CN104698437B - 一种基于超宽带的井下车辆定位方法 - Google Patents

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    • G01S5/10—Position of receiver fixed by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements, e.g. omega or decca systems

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带的井下车辆定位方法，在井下的定位基站内部设置两个核心的超宽带载波UWB模块；其中一个模块为信标发送模块，用于定时发送信标包，该信标包用来让车载设备搜索到目前处于哪些定位基站的覆盖范围；另外一个模块为定位模块，用来测距以及在测距的同时传递规定格式的无线数据；在车载设备的内部设置相应的两个核心UWB模块；通过将所述车载设备中的搜星模块和定位模块分开设置，实现对井下车辆的定位。该方法能够克服传统意义上因多径效应造成的井下测距困难，有效地为金属矿山井下车辆动态实时地提供位置信息，并根据这类信息进行自主导航。

Description

一种基于超宽带的井下车辆定位方法
技术领域
本发明涉及井下采矿设备技术领域，尤其涉及一种基于超宽带的井下车辆定位方法。
背景技术
目前，地下金属矿智能开采的主要内容是井下采矿设备的智能化，即实现井下铲运设备的自主行驶、装卸，钻孔、装药设备的位置自动调控，这些都需要以设备在井下工作过程中的精确位置为依据，因此井下设备的精确定位是实现车辆自主导航的关键性支撑技术，是实现智能化开采的重要任务之一。
对于井下车辆，如需实现车辆自主行驶，除了需要车辆实时的位置信息之外，还需要清楚车辆的姿态，特别是井下车辆在大地坐标系下的绝对姿态，其中车辆行驶过程中的航向角是车辆在已知规划路径行驶的关键参数。现有技术中井下车辆航向角测量还未有研究，基于多陀螺系统的航向角预测受到成本、安装方式、地磁影响等诸多方面的影响，还没有成熟技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超宽带的井下车辆定位方法，该方法能够克服传统意义上因多径效应造成的井下测距困难，有效地为金属矿山井下车辆动态实时地提供位置信息，并根据这类信息进行自主导航。
一种基于超宽带的井下车辆定位方法，所述方法包括：
在井下的定位基站内部设置两个核心的超宽带载波UWB模块；其中一个模块为信标发送模块，用于定时发送信标包，该信标包用来让车载设备搜索到目前处于哪些定位基站的覆盖范围；另外一个模块为定位模块，用来测距以及在测距的同时传递规定格式的无线数据；
在车载设备的内部设置相应的两个核心UWB模块；其中一个模块为搜星模块，用于搜索所述定位基站发送的信标包，以确定所述车载设备目前处于哪些定位基站的覆盖范围；另一个模块为定位模块，用来与所述定位基站内的定位模块配合来完成测距操作；
通过将所述车载设备中的搜星模块和定位模块分开设置，实现对井下车辆的定位。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法能够克服传统意义上因多径效应造成的井下测距困难，有效地为金属矿山井下车辆动态实时地提供位置信息，并根据这类信息进行自主导航。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供基于超宽带的井下车辆定位方法流程示意图；
图2为本发明所举实例中双程测距法TW-TOF的图解示意图；
图3为本发明所举实例中三边定位计算的示意图；
图4为本发明所举实例中几何测距点过交的示意图；
图5为本发明所举实例中几何测距点欠交的示意图；
图6为本发明所举实例中航向角计算误差的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供基于超宽带的井下车辆定位方法流程示意图，所述方法包括：
步骤11：在井下的定位基站内部设置有两个核心的超宽带载波UWB模块；
在该步骤中，定位基站称为井下固定点，一般将其称为“锚点”，这里在定位基站内部设置两个核心的超宽带载波UWB模块。
