井下人员定位的超宽带TWR改进算法

刘永立， 吴闻轩， 单麒源， 代少军

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

近年来国家对于煤矿信息化进程的大力推进和扶持，数字化矿山已经成为未来煤矿发展的重要趋势，在智能化煤矿十大主要功能系统中，人员定位技术是基于先进的计算机技术、通讯技术、空间信息技术，以高科技理念为指导的实现煤矿现代化管理和安全生产的唯一道路[1]。如何运用新通讯信号更加准确、高效的获取人员在矿井中的位置，在安全生产领域越来越受到重视。现有矿井人员定位系统主要是基于RFID、Zigbee、Wi-Fi等技术所开发窄带无线通信定位系统[2-3]，存在定位精度不足、抗多径干扰能力差、信号穿透能力差、传输距离不足等问题。

超宽带(UWB)信号在近年来备受关注，是因其具有定位精度达到厘米级、较强的穿透性、抗多径干扰能力强[4-5]等特点，符合井下人员定位要求的标签与基站间的无线传输距离可大于10 m、最大巡检周期小于30 s等规范。但是，超宽带定位在煤矿井下这类特殊非视距下存在原有的基于TOA的TWR算法精确度降低、信号漏读率高、TOA算法定位人数有限等问题。笔者基于超宽带技术的优势，对基于TOA的TWR算法进行改进，从而增强UWB信号在井下的定位精度，并且改进了硬件电路，使得研究的煤矿人员定位系统更适合煤矿井下实际应用，对煤矿安全生产具有重要的现实意义。

1 系统原理

1.1 UWB定位原理

UWB定位系统会在需要测定的空间内布置多个基站，通过捕捉标签发送的UWB信号，计算得到标签与基站间的距离，再通过算法得到定位结果，所以定位基于距离测量。常见的UWB定位算法基于到达时间差定位法(TDOA)以及基于到达时间定位法(TOA)[6]。TDOA算法即双曲线定位，如图1所示。

图1 双曲线定位原理

是通过检测信号到达各基站的时间差进行计算定位。其优点在于定位精度不会受到视距的限制，可以有效的穿透墙壁，缺点在于各基站间需要做到严格的时钟同步[7]，即达到绝对时间。然而，在面对煤矿井下的复杂环境时，时钟同步会受到很多因素的干扰，这会使得绝对时间更难以测量，硬件成本以及网络维护成本提高。

TOA算法作为UWB定位中最常用的三边定位算法[8]，算法原理如图2所示。以基站作为圆心，向四周搜寻并捕捉标签信号，根据已布置的所有基站反馈的距离信息进行定位，其最大的优点在于避免了复杂的时钟同步[9-10]，将到达时间转换为距离，测距精度上避开了因为煤矿井下环境复杂导致晶振的时钟震荡所带来的误差，从而影响测距所得值，使得定位信息不准确。缺点是算法本身支持定位的人数有限，所以需要对硬件电路进行改进。

图2 三边定位算法原理

1.2 TOA的TWR测距算法

定位基于测距，得出标签与基站的距离值后，通过运行上位机上编写的TOA算法代码才能实时显示井下人员位置信息。因此，笔者基于传统的TOA的定位算法中的TWR测距算法并加以改进，达到提高井下定位精度的目标。传统TWR测距算法基站与标签间的信息交互过程如图3所示。

图3 传统TWR算法基站与标签信息交互过程

在该过程中，基站首先对标签发送一个数据包，并记录时间T1，标签收到信息记录时间T2，然后回复基站一个ACK包，并记录T3，这时标签可计算出回复时间为

Tre=T3-T2。

(1)

当基站收到ACK记录时间T4，则可以计算出一个测距周期时间为

Tro=T4-T1。

(2)

由于UWB信号属于电磁波，速度等同于光速c=3×108m/s，进而得出基站与标签间的距离d为

(3)

当上位机得到3个距离信息后，通过算法计算就可以得出并实时显示标签的位置。

1.3 TWR改进测距算法

为了提高井下定位精度，在该交互过程中，增加了一个交互环节，如图4所示。在传统的TWR算法单侧双边测距的基础上增加两个时间戳，利用多个往返时间计算信号传输的飞行时间，减小误差和漏读率，并且两次往返的间隔时间可以更长，这对所测结果无影响，可以使得标签与基站间的传输距离得到加长。

图4 TWR改进算法基站与标签信息交互过程

在图3中4个时间戳的基础上增加了2个时间戳，使得测距值更加准确，这样标签与基站间的距离d1为

(4)

