金属矿山井下有轨车辆精确定位技术应用

康磊田 朱亚楠 刘慧娟

（1.招金矿业股份有限公司；2.山东金软科技股份有限公司）

金属矿山井下车辆精确定位在实际生产过程中意义重大。有轨电机车作为井下主要运输方式，因受制于生产设计及成本因素，需要进行车辆调度及管控，前提基础为车辆精确定位。目前，招金矿业股份有限公司已经落地2种井下有轨车辆定位方式：射频信标配合WIFI 及UWB 精确定位。掌握电机车的准确位置信息，可以协助地面调度中心及车载控制系统实时掌握车辆运行及停靠位置，有效避免井下电机车在运行过程中出现追尾、弯道道岔处碰撞等事故，从而进一步提高车辆运行的准确性和安全性，为金属矿山井下有轨运输无人驾驶奠定基础。

1 2种精确定位的基本原理

车载射频模块通过车头位置天线与轨旁信标进行通信，当车载射频模块正确读到轨旁信标时，射频模块将信标ID 信息发送到控制器，控制器传输至上位机，上位机通过定位信标位置比对，为车载控制系统提供机车的准确运行位置信息。大尹格庄金矿为实现精准放矿，辅以无线AP 及红外和行驶距离测量等多种定位方式，整体设计比较复杂。UWB 定位需在轨旁安装定位基站，通过车载定位卡，定位基站接收定位卡位置信息，协议转换后，经网络上传到定位系统上位机［1-5］。

1.1 基于UWB技术的井下精确定位系统

1.1.1 系统设计原理

传统的无线通讯定位通常利用高频载波调制窄带信号，接收机接收后进行信号解调，信号的实际占用带宽较窄。而UWB（Ultra Wideband）超宽带技术与传统的无线通信定位技术差别较大，是通过调制解调纳秒级的极窄脉冲实现无线信号的传输。因脉冲时间宽度很窄，因此可实现频谱上的超宽带，使用的带宽在500 MHz以上。

超宽带（UWB）定位实现算法主要有信号角度测量法（AOA）、信号强度分析法（RSS）、到达时间定位法（TOA）、时间差定位法（TDOA）。信号角度测量法通过计算被测点到2 个接收机的信号到达角度实现定位，天线配置比较复杂，角度误差对定位精度影响比测距误差更大。信号强度分析法是通过接收信号的强度与信号传播距离的对比计算，实现目标定位。信号强度分析法定位覆盖距离较近，信道传输模型的依赖性高，多路径及环境条件变化都会影响定位精度，距离测量的精度与信号的带宽无关，不能发挥UWB 技术带宽大的优势。所以，角度测量法和信号强度分析法不单独用于UWB 定位，只作为辅助手段的初级粗略定位，UWB 实现精确定位主要依靠精密测距完成。目前最优实现方式是利用事先布置好的已知位置的锚站，与新加入的盲节点进行通讯，并利用时间差定位算法（TDOA），测量出不同锚站与移动标签的传输时延差，通过测量信号到达锚站的时间确定标签的距离。利用标签到各个锚站的距离（以已知位置锚站为中心，锚站信号覆盖距离为半径作圆），就能确定标签的位置。但是绝对时间比较难测量，通过比较信号到达已知位置监测站的绝对时间差，就能作出以锚站为焦点、距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是标签的位置。用多个锚站接收到信号的时间差来确定移动标签位置，TDOA 算法与TOA 算法相比不加入专门的时间戳，定位精度进一步提高，实现的关键在于监测站的高精度时间同步，通过有线时间同步可以控制在0.1 ns 以内，系统需增加同步控制器并增加网络部署成本。

未来企业如需大规模部署UWB 定位技术，需要在巷道内预先敷设大量定位基站，而目前DecaWave生产的UWB 芯片DW1000 作为定位基站的核心芯片，其市场占有率达到95%以上，符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准。

1.1.2 核心定位芯片DW1000

DW1000 其定位最小误差在10 cm 以内，最远传输距离为450 m 直视距离，非直视距离为45 m，是可实现双向测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。芯片配备2 个频率合成器，可以在500 和900 MHz 工频模式工作，通过写寄存器配置带宽模式，带宽（BW）设置范围与功耗成正比。DW1000 芯片内寄存器不可编程，通过控制变量赋值实现控制，时间同步控制对寄存器的操作特别严格。此芯片可以通过2 种方法定位：到达时间差（TDOA）以及双向测距（TOF）定位。时间控制不当会导致定位误差。井下环境湿度大也会衰减发射信号的强度，影响定位覆盖距离，主要因为无线电波传播介质的性质（介电常数）发生变化，电磁波波速就会产生变化。

1.1.3 DW1000定位系统设计

（1）锚站。锚站与标签进行无线通信，接收来自标签的请求信息、位置更新信息，并对接入信息响应。同时将位置更新最终位置信息回传给解算服务器；从锚站与主锚站进行通信信息交互。

（2）标签。标签与锚站进行无线通信，发送接入请求信息、位置更新信息，并在信息中加入标签电量等信息，反馈为位置更新信息。

（3）应用服务器。该服务器接收来自主锚站的含标签ID 的位置更新信息，根据距离、速度等相关参数计算位置信息，并连同解析的标签电量信息写入数据库。其中电量更新频率可以按设定的周期更新；同时提供在导入的地图上进行标签跟踪，路径回访等功能。

