CN111479233A - 一种基于uwb技术的矿井无人车探测及位置反馈系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，属于无线通信、探测与定位技术领域。无人车系统包括无人车模块、单参考点定位基站模块、固定节点模块及终端模块；无人车模块采集环境信息，并与所在区域内的单参考点定位基站模块进行无线通信得到位置信息，最终将环境信息和位置信息以无线信号的形式传出；矿井壁上的固定节点检测矿井壁的压力，并将传来的无线信号传输至用户终端；用户收到矿井内部环境及位置信息后，从建立的路由发送指令，控制无人车系统中各个模块。所述系统能实现自动化和远程操控，只需一个单参考点定位基站模块即可对无人车进行定位，无需装配无线通信基站，降低了部署难度且能对各个模块进行定向控制。

Description

一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统

技术领域

本发明涉及一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，属于无线通信、探测与定位技术领域。

背景技术

矿产资源是不可再生资源，是基础物质材料，对于国家经济建设而言非常重要。开采矿产资源成为国家经济建设过程中必不可少的一部分。随着浅表资源的枯竭,我国在资源开采方面，逐步进入深开采阶段。随着采集深度逐渐加深,可能出现冲击地压、瓦斯、突水等突发情况，对生命财产安全形成巨大的威胁。预测突发危险对于深部开采的安全可靠运行以及保障矿井工作人员生命安全而言显得十分重要。

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是目前为止应用最为广泛的无线定位系统之一。但是GNSS具有很大的局限性。以GPS定位系统为例，抵达地面的卫星信号很弱，并且无法穿透密集的建筑物，导致在室内、隧道等有障碍物的室内环境下无法进行精准定位。即便是在最理想的无线通信环境下，民用卫星的定位精度也只能达到米级，GPS民用定位的误差可以达到在5米之内，这无法满足高精度定位的要求。而且，购买定位终端设备的成本也相对较高。而UWB定位技术具有穿透能力强、多径分辨率高、抗干扰能力强、等优点，很适合短距离、高精度的无线定位。

UWB(Ultra Wideband)是一种无载通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，相较于传统的窄带无线通信方式而言有本质的区别。UWB定位过程中，先确定一个参考基站的具体位置，然后，通过已安装的定位基站得到定位目标上的UWB标签相对于参照基站的位置信息，最终传输给主机，有人称它是无线电领域中一次革命性进展，认为它可能成为未来短距离无线通信的热门技术。

作为一种新兴的无线传输技术，UWB技术在施工监控领域有许多优点：首先，UWB技术抗干扰能力强，对于其他无线电的干扰有较高的免疫力。因此，UWB技术在室内、外及墙体附近的定位需求都变得切实可行：第二，UWB技术能够实现三维动态定位。UWB定位系统中定位基站的个数决定定位维数，一个l0Hz的系统能在几厘米的分辨率下定位UWB标签，当有四个或者更多的不同高度的定位基站时可以得到三维的精确定位，不同高度的定位基站的数量越多，定位精度越高；第三，UWB技术数据传输速率高，能够实现100Mbps以上的传输速率。

当前阶段，通过在矿山施工区域布设定位基站，给矿山人员、矿车、物资佩戴定位标签，实时精准地定位人、车、物的位置并通过无线传输将数据上传到后台，可以实现对施工人员及车辆的跟踪定位管理和日常考勤。然而，这种方式下，施工人员仍可能遭遇危险，若在工人进入矿井之前对矿井内环境进行探测，能够降低深采危险。因此，我们致力于提出一种工作于矿井之中，能够探测矿井内部复杂的环境信息，并能够对所处位置进行高精度定位的无人车系统。

发明内容

本发明的目的在于进一步提升对矿井内部环境的探测力度，提升探测与定位准确性，提出了一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统。

本发明的核心思想是：传感器单元将采集的环境信息传输给对应的无人车模块，无人车模块与所在区域内的单参考点定位基站模块进行无线通信得到位置信号，具体为：单参考点定位基站模块接收来自无人车模块中车载定位单元发来的多径UWB信号，根据TDOA算出无人车位置并反馈给无人车模块，然后环境信息和无人车位置经计算与控制单元处理后传输至车载通信单元并发出，经过由多个车载通信单元构成的自组织网络传输至矿井壁上的固定节点，固定节点能检测矿井壁的压力，还将传来的无线信号传输至用户终端；用户收到矿井内部环境及位置信息后，发送指令经刚刚建立的路由反向传输至无人车模块，以实现对无人车模块的控制。

所述基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，包括无人车模块、单参考点定位基站模块、固定节点模块以及终端模块；

