基于UWB 的矿井机车测速系统_刘世森.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 基于 UWB 的矿井机车测速系统 刘世森 1,2 （1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037） 摘要 提出了 1 种基于 UWB 的矿井机车测速系统设计方案。介绍了系统的总体架构， 针对矿 井一维线性空间， 读卡器采用基于 TOA 测量方法的双射频模块设计， 同时设置测距模块与监听 模块以实现对机车的精确定位和方向识别， 单次测距时间短， 分析了基于无线定位的机车测速 原理， 详细介绍了读卡器和车载卡的硬件、 软件设计， 试验结果表明机车测速误差控制在 2以 内， 满足现场测速应用。 关键词 机车测速系统； UWB； 读卡器； TOA； 双射频 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0136-04 Speed Measurement System for Mine Locomotive Based on UWB LIU Shisen1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China;2.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China） Abstract A design scheme for mine locomotive speed measurement system based on UWB was proposed. The overall architecture of the system is introduced. Aiming at the one-dimensional linear space of the mine, the card reader adopts the dual radio frequency module design based on TOA measurement . At the same time, a ranging module and a monitoring module are set to achieve accurate positioning and direction identification of the locomotive. The single ranging time is short. The principle of locomotive speed measurement based on wireless positioning is analyzed, and the hardware and software design of card reader and car card are introduced in detail. The test results show that the error of locomotive speed measurement is controlled within 2, which meets the field speed measurement application. Key words locomotive speed measurement system; UWB; card reader; TOA; dual radio frequency 煤矿安全规程 （2016 年修订版） 第 392 条规 定采用无轨胶轮车运输时，运行中应当符合下列 要求 运行速度， 运人时不超过 25 km/h， 运送物料 时不超过 40 km/h。 金属非金属地下矿山无轨运人 车安全技术要求 2017 年的征求意见稿中明确提出 行驶速度不得超过 30 km/h。学者根据公开的论文 报道 20132017 年期间在全国煤矿共发生各类生 产事故死亡事故 1945 起[2]， 交通运输死亡事故 409 起， 仅次于顶板事故， 位居第 2 位。相关学者对矿井 机车测速方法进行许多研究[3-7]， 通过合理的控制车 速可以有效的较少和预防交通运输事故。矿井无线 实时定位技术是国内外研究热点， UWB 技术具有 定位精度高、 抗干扰和抗多径能力强[8-9]， 为此提出 一种基于 UWB 的矿井机车测速系统设计方案， 对 矿井机车进行精准定位和准确测速，能够提高执法 依据。 1系统架构 基于 UWB 的矿井机车测速系统主要由车载 卡、 本安型读卡器、 电源、 工业环网平台和服务器等 组成。本安型读卡器通过光纤或者网线就近接入交 换机，再通过光纤向下传输，本安型读卡器之间通 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.029 刘世森.基于 UWB 的矿井机车测速系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 136-139. LIU Shisen. Speed Measurement System for Mine Locomotive Based on UWB ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 136-139. 