基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法.pdf

第4 5 卷第6 期 2 0 2 0 年6 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V o l _ 4 5N o ．6 J u n ． 2 0 2 0 移动阅读 张晓光，杨悦，孙彦景，等．基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 6 2 0 5 6 2 0 6 4 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．1 4 0 0 Z H A N GX i a o g u a n g ，Y A N GY u e ，S U NY a n j i n g ，e ta 1 ．P o s er e c o g n i t i o nm e t h o do fm a d h e a d e rb a s e do nm u l t i f r e q u e n c y c o n t i n u o u s - w a v ep h a s e d i f f e r e n c er a n g i n g [ J ] ．J o u m a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 6 2 0 5 6 2 0 6 4 ．d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．1 4 0 0 基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法 张晓光1 ，杨悦1 ，孙彦景1 ，李松1 ，田志坚2 ，丁恩杰1 ’3 1 ．中国矿业大学信息与控制学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．徐工消防安全装备有限公司，江苏徐州2 2 1 0 0 4 ；3 ．中国矿业大学物联网 感知矿 山 研究中心，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要随着矿山生产过程的日趋无刖少人化，采掘装备位姿识别技术对煤矿井下安全生产和机 器协同工作具有重要意义。为了解决在空间受限的复杂掘进作业环境下，电磁波频繁反射和散射 会造成密集多径和大相位误差问题，采用无源宽带谐波标签生成可利用的谐波信号，建立基于非线 性二次谐波反向散射的抗干扰模型，通过上、下行链路的频率分集，抑制矿井密集多径干扰；通过基 于距离的几何定位方法，提出连贯发射宽带多频连续波 C o h e r e n tS e n d i n gB r o a d b a n dM u l t i f r e q u e n c y C o n t i n u o u s ．w a v e ，C S M C W 相位差测距算法，来解决大相位误差条件下的测距、定位和识别的准确 性难题；并以掘进机为例，研究了基于C S M C w 相位差测距的无源掘进机位姿识别方法。为了验证 上述理论和算法的可行性，设定了长宽高为1 0 5m 4m 3m 的掘进机仿真实验场景，分别对谐 波标签抗干扰性能、C S M C W 相位差测距和掘进机位姿识别效果进行了仿真测试。仿真结果表明 采用无源宽带谐波标签，与传统无源标签相比可以获得更大的信干比，具有较强的顽健性，能够有 效抑制纳秒级密集多径干扰；与二次相差测距算法、参差频差测距算法相比，基于谐波反向散射抗 干扰模型的c s M c w 测距算法具有更强的鲁棒性，在低信噪比条件下定位测距可达到厘米级的分 辨率，保证了掘进机位姿姿态角的识别；信噪比 S N R 一5d B 、测量距离为1 0 0m 时，基于提出的 多频连续波相位差测距的位姿识别方法得到掘进机航向角、俯仰角、横滚角最大误差精度约为 2 ．3 0 ，能够满足未来的应用要求。 关键词位姿识别；多频连续波；谐波反向散射；相位差测距 中图分类号T N 9 2文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 6 2 0 5 6 0 9 P o s er e c o g l l i t i o nm e t h o do fr o a d h e a d e rb a s e do nm u l t i f r e q u e n c y C 0 n t l n U O U S - W a V ep n a S e - d n I e r e n C er a n g l n g J ●11 ●n n● Z H A N GX i a o g u a n 9 1 ，Y A N GY u e l ，S U NY a n j i n 9 1 ，L IS o n 9 1 ，T I A NZ h i j i a n 2 ，D I N GE n j i e l 3 1 ．