其中，终端模块包括但不限于智能手机、PAD、平板电脑或手持移动电子设备；无人车模块的数量为n个，且无人车在矿井内的排布为分布式；

每个无人车模块包括车载通信单元、记忆单元、车载电源单元、车载定位单元、计算与控制单元、移动单元以及传感器单元；单参考点定位基站模块的数量为k个，每个单参考点定位基站模块包括基站信号处理单元、阵列天线单元、基站通信单元以及基站电源单元；固定节点模块的数量为m个，每个固定节点模块包括固定节点电源单元、固定节点信号处理单元、无线通信单元以及固定节点传感器单元；

m小于n；n大于k；终端模块包括终端计算与控制单元；

其中，无线通信单元包括天线和无线通信芯片，固定节点传感器单元中至少包括一个压力传感器，固定节点信号处理单元包括一个带有高性能处理器的单片机；固定节点电源单元包括电池容量大、重量轻的锂电池；

每个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元包括天线以及射频合路器；天线数量不少于4根；基站通信单元包括天线和无线通信芯片；基站信号处理单元包括UWB定位芯片和相关开发板；基站电源单元包括电池容量大的蓄电池；

每个无人车模块中车载通信单元包括天线和无线通信芯片；记忆单元包括存储器；车载定位单元包括UWB定位芯片以及天线；移动单元中至少包括两个电机；传感器单元包括但不限于IMU、光敏传感器、温度传感器、声音传感器、烟雾传感器、CO传感器、可燃气体传感器、红外传感器以及摄像头；计算与控制单元包括一个具有多个端口的单片机；车载电源单元包括电池容量大、重量轻的锂电池；

所述矿井无人车探测及位置反馈系统中各模块与单元的连接关系如下：

每个无人车模块中的车载定位单元、车载通信单元、记忆单元、移动单元和传感器单元与计算与控制单元相连；在每个单参考点定位基站模块中，阵列天线单元与基站信号处理单元相连，基站信号处理单元与基站通信单元相连；每个固定节点模块中的固定节点传感器单元与固定节点信号处理单元相连，固定节点信号处理单元与无线通信单元相连；

终端模块与固定节点模块或无人车模块通过无线信号保持连接；每个节点通过节点间组成的自组织网络，建立多跳路由与终端模块通信；第i个无人车模块与第j个单参考点定位基站模块通过各自的通信单元收发无线信号保持连接，同时第i个无人车模块中的车载定位单元通过发送UWB信号与第j个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元保持连接；其中，第i个无人车模块位于第j个单参考点定位基站模块的定位范围内，且1<＝i<＝n，1<＝j<＝k；

具体地：车载电源单元为无人车模块中的各单元供电，移动单元中的两个电机与计算与控制单元相连，传感器单元中的IMU、光敏传感器、温度传感器、声音传感器、烟雾传感器、CO传感器、可燃气体传感器、红外传感器、摄像头与计算与控制单元相连，车载定位单元中的UWB定位芯片与计算与控制单元相连，车载通信单元中的无线通信芯片与计算与控制单元相连，记忆单元中的存储器与计算与控制单元相连；

单参考点定位基站模块：基站电源单元为单参考点定位基站模块中的各单元供电，阵列天线单元中的多个天线与射频合路器相连，射频合路器与基站信号处理单元相连，基站通信单元中的无线通信芯片与基站信号处理单元相连；固定节点模块：固定节点电源单元为固定节点模块中的各单元供电，压力传感器传感器与固定节点信号处理单元相连，无线通信单元中的无线通信芯片与固定节点信号处理单元相连；

所述矿井无人车探测及位置反馈系统中各模块及单元的功能如下：

1.无人机模块：

计算与控制单元：处理各种数字、模拟信号，并对各单元发出控制信号；

传感器单元：探测矿井中的环境状况，并将环境信息转化为数字或模拟信号；

车载定位单元：发出UWB信号，以便于进行定位操作；

车载通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与单参考点定位基站模块、其他无人车模块和固定节点模块进行无线通信；

移动单元：接收来自计算与控制单元发来的PWM信号，并驱动两个电机旋转；

记忆单元：存储每次小车移动的时间、速度以及方向数据以及缓存摄像头拍摄的图像数据；

车载电源单元：为当前无人车模块中的各单元供电；

2.单参考点定位基站模块：

基站信号处理单元：处理各种数字信号与UWB信号，并对各单元发出控制信号；

阵列天线单元：接收无人车模块中车载定位单元发来的多径UWB信号；

基站通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与无人车模块的通信；

基站电源单元：为其他单元供电；

3.固定节点模块：

固定节点信号处理单元：处理各种数字、模拟信号，并对各单元发出控制信号；固定节点传感器单元：收集矿井壁及周围的环境信息，并将之转化为数字或模拟信号；无线通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与无人车模块、其他固定节点模块的通信；固定节点电源单元：为其他单元供电；

4.终端模块：

终端计算与控制单元：处理来自固定节点的数字信号，并将环境信息显示给外界；向节点发送控制信号，以实现对所有模块的控制。

所述无人车系统的工作流程如下：

无人车模块：

步骤1:车载电源模块供电，计算与控制单元对与其他单元连接的各个端口的输入输出设置进行初始化；

步骤2：车载通信单元开始收发无线信号；

步骤3：计算与控制单元判断通信单元是否收到来自固定节点或移动节点发送的无线信号；

其中，固定节点指固定节点模块；移动节点指其他无人车模块；

3.A：若计算与控制单元判断出通信单元未收到无线信号，返回步骤2；

3.B：若计算与控制单元判断出通信单元收到无线信号，进行步骤4；

步骤4：计算与控制单元判断该无线信号是否为控制本无人车模块的信号；

4.A：若计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车的信号，进一步判断该无线信号是否为危险警告信号；若不是危险警告信息，跳至步骤6，否则，计算与控制单元向车载通信单元发出危险警告数字信号，车载通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播；然后计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点；执行完毕后返回无人车模块中的步骤2；

