康磊田 朱亞楠 劉慧娟

（1.招金礦業(yè)股份有限公司；2.山東金軟科技股份有限公司）

金屬礦山井下車輛精確定位在實際生產(chǎn)過程中意義重大。有軌電機車作為井下主要運輸方式，因受制于生產(chǎn)設計及成本因素，需要進行車輛調(diào)度及管控，前提基礎為車輛精確定位。目前，招金礦業(yè)股份有限公司已經(jīng)落地2種井下有軌車輛定位方式：射頻信標配合WIFI 及UWB 精確定位。掌握電機車的準確位置信息，可以協(xié)助地面調(diào)度中心及車載控制系統(tǒng)實時掌握車輛運行及?？课恢?，有效避免井下電機車在運行過程中出現(xiàn)追尾、彎道道岔處碰撞等事故，從而進一步提高車輛運行的準確性和安全性，為金屬礦山井下有軌運輸無人駕駛奠定基礎。

1 2種精確定位的基本原理

車載射頻模塊通過車頭位置天線與軌旁信標進行通信，當車載射頻模塊正確讀到軌旁信標時，射頻模塊將信標ID 信息發(fā)送到控制器，控制器傳輸至上位機，上位機通過定位信標位置比對，為車載控制系統(tǒng)提供機車的準確運行位置信息。大尹格莊金礦為實現(xiàn)精準放礦，輔以無線AP 及紅外和行駛距離測量等多種定位方式，整體設計比較復雜。UWB 定位需在軌旁安裝定位基站，通過車載定位卡，定位基站接收定位卡位置信息，協(xié)議轉換后，經(jīng)網(wǎng)絡上傳到定位系統(tǒng)上位機［1-5］。

1.1 基于UWB技術的井下精確定位系統(tǒng)

1.1.1 系統(tǒng)設計原理

傳統(tǒng)的無線通訊定位通常利用高頻載波調(diào)制窄帶信號，接收機接收后進行信號解調(diào)，信號的實際占用帶寬較窄。而UWB（Ultra Wideband）超寬帶技術與傳統(tǒng)的無線通信定位技術差別較大，是通過調(diào)制解調(diào)納秒級的極窄脈沖實現(xiàn)無線信號的傳輸。因脈沖時間寬度很窄，因此可實現(xiàn)頻譜上的超寬帶，使用的帶寬在500 MHz以上。

超寬帶（UWB）定位實現(xiàn)算法主要有信號角度測量法（AOA）、信號強度分析法（RSS）、到達時間定位法（TOA）、時間差定位法（TDOA）。信號角度測量法通過計算被測點到2 個接收機的信號到達角度實現(xiàn)定位，天線配置比較復雜，角度誤差對定位精度影響比測距誤差更大。信號強度分析法是通過接收信號的強度與信號傳播距離的對比計算，實現(xiàn)目標定位。信號強度分析法定位覆蓋距離較近，信道傳輸模型的依賴性高，多路徑及環(huán)境條件變化都會影響定位精度，距離測量的精度與信號的帶寬無關，不能發(fā)揮UWB 技術帶寬大的優(yōu)勢。所以，角度測量法和信號強度分析法不單獨用于UWB 定位，只作為輔助手段的初級粗略定位，UWB 實現(xiàn)精確定位主要依靠精密測距完成。目前最優(yōu)實現(xiàn)方式是利用事先布置好的已知位置的錨站，與新加入的盲節(jié)點進行通訊，并利用時間差定位算法（TDOA），測量出不同錨站與移動標簽的傳輸時延差，通過測量信號到達錨站的時間確定標簽的距離。利用標簽到各個錨站的距離（以已知位置錨站為中心，錨站信號覆蓋距離為半徑作圓），就能確定標簽的位置。但是絕對時間比較難測量，通過比較信號到達已知位置監(jiān)測站的絕對時間差，就能作出以錨站為焦點、距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是標簽的位置。用多個錨站接收到信號的時間差來確定移動標簽位置，TDOA 算法與TOA 算法相比不加入專門的時間戳，定位精度進一步提高，實現(xiàn)的關鍵在于監(jiān)測站的高精度時間同步，通過有線時間同步可以控制在0.1 ns 以內(nèi)，系統(tǒng)需增加同步控制器并增加網(wǎng)絡部署成本。

未來企業(yè)如需大規(guī)模部署UWB 定位技術，需要在巷道內(nèi)預先敷設大量定位基站，而目前DecaWave生產(chǎn)的UWB 芯片DW1000 作為定位基站的核心芯片，其市場占有率達到95%以上，符合IEEE802.15.4-2011超寬帶標準。

