煤礦井下UWB人員定位系統研究

張海軍， 孫學成， 趙小虎， 閆坤程

(1.山煤國際能源集團股份有限公司 煤業管理公司晉北分公司， 山西 大同 037101； 2.礦山物聯網應用技術國家地方聯合工程實驗室， 江蘇 徐州 221008； 3.中國礦業大學 信息與控制工程學院， 江蘇 徐州 221008)

0 引言

煤礦智能化建設對井下人員定位系統的精度、實時性提出了更高要求。與基于紅外探測[1]、超聲波[2]等技術相比，采用納秒級脈沖信號進行通信的UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)技術因其極高的帶寬和時間分辨率[3-6]，可很好地降低NLOS (Non Line of Sight，非視距)干擾，更好地適應井下復雜環境，實現厘米級精度定位[7-8]。

為提高UWB定位系統精度，何永平等[9]采用2次粒子濾波方法處理原始數據；羅豪龍等[10]針對基于TDOA(Time Delay of Arrival，到達時間差)的UWB定位系統，采用Chan算法和改進的卡爾曼濾波算法，進一步消除了NLOS干擾；王浩等[11]針對UWB定位系統中的測距值進行卡爾曼濾波后，采用Taylor級數展開方法得到定位坐標，并采用中位值平均濾波方法對定位坐標進行優化，使動態目標定位精度更高。

針對井下無線信號傳輸中的NLOS干擾問題，本文設計了一種煤礦井下UWB人員定位系統。該系統通過二維區域判別機制確定定位區域，采用帶有回傳幀機制的ADS-TWR(Asymmetric Double-Sided Two-Way Ranging，非對稱雙邊雙向測距)算法實現測距，采用WLS(Weighted Least Squares，加權最小二乘法)與UKF(Unscented Kalman Filter，無損卡爾曼濾波)聯合定位算法解算位置坐標，提高定位精度，同時通過備用鋰電池、LoRa通信技術等，保證系統應急情況下正常工作。

1 系統整體設計

1.1 系統架構

煤礦井下UWB人員定位系統主要由標簽、基站(集成LoRa無線節點)、LoRa集中器、工業以太網、交換機、上位機等組成，如圖1所示。……