4.B：若计算与控制单元判断出无线信号是控制本无人车的信号，进行步骤5；

步骤5：计算与控制单元判断无线信号类型，并进行如下操作：

5.A：若无线信号为终端控制无人车返还的信号，计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点；执行完毕后返回步骤2；

5.B：若无线信号为终端控制的收集传感器数据的信号，计算与控制单元读取各个传感器的模拟或数字信号，并将模拟信号都转化为合适的数字信号；之后，计算与控制单元在该传感器数字信号开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端；然后计算与控制单元将被处理过的传感器信号传输至车载通信单元，通信单元根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点；执行完毕后返回步骤2.

5.C：若无线信号为终端控制无人车移动的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，向移动单元传输相应的PWM信号，移动单元中的两个电机收到PWM信号后分别进行指定方向、指定速度的转动，驱动无人车进行旋转、前进、后退操作；同时，计算与控制单元将无人车移动的方向、速度、时间存入记忆单元；执行完毕后返回至步骤2；

5.D：若无线信号为终端控制的获取位置信息的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，控制车载定位单元向所在区域的单参考点定位模块发出UWB信号，车载通信单元向基站通信单元发出请求建立连接的无线信号；然后，计算与控制单元判断是否收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号；若没有收到，继续判断是否收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号；若收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号，然后计算与控制单元在关于位置信息的数字信号的开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端后，发送至车载通信单元，然后车载通信单元根据收到的无线信号的路由将位置信号反向传输至上游节点；执行完毕后返回至步骤2；

步骤6：在计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车模块的信号后，计算与控制单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端；若目的地为终端，车载通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若目的地不是终端，车载通信单元向下游节点传递建立通往目标节点的路由的请求；执行完毕后返回至步骤2。

单参考点定位基站模块工作流程如下：

步骤1：基站电源单元供电，基站信号处理单元初始化与各个单元连接的端口的输入输出设置，计数器计数为0；

步骤2：阵列天线单元开始接收UWB信号；

步骤3：基站信号处理单元判断阵列天线单元是否传来信号，并进行如下操作：

3.A:若阵列天线单元有信号传来，基站信号处理单元中的计数器加1；并判断计数器是否达到4；若达到4，计数器清零，并进行步骤4；若没有达到4返回步骤2；

3.B：若阵列天线单元没有信号传来，返回步骤2；

步骤4：基站信号处理单元根据TDOA算法，利用4根天线的UWB信号传来的时间之差，计算发送该UWB信号的无人车模块的位置；

步骤5：基站通信单元根据无人车模块发出的建立连接的信号建立连接；

步骤6：基站信号处理单元将位置信号处理后传输至基站通信单元，基站通信单元将位置信号转化为无线信号，发往该无人车模块；执行操作后返回步骤2。

固定节点模块工作流程：

步骤1：固定节点电源单元供电，固定节点信号处理单元初始化与传感器连接的端口的输入输出设置；

步骤2：无线通信单元开始收发无线信号；

步骤3：固定节点信号处理单元判断无线通信单元是否收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，若没有收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，返回步骤2；否则若收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，进行步骤4；

步骤4：固定节点信号处理单元判断该无线信号是否为控制该节点读取传感器数据的信号；并进行如下操作：

4.A：若该无线信号不是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端；若该无线信号的目的地为终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若该无线信号的目的地不是终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元向下游节点传递建立通往目标节点的路由的请求；执行完操作后，返回步骤2；

4.B：若该无线信号是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元读取压力传感器的数字或模拟信号，并将模拟信号转化为数字信号；执行完操作后进行步骤5；

步骤5：固定节点信号处理单元判断压力传感器检测的关于压力大小的参数是否超出危险值，判断参数是否超出危险值，若超出，固定节点信号处理模块向无线通信单元发出危险警告数字信号，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播，执行完操作后返回固定节点模块工作流程的步骤2；若参数未超出危险值，进行步骤6；

步骤6：固定节点信号处理单元在关于传感器数据的数字信号的开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端后，将数字信号传输至无线通信单元，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点；执行完操作后，返回步骤2。

有益效果

本发明提出的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，与目前矿井中采用的探测系统相比，具有以下有益效果：

1.所述位置反馈系统，可以实现自动化和远程操控，矿井工作人员能够在进入矿井之前，先对矿井内部的环境状况进行探测，矿井工作人员能够了解矿井内危险发生的可能，并针对危险环境状况进行报告，传回环境参数和无人车所在位置，从而有利于保障矿井工作人员的生命安全；