5 砒0 0 f0 ，蜘丌m 如no n dc o m r o fE 昭i 鹏e 凡g ，饥i 船‰施阳吵o ，施n i 增o n d ％c 肿f 9 9 y ，x 础o u2 2 1 l1 6 ，c i M ；2 ．x C M Gn r e 币咖f i 增S 咖桫 的u 咖榭眦c 0 ．，血d ．，疋砒o M2 2 1 0 0 4 ，吼i ∞；3 ．m t e 删￡0 ，弛i 7 拶 n 唧如n 胁聊 鼢∞r c ＆n 把r ，饥i n 口‰溉邶妙旷删n 嘞肌d 死如凡o f D g y ，丑砒。 2 2 1 0 0 8 ．C 轨。 A b s t r a c t A st h em i n ep r o d u c t i o np r o c e s sb e c o m e si n c r e a s i n g l yu n m a n n e d ／l e s sh u m a n i z a t i o n ，t h ep o s er e c o g n i t i o n t e c h n o l o g yo fm i n i n ge q u i p m e n ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h es a f ep r o d u c t i o no fc o a lm i n ea n dm a c h i n ec o o p e r a t i o n ．I n o r d e rt os o l V et h ep r o b l e m so fd e n s em u l t i p a t ha n dl a r g ep h a s ee ⅡD r sc a u s e db yt h ef } e q u e n c yr e n e c t i o na n ds c a t t e r i n g 收稿日期2 0 1 9 1 0 一1 5 修回日期2 0 1 9 1 2 2 9责任编辑陶赛 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F c 0 8 0 2 9 0 8 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 8 0 4 3 0 4 ；徐州市科技资助项目 K c l 8 0 6 8 作者简介张晓光 1 9 7 8 一 ，女，辽宁昌图人，副教授，博士。E m a i l x i a o g L l a I l 铲h 1 6 8 1 6 3 ．c o m 通讯作者孙彦景 1 9 7 7 一 ，男，山东滕州人，教授，博士生导师。E m a i l y a n j i n g s u n c n 1 6 3 ．c o m 万方数据 第6 期张晓光等基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法 2 0 5 7 o fe l e c t r o m a g r I e t i cw a V e si nac o m p l e xd r i v i n ge n v i r o n m e n tw i t hl i m i t e ds p a c e ，a na n t i i n t e d ’e r e n c em o d e lb a s e do n n o n l i n e a rs e c o n d - h a n n o n i cb a c k s c a t t e r i n gi se s t a b l i s h e du s i n gt h ep a s s i v eb r o a d b a n dh a n l l o n i ct a gw h i c hi su s e dt o g e n e m t ea na v a i l a b l eh a 瑚o n i cs i g r I a l ，r e a l i z i n gt h ef r e q u e n c yd i v e r s 蚵o fu p l i n ka n dd o w n l i n kt os u p p r e s sd e n s em u l - t i p a t hi n t e r f e r e n c eo ft h em i n e ．