（4）数据库服务器。该服务器供解算服务器、锚站、标签等数据写入、存储功能。

（5）位置更新流程。在该状态下标签已拥有自己专属的通信时隙，位置更新流程：首先标签发起信息给邻近的3个锚站，并记录初始时间ti（第i次更新）3 个锚站收到信息并在规定的时隙内反馈给标签，标签收到反馈消息，并记录每个锚站通信的时间差tj（第j个锚站），时间差与无线电波传输速率乘积即为标签与锚站的距离。标签将3 个距离信息打包回传给主锚站，主锚站回传给后台上位机，上位机服务器中的解算模块利用距离信息计算出本次标签位置更新信息，并写入数据库，完成位置更新。

1.2 基于RFID技术的井下精确定位系统设计

RFID 定位是利用电磁感应原理，无线激发近距离标签读取定位信息。通过固定式读写器读取目标RFID 标签的特征信息（如身份ID、接收信号强度等），采用近邻法、接收信号强度确定RFID 电子标签所在位置。RFID用于有轨车辆定位的典型应用是对车辆是否存在于某个区域的辨识，不能做到实时。因此为实现精确车辆定位，需增加辅助定位设施。

大尹格庄金矿有轨车辆定位系统主要包括：位置检测、速度检测、调速、位置校正等单元模块；位置检测单元包括电子读卡器和电子标签，电子读卡器安装在电机车顶部，多个电子标签设置在电机车架线上方以及巷道两侧，电子标签与电子读卡器相对安装；速度检测包括电机车的从动轮和磁性编码器，磁性编码器安装在从动轮上，编码器信号接入车载控制器，调速单元包括车载控制器和变频器；位置校正单元包括激光发射器装置和激光接收器装置，激光发射器装置安装在电机车的车头，相对一侧巷道壁上设置激光接收器装置，激光接收器装置与激光发射器装置距离100～105 cm、位于同一水平面上，实现位置校正。

通过多重组合定位方式实现了对机车位置的实时检测与精确定位，包括以下4种定位方式。①无线AP 定位：机车无线终端与巷道内无线AP 基站链接，实现网络定位；②编码器定位：反馈脉冲结合车轮周长计算移动距离，实现精准定位；③RFID 区间定位：车载读卡器读取巷道内信标信号，获取机车区间位置；④组合开关定位：机车通过巷道内的多重组合开关实现特殊位置定位。通过精确定位辅助以PLC 控制及无线网络通讯，实现了电机车无人驾驶。

2 应用情况

目前金属矿山车辆定位普遍采用工业环网（部分位置因组环困难，采用星型网络拓扑结构）下联定位卡读卡分站，通过环网保障任意环网交换机出现故障或线路中断，定位系统仍旧可以通讯。

2.1 蚕庄金矿建设应用情况

蚕庄金矿-700 m 水平运输巷采用单巷道运输方式，运输距离长、道岔路口多，错车巷少，车辆调度难度较大，影响企业的安全生产及运输效率。为解决以上问题，企业组建井下环网，并采用KJ353UWB 无线定位系统，通过在运输巷部署UWB 脉冲无线定位基站，有轨运输电机车安装车载定位标签，实现对车辆的实时高精度定位，直线巷道间隔100 m 左右放置1个基站，精度可以达到30 cm。车辆运行过程中，位置信息被实时传送至数据中心，系统可以根据车辆定位情况自动对运输巷道进行信号灯控制，优先获取路权的电机车进入单路运输巷后，调度系统将自动闭锁对向和侧方车道，通过红灯提示对向司机已经有车辆进入该区域，灵活安排运输车辆，提高运输效率。

2.2 大尹格庄金矿建设应用情况

本案例采用ELCO 公司的RF30 信标，超高频（UHF）设计，工作频率为840～960 MHz，IP67 防护等级，适合恶劣的工况环境。目前整套系统已经稳定运行2 a。系统通过RFID读卡器读取巷道信标，RFID射频识别产品通过读取的信标编号进行逻辑处理，进而实现机车区间定位与自动驾驶区间定速。对机车行车状态通过接收光电传感器反馈信号实现。

车载无线与巷道定点AP进行无线通讯，AP通过工业环网链接控制中心实现机车与控制中心上位机数据交互，可在上位机实时监测机车状态，对机车位置实时跟踪。控制中心可远程下发控制命令至机车车载控制器，车载控制器接收信号后可判断当前行车状态，将控制信号下发至执行机构，进而实现了对机车的加减速、刹车、前进后退等自动控制。

3 未来发展趋势

电磁波的传输受天线位置、空间损耗、多路径等等影响，厘米级的定位用射频难度较大。RFID 定位精度主要取决于射频标签的密度，由于技术和应用环境限制，仍然不属于真正意义上的精确定位；UWB技术可以基本满足高抗干扰能力、高精度定位、低成本、高安全性、低能耗及低发射功率、收发器体积小等无线定位技术要求，是未来无线定位的首选，但任何一个定位点上都需要有3个定位基站的支持，UWB定位算法是基于3点定位的，如果基站的数量降低会影响定位的精度。

4 结语

任何单纯的定位技术均很难实现自动驾驶级别的精确定位，因此出现了射频定位、超带宽定位、WIFI定位等多种方式融合以提高定位精度。企业在实际应用过程中，以满足企业安全生产需要为前提，综合考虑定位精度、造价等因素，灵活配置及使用，以不断提高车辆定位精度。UWB技术作为目前应用比较广泛的精确定位技术，未来将发挥主导作用，通过增加惯导辅助、激光三维扫描与车载点云数据适时比对等融合定位，最终可以实现井下高速无人自动驾驶运输。