2.所述系统基于UWB技术通过单参考点定位基站对无人车进行定位：一方面，吸取了UWB定位技术具有高精度、低能耗、抗干扰性能强等优点；另一方面，对无人车模块而言，只需一个单参考点定位基站模块即可对无人车进行定位，降低了部署的难度；

3.所述系统中各个模块之间通过低功耗无线模块进行通信，通过各个节点的无线通信单元组成的自组织网络进行通信，无需装配基站；因此，所述系统在环境复杂的矿井中更容易实现；

4.所述系统对用户十分友好，各模块通过无线信号与用户保持联系，用户只需在终端进行操作，即可了解矿井中的环境状况，用户也可以对系统中的各个模块进行定向控制。

附图说明

图1是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的组成及连接示意图；

图2是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的实施例1的无人车模块的工作流程图；

图3是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的实施例1的单参考点定位基站模块的工作流程图；

图4是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的实施例1的固定节点模块的工作流程图；

图5是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统实施例2的系统组成及连接示意图；

图6是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的实施例2的不同种类的无人车模块的系统组成及连接示意图；

图7是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的实施例2的无人车模块的工作流程图；

图8是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的实施例2的单参考点定位基站模块的工作流程图；

图9是本发明一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统的实施例2的固定节点模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明所述无人车探测及位置反馈系统的具体实施进行详细阐述。

实施例1

本实施例叙述了应用本发明所述一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统在小型矿井(模块及单元组成如图1所示)中的具体实施。

考虑到中小型矿井井下环境不复杂，小车之间的距离近、每小车的探测时间短，但每个小车需要传输的信息量大。因此，通信方式上，拟考虑使用高效率的WiFi通信模式。因此，具体到本实施例，无线通信单元被固定节点WiFi通信单元替换，基站通信单元用基站WiFi通信单元替换；车载通信单元被车载WiFi通信单元替换。

具体实施时，无人车模块包括车载WiFi通信单元、记忆单元、车载电源单元、车载定位单元、计算与控制单元、移动单元以及传感器单元；单参考点定位基站模块包括基站信号处理单元、基站WiFi通信单元、阵列天线单元和基站电源单元；固定节点模块包括固定节点信号处理单元、固定节点WiFi通信单元、压力传感器和固定节点电源单元；终端模块包括终端计算与控制单元。

具体实施时，终端模块中的终端计算与控制单元包括智能手机和电脑总控端。智能手机端的APP供地下矿井工作人员使用，用于与无人车系统通信，矿井工作人员可以在APP界面的窗口处获取无人车系统的位置和所处位置的环境信息；电脑总控端系统软件供地面监控人员使用，通过数据线与固定节点相连或者连接到无线网络，与无人车系统通信，通过点击不同的操控按钮来控制无人车系统。电脑总控端系统软件比智能手机端的APP更为复杂，能全面地控制无人车系统的各个模块。

具体实施时，中小型矿井环境不是很复杂，矿井底部面积也不大。无人车的数量根据对矿井各位置环境信息探测反馈的结果进行设计。无人车系统时，各个模块的数量应为多个，具体的数量应根据矿井的地理环境做相应调整。在设定各个模块的数量后，可以进一步对矿井进行区域划分，在高度下降的矿井壁上，每30米左右安装一个固定节点模块，实现对矿井壁压力的探测和WiFi信号的传输；在矿井底部的地势较为平缓的地带对区域进行蜂窝状切分，每个分块的面积为2500平方米左右。在每个分块内，有一个无人车模块和单参考点定位基站模块，其中单参考点定位基站模块应安装在分块的中心位置，这一方面有利于对无人车模块的定位，另一方面减少了来自其他分块的UWB信号的干扰，提高了定位精度。同时，在正常工作模式下，无人车模块的活动范围仅为本分块，有利于无人车模块分布的均匀化。

在对矿井进行区域划分后，无人车模块和单参考点定位基站模块个数为10个，每个无人车模块与对应的单参考点定位基站模块相连，且两者在同一个分块内工作。固定节点模块的个数为m＝8，终端模块的个数为3，终端模块供地下矿井工作人员使用。

本实施例中采用WiFi信号进行传输，具体实施时，若采集数据量任务少，井下无线通信面积加大，地形探测任务加剧，导致单个无人车的探测时间短。可以将固定节点WiFi通信单元、基站WiFi通信单元以及车载WiFi通信单元集体替换为zigbee无线传输模块或蓝牙传输模块，信息传输模式也相应修改。

其中，计算与控制单元的个数为1，在具体实施时可以使用MSP432Launchpad，MSP432Lauchpad上具有100个引脚，80个左右可供调度使用，而且每个引脚除了有普通的GPIO模式外，还有很多的备用功能，如ADC，UART等等，可作为传感器输出接口，以及与DWM1000DISCOVERY,ESP8266进行双向通信的接口，同时Lauchpad可以连接电机，红外测距传感器，碰撞开关，为循迹以及避障提供了很好的硬件基础。MSP432Lauchpad自带硬件Debugger，避障程序，WiFi信号收发程序，定位运算程序，传感器信号采集程序都在上面运行。

