礦用無軌膠輪車精確定位系統設計

賈艷陽

（山西潞安環保能源開發有限公司常村煤礦， 山西 長治 046102）

引言

無軌膠輪車由于未設置軌道而具有機動靈活、載重能力以及車型多樣等特點，因此在礦機安全生產中承擔著不可或缺的作用。井下無軌膠輪車能夠極大地優化輔助運輸過程，從而能夠提高生產效率，并且能夠提高礦井的安全管理能力。現在我國礦井輔助運輸巷道的寬度往往比較窄，當引進無軌膠輪車時，往往由于井下巷道狹窄、視線受阻等原因，在無軌膠輪車運行的過程中，看不清楚來往的車輛，出現局部堵塞，從而降低無軌膠車的工作效率，甚至發生安全事故。現在，在煤礦井下無軌膠輪車領域的研究主要有車輛區域定位以及超限速報警等。對區域定位技術而言，主要是基于RFID、Zigbee、WiFi 等方式，此類應用存在定位不準確以及出現漏卡率等現象，由此可以看出其并不能滿足井下無軌膠車的使用。因此基于UWB 技術提出了煤礦無軌膠輪車精確定位實現方案。

1 系統組成

本設計研發的煤礦無軌膠輪車精確定位系統主要包括如下幾個部分：物理層、傳輸層和應用層組成，相應的硬件主要包括標識卡、車輛定位讀卡器、車輛管理分站、服務器軟件。圖1 表示相應的系統網絡架構。其中物理層包括標識卡以及車輛定位讀卡器，其可以實現無線測距數據的傳輸。傳輸層車輛管理分站包括3 路RS485 口、2 路網口以及相應的3路光口，其可以實現巡檢等硬件。安裝的標識卡主要借助UWB 測距以及對應的車輛定位讀卡器實現測距，并將采集的數據經過交互傳輸給讀卡器，通過RS485 將計算結果傳輸給車輛管理分站，最后借助光纖將車輛信息以及相應的信號燈所處的狀態傳輸給服務器，最終在服務器上顯示信息[1-2]。

圖1 無軌膠輪車精確定位系統網絡架構圖

2 系統定位原理

UWB 精確定位包括如下兩種方法：到達時間法（TOA）、時間差定位法（TDOA），其中TOA 主要是用來計算目標節點坐標，而后者主要可以用來計算幾何曲線的交點，完成數據信息的傳輸等。本設計使用TOA，基于TOA 進行定位模型的修改，當標記卡發出一次廣播包時，表明已經完成測距定位，如下頁圖2表示改進型TOA 定位原理。當標記卡在T1時刻發起廣播，那么主射頻以及輔射頻接收到廣播包的時刻分別為T2、T5，當主射頻對廣播信號進行處理之后，將在T3時刻輸送包括T2時刻的數據包給標識卡，相應的標記卡可以在T4時刻收到主射頻反饋的數據信息。而相應的輔射頻可以在T5時刻收到標識卡的廣播包，并完成數據處理并且延遲一定時間，最后在T6時刻輸送給數據包一個標記卡，而標記卡可以在T7時刻收到輔射頻的數據包。在標記卡中可以依據相應的時間計算出主射頻與輔射頻之間的距離值，諸如T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7，這時可以在T8時刻把相應的距離值輸送給主射頻。

圖2 改進型TOA 定位原理

標識卡與主射頻之間的距離：

標識卡與輔射頻之間的距離:

式中：C 表示電磁波在介質中的傳播速度，通常為真空中光速的數值。

對于井下巷道狹窄通常可以采用一維線性空間進行建模，圖3 表示改進的TOA 方向判別原理，設定兩個電線之間的距離S 為l m，標識卡與主射頻單元之間的距離為D1，標識卡與輔射頻單元之間的距離為D2，其中當D1＜D2時，表示標識卡位于車輛定位讀卡器的左邊，當D1+D2＞l m 時，表明標識卡位于車輛定位讀卡器左邊，反之標識卡在讀卡器位于兩個天線之間。同理可以得標識卡在車輛定位讀卡器右側。

圖3 方向判別原理框圖

根據相應的方向判斷，車輛定位讀卡器借助雙無線單元進行設計，相應的單元框圖如圖4 所示，讀卡器主要借助ARM系列CPU 實現設計需要，首先由SPI 驅動UWB 測距主射頻單元以及相應的UWB測距輔射頻單元，射頻單元使用兩個饋線和電線進行連接，而對應的UWB 主射頻測距單元主要擔負著標識卡處于正確的時隙。而輔射頻單元可以用于對標識卡進行測距。電源管理單元主要負責對各個芯片進行供電[3-4]。

3 試驗結果

圖4 車輛定位讀卡器模塊框圖

為了對無軌膠輪車精確定位系統的準確性進行檢驗，依據圖1 構建實驗平臺，其中測試平臺主要包括車輛定位讀卡器、車輛管理分站、標識卡、電腦等單元。實驗室選在實驗室走廊，其長寬分別為61 m、寬2.4 m，分別對10 張標記卡進行測試并且測試的距離為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，標記卡每隔1 s進行一次測試，為了能夠有效地降低誤差，對每一個點進行100 次的實驗，在統計的過程中去除最大以及最小值，取測量值的平均數，系統定位精度一般為測量距離與實際距離之間的差值。并且隨機取其中5 張卡片進行相應的分析，表1 所示為定位精度測試數據。

通過對實驗數據進行分析可以發現，總體定位誤差小于0.4 m。可見該定位系統能夠對井下無軌膠輪車實現精確定位[5-8]。

表1 無軌膠輪車定位精度測試情況表 m

4 結語

在本文定位系統的設計中，考慮了煤礦巷道一維線性空間所具有的特點，借助單個車輛定位讀卡器，使系統能夠實現對井下無軌膠輪車進行精確定位。經過實驗發現，系統所具有的定位誤差小于0.4 m，由此可以看出其可以實現車輛的準確定位，可以提高運輸效率，從而能夠有效地降低煤礦運輸事故，提高煤礦行業的安全性。