2 定位系统

基于UWB技术设计的定位系统中有3个角色，由基站(Anchor)、标签(Tag)、上位机(PC)组成，如图5所示。

图5 基于UWB的煤矿人员定位系统组成

在室内定位的应用中，预先在被定位的区域布置好至少3个固定的基站，并从设立的基站中挑选一个设定为主基站，记录并在上位机地图上标注所有基站的位置，由采矿人员佩戴标签进入定位区域，标签通过与各基站分别进行数据通信，这样每个基站便可以获取与标签之间通信时信号的传播时间，从而通过测距算法计算出基站和标签之间的距离，将所有测距信息通过有线或无线方式传送给主基站，由主基站上设置的RJ45接口的网线连接井上调度室的上位机，上位机通过编译完成的定位算法程序，得出并在平面地图上显示井下人员的具体位置。

2.1 测距原理

定位基于测距，测距的准确性直接影响着定位的精度。在测距过程中，Tag广播发送信号，与固定好的基站之间进行通讯，发送POLL数据包，基站得到数据包后回复RESP数据包，标签在收到数据包后再发送Final数据包给到基站，以此测得标签和基站间的距离。标签的软件工作流程如图6所示。

在改进的TWR测距过程中，增加RESP数据包，一是使所得测距值更加精准，二是使测距过程更规范。定位帧的基本结构从左往右顺序如表1所示。该定位帧遵循IEEE802.15.4协议。该协议描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议，其帧结构设计的目标是用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的数据传输，因此该结构适合复杂煤矿井下环境下的超宽带信号传输。因为定位帧的第3个字节为一个自增序列号，如果不添加一个RESP过程去确认是否为当前序号下的定位帧，可能会有漏读情况的发生，不符合井下人员定位系统要求的漏读率低于0.000 1,这会使得测距信息混乱，影响测距从而使得定位信息不准确。

图6 标签工作流程

表1 POLL、RESP、Final数据包的帧格式

2.2 硬件设计

使用STM32F103作为主控MCU，Deca wave公司生产的DWM1000模块生成、发送和接收UWB信号，硬件总体设计结构如图7所示。根据《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》规定，人员定位系统并发数量不少于80个人，电路设计时加入拨码开关，第1个开关用来控制标签和基站之间的角色切换，后续拨码开关控制标签的编号，可以支持至少200人同时定位。

该设计有效避免了当处于定位区域人员过多时导致的数据包互相排挤，使得基站处理数据崩溃，从而无法定位的情况发生。

图7 硬件结构

3 系统实验

3.1 仿真实验

为了验证基于UWB技术的煤矿井下人员定位系统的精度以及可靠性，使用Matlab进行仿真。设置4个基站和25个标签，基站编号从A0至A3，标签编号从T1至T25，标签与基站分布如图8所示。绘制误差分布热图，如图9所示。

图8 标签与基站分布

图9 测距误差分布热图

3.2 现场测试

为了进一步贴近煤矿井下的非视距环境以及井下复杂的工作环境，现场测试依托黑龙江科技大学模拟矿井作为实验平台来测试定位系统,在模拟矿井中，以综采工作面为实验场景，实际距离使用钢卷尺测量，如表2所示。

表2 UWB在综采工作面的测量值与实际值

将所得数据使用Matlab处理，进行数据拟合并生成拟合函数及残差图，根据拟合函数y=1.003x+0.617 6，如图10所示，即可得到修正系数，使用修正系数对代码进行修改，拟合函数的曲率越接近1，误差修正越准确，反复修正可进一步减少系统误差。

图10 UWB测距拟合函数

测距残差图如图11所示，利用残差图多次检验回归分析，根据残差图判别随机误差，回溯并修改模型，使得残差图显示结果趋于理想化。

图11 UWB测距残差

结果表明，标签与基站之间的距离存在误差，但总体误差均在10～80 cm内，相较于当前煤矿运用的KJ系列基于RFID、Zigbee等技术的煤矿井下人员定位系统50 m误差范围有显著的提升。

4 结 论

(1)文中提出的基于UWB技术的煤矿井下人员定位系统的定位精度达到0.8 m，比当前使用的煤矿井下人员定位系统50 m误差范围有显著的提升。

(2)改进的硬件电路，可以支持至少200人同时定位。该系统有效覆盖范围是半径为280 m的圆形区域，符合煤矿用人员定位系统的规定及标准。