车载定位单元包括1个天线和1个DWM1000DISCOVERY。在室内定位系统中，DWM1000DISCOVERY是一个非常小定位精度在10厘米左右的硬件模块，具体实施时，IMU单元为板载的惯性导航传感器(加速度计，陀螺仪，磁力计和气压计)可以进一步提高定位精度。

车载WiFi通信单元包括1个ESP8266-01s，ESP8266-01s可通过TCP协议实现本MSP432与其他MSP432进行透传。同时ESP8266-01s面积为4平方厘米左右。

移动单元包括2个电机，两个电机可以按照不同的转速或转向工作；传感器单元在具体实施时包括1个光敏传感器、1个温度传感器、1个声音传感器、1个烟雾传感器、1个CO传感器、1个可燃气体传感器、3个红外传感器以及1个摄像头。传感器的种类和数量可以根据具体矿井的环境特性进行调整。由于无人车模块中电源容量有限，故本实施例中每种传感器数量多为1个。

记忆单元包括1个存储器；车载电源单元包括2个移动电源；每个单参考点定位基站模块包括1个基站信号处理单元、1个阵列天线单元、1个基站WiFi通信单元和1个基站电源单元；基站信号处理单元包括1个DWM1000DISCOVERY。

阵列天线单元包括4根天线、1个射频合路器；基站WiFi通信单元包括1个ESP8266-01s；基站电源单元包括1个移动电源。

每个固定节点模块包括1个固定节点信号处理单元、1个固定节点WiFi通信单元、1个压力传感器和1个固定节点电源单元。其中，固定节点信号处理单元包括1个单片机开发板。固定节点WiFi通信单元包括1个ESP8266-01s。固定节点电源单元包括3个移动电源。

如上所述的无人机系统中各模块、各单元、各元件的连接关系如下：

无人车模块和单参考点定位基站模块通过各自的WiFi通信单元以及定位单元进行通信；不同无人车模块之间通过各自的车载WiFi通信单元进行通信；无人车模块和固定节点模块通过各自的WiFi通信单元进行通信；不同的固定节点模块之间通过各自的固定节点WiFi通信单元进行通信；固定节点模块与终端模块通过WiFi或数据线相连。

具体地：无人车模块中：车载定位单元和车载WiFi通信单元通过串口连接到计算与控制单元的UART端口，传感器单元、移动单元和记忆单元通过串口连接到计算与控制单元的Digital端口，车载电源单元通过电源线与其他各个单元相连；单参考点定位基站模块中：基站WiFi通信单元通过串口与基站信号处理单元的USART端口相连，阵列天线单元与基站信号处理单元相连，基站电源单元通过电源线与其他各个单元相连。固定节点模块中：压力传感器通过串口与固定节点信号处理单元的Digital端口相连，固定节点WiFi通信单元通过串口与固定节点信号处理单元的UART端口相连，固定节点电源单元通过电源线与其他单元相连。

图2、图3、图4是分别为所述无人车系统的无人车模块、单参考点定位基站模块与固定节点模块的工作流程。从图2可以看出，工作模式开启后，无人车模块首先进行初始化，之后无人车模块进入如下循环：

车载WiFi通信模块开始收发WiFi信号，当车载WiFi通信模块收到WiFi信号后，计算与控制单元判断该信号是否为控制本无人车模块的信号，并进行以下操作：

A.若是，则进一步判断信号类型，当信号类型为控制无人车返还的信号，计算与控制单元开始读取记忆单元中存储的无人车模块移动的历史数据，并根据此数据进行循迹返还；当信号类型为控制收集环境信息的信号，计算与控制单元以48MHz的频率对每个传感器单元收集1000个数据，经过处理后经车载WiFi通信单元传输给相邻的靠近终端的节点；若为控制移动的信号，计算与控制单元根据此信号控制移动单元驱动无人车模块移动，并且在每次移动时，无人车移动的数据会存入记忆单元；若为控制定位的信号，车载定位单元向分块内的单参考点定位基站模块发送UWB信号，并且计算与控制单元开始等待接收单参考点定位基站模块发来的对本无人车模块定位的位置信号，收到信号后，计算与控制单元将处理后的信号经车载WiFi通信单元传输给相邻的靠近终端的节点。

B.若否，则判断该信号是否为危险警告信号：若是，计算与控制单元向车载WiFi通信单元发出危险警告数字信号，车载WiFi通信单元将数字信号转化为WiFi信号后向周围节点广播；若否，则说明此信号是需要继续向远处传输的，计算与控制单元分析出信号的终点后，将该信号按指定方向重新传给相邻的节点，以起到传输的作用。