U s i n gt h eg e o m e t r i cp o s i t i o n i n gm e t h o db a s e do nd i s t a n c e ，aC o h e r e n tS e n d i n gb r o a d - b a n dM u l t i f b q u e n c yC o n t i n u o u s - w a v e C S M C W p h a s ed i f k r e n c er a n g i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m s o fa c c u m c yi nr a n 西n g ，p o s i t i o n i n ga n dr e c o g n i t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fl a r g ep h a s ee n ．o r ．T a k i n gt h er o a d h e a d e ra s a ne x 锄p l e ，t h ep a s s i V ep o s er e c o g n i t i o nm e t h o do far o a d h e a d e rb a s e do nC S M C Wp h a s ed i f ．f e r e n c er a n g i n gi ss t u d i e d ．I no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea b o v et h e o r ya n da l g o r i t h m ，as i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls c e n eo far o a d h e a d e r w i t hal e n g t h ，w i d t h ，a n dh e i g h to f1 0 5m 4m 3mw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ea n t i - i n t e I { ．e r e n c ep e I f o n _ I l a n c eo ft h eh a 卜 m o n i ct a g s ，C S M C Wp h a S ed i 由f e r e n c e 砌g i n g ，a n dt h ep o s er e c o g n i t i o ne f r e c to ft h er o a d h e a d e rw e r es i m u l a t e d ．S i m u - l a “o nI ．e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht I ．a d i t i o n a lp a s s i v et a g s ，u s i n gp a s s i v eb r o a d b a n dh a n ．I l o n i ct a g sc a no b t a i nal a 卜 g e rs i 印a l t o i n t e r f 宅r e n c em t i o ，w h i c hh a ss t r o n g e rr o b u s t n e s sa n dc a ne f 艳c t i v e l ys u p p r e s sn a n o s e c o n dd e n s em u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e ．C o m p a r e dw i t h t h eq u a d r a t i cp h 躺ed i f k r e n c er a n g i n ga l g o r i t h ma n dt h es t a g g e r e df 诧q u e n c yd i f 耗r e n c e r a n g i n ga l g o r i t h m ，t h eC S M C Wr a n g i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h eh a 珊o n i cb a c k s c a t t e r i n ga n “n t e m r e n c em o d e l i sm o r e r o b u s t ，a n dt h ep o s i t i o n i n gr a n g ec a nr e a c ht h ec e n t i m e t e rr e s o l u t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o ws i g n a l - t o - n o i s er a t i o ， w h i c he n s u r e st h ea t t i t u d ea n 9 1 er e c o g n i t i o no faI ．o a d h e a d e r ．