溫賢培

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

煤礦安全“六大系統(tǒng)”中高精度的人員定位系統(tǒng)是工作人員安全生產(chǎn)的有力保障[1-3]。相對于地面普遍采用的GPS 定位技術(shù)，煤礦井下采用藍(lán)牙、Zigbee、RFID、UWB 等室內(nèi)定位技術(shù)實現(xiàn)人員定位，傳統(tǒng)2.4 GHz 定位技術(shù)幾乎都采用RSSI 判斷距離的方法實現(xiàn)定位，煤礦井下空間狹小、路況復(fù)雜、粉塵量大，導(dǎo)致RSSI 信號極不穩(wěn)定，定位精度通常只能達(dá)到米級，已不適應(yīng)定位精度需求越來越高的煤礦井下人員定位系統(tǒng)[4-6]。

UWB 技術(shù)相對于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，它采用超寬帶方式進行信息傳輸，單通道帶寬可達(dá)500 MHz，頻譜覆蓋3.5 GHz 到6 GHz 范圍，由于采用瞬時尖峰脈沖發(fā)射數(shù)據(jù)，不需要使用像傳統(tǒng)無線通信體制中的載波，其具有系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度低，發(fā)射信號穿透力強，信息安全性高，定位精度高等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入，且可采用類GPS 定位方式實現(xiàn)高并發(fā)量需求，現(xiàn)已成為室內(nèi)定位首選定位技術(shù)[7-8]。煤礦井下采用UWB 讀卡器實現(xiàn)井下人員精度定位，UWB 讀卡器根據(jù)安裝環(huán)境選用不同長度的饋線和不同型號的天線，為確保定位精度滿足標(biāo)準(zhǔn)需求，現(xiàn)場安裝完畢后需進行天線延時參數(shù)標(biāo)定，傳統(tǒng)標(biāo)定方法采用全站儀進行標(biāo)定距離測量，并手動迭代校準(zhǔn)天線延時參數(shù)以滿足現(xiàn)場需求，在煤礦井下操作難度較大且極其不方便，需要一種方便快捷的標(biāo)定方法滿足現(xiàn)場需求。

1 UWB 測距原理

UWB 信號在本質(zhì)上是占空比很短的射頻脈沖信號，并在脈沖信號上進行無載波擴譜，用戶要傳輸?shù)男畔⑦M行一定方式調(diào)制后放大到所需功率，再通過變壓器和電容耦合到天線發(fā)射出去，信號發(fā)射瞬間功率較大但功率譜密度卻很小。當(dāng)天線接收到UWB 信號時同樣經(jīng)過變壓器和電容耦合到信息接收端，對接收信息進行濾波放大再經(jīng)過一系列復(fù)雜算法進行信息分離，分離出前導(dǎo)碼、序列號、數(shù)據(jù)、校驗碼以及干擾等信息，并對信息進行錯誤校驗，最后輸出數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)報告。

UWB 實現(xiàn)精確定位可以采用時間差定位法（TDOA）、到達(dá)時間定位法（TOA）、相位差定位法（PDOA）以及飛行時間定位法（TOF），但不管采用哪種定位法都會受到天線延時參數(shù)的影響。UWB 測距流程如圖1。

圖1 UWB 測距流程Fig.1 UWB Ranging process

Tag 發(fā)出Poll 幀經(jīng)過天線發(fā)送延時Ttx2時間段后發(fā)射到空氣中，Poll 幀發(fā)送時間戳計為Poll_Tx，Anchor 接收到Poll 幀時間戳計為Poll_Rx，經(jīng)過天線接收延時Trx1時間段后接收數(shù)據(jù)，Anchor 處理數(shù)據(jù)所需時間為Tt1’，然后發(fā)出Resp 幀數(shù)據(jù)，經(jīng)過天線發(fā)送延時Ttx1時間段后發(fā)送到空氣中，Resp 數(shù)據(jù)發(fā)送時間戳為Resp_Tx，Tag 采用同樣的方式處理，根據(jù)式（1）可求出測距距離d：

式中：d 為測距距離；Tta為Poll_Tx 和Resp_Rx時間差；Ttb為Poll_Rx 和Resp_Tx 時間差；Ttc為Resp_Rx和Final_Tx 時間差；Ttd為Resp_Tx 和Final_Rx 時間差；c 為光速。

為了確保測距精度滿足使用需求，公式中的變量都必須精準(zhǔn)可靠，以Ttb時間測量為例，UWB 芯片只能夠直接測量出Tt1’的值，然后加上Trx1和Ttx1的值得出Ttb的值，Trx1、Ttx1分別為Anchor 天線的接收、發(fā)送延時，接收、發(fā)送延時參數(shù)偏差都會影響測距精度，因此UWB 讀卡器天線延時參數(shù)標(biāo)定準(zhǔn)確與否將直接影響距離測量精度。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

UWB 讀卡器天線延時參數(shù)標(biāo)定前必須準(zhǔn)確測量出待標(biāo)定的距離值，通常可采用激光測距儀或全站儀進行精確測量，但普通的激光測距儀量程較短不能滿足現(xiàn)場使用需求，全站儀測距精度高達(dá)毫米級，測量范圍也可上千米，但是全站儀標(biāo)定流程太復(fù)雜也太費時，不能滿足復(fù)雜環(huán)境下快速自動標(biāo)定UWB 天線的需求。UWB 測距技術(shù)本身就滿足厘米級的距離測量，采用特殊匹配的UWB 設(shè)備進行標(biāo)定距離測量，并通過濾波處理作為標(biāo)定距離供UWB讀卡器自動標(biāo)定使用，UWB 讀卡器根據(jù)標(biāo)定距離自動修改UWB 天線延時參數(shù)，直到UWB 讀卡器測距值與標(biāo)定值偏差在規(guī)定范圍內(nèi)則認(rèn)為標(biāo)定完成。