以上为一个循环的工作流程。

从图3可以看出，单参考点定位基站模块先进行初始化，然后单参考点定位基站模块进入循环：

阵列天线单元开始接收UWB信号，当阵列天线单元累计收到超过4个UWB信号时，从中选取4个RSS值强的UWB多径信号时，基站信号处理单元根据四个UWB多径信号到达的时间差以及TDOA算法，计算出信号源的位置，并判断这个位置是否在分块区域内：若这个位置在分块区域内，说明该信号源是本分块内的无人车模块，基站信号处理单元将这个位置信号经基站WiFi通信单元传输给信号源所在的无人车模块；若这个位置不在分块区域内，说明UWB信号是来自其他分块区域的，单参考点定位基站模块不传输此位置信号。

以上是一个循环的工作流程。

从图4可以看出，固定节点模块先进行初始化，然后进入循环：

固定节点WiFi单元开始接收WiFi信号，当收到信号后，固定节点信号处理单元开始判断该信号是否为控制本节点的信号，并进行如下操作：

A.若是，则说明是终端控制本节点读取压力传感器数据的信号，固定节点信号处理单元收集1000个压力传感器的数据，并将这些数据取平均值，然后判断该值是否超过设定的危险参数，若超过，固定节点信号处理模块向固定节点WiFi通信单元发出危险警告数字信号，固定节点WiFi通信单元将危险警告数字信号转化为WiFi信号后向周围节点广播；若没有超过，携带传感器数据的信号经固定节点WiFi通信单元传输给相邻的靠近终端的节点。

B.若不是，则说明此信号是需要继续向远处传输的，固定节点信号处理单元分析出信号的终点后，将该信号按指定方向重新传给相邻的节点，以起到传输的作用。

以上是一个循环的工作流程。依据上述结构与流程图描述本申请在特定应用场景下具体实施，可以实现中小型的矿井的环境状况探测与位置反馈，并对危险状况进行预警。

实施例2

本实施例叙述了应用本发明所述一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统在深度极深的大型矿井中的具体实施。

在深度极深的大型矿井中，要实现对整个矿井的环境信息的探测及位置反馈，需要数量较多的移动节点(无人车模块)和固定节点(固定节点模块)。而在实施例1中信号传递通道只有唯一的一条，当来自节点的大量的数据在传输时，会对每个节点的传输能力有很高的要求。所以，在实施例2中，无人车系统建立了自组织网络，从而使信号传递通道的个数增加，也使得信号传输更灵活。其中每个无人车模块可以自由移动，不受区域限制。另一方面，实施例2设计了不同种类的无人车模块，每一种无人车模块负责一项环境参数的探测，降低了无人车模块中计算与控制单元的计算能力要求，也有利于对不同种环境参数分开进行传输。

如图5所示，为大型的矿井内所述无人车系统的组成。从图中可以看出，所述无人车系统包括无人车模块、单参考点定位基站模块、固定节点模块和终端模块。其中无人车模块包括计算与控制单元、车载定位单元、车载通信单元、记忆单元、移动单元、传感器单元和车载电源单元；单参考点定位基站模块包括基站信号处理单元、基站通信单元、阵列天线单元和基站电源单元；固定节点模块包括固定节点信号处理单元、无线通信单元、压力传感器和固定节点电源单元；终端模块包括终端计算与控制单元。

具体实施时，终端模块的终端计算与控制单元为智能手机和电脑总控端，所述智能手机安装有无人车系统控制APP，通过无线网络与无人车系统通信，矿井工作人员可以通过点击不同的操控按钮来控制无人车系统，同时也可以在APP界面的窗口处获取无人车系统的位置和所处位置的环境信息；所述电脑安装有总控系统软件，可以通过数据线与固定节点相连或者连接到无线网络，来与无人车系统通信，电脑上的总控系统软件比手机APP更为复杂，可以更加全面地控制无人车系统的各个模块。具体实施时，智能手机安装的APP主要供地下矿井工作人员使用，电脑总控系统软件主要供地上监控人员使用。

具体实施时，由于大型矿井中的环境十分复杂且矿井底部面积较大，一个或一种无人车根本不能有效地实现对矿井各位置环境信息的探测，所以我们在设计无人车系统时，各个模块的数量应为多个，而且无人车模块的种类应为多个。具体的数量和种类应根据矿井的地理环境做相应调整。具体安装时，在高度下降的矿井壁上，每间隔30米的一个平面上，安装一圈固定节点模块，每个平面内固定节点的个数示此平面上洞口的直径大小而定，实现对矿井壁压力的探测和无线信号的传输；在矿井底部的地势较为平缓的地带的区域进行蜂窝状切分，每个分块的面积为2500平方米左右。在每个分块内，有一个单参考点定位基站模块，单参考点定位基站模块应安装在分块的中心位置，这一方面有利于对无人车模块的定位，另一方面减少了来自其他分块的UWB信号的干扰，提高了定位精度。同时根据矿井的环境状况设计相应的不同种类的无人车模块，以及根据这一平缓地带面积的大小设定每种无人车模块的个数。

其中，无人车模块个数为n个，具体实施时n>20个；单参考点定位基站的个数为k个，记为单参考点定位基站的个数1，单参考点定位基站的个数2，…单参考点定位基站的个数k；固定节点模块的个数为m，记为固定节点模块1，固定节点模块2，…，固定节点模块m，终端模块的个数为t个，记为终端模块1，终端模块2，…，终端模块t。

