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

南晶晶 ,管刚峰

陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓煤矿 陕西省合阳县715300

摘要：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。目前，煤矿井下人员定位主要采用的技术有红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位、射频识别定位、超宽带定位以及ZigBee、WiFi定位等，定位精度为厘米级，最高精度可达1m,最低精度为10m;优点为设备功耗低、响应速度快、信号传播范围大；缺点为定位精度受灯光、粉尘等环境影响较大，存在多径效应问题，定位精度稳定性不高。

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3.1～10.6GHz,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。

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定位系统通信设计

矿用井下人员定位系统是一种通过无线通信实现对井下人员进行定位的技术。其通信过程主要包括定位基站、定位分站和定位系统三个部分。在定位过程中，定位基站负责测距，通过发送信号并接收信号的方式来计算定位标签与定位基站之间的距离。然后，定位分站负责将测距结果经TCP/IP上传至定位系统，实现对井下人员位置的精确定位。考虑到煤矿井下环境的恶劣，定位系统通信协议采用UDP协议实现。UDP协议是一种无连接协议，数据传输率较高，能够适应恶劣通信环境。此外，UDP协议无需建立通信连接，也不需要反复通信请求，可以减少通信时间和成本。通信帧是UDP协议中的基本单位，它包括帧起始标志、命令类型、数据长度、数据和校验码。帧起始标志固定为16#EF，用于标识数据的开始。命令类型标识发送的指令，包括初始化命令、数据采集命令、寻呼以及群呼等。数据长度占用2个字节，即定位标签需大于等于65000，即N=数据长度。在数据中存放具体的定位标签位置信息。最后，校验码采用CRC-8模式对该帧数据进行校验，以确保数据的正确性和完整性。

3硬件设计

3.1UWB定位分站硬件

UWB定位分站硬件结构，采用M6C2CCPU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850Kbps时的最远可视距离为150m,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。

3.2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。

4标识卡定位软件

标识卡定位软件：为实现精准定位，现在市场上出现了一种新型的标识卡定位软件。该软件通过使用超宽带（UWB）技术实现了高精度的定位。标识卡定位软件是一种小型设备，可以携带在身上，实现高精度的定位功能。标识卡在UWB定位分站覆盖范围内时的功能：当标识卡在UWB定位分站覆盖范围内时，它与UWB定位分站通讯，并能够发送实时数据。此外，标识卡还可消除累计误差，确保定位结果的准确性。这些功能的实现，为使用者提供了高精度和实时的定位数据。标识卡不在UWB定位分站覆盖范围内时的功能：当标识卡不在UWB定位分站覆盖范围内时，它可以通过惯性导航系统（INS）获取加速度和角速度值，并将这些数据存储在Flash内存中。一旦标识卡重新进入UWB定位分站覆盖范围内，保存在Flash内存中的数据可以进行上传，确保使用者在移动过程中不会丢失任何关键信息。对于不在UWB定位分站覆盖范围内的载体，判断其下一步动作，达到设定阈值后计算实时坐标值，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至Flash内存。这一功能可以为使用者提供更加精准的定位数据，并且在移动过程中保持数据的连续性和稳定性。在实际应用中，这一功能可以广泛应用于移动设备、智能家居、物联网等领域。

5电机车精确定位跟踪模块设计

电机车精确定位跟踪模块的原理是利用Zigbee无线通信网络及具备位移信号传感及测速功能的车载定位单元向上位机实时发送采集到的电机车具体位置参数，区段定位仍由布置于巷道的监控基站完成。

车载定位单元作为电机车位移信号传感装置，主要由控制单元、射频单元、报警单元及电源等组成。其中射频单元主要为外置射频天线，可将电机车标示信息及通过速度传感器、位移传感器所采集的车辆运行参数通过Zigbee无线通信网实时上传至监控平台，实现机车运行精确跟踪定位。车载定位单元供电采用内置电池电源及汽车电源接入两种模式，报警模块可在机车出现会车、超速等情况时发出相应声光报警，提示驾驶员注意安全驾驶。

1）车载机通电后，系统进入工作状态，将每台机车的ID标识信息经过内置视频模块和射频天线以一定时间间隔发送至通信平台。

2）通信平台监控基站接收到由车载机发送的无线ID标识信息后，将信号进行解调解码通过通信平台无线及光纤传输网络上传至地面调度中心管控平台。

3）调度管控平台接收到信号后，将通过管理软件进行RISS车辆定位计算，于监控终端实时显示车辆位置信息，同时可根据车载机数据进行交通信号切换控制，引导井下机车正确行驶。

结论

矿用井下人员定位系统是保证煤矿井下工人安全的重要手段。近年来，随着煤矿安全生产的不断强化和技术的不断发展，矿用井下人员定位系统已经投入使用，并且使用效果良好，得到了广泛的应用。该系统的人员定位准确性和精度较高，通过UWB技术、GIS技术以及定位算法相结合，进一步优化井下人员、设备的定位精度以及定位实时性，从而进一步增强了煤矿井下安全生产措施。

参考文献：

[1]高月,潘均.煤矿安全监控及人员定位系统防雷措施分析[J].矿业安全与环保,2015,42(4):106-108

[2]白璐,王然风.基于RSSI井下人员定Trilateration-GSA算法研究[JJ.煤炭工程[J].2018,50(12):123-126.

[3]王国亮.煤矿井下作业人员高精度定位系统设计[J].机电工程技术,2021,50(3):247-249.

[4]赵浪涛,赵永花,柴清.高精度超声波测距方法的研究[J].电气自动化,2015,37(3):112-114.