基于UWB技术的矿井精确定位系统

王 飞

（1.瓦斯灾害应急信息技术国家重点实验室，重庆 400039；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

随着智能矿山建设推进，大量智能装备在煤矿井下推广应用。山东煤矿安全监察局发布的《山东煤矿人员精确定位系统技术要求（试行）》明确规定：系统在理想状态下静态定位精度能够达到0.3 m，采煤工作面及进回风巷、掘进工作面人员定位精度应达到1 m。

目前，煤矿井下人员定位系统以基于射频识别技术（RFID）的定位系统数量最大[1-2]，使用RFID具有以下问题：定位精度受读卡器分布密度限制，只能实现区域定位，不能做到精确定位[3-4]。随着定位技术的持续发展，ZigBee、UWB精确定位技术逐渐在市场上推广和应用[5]。采用ZigBee技术[6-7]实现静态条件下定位精度5 m、移动条件定位精度10 m，尚未满足矿井对人员精确定位的需求。采用UWB技术[8-9]实现0.3 m定位精度，但是基站布置较多、定位算法复杂和成本相对较高。为了满足矿井精确定位需求，同时解决系统建设成本高的问题，设计一种基于UWB技术的矿井精确定位系统。该系统可在矿井巷道和工作面实现高精度精确定位，单基站精确定位并发容量大、系统安装便捷，从而满足智能矿山建设需求。

1 总体设计

系统组成如图1。基于UWB技术的矿井精确定位系统主要包括4个部分：服务器、工业以太环网、基站和定位卡。基站通过光纤或网线接入工业以太环网，与服务器实现高速、可靠的双向通信。基站具有2路UWB通道和2路ZigBee通道，UWB通道用于基站与定位卡之间的TOF测距，实现矿井巷道内的UWB精确定位。ZigBee通道用于UWB测距时隙资源管理。定位卡具有1路UWB通道和1路Zig－Bee通道，UWB用于TOF测距，ZigBee用于扫描网络和申请UWB测距时隙资源。

图1 系统组成Fig.1 System composition

2 基站组网

在矿井巷道中，每隔一段距离安装1个基站，实现巷道全覆盖，相邻基站之间存在部分重叠区域。为了避免相邻基站ZigBee无线信号互相冲突，基站的ZigBee左信道和ZigBee右信道采用不同频段，基站UWB左、右信道与ZigBee左、右信道如图2。

图2 基站UWB左、右信道与ZigBee左、右信道Fig.2 UWB channel and ZigBee channel of base station

由于基站UWB左信道和UWB右信道采用相同频段，相邻基站的UWB通道必须采用不同频段，从而避免相邻基站的UWB无线信号冲突。

3 UWB精确定位算法

3.1 TOF测距技术

OF测距流程图如图3。基于TOF技术的UWB点对点测距，一般需要3次通信[10-11]：测距请求帧（POLL，单播）；测距响应帧（RESP，单播）；测距数据帧（FINAL，单播）。

图3 TOF测距流程图Fig.3 Schematic diagram of TOF ranging

定位卡与基站之间的距离D计算公式为：

式中：TSP为测距请求帧的发送时间戳；TRP为测距请求帧的接收时间戳；TSR为测距响应帧的发送时间戳；TRR为测距响应帧的接收时间戳；TSF为测距数据帧的发送时间戳；TRF为测距数据帧的接收时间戳；c为光速，3.0×108m/s。

3.2 线型定位算法

矿井巷道属于狭长空间，一维定位算法完全可以满足现场应用需求，为此，提出一种基于无线信号强度（RSSI）比较的线型定位算法，基于RSSI比较的线型定位算法的工作流程如图4。

图4 基于RSSI比较的线型定位算法Fig.4 Linear positioning algorithm based on RSSI

定位卡发送UWB测距请求帧，基站的UWB左信道和右信道接收到UWB测距请求帧后，会产生无线信号强度值，如果没有接收到UWB测距请求帧，则该值为0。由于基站2路UWB通道采用定向天线，UWB左信道和右信道接收到UWB测距请求帧的无线信号强度存在明显差别。基站通过比较UWB左信道和右信道的无线信号强度值，判断出定位卡所在基站的左、右方向，即在左信道覆盖范围还是在右信道覆盖范围。

3.3 时隙资源调度算法

为了提高单基站精度定位并发容量，采用时分机制避免UWB无线信号冲突[12]。基站采用超帧模式管理UWB测距时隙资源，超帧长度可以灵活配置，1 s的测距周期包含100个测距时隙，因此，测距周期越长则并发测距容量越大。超帧结构图如图5。

图5 超帧结构图Fig.5 Time slot structure diagram

UWB测距时隙根据状态可分为空闲时隙和工作时隙。空闲时隙用于分配给定位卡进行UWB测距，空闲时隙变更为工作时隙。工作时隙用于定位卡与基站完成TOF测距，若在工作时隙内未发生TOF测距，基站则收回该时隙，工作时隙变更为空闲时隙。UWB测距时隙资源的管理机制如图6。

图6 UWB测距时隙资源的管理机制Fig.6 UWB time-slot resource management mechanism

4 试验测试

为了测试系统功能和技术指标，在瓦斯灾害应急信息技术国家重点实验室清水溪实验巷道内搭建测试平台。系统测试平台如图7，布置2台基站、200个定位卡和1台电脑，2台基站之间距离约为400 m，均采用增益为16 dB的定向天线，天线安置高度约为2 m、距巷道壁约0.8 m。200个定位卡均匀布置在巷道中间，高度约为1 m。

图7 系统测试平台Fig.7 System test platform

断电基站B，定位周期为2 s，包含200个测距时隙。在基站A的50、100、200、300、400 m处，分别放置40个定位卡。测试5 min，随机选取其中5个定位卡进行分析，除去最大值和最小值，取其平均值作为定位结果。

根据测试数据结果分析，精确定位误差小于0.3 m，最大通信距离可达400 m，满足矿井精确定位需求。

上电基站B和基站A，定位卡在巷道中移动，记录UWB无线信号强度值，随机选取其中1个定位卡进行分析，其UWB左、右信道无线信号强度比较如图8。

根据图8测试数据结果分析，基站UWB左、右信道接收到定位卡发送测距请求帧的RSSI存在明显差别，方向判断正确率为100%。

图8 UWB左、右信道无线信号强度值比较Fig.8 Comparison diagram of UWB left and right channels wireless signal strength values

5 结语

针对矿井巷道的环境特点，研究了系统组网模型和UWB精确定位算法，设计了一种基于UWB技术的矿井精确定位系统，从而满足矿井精确定位需求。系统采用统一管理UWB测距时隙资源、合理划分基站UWB频段，避免UWB无线信号冲突，大大提高单基站精度定位并发容量，而且基于无线信号强度比较的线型定位算法复杂度低、适用性强。测试结果表明：该系统定位精度≤±0.3 m，单基站精确定位并发容量可达200，定位距离可达400 m；系统能够提供一种精度高、并发容量大、安装便捷的矿井精确定位系统，从而满足智能矿山建设需求。