每个无人车模块包括1个计算与控制单元、1个车载定位单元、1个车载通信单元、1个记忆单元、1个移动单元、1个传感器单元和1个车载电源单元。

其中计算与控制单元的个数为1，在具体实施时可以使用MSP432Launchpad，MSP432Lauchpad上具有100个引脚，80个左右可供调度使用，而且每个引脚除了有普通的GPIO模式外，还有很多的备用功能，如ADC，UART等等，可作为传感器输出接口，以及与DWM1000DISCOVERY,ESP8266进行双向通信的接口，同时Lauchpad可以连接电机，红外测距传感器，碰撞开关，为循迹以及避障提供了很好的硬件基础。MSP432Lauchpad自带硬件Debugger，避障程序，无线信号收发程序，定位运算程序，传感器信号采集程序都在上面运行。

车载定位单元包括1个天线和1个DWM1000DISCOVERY。在室内定位系统中，DWM1000DISCOVERY是一个非常小定位精度在10厘米左右的硬件模块，依靠板载的惯性导航传感器(加速度计，陀螺仪，磁力计和气压计)可以进一步提高定位精度。

车载通信单元包括1个ESP8266-01s，ESP8266-01s可通过TCP协议实现本MSP432与其他MSP432进行透传。同时ESP8266-01s面积为4平方厘米左右。

移动单元包括2个电机，两个电机可以按照不同的转速或转向工作。

不同种类的无人车模块如图6所示。不同种类的无人车模块内包含不同的传感器单元。其中无人车模块(瓦斯探测)中传感器单元包括1个瓦斯传感器、3个红外传感器、1个摄像头；无人车模块(烟雾探测)中传感器单元包括1个烟雾传感器、3个红外传感器、1个摄像头；无人车模块(渗水探测)中传感器单元包括1个漏水传感器、3个红外传感器、1个摄像头；无人车模块(土壤探测)中传感器单元包括1个土壤成分传感器、3个红外传感器、1个摄像头；无人车模块(光线探测)中传感器单元包括1个光敏传感器、3个红外传感器、1个摄像头；无人车模块(有毒气体探测)中传感器单元包括1个有毒气体传感器、3个红外传感器、1个摄像头。

记忆单元包括1个存储器；车载电源单元包括2个移动电源。每个单参考点定位基站模块包括1个基站信号处理单元、1个阵列天线单元、1个基站通信单元和1个基站电源单元。基站信号处理单元包括1个DWM1000DISCOVERY。阵列天线单元包括4根天线、1个射频合路器。基站通信单元包括1个ESP8266-01s。

基站电源单元包括1个移动电源。每个固定节点模块包括1个固定节点信号处理单元、1个无线通信单元、1个压力传感器和1个固定节点电源单元；其中，固定节点信号处理单元包括1个单片机开发板。

无线通信单元包括1个ESP8266-01s。固定节点电源单元包括3个移动电源。

如上所述的无人机系统中各模块、各单元、各元件的连接关系如下：

每个无人车模块中的车载定位单元、车载通信单元、记忆单元、移动单元和传感器单元与计算与控制单元相连；在每个单参考点定位基站模块中，阵列天线单元与基站信号处理单元相连，基站信号处理单元与基站通信单元相连；每个固定节点模块中的固定节点传感器单元与固定节点信号处理单元相连，固定节点信号处理单元与无线通信单元相连；

终端模块与各个节点(固定节点模块或无人车模块)通过无线信号保持连接。每个节点可以通过节点间组成的自组织网络，建立多跳路由与终端模块通信；第i(1<＝i<＝n)个无人车模块与第j(1<＝j<＝k)个单参考点定位基站模块通过各自的通信单元收发无线信号保持连接，同时第i(1<＝i<＝n)个无人车模块中的车载定位单元通过发送UWB信号与第j(1<＝j<＝k)个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元保持连接。其中第i个无人车模块位于第j个单参考点定位基站模块的定位范围内。

具体地：无人车模块中：车载定位单元和车载通信单元通过串口连接到计算与控制单元的UART端口，传感器单元、移动单元和记忆单元通过串口连接到计算与控制单元的Digital端口，车载电源单元通过电源线与其他各个单元相连；单参考点定位基站模块中：基站通信单元通过串口与基站信号处理单元的USART端口相连，阵列天线单元与基站信号处理单元相连，基站电源单元通过电源线与其他各个单元相连。固定节点模块中：压力传感器通过串口与固定节点信号处理单元的Digital端口相连，无线通信单元通过串口与固定节点信号处理单元的UART端口相连，固定节点电源单元通过电源线与其他单元相连。