移动扫码阅读 基金项目中煤科工集团重庆研究院有限公司重点资助项目 （201002119） 136 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 过光纤或网线相连。在巷道方向沿车辆行进方向间 隔一定距离安装本安型读卡器，当安装在车辆上的 车载卡进入到本安型读卡器无线覆盖范围内时， 采 用 UWB 方式与本安型读卡器进行无线交互，并实 时上传至服务器，服务器根据收到的信息计算出车 辆的平均速度， 最终在 web 终端进行显示。 2定位原理 UWB 技术是一种基于脉冲的技术， 其脉冲小于 1 ns， 测距精度可达亚米级， 具备发射功率低、 抗干 扰性强等优点。 UWB 精确定位方式主要有到达时间 法 （TOA） 和时间差定位法 （TDOA） [10-11]。研究以 TOA 方法为基础的 TWR 单程测距方法。 矿井机车测速是基于车辆定位设计的，针对矿 井一维线性空间，本安型读卡器采用双射频 UWB 模块设计，同时设置测距模块和侦听模块，即可完 成读卡器两侧待定位目标的定位和定向，本安型读 卡器定位原理图如图 1， 读卡器包括测距模块、 侦听 模块、 射频天线、 时钟单元、 网络模块及微控制器模 块。测距模块用于与车载卡进行无线交互并记录信 号发送和接收时间戳，侦听模块用于接收信号并记 录无线信号交互过程中的信号到达时间戳，网络模 块用于读卡器之间或与交换机的通信连接。定位工 作时序图如图 2。 定位工作时序其步骤如下 ①由车载卡 X 发起 广播请求信号，并记录测距请求信号发送时间戳 tXB，发送到 UWB 侦听模块 A 和 UWB 测距模块 B； ②UWB 测距模块 B 与 UWB 侦听模块 A 收到车载 卡 X 的信号后， 测距模块 B 和侦听模块 A 分别记录 测距请求接受信号时间戳 rB和 rA； ③测距模块 B 发 送测距应答信号到车载卡 X 与侦听模块 A， 测距应 答信号为广播包， 并记录发送时间戳 tB； ④侦听模块 A 接收到测距应答信号可以获得时间戳信息 rAB， 车 载卡 X 收到信号后， 记录测距应答信号时间戳 rXB。 车载卡 X 到 UWB 测距模块 B 的距离 d 为 d（rXB -tXB） - （tB-rB） 2 c（1） 式中 c 为电磁波在介质中的传播速度， 一般以 真空中的光速来代替。 在获取了车载卡的距离信息之后，仍然无法确 定车载卡在一维线性巷道环境中的绝对位置，车载 卡判定方向过程如下。 由于侦听模块 A 和测距模块 B 之间的距离 L 为恒定值， 则有 tB L C rAB（2 ） 若车载卡在本安型读卡器的左侧， 有 rA L C rB（3） 将式 （2 ） 代入到式 （3） 中， 当车载卡在本安型读 卡器的左侧时有 rA-rB-tBrAB0（4） 若车载卡在本安型读卡器的右侧， 有 rA- L C rB（5 ） 将式 （2 ） 代入到式 （5） 中， 当车载卡在本安型读 卡器的右侧时有 rA-rB-tBrAB2 L C （6） 根据式 （4） 和式 （6） 可知， 通过计算的值， 即可 完成车载卡方向的判定，结合距离信息 d 即实现车 载卡的定位。 综上所述， 根据车载卡、 测距模块以及监听模块 图 1本安型读卡器定位原理图 Fig.1Positioning schematic of intrinsically safe card reader module 图 2定位工作时序图 Fig.1The diagram of positioning sequence 137 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 所记录的时间戳信息，实现了在计算车载卡与读卡 器之间距离的同时也完成对车载卡相对于读卡器的 方向的判断，结合读卡器自身的位置信息，可以实 现在一维环境下对车载卡的精确位置信息的获取。 根据该定位原理可以同时完成单个读卡器两侧的定 位，且车载卡与读卡器只需进行单次测距，测距耗 时缩短，从而增加车载卡的续航时间，同时也减少 了无线信道的占用， 增加了系统的容量。 3测速原理 车辆运行速度 v △d △t （7） 式中△t 为车辆运行的时间， s;△d 为在此时间 段内车辆运行的实际距离， m。 设车辆在在 ti时刻的位置信息为 di，其中 i 0， 1， 2， ， n， 服务器计算车辆某一瞬时速度 vi-1为 vi-1 di-di-1 ti-ti-1 （8） 服务器计算某一控制路段的平均速度v 为 v d1-d0 t1-t0 d2-d1 t2-t1 dn-dn-1 tn-tn-1 n （9） 式 （9） 中， 根据v 与车辆运行速度的限值进行比 较， 将不合理的速度值丢弃， 得到车辆最终速度值。 4读卡器 本安型读卡器硬件构成框图如图 3。微控制器 选用 STM32F407ZGT6， 带有 FPU 的 32 位 Cortex-M4 内核微处理器， 主频高度 168 MHz， 15 个通信接口。 DW1000 符合 IEEE802.15.4-2011 超宽带标准， 定 位精度可达厘米级， 支持 TOA 测距和 TDOA 精确定 位[12]。在 110 kpbs/s 通讯速率情况下， 理想条件下 DW1000 最大测距距离为 60 m，不符合矿井现场应 用需求，故需增加功率放大器，以便增加最大无线 覆盖距离。工业交换机处理器具备 3 路光口和 2 路 网口，可进行读卡器之间级联。电源管理模块负责 芯片的供电控制。 读卡器软件流程如图 4。 