基于UWB 的矿用一体化智能车载终端的设计

韩 阳

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

煤矿井下辅助运输担负着全矿井生产所需人员、物资及设备的中转和运输工作，是保证煤矿安全生产和提高生产效率的重要一环[1]。矿用无轨胶轮车以其机动灵活、运输效率高、应用范围广的特点，是煤矿井下辅助运输的主要设备。目前煤矿井下辅助运输发展比较滞后，普遍存在着巷道狭窄，环境昏暗，人车混流等现象，缺乏对车辆的精确定位、智能调度与有效监管，导致井下车辆运行无序、效率低，车辆超速、疲劳驾驶、怠工等违章行为时有发生，行车安全隐患大、成本高，无法实现井下辅助运输的安全高效智慧运行。随着《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》、AQ 1119—2023《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》等国家政策的出台，基于精确位置的井下智能辅助运输被明确提出[2]。

鉴于此，研究设计了一种基于UWB 精确定位技术，融合精确定位、4G/5G 无线通信、视频监控、数据采集、语音通话等多种功能于一体的智能车载终端，满足当前煤矿对井下车辆的精确定位、智能调度、数据采集、安全预警、语音通话、人机交互等功能需求[3]，对煤矿企业保障井下人、车运行安全，提升煤矿井下智能辅助运输建设具有重要意义与示范效应。

1 智能车载终端总体设计

根据煤矿井下对辅助运输的应用需求，基于安卓平台，融合多种功能于一体的智能车载终端主要由UWB 精确定位模块、4G/5G 无线通信模块、CAN 通信数据采集模块、视频模块、语音模块、触摸屏模块、电源管理模块组成[4]。智能车载终端总体设计图如图1。

图1 智能车载终端总体设计图Fig.1 Overall design diagram of intelligent vehicle terminal

智能车载终端安装于车辆驾驶室内，由车载电源供电。其中UWB 精确定位模块采用UWB 与惯导融合的定位算法[5]，与车外的定位基站实时UWB 无线通信，实现对车辆的厘米级精确定位功能；CAN 通信模块通过CAN 总线采集车辆的行车控制器数据，获取车辆的里程、车速、转速、水温等车辆的工况信息；视频模块配接3 组本安型低照度摄像仪，实现在井下昏暗环境下的行车记录，倒车影像、驾驶员AI 视频监控的功能[6]；4G/5G 无线通信模块将采集到的车辆工况信息以及视频信息通过井下4G/5G 网络与系统上位机完成信息交互，获取周围车辆、人员位置信息；语音模块实现与其他车载终端或本安手机的高清语音通话功能；触摸屏模块实现与驾驶员的人机交互功能；基于安卓平台的车辆定位调度APP 结合自身车辆及周围人、车的精确位置信息，实现井下辅助运输的智能调度与行车安全预警。

2 智能车载终端硬件

智能车载终端硬件设计结构图如图2。

图2 智能车载终端硬件设计结构图Fig.2 Hardware design structure diagram of intelligent vehicle terminal

智能车载终端以国产厂商瑞芯微研发的6 核64 位ARM 处理器RK3399 为控制核心，和以UWB 通信收发芯片DW1000 为精确定位核心。RK3399 是一款低功耗、高性能且有丰富的接口的应用处理器芯片，内置多个高性能硬件处理引擎，能够支持多种格式的视频解码[7]。智能车载终端由电源管理模块、ARM 核心模块、UWB 精确定位模块、4G/5G 无线通信模块、CAN 数据采集模块、语音电路模块、USB 视频电路模块、触摸屏电路模块、存储模块、声光指示模块、按键输入模块组成。

2.1 UWB 精确定位模块

车辆的精确位置是实现井下智能调度的核心支撑。UWB 精确定位模块由主控ARM STM32L051、UWB 无线收发电路、发射/接收信号放大电路、惯导电路、UWB 天线组成。主控ARM 按照UWB与惯导融合的定位算法，通过UWB 无线收发电路收与车外定位基站实时通信，通过发射/接收信号放大电路、UWB 天线对UWB 信号进行放大，增强其无线传输能力。

UWB 收发电路图如图3。UWB 无线收发电路以DW000 为核心，DW1000 是高集成的UWB 射频收发芯片，包含1 个模拟前端、1 个接收器、1个发送器和与片外主控器连接的SPI 数字后端[8]，是UWB 通信的关键核心。

