗證設(shè)計的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的性能，在某煤礦綜掘巷道內(nèi)進行試驗。根據(jù)該綜掘巷道結(jié)構(gòu)以及無線網(wǎng)絡(luò)通訊需求，每隔120 m設(shè)置一個UWB定位分站，共設(shè)置8個，與WiFi、ZigBee以及紅外定位方案進行對比，分別記錄、統(tǒng)計各方案的定位精度、定位準確率以及響應時間，并形成表1統(tǒng)計結(jié)果。由統(tǒng)計結(jié)構(gòu)可知，UWB+INS人員定位方案的定位精度可達0.2 m，定位準確率可達98.2%，響應平均時間為1.5 s，遠優(yōu)于WiFi、ZigBee以及紅外定位方案。

表1 四種煤礦井下人員定位技術(shù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5 結(jié) 語

基于UWB以及INS技術(shù)的礦用井下人員定位系統(tǒng)可實現(xiàn)綜掘巷道內(nèi)人員的厘米級精準、實時定位，保證了井下作業(yè)人員的生命安全，滿足了安全生產(chǎn)需要，解決了原定位系統(tǒng)存在的定位精度低、實時性差、成本高的問題，優(yōu)化了煤礦井下安全生產(chǎn)制度，社會效益良好。