基于UWB技術混合算法的工作面人員精準定位技術研究及應用

孫鵬亮 汪文良 智寶巖 趙亞軍

1.中國煤礦機械裝備有限責任公司 北京 100011;2.常州佐安電器有限公司 江蘇常州 213000;3.中煤陜西榆林能源化工有限公司 陜西榆林 719000;4.中煤大同能源有限責任公司 山西大同 037001

1 概述

煤礦工作面人員的精確定位是實現煤礦智能開采技術常態化應用的技術瓶頸之一,隨著超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)技術的逐步成熟,近年來被行業逐步引入。UWB技術在原理上具有較高的帶寬信號,定位精度準、時間分辨率高、衍射能力強、設備功耗低、定位卡待機時間長等特點。與其他的定位技術相比,能夠更好地適應煤礦井下復雜的工況環境。因此,更適用于井下綜采工作面的人員定位場景。

2 UWB技術的定位方法對比分析

UWB是基于短能量脈沖,通過正交頻分調制或直接排序進一步處理,調整到一個頻率范圍內。主要特點是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。該項技術依據信號在基站間飛行時間的長短來測量距離TOF(Time of Flight)。該方法采用兩個不同的異步收發機接收同一信號源的飛行時間,通過時間差測量相對距離。雙向飛行時間法每個信號接收設備從開始工作時會產生一個單獨的時間標志戳。設備A在時間T1發射請求信號,設備B在T2時刻發射響應信號,被設備A在本身標定的時間標志T2時刻接收。這樣便能夠計算出該脈沖信號在設備A和設備B之間的傳播時間,通過時間差值計算相距的距離S。但是單獨采用TOF方式計算,存在嚴苛的束縛條件:信號發射裝置和信號接收裝置應該長期保持同步。這是一個比較棘手的問題。而雙向雙通道測可以有效解決這個問題,它采用了時間飛行計算方法的優點的同時又極大地去除了時間飛行計算方法的同步問題,為該種方法的應用解決了實際問題。因此,在UWB技術的使用方面可以借鑒這種算法,采用TOA(到達時間)、TDOA(到達時間差)、AOA(到達角度或稱為DOA估計)定位技術和這三種技術的混合技術。

TOA主要是通過定位卡與兩個以上的定位基站建立信號連接,通過定位卡信號與基站之間進行畫圓計算,通過多個定位基站畫圓的焦點來確定定位卡的位置。但如果在信號傳播過程中收到外界環境因素干擾,則在畫圓的過程中將會出現偏差,而整體的定位精度將會出現較大問題,同時還需要基站做時鐘同步處理。TDOA的定位方式不需要定位基站和定位卡之間的同步,僅需要定位基站之間自己同步即可。定位基站的安裝位置固定后,定位基站之間實現同步相對容易,這樣從工程實踐角度TDOA的定位方式比TOA定位方式容易工程化。AOA的特點就是不需要大量的定位基站,靠少量的基站根據角度計算即可定位。移動終端根據與基站1和基站2連個基站形成基于水平方向的角度,判斷角度值,作射線延長,匯集到同一點,該點即為移動終端的位置,這種方法可以極大地縮減對基站數量的依賴。但是其缺點是長距離的判定會因為角度的偏差造成較大的誤差。一般不適宜在長距離定位中應用。

3 UWB技術在井下工作面人員精確定位研究

為解決井下人員主動安全防護,需要精準獲取工作面人員位置信息,再與其他設備實現聯動閉鎖保護。核心問題是對人員在工作面位置的精準定位。為解決該技術問題,近年來逐步開展基于UWB技術的綜采工作面人員精確定位相關技術研究。通過對該項技術的研究發現,將TOA、AOA和TDOA三種定位方式進行有機融合,可得到較好效果。首先利用TOA的值計算出移動終端和基站之間的距離R,那么可以確定移動終端的位置在以基站為圓心,R為半徑的圓周上。接著利用天線陣列從移動終端到基站作出一條射線,則射線與圓之間的交點就是移動終端的位置。若移動終端的位置為(X0,Y0),基站位置為(X,Y),在基站測得的移動終端發出的信號的到達角度為θ,基站和移動終端的距離為R,則他們滿足如下方程:

(Xo-X)2+(Yo-Y)2=R2

再結合TDOA-AOA定位方法,對上述精度進行矯正,具體原理如下圖1所示。

圖1 TDOA-AOA定位示意圖

通過兩者的相互結合,相互矯正,以獲得更準確的定位信息。實現對移動終端的精準定位。這種定位方式可有效避免單一定位原理造成的誤差。減少工作面復雜環境對信號傳輸的影響,實現人員位置的精準定位。

4 基于UWB的高精度人員定位算法分析

4.1 加權算法原理

讀卡器讀取定位卡信息時,障礙物遮擋引起的通信延時誤差,影響定位精度。運用無障礙物遮擋測距結果加權平均大大提高了定位的精準度。基于上述方式,人員定位卡距離第一個讀卡器的位置計算方法為:

4.2 加權算法實現

上述公式中r1、r2…rn,根據無線數據傳輸的衰減原理,結合實驗數據確定了r的數學估算模型,其模型算法為:los=32.44+20lgF+20lgd,式中los表示信號衰減,單位dB,F表示信號頻率,單位MHz,d表示距離,單位km。

接收信號強度為:s_r=p_t-los;其中,s_rd表示距離為d時的理論接收信號強度,p_t表示發射功率,los表示信號衰減。則接收信號強度和通信距離的計算可表示為:

s_rd=p_t-32.44-20lgF-20lgd

通過測試提出符合適應環境的加權因子公式:

r=1-(s_rd-s_r)/(s_rd+102)

其中,r是加權因子,s_rd表示距離為d時,無遮擋時的信號強度,s_r表示實際接收的信號強度。

4.3 無遮擋數據仿真

在實驗室開展無遮擋數據仿真研究,首先將定位卡和讀卡器中間不放置任何物體,采用對稱雙邊兩路測距方法進行距離測試,進行反復100次的測試。測試結果如圖2所示。通過測試發現所有數據的波動范圍小于0.2m,信號強度基本在-83～-86dB之間。

圖2 信號測距及強度仿真示意圖

4.4 有遮擋情況仿真

對不同結構遮擋物進行仿真,將定位卡與信號采集裝置之間分別放置一個水泥墻體、一個巖石類障礙物、煤塊類障礙物、水幕類障礙物、鋼鐵支護結構類等五種障礙物,分別進行50次的信號傳輸測試,具體的測試數據統計如圖3所示。

圖4 加權算法優化定位計算結果圖

4.5 不同遮擋物仿真結果分析

通過對比不同遮擋物仿真結果,可以發現定位精度、信號強度影響各不相同。如上圖所示,水泥墻體結構對定位精度影響最大,誤差為1米,水幕類結構對定位精度影響最小。針對信號不同衰減規律,利用公式計算不同的加權因子及權重,對仿真結果進行加權優化仿真。

4.6 利用加權算法計算

通過利用加權算法的優化,將50米實測值的數據,通過加權算法優化,再對上述情況進行測試,測試結果的定位誤差都小于0.3米,達到了預期效果。

5 實際應用情況

以中煤集團某煤礦為例,工作面寬度260m,煤層厚度平均厚度為6.1m,煤層傾角≤10°。根據工作面的地質條件以及工作面設備的特性,采用相對密集的布置方式,在工作面內布置6臺基站,分別布置在順槽轉載機、工作面5號支架、41號支架、77號支架、113號支架、149號支架處,每臺基站之間的距離為36架,支架的中心距為1.75m,因此兩臺基站間的距離為63m。每臺基站所在的支架安裝兩個信號接收器,分別指向左右兩個方向,用于接收不同位置的信號。首次安裝結束后分別對液壓支架立柱前側行人通道和立柱后側行人通道分別獨立定位,受液壓支架立柱封閉性影響,信號無法進行穿越傳輸,兩種定位方式不能夠同時計算人員位置,容易造成人員位置的跳變。出現這種情況的主要原因是立柱阻擋信號后,當人員異動后,躲過立柱的阻擋既能收到信號,這樣造成位置跳變。此外,由于基站無法精確判斷前后部人員通道位置,容易出現前部和后部基站對同一位置的人員進行同時“搶”信號,都認為在自己判定的范圍內,這樣就容易導致頻繁輸出不同的結果,出現人員位置跳變。因此采取在單一側通道進行人員位置判定,將讀卡器安裝在立柱后側人員通道上方位置用于識別人員的位置。井下工作面精確定位設備安裝數量如下表所示:

設備安裝數量表

開始調試過程中,保障電池的使用能力和降低電池電量的損耗,讀卡器的刷新頻率較低為10s一次,但操作人員在工作面行走過程中,經過每架的時間要遠遠小于10s。這樣就造成人員跳架。為解決該問題,在實驗過程中,不斷提高讀卡器的刷新頻率,最后將讀卡器刷新頻率提高為500ms/次,進而滿足對人員精確定位的要求,人員在行走的過程中不會出現跳架。雖然提高了刷新頻率,實現人員能夠精準定位,但是電池電量的使用能力方面大大降低。工作面人員行走過程中,從機頭向結尾方向,以1.4m/s以下的速度行走,在行走的過程中無論是哪個方向,均能夠準確識別人員的位置信息,基本不存在跳架現象。

6 結論

(1)本文分析了基于不同計算方式的UWB技術,并對不同的計算方式的優缺點進行分析,形成了基于混合計算方式的UWB技術方案,該方案在實際使用過程中具有較好的適應性。

(2)針對井下工作面實際工況存在遮擋的特性,在研發過程中進行了遮擋分析,得出遮擋物帶來的誤差原因,提出了誤差修正的方法。

(3)本文對針對現場實際情況進行了部署和測試,通過井下工作面實測數據驗證,定位精度達到0.3米,系統能夠與支架電液控制系統聯動,實現了人員所在位置的支架自動停止動作,提高了主動安全防護能力,具有較好的推廣應用價值。