W h e nt h eS N R 一5d Ba n dt h em e a s u r e m e n td i s t a n c ei s l 0m ，t h em a x i m u me n ．o ro ft h eh e a 也n ga n g l e ，p i t c ha n g l ea n dr o Ua n d eo ft h er o a d h e a d e ri sa b o u t2 ．3 0b a s e do n t l l ep r o p o s e dm u l t i f 诧q u e n c yc o n t i n u o u s - w a v ep h a s e - d i f 耗r e n c er a n g i n gm e t h o df o rt h ep o s er e c o g n i t i o no far o a d h e a d - e r ，w h i c hc a nm e e tf u t u r e 印p l i c a t i o n s ． K e yw o r d s p o s er e c o g n i t i o n ；m u l t i - f k q u e n c yc o n t i n u o u s - w a v e ；h a n I l o n i cb a c k s c a t t e r i n g ；p h a S e - d i f ．f e r e n c er a n g i n g 随着智能化装备和物联网技术的发展，矿山采、 掘、运等安全生产过程逐渐趋向无人／少人化。3J ，掘 进机等装备位姿识别的精确性、实时性和可靠性，对 煤矿井下安全生产管理、机器协同工作及智能化无人 生产都具有重要意义。 文献[ 4 8 ] 对掘进机位姿识别进行了研究。文 献[ 4 ] 提出了一种基于视觉的切割头姿态估计非接 触测量方法，在掘进机上部署1 6 点红外L E D 目标， 通过建立单目视觉测量系统，处理L E D 目标图像并 估计切割头的位置；文献[ 5 ] 提出了一种基于掘进机 位姿测量系统的自主标定方法，可代替传统人工对全 站仪进行整平和设站；文献[ 6 ] 基于机器视觉的掘进 机机身实时监测系统，对掘进机机身位姿参数进行自 动检测；文献[ 7 ] 提出基于多传感器融合的悬臂式掘 进机位姿检测方法；文献[ 8 ] 提出了基于超宽带 u w B 测距技术的位姿检测方法，利用4 个搭载 U W B 模块的移动基站机器人对机身节点进行测距， 经过解算测距信息得到掘进机位姿参数。文献[ 9 一 1 1 ] 对开放条件下的无源R F I D 系统定位识别算法、 干扰对消设计方法、数据编码方法等进行了理论和技 术研究。综合可知，矿井／隧道装备位姿识别基本上 采用有源定位技术，通过实验仿真和设计的验证方案 证明了各自有效性。在矿山工程应用中，基于无源 R F I D 定位的位姿识别方法，尤其在抗多径干扰方面 还鲜有相关研究。 目前国内外很多学者对开放环境下无源R F I D 定位识别方式和测距算法开展了研究。文献[ 1 2 ] 在准确估计出移动目标反射波的T O A ／D O A 参数丁； 和p 的条件下，利用几何确定法精确求解移动目标 位置；文献[ 1 3 ] 提出一种残差加权多维标度算法， 利用阅读器和标签之间的距离信息和标签之间的 距离信息构建距离平方矩阵和内积矩阵，引人少量 参考标签建立标签之间欧式距离和标签定位参数 之间欧氏距离的线性关系以获取标签之间的距离 信息；文献[ 1 4 ] 建立待定位标签与阅读器、参考标 签距离估计模型，将多径传播、高斯白噪声、相位差 欧氏距离拟合引起的距离估计误差等效为正态分 布，利用参考标签的相位差信息和位置信息计算出 正态分布参量。随着无源R F I D 定位算法研究的深 入，利用相位信息作为定位参数，从而获取距离信 息的定位方法越来越受到学者们的青睐。文献 [ 1 5 ] 在使用无源R F I D 标签定位系统的基础上，选 取相位差信息用于定位中的距离测量，证明了相位 差对距离敏感，有助于准确定位；文献[ 1 6 ] 研究了 一种基于相位的复合测距系统，通过结合双频连续 波 D F C W 和连续波 C W 的距离估计，在室内空 间为反向散射射频标签提供相对准确和绝对的距 离估计，但该种方法不适合动目标；文献[ 1 7 ] 针对超 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 高频9 1 5M H z 信号，提出“欠采样”条件下的双频副 载波调幅的定位算法，但这种方法存在着测距精度和 最大不模糊距离之间的矛盾，定位范围较小；文献 [ 1 8 1 9 ] 分别使用二次相差和参差频差方法获取测 距信息，利用多频连续波改善距离模糊，但这两种多 频连续波测距方法没有考虑最大化相位误差的容忍 度问题，仿真表明测距精度可以达到分米级。 在空间受限的掘进作业环境下，电磁波频繁反射 和散射会造成密集多径和大相位误差问题，现有的抗 多径干扰和相位差测距算法不适合直接应用于复杂 环境下采掘装备的位姿识别。