將UWB 標(biāo)識卡放置于UWB 讀卡器前一段距離并固定不動，放置距離最好大于100 m 以上，減少其它因數(shù)造成的測距偏差。UWB 測距通常會有10 cm 左右的波動偏差，系統(tǒng)將100 次測距數(shù)據(jù)進行順序排序，取中間40 個數(shù)據(jù)進行均值濾波算出標(biāo)定值Dt，UWB 手持讀卡器將標(biāo)定距離Dt通過UWB 網(wǎng)絡(luò)傳輸給UWB 讀卡器并啟動自動標(biāo)定流程。

UWB 讀卡器接收到標(biāo)定距離Dt后啟動自動標(biāo)定程序，自動標(biāo)定程序超時時間為8 s，UWB 讀卡器測距值與Dt相差10 cm 以內(nèi)且則認(rèn)為標(biāo)定成功，否則標(biāo)定失敗。標(biāo)定流程圖如圖2。

圖2 標(biāo)定流程圖Fig.2 Calibration flow chart

2.2 通信協(xié)議

UWB 手持讀卡器入網(wǎng)到UWB 讀卡器網(wǎng)絡(luò)，UWB 讀卡器分配時序以供與UWB 手持讀卡器通訊。通信協(xié)議由UWB 手持讀卡器發(fā)起，UWB 讀卡器接收信息后回傳信息完成數(shù)據(jù)交互。

1）UWB 手持讀卡器協(xié)議。請求協(xié)議附帶工作模式控制字，通知UWB 讀卡器切換為何種工作模式，模式分為測距模式和標(biāo)定模式，同時傳輸供UWB天線標(biāo)定所使用的距離標(biāo)定值。UWB 手持讀卡器通信協(xié)議見表1。

表1 UWB 手持讀卡器通信協(xié)議Table 1 Communication protocol of UWB hand-held card reader

2）UWB 讀卡器協(xié)議。讀卡器接收標(biāo)定命令后進入標(biāo)定狀態(tài)，并停止與標(biāo)識卡進行正常測距，接收標(biāo)定啟動命令后進行自動標(biāo)定，并實時傳回標(biāo)定狀態(tài)。UWB 讀卡器通信協(xié)議見表2。

表2 UWB 讀卡器通訊協(xié)議Table 2 Communication protocol of UWB card reader

3 自動標(biāo)定

PID 控制算法具有歷史悠久，性能穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，適應(yīng)性強，控制參數(shù)相互獨立，良好的閉環(huán)控制性能等優(yōu)點，也是應(yīng)用最廣的控制算法之一[9-10]。系統(tǒng)中采用了增量式PID 控制算法進行控制，增量式PID 控制算法相對于位置式PID 控制算法不需要做累加，而是在當(dāng)前控制量的基礎(chǔ)上增加控制量達(dá)到調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。計算出現(xiàn)故障時可丟掉本次增量，減小故障影響，由于執(zhí)行器本身具有記憶功能，可保持上次操作。UWB 天線標(biāo)定系統(tǒng)延時小、慣性小，能迅速反饋天線參數(shù)變化改變的測距變化，可取消增量式PID 算法里面的微分項，采用PI 控制已完全能適應(yīng)需求。計算公式如式（2）：

u（k）=u（k-1）+KP［e（k）-e（k-1）］+KIe（k）（2）

式中：u（k）為天線標(biāo)定值；u（k-1）為上次天線標(biāo)定值；KP為比例參數(shù)；KI為積分參數(shù)；e（k）為標(biāo)定值與測量值偏差；e（k-1）為上次標(biāo)定值與測量值之間的偏差。

采用PID 控制后UWB 讀卡器將會自動判斷標(biāo)定距離與測量距離的偏差值進行實時參數(shù)修正，以達(dá)到快速自動標(biāo)定的需求，自動標(biāo)定成功除了判斷標(biāo)定值與測量值偏差在10 cm 以內(nèi)，還需對測量值進行均方差處理引入測距數(shù)據(jù)波動判斷，只有同時滿足測距值波動小的情況下才能標(biāo)定成功。

4 測試驗證

山西鑫巖煤礦搭建環(huán)境測試，針對多臺UWB讀卡器在100 m 處進行標(biāo)定并檢測不同距離測距精度，根據(jù)數(shù)據(jù)分析測試效果，測試數(shù)據(jù)見表3。

由表3 可得，UWB 讀卡器采用自動標(biāo)定方法標(biāo)定后的測距值總體偏差在20 cm 左右，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定30 cm 以內(nèi)的精度需求；現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，未能測試在200、300、400 m 處標(biāo)定后進行測距的偏差值，后續(xù)測試中將驗證不同環(huán)境不同距離自動標(biāo)定天線延時參數(shù)對測距精度的影響。

表3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Table 3 Field test data

5 結(jié) 語

從UWB 測距原理分析出發(fā)，研究UWB 讀卡器現(xiàn)場快速標(biāo)定方法，采用手持UWB 讀卡器協(xié)助UWB 讀卡器快速自動標(biāo)定，標(biāo)定后測距精度滿足標(biāo)準(zhǔn)需求。但標(biāo)定時標(biāo)識卡與讀卡器必須處于可視范圍內(nèi)，否則可能會出現(xiàn)標(biāo)定失敗或標(biāo)定后測距精度不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定30 cm 以內(nèi)的精度需求，后續(xù)可針對標(biāo)定數(shù)據(jù)研究更合適的濾波算法，為UWB 讀卡器提供更準(zhǔn)確的標(biāo)定數(shù)據(jù)提高標(biāo)定精度。