1.1.2 核心定位芯片DW1000

DW1000 其定位最小誤差在10 cm 以內(nèi)，最遠傳輸距離為450 m 直視距離，非直視距離為45 m，是可實現(xiàn)雙向測距和定位的低功耗芯片。

DW1000 需接外部38.4 MHz 的晶振，支持SPI 通信。芯片配備2 個頻率合成器，可以在500 和900 MHz 工頻模式工作，通過寫寄存器配置帶寬模式，帶寬（BW）設置范圍與功耗成正比。DW1000 芯片內(nèi)寄存器不可編程，通過控制變量賦值實現(xiàn)控制，時間同步控制對寄存器的操作特別嚴格。此芯片可以通過2 種方法定位：到達時間差（TDOA）以及雙向測距（TOF）定位。時間控制不當會導致定位誤差。井下環(huán)境濕度大也會衰減發(fā)射信號的強度，影響定位覆蓋距離，主要因為無線電波傳播介質(zhì)的性質(zhì)（介電常數(shù)）發(fā)生變化，電磁波波速就會產(chǎn)生變化。

1.1.3 DW1000定位系統(tǒng)設計

（1）錨站。錨站與標簽進行無線通信，接收來自標簽的請求信息、位置更新信息，并對接入信息響應。同時將位置更新最終位置信息回傳給解算服務器；從錨站與主錨站進行通信信息交互。

（2）標簽。標簽與錨站進行無線通信，發(fā)送接入請求信息、位置更新信息，并在信息中加入標簽電量等信息，反饋為位置更新信息。

（3）應用服務器。該服務器接收來自主錨站的含標簽ID 的位置更新信息，根據(jù)距離、速度等相關參數(shù)計算位置信息，并連同解析的標簽電量信息寫入數(shù)據(jù)庫。其中電量更新頻率可以按設定的周期更新；同時提供在導入的地圖上進行標簽跟蹤，路徑回訪等功能。

（4）數(shù)據(jù)庫服務器。該服務器供解算服務器、錨站、標簽等數(shù)據(jù)寫入、存儲功能。

（5）位置更新流程。在該狀態(tài)下標簽已擁有自己專屬的通信時隙，位置更新流程：首先標簽發(fā)起信息給鄰近的3個錨站，并記錄初始時間ti（第i次更新）3 個錨站收到信息并在規(guī)定的時隙內(nèi)反饋給標簽，標簽收到反饋消息，并記錄每個錨站通信的時間差tj（第j個錨站），時間差與無線電波傳輸速率乘積即為標簽與錨站的距離。標簽將3 個距離信息打包回傳給主錨站，主錨站回傳給后臺上位機，上位機服務器中的解算模塊利用距離信息計算出本次標簽位置更新信息，并寫入數(shù)據(jù)庫，完成位置更新。

1.2 基于RFID技術的井下精確定位系統(tǒng)設計

RFID 定位是利用電磁感應原理，無線激發(fā)近距離標簽讀取定位信息。通過固定式讀寫器讀取目標RFID 標簽的特征信息（如身份ID、接收信號強度等），采用近鄰法、接收信號強度確定RFID 電子標簽所在位置。RFID用于有軌車輛定位的典型應用是對車輛是否存在于某個區(qū)域的辨識，不能做到實時。因此為實現(xiàn)精確車輛定位，需增加輔助定位設施。

大尹格莊金礦有軌車輛定位系統(tǒng)主要包括：位置檢測、速度檢測、調(diào)速、位置校正等單元模塊；位置檢測單元包括電子讀卡器和電子標簽，電子讀卡器安裝在電機車頂部，多個電子標簽設置在電機車架線上方以及巷道兩側，電子標簽與電子讀卡器相對安裝；速度檢測包括電機車的從動輪和磁性編碼器，磁性編碼器安裝在從動輪上，編碼器信號接入車載控制器，調(diào)速單元包括車載控制器和變頻器；位置校正單元包括激光發(fā)射器裝置和激光接收器裝置，激光發(fā)射器裝置安裝在電機車的車頭，相對一側巷道壁上設置激光接收器裝置，激光接收器裝置與激光發(fā)射器裝置距離100～105 cm、位于同一水平面上，實現(xiàn)位置校正。