因此，以掘进机为例， 笔者提出一种基于相位信息的多频无源掘进机位姿 识别算法，可以扩展应用到其他装备。采用无源宽带 谐波标签，建立基于非线性二次谐波反向散射的抗干 扰模型，以对抗密集多径干扰；基于距离的几何定位 方法，提出C S M C W 相位差测距方法，解决掘进工作 面大相位误差条件下的距离模糊问题，以实现掘进机 机身位姿姿态角的识别。 1掘进机机身位姿识别系统模型 如图1 所示，掘进机机身位姿识别模型由无源 R F I D 的4 个读写器S ．～S 。和A ，B ，C 三个 或更多 无源谐波标签组成。随着工作面的推进，掘进工作面 物理空间位置会发生改变，读写器S ．～S 。位置方便 动态推进式部署，其中s ．和s ，沿顶部支护中线安 装，s ，和s 。部署于两帮支护的两侧壁偏向于顶部支 护位置。将A ，B ，c 三个无源谐波黏附在掘进机机身 上，选取在同一个水平面E 且相互构成等腰直角三角 形，其中A ，B 位于机身左侧，c 位于机身右侧，且设 A C A B 2m ． 图l 无源R F I D 掘进机机身位姿识别模型 F i g ．1 M o d e lo fp a s s i v eR F I Dp o s er e c g 『1 i t i o nf o r r o a 1 h e a 1 e rb o 1 v 已知读写器s 。～s 。相对巷道坐标系的位置，一 旦精确获得黏附在掘进机机身上A ，B ，C 三个定位标 签的坐标参数，利用掘进机机身姿态角公式计算，便 可以确定掘进机机身当前的位姿。 2 谐波反向散射抗多径干扰 采用无源宽带谐波标签生成可利用的谐波信号 来解决工作面上密集多径干扰问题“’，建立的谐波 反向散射抗多径模型如图2 a 所示。当下行链路信 号以载波频率．J f 从发射机传到标签以后，利用无源 标签中的非线性元件产生相应的二次谐波频率为 2 厶，接收天线只接收2 厶频率的谐波信号，不再接收 频率为．厶的信号，即二次谐波频率2 ／，为从标签到接 收天线链路的信号，下行、上行链路频率分集，在工作 面密集多径场景下，如图2 b 所示，消除了传统反向 散射中频率为．厶的多径干扰信号。 下行直达路径载波频率下行多径载波频率后 上仃直达路径载波频率弧上行多径载波频率豺 a 谐波反向散射 下行直达路径载波频率下行多径载波频率矗 上仃直达路径载波频j 社瓤j卜 行多径载波频举蕊 b 传统反向敞射 图2 掘进工作而多径干扰场景 F 培2 D e n s em u l t i p a t l li n t e m r e n c escenei 1 1 1 1 e a I j l l gf a 。e 3 C S M C W 相位差测距方法 在空间受限的掘进工作面上，密集多径导致收发 信号的相位差信息存在很大的测量误差；另外，矿井 无线通信优质载波频率中心，’一般位于9 1 6M H z 或 2 ．4G H z ，波长A c ／厂，c 为光速。可以求得相应载波 信号波长A 约为几十厘米，掘进工作面测距范围为 米级，射频信号从读写器发射，经无源谐波标签反向 散射回到读写器，将经历多个载波整周期，会产生距 离模糊问题。因此，掘进工作面上的位姿识别存在大 相位误差条件下的距离模糊问题，为了不影响基于相 位差信息测距、定位和识别过程的准确性，提出 C S M C W 相位差测距方法。 万方数据 第6 期张晓光等基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法 2 0 5 9 首先，为了最大化相位误差的容忍度，优化选取 多频连续波频率。定义相位误差容忍值的阈值方程 为 r j r 。i 。。窆≥≠。，i j n 豸，r 筹 1 其中Z 为第i 1 ≤i ≤K ，K 为多频连续波个数 个正 弦波频率；N 为自然数集合；口i 至少有一个为非零值； ／为所选的最优频率组合；R 。。为可测得的最远距离。 最大相位误差阈值函为 西 ，舯a x ，r 力 2 通过式 1 ， 2 即可利用遗传算法优化选取K 个相位误差容忍最大的最优频率序列，设最优频率组 合为厶。 _ ≥五≥⋯≥五 厶i 。，对于任意频率i ， J ∈[ 1 ，K ] ，令对应谐波的相位误差最大值为M ，即 肚焉仃等≯ ㈩M m a x 叮T 半，- } L 3 i ，it ≠i t t 当口l n 2 ⋯ 口K p 时，p 为≥1 的整数 肛焉叩筹硼糍 p 竹巍≥盯畿㈩p 竹瓦≥盯赢‘4 其中，当p 2 1 时，M2 1 T 筹，此时M 值最小。 当o 。，血，⋯，o x 为不全相等的整数时，从中任取 2 个值o ，n ；，满足o ≥o ，。 肚器盯等≯ 盯％茅≥ I ，it ≠j j i 七l ij I 七j K 竹麓 仃畿 ㈣ 竹歹而Ⅻ赢 ∞ 将式 4 ， 5 的结论代入式 1 ，得 丁c 力 m i n { 仃；兰} ；号兰，p 订；兰} ；丢 盯麓 6 盯E 了乏 L o ’ 将式 6 代人式 2 ，即可确定最优频率组合下 的最大相位误差阈值函为 中- ，1 2 翳 力2 仃麓‘7 如，⋯靠⋯ f - 。