读卡器上电后， 首先对 CPU 系统和 UWB 芯片进行初始化配置，等待车载 卡所发送的入网请求帧，当收到车载卡的入网请求 帧后，向车载卡回复入网响应帧；当车载卡入网完 成后， 按照 TOA 测距原理完成与侦听模块和监听模 块的无线信息交互； UWB 无线信息交互过程完成 后，按照通信协议将定位结果通过光纤传输到服务 器进行数据处理。 5车载卡 车载卡要求使用寿命长， 故主控模块采用 ARM 低功耗处理器微处理器，采用浇封电池满足本安电 路设计， UWB 射频模块参照定位读卡器硬件进行设 计。车载卡硬件主要由以下几个模块组成 ARM 低 功耗处理器、 DW1000 射频芯片、 功放、 按键、 振动传 感器、 电源芯片和电池等。 车载卡软件流程如图 5。车载卡上电后， 首先进 行初始化配置，然后主动扫描网络，发送入网请求 帧， 申请测距时隙， 当收到读卡器回复的入网响应帧 后， 入网成功， 车载卡与读卡器之间建立起一对一的 无线通讯连接，采用 TOA 测距方式与读卡器进行 图 4读卡器软件流程图 Fig.4Software process of the card reader 图 3本安型读卡器硬件构成框图 Fig.3Block diagram of the hardware configuration of intrinsically safe card reader 138 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 UWB 无线信息交互， 直至测距成功； 测距成功后， 为 了节省功耗，车载卡进入掉电模式，等待定时器定 时唤醒进行下一轮定位。车载卡如果入网不成功， 则直接进入低功耗休眠状态，周期性进行入网请 求， 直至入网成功。 6试验结果 为验证系统性能，在山东省兖矿集团济宁三号 井搭建测速系统，按照每隔 500 m 布置 1 台读卡 器， 共布置 5 台读卡器， 车辆携带车载卡进行测速测 试， 分别设定为 15、 20、 25、 30、 35 km/h， 针对不同速 度进行 8 个来回测试，其中实际车速为车辆仪表盘 上显示的车速,测试实验的实际车速、 测量车速和平 均误差值见表 1。由表 1 可知本方法测速误差控制 在 2以内， 仍然在可以接受的范围内， 满足巷道环 境的车辆测速应用， 系统设计合理。 7结语 提出了提出了一种基于 UWB 的矿井机车测速 系统设计方案。阐述了系统的总体组成架构，设计 了适用于矿井一维线性空间的定位方法，读卡器采 用基于 TOA 测量方法的双射频模块设计， 同时设置 测距模块与监听模块以实现对机车的精确定位和方 向识别， 单次测距时间短， 分析了基于无线定位的机 车测速原理， 详细介绍了读卡器和车载卡的硬件、 软 件设计，试验结果表明机车测速误差控制在 2以 内， 满足现场测速应用。 参考文献 ［1］ 胡志高.基于环形线圈感应的车辆测速技术与实现 ［D］ .上海 上海应用技术大学， 2016. ［2］ 蒋星星， 李春香.2013-2017 年全国煤矿事故统计分 析及对策 ［J］ .煤炭工程， 2019， 51 （1） 101-105. ［3］Hameed Hamada, Malathi B N. Microcontroller based LADAR system for speed detection ［EB/OL］ . ［2020-02- 12］ . Microcontroller_based_LADAR_Sys－ tem_for_Speed_Dete- ction. ［4］ 何燕玲.雷达测速算法研究与软件实现 ［D］ .武汉 华 中科技大学， 2012. ［5］ 陈力.机动车雷达测速仪检测的现状及测速误差分析 ［J］ .计量与测试技术， 2016， 43 （5） 42-44. ［6］ 吴松.机动车区间测速系统综述 ［J］ .计量与测试技术， 2017， 44 （7） 71-72. ［7］ 孙超， 李玉良， 王蓓蓓， 等.图像识别技术在矿井机车 监控系统中应用 ［J］ .煤矿机械， 2011， 32 （2） 199. ［8］ 刘书伦， 王树森.基于超宽带技术的井下人员定位系 统 ［J］ .工矿自动化， 2014， 40 （10） 81-83. ［9］ 刘世森.基于 UWB 的矿井人员精准定位技术 ［J］ .煤 矿安全， 2019， 50 （6） 118-120. ［10］ 唐春玲， 孙明刚.基于无线定位技术的煤矿井下人员 定位系统研究 ［J］ .煤炭技术， 2014， 33 （1） 116-118. ［11］ 王明东.基于 UWB 技术的地铁隧道人员定位系统研 究 ［D］ .武汉 武汉理工大学， 2018. ［12］ 申伟光.基于UWB 技术的煤矿井下无线定位系统 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （10） 131-134. 作者简介 刘世森 （1983） ， 湖北麻城人， 助理研究员, 硕士， 2012 年毕业于煤炭科学研究总院，研究方向为测控 技术及仪器仪表开发， 发表论文 6 篇。 （收稿日期 2020-03-12； 责任编辑 李力欣） 实际车速/ （km h-1）平均估计值/ （km h-1）误差/ 15 20 25 30 35 14.76 19.64 25.42 29.58 35.56 1.6 1.8 1.7 1.4 1.6 表 1速度平均估计值及误差 Table 1Average estimated value and error of speed 图 5车载卡软件流程设计图 Fig.5Software process of the vehicle card 139 ChaoXing