通過多重組合定位方式實現(xiàn)了對機車位置的實時檢測與精確定位，包括以下4種定位方式。①無線AP 定位：機車無線終端與巷道內(nèi)無線AP 基站鏈接，實現(xiàn)網(wǎng)絡定位；②編碼器定位：反饋脈沖結合車輪周長計算移動距離，實現(xiàn)精準定位；③RFID 區(qū)間定位：車載讀卡器讀取巷道內(nèi)信標信號，獲取機車區(qū)間位置；④組合開關定位：機車通過巷道內(nèi)的多重組合開關實現(xiàn)特殊位置定位。通過精確定位輔助以PLC 控制及無線網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)了電機車無人駕駛。

2 應用情況

目前金屬礦山車輛定位普遍采用工業(yè)環(huán)網(wǎng)（部分位置因組環(huán)困難，采用星型網(wǎng)絡拓撲結構）下聯(lián)定位卡讀卡分站，通過環(huán)網(wǎng)保障任意環(huán)網(wǎng)交換機出現(xiàn)故障或線路中斷，定位系統(tǒng)仍舊可以通訊。

2.1 蠶莊金礦建設應用情況

蠶莊金礦-700 m 水平運輸巷采用單巷道運輸方式，運輸距離長、道岔路口多，錯車巷少，車輛調(diào)度難度較大，影響企業(yè)的安全生產(chǎn)及運輸效率。為解決以上問題，企業(yè)組建井下環(huán)網(wǎng)，并采用KJ353UWB 無線定位系統(tǒng)，通過在運輸巷部署UWB 脈沖無線定位基站，有軌運輸電機車安裝車載定位標簽，實現(xiàn)對車輛的實時高精度定位，直線巷道間隔100 m 左右放置1個基站，精度可以達到30 cm。車輛運行過程中，位置信息被實時傳送至數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)可以根據(jù)車輛定位情況自動對運輸巷道進行信號燈控制，優(yōu)先獲取路權的電機車進入單路運輸巷后，調(diào)度系統(tǒng)將自動閉鎖對向和側方車道，通過紅燈提示對向司機已經(jīng)有車輛進入該區(qū)域，靈活安排運輸車輛，提高運輸效率。

2.2 大尹格莊金礦建設應用情況

本案例采用ELCO 公司的RF30 信標，超高頻（UHF）設計，工作頻率為840～960 MHz，IP67 防護等級，適合惡劣的工況環(huán)境。目前整套系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行2 a。系統(tǒng)通過RFID讀卡器讀取巷道信標，RFID射頻識別產(chǎn)品通過讀取的信標編號進行邏輯處理，進而實現(xiàn)機車區(qū)間定位與自動駕駛區(qū)間定速。對機車行車狀態(tài)通過接收光電傳感器反饋信號實現(xiàn)。

車載無線與巷道定點AP進行無線通訊，AP通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)鏈接控制中心實現(xiàn)機車與控制中心上位機數(shù)據(jù)交互，可在上位機實時監(jiān)測機車狀態(tài)，對機車位置實時跟蹤?？刂浦行目蛇h程下發(fā)控制命令至機車車載控制器，車載控制器接收信號后可判斷當前行車狀態(tài)，將控制信號下發(fā)至執(zhí)行機構，進而實現(xiàn)了對機車的加減速、剎車、前進后退等自動控制。

3 未來發(fā)展趨勢

電磁波的傳輸受天線位置、空間損耗、多路徑等等影響，厘米級的定位用射頻難度較大。RFID 定位精度主要取決于射頻標簽的密度，由于技術和應用環(huán)境限制，仍然不屬于真正意義上的精確定位；UWB技術可以基本滿足高抗干擾能力、高精度定位、低成本、高安全性、低能耗及低發(fā)射功率、收發(fā)器體積小等無線定位技術要求，是未來無線定位的首選，但任何一個定位點上都需要有3個定位基站的支持，UWB定位算法是基于3點定位的，如果基站的數(shù)量降低會影響定位的精度。

4 結語

任何單純的定位技術均很難實現(xiàn)自動駕駛級別的精確定位，因此出現(xiàn)了射頻定位、超帶寬定位、WIFI定位等多種方式融合以提高定位精度。企業(yè)在實際應用過程中，以滿足企業(yè)安全生產(chǎn)需要為前提，綜合考慮定位精度、造價等因素，靈活配置及使用，以不斷提高車輛定位精度。UWB技術作為目前應用比較廣泛的精確定位技術，未來將發(fā)揮主導作用，通過增加慣導輔助、激光三維掃描與車載點云數(shù)據(jù)適時比對等融合定位，最終可以實現(xiàn)井下高速無人自動駕駛運輸。