， ，二；。 、’ 然后，读写器s 。～S 。按时间顺序周期循环地连 贯发射上述K 个优化选取的多频连续波作为测距信 号，掘进机上A ，B ，c 三个无源谐波标签以时分复用 和码分多址的方式对测距信号产生相应的二次谐波 信号 频率分别为弘，现，⋯，狐 ，谐波信号再反向 散射回到读写器接收天线。对于任一个读写器来说， 发射频率为Z 的信号，就会收到须的谐波信号，经 过2 R 的路程后收发信号会有一个相位差，建立视在 相差函数9 ∥为 9 ；d e 8 l 塑一2 n i 订 8 9 i2 一z n i 订 【西J 其中，9 ∥∈[ o ，2 竹] 表示第i 1 ≤i ≤K 个频率Z 作 用下应测得的相位差理论值；n i 为第i 个频率作用下 的模糊数；R 为读写器到谐波标签的真实距离，也是 待精确测量的距离。但因为存在距离模糊问题，玎i 不能测得。 根据式 8 ，得到读写器到谐波标签的真实距离 R 为 肛雾 纛等 9 肛磊 毒杀 9 由于掘进工作面空间受限，密集多径干扰严重， 实际测得的相位差妒；和理论值∥。1 之间会有误差， 导致测距误差e 。存在。因此，第i 个频率作用下读写 器到谐波标签的实际测量距离R 可表示为 R 尺 e i2 象 丧券 加 为了解决距离模糊问题，通过连贯发射多频连续 波和有约束的最小均方误差的方法，使各个频率作用 下的测量误差e i 的平方和最小，即 氍2 塞e ； m i n 耋 豢 毒羔一R 2 ⋯，氍2 荟e ； m i n 荟 豢 毒券一R 1 1 同时，应满足O ≤R i ≤尺。。，由式 1 0 可得 o ≤襄 毒筹≤R 。。 c 他， 其中，9 。∈[ 0 ，2 叮T ] ，n i 为≥0 的整数，则得到式 1 1 的约束条件I 为 暑 鲁≤R ⋯ 1 3 一 一≤代⋯， 1 jJ 锁领、““1 、7 另外，由式 9 ， 1 0 可推得测量距离尺。和真实 距离尺的关系式为 弘R 毒与产一羲等㈣， 其中，△9 i 为相位差误差。则第i 和第，个频率作用 下的距离差可表示为 懈刮 怯等一毒舞J 等等 1 5 其中，△妒。。。为最大相位差误差。将式 1 0 代入 式 1 5 ，则得到式 1 1 的约束条件Ⅱ为 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 l 堕 旦盟一堕一旦盟l I 彭i吖。2 叮T钙钙2 订l 蛭堂盟 f1 6 j 2 屯 q 0 i 比较测得的最大相位差误差△9 。。。和式 7 得到 的最大相位误差阈值西，如果△妒。。。 中，式 1 6 改写 为 l 堡 三堕一生一旦盟l 皇型土盟 l 领领2 叮r够领2 叮T 2 叮T 蛳 1 7 此时，为求解n i 和真实距离尺，建立优化问题 氍 耋e ； m i n 塞 襄 轰羔一尺 2氍 荟e ； m i n 荟 券 参券一尺J 寿 函，式 1 7 将不 成立，则放松阈值中为 中”1 中“叫 1 8 直至满足△9 。。。 西”1 为止。其中∞为松弛因子，取 值大于1 ；函“为第m 次设置的阈值。用西”1 替代 式 1 7 中的中，则得 l 堕 旦堕一堕一旦盟l 型型』型 J 彭i形。2 耵钙 钙2 叮T 2 盯 形／； 1 9 同理，为求解n 。和真实距离兄，建立优化问题 氍2 ；e ；2m i n 荟 摹 毒筹一尺 云 吾≤尺。。。 领领‘⋯“ 『堡 旦堕一堡一旦盟l 型型立型 l 钐i彩i2 叮T钙钙2 1 T 2 1 T 彩Z 即可获得n i 和真实距离尺的无模糊估计值。 4 基于C S M C W 的位姿识别方法 4 ．1 机身无源标签坐标定位 以掘进机为例，为了准确有效地进行位姿识别， 通过c s M c w 相位差测距方法对掘进机机身上A ，B ， C 三个无源谐波标签进行精确测距后，采用几何定位 算法实现无源标签的精确定位。 已知读写器坐标分别为s 。 戈。， ，。，z 。 ，s 戈，y ， z 2 ，s 3 石3 ，y 3 ，彳3 ，s 4 茗4 ，y 4 ，缸 ，它f I 、1 至0A ，B ，C 三三个 无源谐波标签的距离可以写成4 个球面方程2 I 尺 尺； 尺； 髓 2 0 求解方程组 2 0 可得到机身无源谐波标签的三 维坐标，分别表示为A 戈。，y 。，％ ，B 戈。，y 6 ，z 。 ， c 戈。，y 。，彳。 。从而实现掘进机机身无源标签的精确 定位。 4 ．2 机身姿态角计算 掘进过程中，掘进机机身位置偏移，会产生航向 角、俯仰角、横滚角，由此可识别掘进机的位姿。 以巷道横截面底线中心为坐标原点、巷道中线的 方向为x 轴、腰线方向为Z 轴，建立掘进机机身位姿 模型，分别给出如图3 所示的航向角d 在x o l ，平面 y ，r 誉“’ D么一一￡二一- 一 ／ X 巷道坐标系 Z a 航向角 Z 。 B ∽6 ，儿，2 J ／ ／ №“j ≥面一一一￡ o 么，，j 一一一 ／ 一 ／ 巷道坐标系 x y b 俯仰角 Z A 瓴，儿，z 。 ’～C 工，且，乙 j 了『二≥1 ，p 一一一一一一一。 D／，， 一一一一一 一 ／ J ， 巷道坐标系 X c 横滚角 图3掘进机机身位姿模型 F i g ．3 P o s em o d e lo f I h er o a d h e a d e r b o d y 2 2 2 2 、i、 函 勿 勿 缸 一 一 一 一 Z 三 Z 彳 ，fI＼，fI、，L／r、、 ，‘2； 、i、J 2 3 4 y y y y 一 一 一 一 y y y y，L，I、、，【／，＼ ，‘ 2 2 2 、J、，、，、J ， 2 3 4 石 并 戈 石 一 一 一 一 戈 戈 戈 戈 ，r儿川，rl 万方数据 第6 期 张晓光等基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法 2 0 6 1 上掘进机与x 轴夹角 、俯仰角卢 在．Y 陇平面上掘 进机与x 轴夹角 ，以及横滚角y 在y 睨平面上掘 进机与y 轴夹角 的姿态角计算公式 a a r c t a n [ 卫 2 1 戈6 一X 8 口 a r c t a n 三巫 2 2 戈6 一戈o y a r c t a n 三墨 2 3 y 。一y 。 其中， x 。， ，。，乞 ， 茗6 ，y 6 ，％ 和 致， ，。，乞 分别为无 源标签A ，B ，C 的三维坐标位置，3 个无源标签被精 确定位后，利用式 2 1 一 2 3 即可确定掘进机机身 的具体位姿。 4 ．3 位姿识别流程 综合以上分析，给出了一种基于无源R F I D 的掘 进机位姿识别方法，具体流程为 1 利用无源宽带谐波标签，建立谐波反向散射 抗干扰模型； 2 选用矿井无线通信优质载波频率 9 1 6M H z 和2 ．4G H z ，利用式 1 和 2 通过遗传算法产生使 得相位误差容忍度最大的最优频率组合； 3 由式 2 和 6 ，确定最优频率组合下的最大 相位误差阈值痧； 4 依据二次谐波反向散射理论，收发信号产生 一个相位差，建立视在相差函数，给出读写器到谐波 标签真实距离和测量距离的关系式； 5 应用连贯发射的多频连续波和最小均方误 差方法，建立式 1 1 使各个频率作用下的测量误差 e ；的平方和最小，并推导得出相应的约束条件； 6 在△妒。。 少两种不同条件下，分 别利用式 1 1 和其相应的两个约束条件获得真实距 离R 的无模糊估计值，实现精确测距； 7 采用几何定位算法求解掘进机身上3 个无 源标签的三维坐标A 菇。， ，。，。 ，B ％，y 6 ，毛 和 C 菇。，y 。，z 。 ； 8 基于掘进机机身位姿模型，依据无源标签的 三维坐标位置，通过式 2 1 ～ 2 3 计算掘进机机身 航向角、俯仰角和横滚角，继而确定掘进机机身的具 体位姿。 5 性能评价 分别对谐波标签抗干扰性能、C S M C w 相位差测 距方法和掘进机位姿识别效果进行仿真测试。仿真 实验场景示意如图4 所示，实验场景尺寸为1 0 5m 4m 3m 。 图4 仿真场景不意 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g m mo fs i m u l a t i o ns c e n e 5 ．1 抗干扰性能评价 传统标签和谐波标签第f 个散射体影响下的信 干比 S I R 分别为 s I R i 坐型堕 2 4 ’ R t a gI ’ 矿i s I R i 型牟薯盟丛 2 5 ‘ I 尺l a gl ‘盯‘ 其中，尺b 。和R 为标签和第i 个散射体相对于读写器 的位置；A ≯为标签的天线孑L 径；G ‰为标签的天线增 益，盯。为第i 个反射体的雷达反射面积，发射信号波 长为A 。，系数K 由标签与其前端天线的阻抗匹配决 定，当负载短路且天线阻抗为实数时，K 的最大值为 4 。 设标签的有效天线孔径A 8 等于雷达散射体面 积矿i ，阅读器和标签天线是全向的，将标签放置 在 1 0 A 。，0 处。对于传统标签，K 4 ，G 。醒 0d B 。图 5 为传统标签和谐波标签信干比等值线图。本文所 采用的无源宽带谐波标签，与传统无源标签相比可以 获得更大的信干比，具有更好的抗干扰性能。 5 ．2 测距仿真评价 以图4 中读写器S 到标签A 之间的距离为例， 将本文提出的基于谐波反向散射抗干扰模型的 C S M C w 测距算法与二次相差测距算法8 | 、参差频差 测距算法引进行仿真测试与评价。仿真参数见表 1 ，仿真中设置基本工作频率为9 0 0M H z ，且每种算法 均产生5 个频率。动态部署s ，分别取其与A 间距 离为d 5 0m 和1 0 0m ，当信噪比从一5 一1 0d B 变化 时，测距效果对比如图6 所示；分别取信噪比为一5d B 和5d B ，当S 2 与A 间距从0 到1 0 0m 变化时，测距效 果对比如图7 所示。 由图6 ，7 的测距效果对比可知①使用相同测