基于UWB与激光测距的地下铲运机井下定位系统

2020-05-11石潇杰李恒通高泽宇

有色金属（矿山部分） 2020年2期

石潇杰，李恒通，石峰，郭鑫，高泽宇

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京100160；2.北矿机电科技有限责任公司，北京 100160)

伴随着矿产资源的日渐枯竭，地下金属矿山的开采深度逐步加深，以金矿为例，目前国际主流金矿开采深度已达到1 000 m以下[1]。井下环境恶劣，高温高湿粉尘大，随着深度的增加，人员工作环境愈加恶劣。目前全球各大矿山都逐步加大对矿山智能化，无人化的投入。地下铲运机作为井下矿石开采的重要设备之一，其自主行使功能的实现对矿山智能化有着重要的意义。

车辆的位置信息是实现车辆的自主行使的重要参数之一，由于井下没有GPS信号，地下铲运机不能像乘用汽车那样利用GPS卫星信号实现车辆位置定位，因此需要用其他方式来获取车辆在井下的位置信息。UWB技术通过在井下搭建基站，基站与车载标签之间进行通讯从而获取标签与基站之间的实时位置信息来达到车辆位置定位的目的。为获得车辆准确的二维位置信息，在一个区域内标签至少要接收3个基站的位置信息进行计算，且UWB基站布置方式为基站纵向间距与基站的横向间距比为2∶1。由于地下巷道狭长，单一UWB定位系统需要布置大量基站来保证定位精度，成本太高。为减少成本，研究采用UWB定位与激光测距融合的定位系统，通过UWB定位来获取车辆纵向位置信息，激光测距来获取车辆横向位置信息，从而获得车辆的二维位置信息。

1 基础定位系统

1.1 UWB定位系统原理

UWB通讯技术是一种无线载波通讯技术，它不采用正弦载波而是应用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，工作频谱宽为3.1～10.6 GHz[2]。UWB定位原理与卫星定位原理相似，即通过搭建基站，利用发射的UWB脉冲信号在基站与标签之间通讯进行测距。系统主要由基站、定位标签、中心处理器三部分组成。

按照测量参数的不同，UWB定位原理主要分四种：1)基于到达时间法(Time of Arrival，TOA)，2)基于到达时间差法(Time Difference of Arrival，ADOA)，3)基于到达角度法(Angle of Arrival，AOA)和4)基于到达接收强度法(Received Signal Strength Indication，RSSI)[3-5]。

TOF定位是基于测距的方式，标签和每个需要定位的基站发起测距，测距完成后进行位置计算，本文主要采用此种定位方式。

D=c×Δt

(1)

式中，D—标签距基站距离，c—光速，Δt—脉冲在标签与基站间传递时间。

图1为UWB定位原理图，基站A坐标为(x1，y1)，基站B坐标为(x2，y2)，基站D坐标为(x3，y3)，定位标签C坐标为(x，y)。

图1 UWB定位原理图Fig.1 UWB positioning principle

(2)

式中，d1、d2、d3分别为标签到基站A、基站B、基站D之间的距离。

通过求解方程(2)得到定位标签C的坐标。

为得到车辆的二维信息坐标，车载标签需要接收至少3个基站的的位置信息。井下巷道狭长，为保障UWB定位精确，基站布置为基站间纵向间距与横向间距比为2∶1。以长100 m、宽6 m的巷道为例，基站纵向间隔为12 m，横向间隔为6 m，需要布置至少13个基站，成本太高。

1.2 UWB与激光测距融合定位原理

在UWB与激光测距融合定位系统中，UWB技术只负责获取车辆的纵向位置信息，横向位置信息由激光雷达给出，可以有效减少基站的布置数量。同样以长100 m、宽6 m的巷道为例，基站布置数量只需要头尾两个。

图2为UWB与激光测距融合定位原理，通过安装在铲运机侧面的激光雷达测得标签距基站AB所成直线的距离d3，与UWB定位系统所得标签距基站的距离d1、d2联合求出标签位置。

基站A坐标(xa，ya)，基站B坐标(xb，yb)，标签C坐标(x，y)

图2 UWB与激光测距融合定位原理图Fig.2 UWB and laser fusion positioning principle

(3)

求解方程(3)从而求得标签C坐标。

2 模拟试验

在地表搭建模拟巷道分别对UWB定位系统，和UWB与激光测距融合定位系统进行试验以验证两种定位方式的误差。地表模拟巷道长50 m，宽6 m。

2.1 UWB定位系统地表试验

UWB标签安装在铲运机顶部，UWB基站安装方式如图3所示，在长50 m、宽6 m的巷道上共安装7个基站，标签A安装在铲运机车顶，以基站1为原点建立UWB坐标系，7个基站的坐标分别为：基站1(0，0)，基站2(0，12)，基站3(0，24)，基站4(0，36)，基站5(0，48)，基站6(6，12)，基站7(6，36)。