矿用井下人员定位系统设计与实现

矿用井下人员定位系统设计与实现

贾武博

陕西银河煤业开发有限公司  陕西榆林 719000

摘要：基于 UWB 以及 INS 技术的矿用井下人员定位系统可实现综掘巷道内人员的厘米级精准、实时定位，保证了井下作业人员的生命安全，满足了安全生产需要，解决了原定位系统存在的定位精度低、实时性差、成本高的问题，优化了煤矿井下安全生产制度，社会效益良好。

关键词：矿用井下；人员定位；系统设计；实现

1系统整体设计

超宽带定位技术采用非正弦波窄脉冲技术，具有抗干扰能力强、发送功率小的特点，传输速率可达3．1～10．6 GHz，传输时延为微妙级，可采用的定位算法有接收信号强度处理( ＲSSI) 算法、根据信号达到角度定位算法( TOA) 以及根据信号达到时间差定位算法( TDOA) 等。TDOA 定位算法与其他相比，定位精度可至厘米级，文章基于 TDOA 算法实现井下人员、车辆的精确定位。煤矿井下人员定位系统整体设计架构如图 1 所示。

图 1 矿用井下人员定位系统整体设计

矿用井下人员定位系统整体设计由地面、井下两大系统组成; 地面系统包括地面交换机和中心站两部分，地面交换机用于接收井下交换机数据，将人员、车辆以及传感器信息，转发至中心站后对数据进行解算，实现对人员、车辆位置信心的精确定位。中心站除完成井下数据的解算功能外，还需完成对UWB 基站、INS 设备、标识卡、传感器以及物体运动轨迹的在线监测和管理。井下部分由区域控制器、井下交换机、UWB 定位分站、UWB +INS 人员标识卡、UWB+INS 车辆标识卡、传感器信息等。在 UWB定位分站覆盖的区域范围内，周期性的采集标识卡、传感器信息完成实时测距与通信，并将采集到的数据转发至区域控制器。对于未在 UWB 定位分站覆盖范围内的人员标识卡、车辆标识卡、传感器，经惯导模块对移动轨迹信息进行储存，并在移动至 UWB定位分站覆盖范围内之后将数据上传实现精准定位。

2 硬件设计

2.1UWB 定位分站硬件

UWB 定位分站硬件结构如图 2 所 示，采 用M6C2C CPU 核心板，扩展 TDOA 定位算法以及卡尔曼滤波算法，该核心板支持高精度测距、定位以及数据同步传输。外接的 DW1000 芯片在传输速率为850 Kbps 时的最远可视距离为 150 m，为增强井下人员定位可视距离，扩展功率放大器，增强射频信号的发射功率和灵敏度，增加 UWB 定位基站与标识卡、传感器的通讯距离。UWB 定位分站将测距、定位数据以 CAN 总线通讯模式进行上传，交由区域控制器进行处理。

图 2 UWB 定位分站硬件设计

2.2人员标识卡硬件

标识卡硬件设计部分包括 UWB 定位单元和INS 惯导 单 元 两 部 分。UWB 定位单元中的核心CPU 为 STM32103F 芯片，负责将人员、车辆以及传感器的坐标信息、运动轨迹信息存储至 Flash。待该标识卡移动至 UWB 定位分站覆盖区域后将数据经该定位分站传送至区域控制器; INS 惯导单元负责对 STM32103F 芯片的数据局进行累计误差计算、处理以及校准，并获取该标识卡的加速度、角速度、航位坐标等信息进而推算该标识卡的坐标数据。该标识卡硬件部分由电池供电，并配置有充电管理单元具有低功耗、高射频的特点。

3 软件设计

煤矿井下人员定位系统软件设计基 于 KeilAＲM 软件平台，采用 C 语言与汇编语言混合编程，根据系统整体设计，软件部分主要分为 UWB 定位分站以及标识卡软件设计两部分。

3.1UWB 定位分站软件

UWB 定位分站需完成的功能为:1) 接收标识卡、传感器测距、位置坐标等信息，并完成 TDOA 解算、卡尔曼滤波;2) 发送 UWB 定位分站广播信息，并完成与覆盖范围内标识卡、传感器的“标签”工作。UWB定位分站软件处理详细流程如图 3 所示。系统上电并完成初始化过程后，循环检测是否接有测距数据包，如果有，则接收该测距包并采用 TDOA 算法对该测距包进行解算，经解算结果进行卡尔曼滤波，将得到的精确的坐标数据进行上传。UWB 定位分站没有检测到测距包时，需与标识卡、传感器进行信号同步。当检测到同步信号后完成时间同步，UWB 定位分站检测该新加入覆盖范围内的标识卡、传感器Flash 内是否存储有数据，如果有，则将该数据进行解算、滤波并获取坐标数据; 如果没有，则循环进入检测测距数据包流程。

图 3 UWB 定位分站软件设计流程

3.2标识卡定位软件

标识卡需完成的功能为:1) 位 于 UWB 定位分站覆盖范围内时，与UWB 定位分站进行通讯，将人员、车辆以及传感器实时数据发送 UWB 定位分站，同时消除数据产生的累计误差;2) 不在 UWB 定位分站覆盖范围内时，通过INS 惯导系统获取人员、车辆以及传感器在三维空间的加速度、角速度值，通过加速度计以及陀螺仪对数据进行采样并将系统误差降低至最低。在获取物理运行过程中的加速度、角速度以及位置坐标信息后存储至 Flash 中，待进入 UWB 定位分站覆盖范围内后进行数据上传。处理标识卡的软件流程如图 4所示，对于没有在 UWB 定位分站覆盖范围内的载体在获取加速度/角速度值判断其是否达到设定的阈值，进而判断该载体的下一步动作。达到预先设定阈值后，需计算该载体的实时坐标值并利用卡尔曼滤波算法进行修正、校准并添加时间标签后存储值 Flash 内存。

图 4 标识卡软件设计流程

4 验证分析

为验证设计的煤矿井下人员定位系统的性能，在某煤矿综掘巷道内进行试验。根据该综掘巷道结构以及无线网络通讯需求，每隔 120 m 设置一个UWB 定位分站，共设置 8 个，与 WiFi、ZigBee 以及红外定位方案进行对比，分别记录、统计各方案的定位精度、定位准确率以及响应时间，并形成表 1 统计结果。由统计结构可知，UWB+INS 人员定位方案的定位精度可达 0．2 m，定位准确率可达 98．2%，响应平均时间为 1．5 s，远优于 WiFi、ZigBee 以及红外定位方案。

表 1 四种煤矿井下人员定位技术测试结果数据统计

5结语

煤矿井下地理环境复杂多变，人员、车辆以及设备的监控难度大。随着国内煤矿井下自动化、智能化开采进程的不断推进，确保井下人员、车辆以及设备的安全、稳定运行成为煤炭行业面对的核心问题。

参考文献

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[2]梁杰. 煤矿井下人员定位系统的设计与实现[J]. 信息通信,2015,(02):68.

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[4]张丹,陆静,陈文卓. 井下人员定位系统监控软件的设计与实现[J]. 黑龙江科技信息,2012,(18):28.