图3 UWB 收发电路图Fig.3 UWB transceiver circuit diagram

DW1000 采 用SPI 与 主 控ARM STM32L051通信，由ARM 对其控制实现UWB 信号的收发。DW1000 有8 个电源引脚，由3.3 V 和1.8 V 电源供电，其中1.8 V 给VDDLDOD、VDDLDOA 引脚供电，用以降低能耗[9]。UWB 信号由DW1000 的差分引脚RF_P 和RF_N 输出，经HHM1595A1 巴伦转换器，将差分信号转换为单端射频信号[10]，进一步通过发射/接收放大电路及UWB 天线来增加发射功率，提高通信范围。惯导电路用以辅助定位，使智能车载终端在非视距环境下仍具有较好的定位精度。

2.2 USB 视频电路模块

USB 接口扩展电路如图4。

图4 USB 接口扩展电路图Fig.4 USB interface expansion circuit diagram

智能车载终端通过USB 接口外接3 组本安型低照度摄像仪，实现驾驶室及周围环境的视频监控。RK3399 的USB 接口资源有限，因此视频监控模块以USB 扩展芯片Fe1.1s 为核心，将1 个USB Host 接口接入Fe1.1s 的USB 通信15 脚DMU和16 脚DPU，扩展为4 个次级USB 接口，实现多组摄像仪的接入[11]。

2.3 语音电路模块和4G/5G 无线通信模块

智能车载终端的语音模块以音频解码芯片ALC5651 为核心，通过I2S 接口与RK3399 通信，实现语音采集和播放。

智能车载终端的4G/5G 无线通信模块采用华为公司推出的全球首款商用5G 工业模组MH5000-31，其支持5G SA/NSA 双模，最高上行峰值速率可达230 Mbps，最高下行峰值速率可达2 Gbps[12]，通过USB 接口与RK3399 实时通信。5G 的高实时性是车载终端在井下智能辅助运输应用中的重要保障。

3 智能车载终端软件

智能车载终端总体功能图如图5。

图5 智能车载终端总体功能图Fig.5 Overall function diagram of intelligent vehicle terminal

智能车载终端是连接上位机系统、车辆与驾驶员交互的平台[13],采用安卓系统设计车辆定位调度APP 程序，根据车载终端的总体设计和功能需求，划分各功能任务模块分别设计。

4 试验测试

对智能车载终端进行地面定位精度试验及各项功能的井下工业现场试验。车载终端的UWB 通信参数设置为信道2，通信速率850 kbps、脉冲重复率64 MHz。

1）地面定位精度试验。选取地面500 m 长的平直空旷道路作试验场地，在0 m 处部署定位基站，车载终端安装于车辆驾驶室内，并在车辆侧面安装光传感器。用全站仪标定道路上50.1、148、257.3、360、477 m 共5 个测试点位，并在每个测试点位上放置光反射。车辆以25 km/h 时速匀速行驶，经过测试点位时，光传感器发出的光信号被光反射板反射，回传触发光传感器，测试软件记录该触发时间时刻，即车辆经过测试点位的准确时间，查看相同时间点的定位基站的测量值，与实际位置对比，计算最大动态误差。

2）井下工业现场试验。在山西天地王坡煤矿对智能车载终端的各项功能进行井下工业现场试验，如：①智能调度试验：井下用车人员可通过用户版APP 发起用车申请，指定乘车位置，设定预约时间，上位机系统根据乘车位置及车辆使用情况就近选择车辆进行派车，减少等待时间，智能车载终端接收到派车任务后，导航到乘车位置，完成派车任务[14]，实现“井下智能打车”；②4G/5G无线通信试验：智能车载终端通过4G/5G 无线网络，实时获取到上位机系统上所有的车辆精确位置信息，并在地图上显示；③语音通话试验：用车载终端成功拨打电话。

地面及井下试验的结果见表1。

表1 智能车载终端性能试验结果Table 1 Property experiment results of intelligent vehicle terminal

经试验，智能车载终端能够有效满足当前煤矿对井下车辆的精确定位、智能调度、数据采集、安全预警、语音通话、人机交互等功能需求。

5 结 语

基于煤矿井下智能辅助运输的实际需求，研究设计了一种基于安卓平台，融合UWB 精确定位、4G/5G 无线通信、视频监控、数据采集、语音通话等多种功能于一体的智能车载终端，实现井下辅助运输的安全高效智慧运行。测试结果表明：该车载终端集成度、智能化程度较高，满足煤矿对车辆的精确定位、智能调度、数据采集、语音通话等功能的应用要求，有效提升井下车辆运输效率，保障人、车运行安全，有助于提升煤矿井下辅助运输智能化建设与管理水平。