其中一个模块为信标发送模块，用于定时发送信标包，该信标包用来让车载设备搜索到目前处于哪几个定位基站的覆盖范围；另外一个模块为定位模块，用来测距以及在测距的同时传递规定格式的无线数据。
步骤12：在车载设备的内部设置有相应的两个核心UWB模块；
在该步骤中，车载设备称为移动定位点，在车载设备的内部设置有相应的两个核心UWB模块。
其中一个模块为搜星模块，用于搜索所述定位基站发送的信标包，以确定所述车载设备目前处于哪些定位基站的覆盖范围内；另一个模块为定位模块，用来与所述定位基站内的定位模块配合来完成测距操作。
具体实现中，搜星模块可以基于到达时间差测量法TDOA(Time difference ofArrival)来实现，具体来说：
TDOA是利用信号在不同路径(或相同路径不同介质)产生的时间差而计算位置信息的。对于一般的电磁波定位系统，TDOA法可以检测信号到达两个“锚点”之间的时间差，目标节点到任何两个参考节点的距离差Δd可以确定一条双曲线，其焦点位置为目标节点到两个参考节点的位置，多个目标节点的多条双曲线交点即为定位位置。TDOA法相对于典型TOA法来说，不需要锚点与移动定位点同步，而只需要锚点间时钟同步即可。因此，对于移动定位点到锚点的同步偏差可以表示为：
τTDOA＝τ1-τ2
其中，公式中的τ1τ2分别表示不同锚点之间的测量同步偏差。按照此方法获得的TDOA的估计值与原TOA的估计值是不独立的，因此进一步可以获得TDOA的估计值，计算两个锚点接收信号的相关值，通过最大相关值得出相关时延，具体来说：
其中r1r2是两个参考节点接收到的信号，T是观测时长，从而可以得到TDOA的估计值为：
由公式(1)和(2)可以得出，在单一路径和白噪声的环境下，TDOA方法可以有效地估计车载设备与定位基站之间的视距分布情况，基于这个原理，利用搜星模块的信号脉冲，通过定位基站的解算来估计车载设备周围的LOS锚点分布情况，从而快速有效地实现高速定位所需的测距需要，实现高速实时的系统定位。
另外，在具体实现中，所述车载设备中定位模块基于信号时间双程飞行时间测距法TW-TOF(Two Way Time of Flight)，利用收发节点间的信号往返时间来计算与两个参考节点的距离。
举例来说，如图2所示为本发明所举实例中双程测距法TW-TOF的图解示意图，如图2：节点A在T0时刻发送含有时间标记信息的包给节点B，等节点B和此时间标记信息做好同步后，便会回送一个信号给节点A，以表示同步完成，节点A根据收到的信号来决定传播时间。
从而，Tof＝1/2[(T1-T0)-TReply] (3)
D＝Tof×C (4)
其中：C为光在井下介质中速度(约3*108m/s)，D为节点间距离，Tof为单程飞行时间，TReply为接收端处理信号时间。
上述车载设备还可以支持以串行总线接口进行数据上传。
步骤13：通过将所述车载设备中的搜星模块和定位模块分开设置，实现对井下车辆的定位。
在具体实现中，所述定位基站内的定位模块根据所述车载设备上报的测距结果，通过三角定位算法，计算出所述车载设备的实际位置并在地图上显示。
举例来说，如图3所示为本发明所举实例中三边定位计算的示意图，假设测距系统测量结果足够精确，那么可以得出如下，移动物体M与空间固定的三个坐标ABC之间的距离分别为A、B、C，由于固定的三个位置的空间坐标ABC是已知的，于是可以有方程：
(Xa-X0)2+(Ya-Y0)2＝A2
(Xb-X0)2+(Yb-Y0)2＝B2 (5)
(Xc-X0)2+(Yc-Y0)2＝C2
化简该方程组，得
2(Xb-Xa)X0+2(Yb-Ya)Y0＝A2-B2+Xb 2-Xa 2+Yb 2-Ya 2
2(Xc-Xa)X0+2(Yc-Ya)Y0＝A2-B2+Xc 2-Xa 2+Yc 2-Ya 2
上述方程若有唯一的解析解，必须满足如下条件，
第一、行列式值不为零，也即三点不再同一直线上；
第二、满足如下等式
Xa 2+Xb 2+Xc 2+Ya 2+Yb 2+Yc 2-2(XaXb+XaXc+XbXc+YaYb+YaYc+YbYc)＝2(A2+B2+C2)
即测距的ABC值的平方和的2倍与固定的三角形周长相等。
这样就可以获得空间平面上的唯一解，即三边交汇的点M坐标，也即移动物体M的坐标，也就是所需要的车载设备的坐标。
但在具体实现中，满足上述条件是十分苛刻的，必须保证足够的测量精度才可以有确定的唯一解析解，实际情况下会出现几何测距点过交情况，如图4所示；或者几何测距点欠交情况，如图5所示。上述两种情况的计算方法都一样，可以采用两圆相交的内侧焦点的质心作为定位的原点，从而估算出实际的M的位置。
再回到上述的方程组(5)，可以得到不计误差的二维平面解：
通过上述计算，可以得到一个三锚点平面定位系统的位置估计值。这个定位值在视距缓动的情况下精度会比较高，常常被用作各种精确估计算法的初始值寻找。特别是井下车辆在慢速移动情况下，各种估计算法收敛后的误差已经远远低于系统的白噪声，因此在这些情况下均采用几何定位法提供质心坐标，作为车载设备的最终位置估计。
在本发明实施中，若要在井下实现精度小于20cm以内的精确定位，其刷新速率要控制在25Hz以上，采用本发明实施例方法所述的双模块设计思路可以有效地提高系统的相应速度，同时为模块基站切换及覆盖范围推算提供了更快的通讯平台。
另外，对于像铲运机这类铰接式驱动的井下车载设备，其航向角测量一直是不容易解决的难题之一，特别是连续实时的航向角测量，这方面的研究还非常有限，因此本实施例还可以通过安装双定位传感器在所述车载设备的刚性连接点处，利用双实时定位来推算航向角。
在具体实现中，所推算出的航向角的误差是由UWB系统的定位误差所决定。而在井下测量系统之中，UWB系统的定位误差是由X、Y两个无相关性的坐标系所决定的，下面以具体实例进行说明，如图6所示为本发明所举实例中航向角计算误差示意图，UWB系统的定位误差的概率分布密度如下：
如图6所示，在计算航向角误差时，两个单元格的概率密度相乘即为该航向角误差概率分布：
f(θ)＝2sd×f(x1y1)×f(x2y2) (8)
因此根据实际情况可以搭建卡尔曼滤波器，该卡尔曼滤波器需要在非线性测量的基础上进行拓展，其一般形式的预测公式为：
上述预测公式的变量更新规则为：
ε(k)＝Y(k)-HΦX(k-1)
其中，是k时刻的坐标位置估计，Y(k)为误差相关矩阵，表示估计值的精确度。其中增益矩阵H表示为状态X(k)对观测值Y(k)的增益。这里H＝1，P(k)为协方差矩阵，ε(k)为观测向量与预测向量之间的误差，K为卡尔曼增益，Φ为状态转移矩阵，R为观测噪声协方差。
这样按照目前的测量系统，噪声协方差在22-26之间，系统误差Q不大于1.35。因此，经过上述卡尔曼滤波器的滤波处理之后，测量系统的航向角误差可以控制在[-1.45°,1.45°]之内，足可以满足控制系统的测量需求。
综上所述，本发明实施例所提供的定位方法解决了井下车辆自主导航的定位问题，为车辆的轨迹跟踪及控制提供了连续的位置参数，其低于40ms的处理速度足以满足井下车辆快速移动的需要，有效地提升井下开采的装备智能化程度；同时利用定位系统计算航向角实现了井下车辆航向角测量，该方法的定位刷新速率高，可满足井下车辆高速高精度定位的需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于超宽带的井下车辆定位方法，其特征在于，所述方法包括：
在井下的定位基站内部设置两个核心的超宽带载波UWB模块；其中一个模块为信标发送模块，用于定时发送信标包，该信标包用来让车载设备搜索到目前处于哪些定位基站的覆盖范围；另外一个模块为定位模块，用来测距以及在测距的同时传递规定格式的无线数据；
在车载设备的内部设置相应的两个核心UWB模块；其中一个模块为搜星模块，用于搜索所述定位基站发送的信标包，以确定所述车载设备目前处于哪些定位基站的覆盖范围；另一个模块为定位模块，用来与所述定位基站内的定位模块配合来完成测距操作；
通过将所述车载设备中的搜星模块和定位模块分开设置，实现对井下车辆的定位。
2.根据权利要求1所述基于超宽带的井下车辆定位方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述定位基站内的定位模块根据所述车载设备上报的测距结果，通过三角定位算法，计算出所述车载设备的实际位置并在地图上显示。
3.根据权利要求1所述基于超宽带的井下车辆定位方法，其特征在于，
所述车载设备支持串行总线接口进行数据上传。
4.根据权利要求1所述基于超宽带的井下车辆定位方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述车载设备中定位模块基于信号时间双程测距法，利用收发节点间的信号往返时间来计算与两个参考节点的距离。
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