图7、图8、图9是分别为所述无人车系统的无人车模块、单参考点定位基站模块与固定节点模块的工作流程。具体工作流程与发明内容中的相同。

所述无人车系统的工作流程如下：

无人机模块：

步骤1:车载电源模块供电，计算与控制单元对与其他单元连接的各个端口的输入输出设置进行初始化。

步骤2：车载通信单元开始收发无线信号。

步骤3：计算与控制单元判断车载通信单元是否收到来自固定节点或移动节点(其他无人车模块)发送的无线信号。

3.A：若计算与控制单元判断出车载通信单元未收到无线信号，返回步骤2。

3.B：若计算与控制单元判断出车载通信单元收到无线信号，进行步骤4。

步骤4：计算与控制单元进一步判断该无线信号是否为控制本无人车模块的信号。

4.A：若计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车的信号，进一步判断该无线信号是否为危险警告信号。若不是危险警告信息，跳至步骤6，否则，计算与控制单元向车载通信单元发出危险警告数字信号，车载通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播。然后计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点。执行完毕后返回无人车模块中的步骤2。

4.B：若计算与控制单元判断出无线信号是控制本无人车的信号，进行步骤5。

步骤5：计算与控制单元判断无线信号类型，并进行如下操作：

5.A：若无线信号为终端控制无人车返还的信号，计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点。执行完毕后返回步骤2。

5.B：若无线信号为终端控制的收集传感器数据的信号，计算与控制单元读取各个传感器的模拟或数字信号，并将模拟信号都转化为合适的数字信号。之后，计算与控制单元在该传感器数字信号开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端。然后计算与控制单元将被处理过的传感器信号传输至车载通信单元，车载通信单元根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点。执行完毕后返回步骤2.

5.C：若无线信号为终端控制无人车移动的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，向移动单元传输相应的PWM信号，移动单元中的两个电机收到PWM信号后分别进行指定方向、指定速度的转动，驱动无人车进行旋转、前进、后退等操作。同时，计算与控制单元将无人车移动的方向、速度、时间存入记忆单元。执行完毕后返回至步骤2。

5.D：若无线信号为终端控制的获取位置信息的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，控制车载定位单元向所在区域的单参考点定位模块发出UWB信号，车载通信单元向基站通信单元发出请求建立连接的无线信号。然后，计算与控制单元判断是否收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号。若没有收到，继续判断并等待。若收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号，然后计算与控制单元在关于位置信息的数字信号开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端，然后把信号发送至车载通信单元，然后车载通信单元根据收到的无线信号的路由将位置信号反向传输至上游节点。执行完毕后返回至步骤2。

步骤6：在计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车模块的信号后，计算与控制单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端。若目的地为终端，车载通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若目的地不是终端，车载通信单元向下游节点传递建立通往目标节点的路由的请求。执行完毕后返回至步骤2。

单参考点定位基站模块工作流程：

步骤1：基站电源单元供电，基站信号处理单元初始化与各个单元连接的端口的输入输出设置，计数器计数为0。

步骤2：阵列天线单元开始接收UWB信号。

步骤3：基站信号处理单元判断阵列天线单元是否传来信号，并进行如下操作：

3.A:若阵列天线单元有信号传来，基站信号处理单元中的计数器加1。并判断计数器是否达到4。若达到4，计数器清零，并进行步骤4；若没有达到4返回步骤2。

3.B：若阵列天线单元没有信号传来，返回步骤2。

步骤4：基站信号处理单元根据TDOA算法，利用4个天线的UWB信号传来的时间之差，计算发送该UWB信号的无人车模块的位置。

步骤5：基站通信单元根据无人车模块发出的建立连接的信号建立连接。

步骤6：基站信号处理单元将位置信号处理后传输至基站通信单元，基站通信单元将位置信号转化为无线信号，发往该无人车模块。执行操作后返回步骤2。

固定节点模块工作流程：

步骤1：固定节点电源单元供电，固定节点信号处理单元初始化与传感器连接的端口的输入输出设置；

步骤2：无线通信单元收发无线信号；

步骤3：固定节点信号处理单元判断无线通信单元是否收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，若没有收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，返回步骤2；否则若收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，进行步骤4。

步骤4：固定节点信号处理单元判断该无线信号是否为控制该节点读取传感器数据的信号。并进行如下操作：

4.A：若该无线信号不是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端。若该无线信号的目的地为终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若该无线信号的目的地不是终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元向下游节点传递建立通往目标节点路由的请求。执行完操作后，返回步骤2。

4.B：若该无线信号是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元读取压力传感器的数字或模拟信号，并将模拟信号转化为数字信号。执行完操作后进行步骤5。

步骤5：固定节点信号处理单元判断压力传感器检测的关于压力大小的参数是否超出危险值。并进行如下操作。

5.A：若参数超出危险值，固定节点信号处理模块向无线通信单元发出危险警告数字信号，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播；执行完操作后返回固定节点模块工作流程的步骤2。

5.B：若参数未超出危险值，进行步骤6。

步骤6：固定节点信号处理单元在关于传感器数据的数字信号的开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端后，将数字信号传输至无线通信单元，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点。执行完操作后，返回步骤2。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：包括无人车模块、单参考点定位基站模块、固定节点模块以及终端模块；

其中，终端模块包括但不限于智能手机、PAD、平板电脑或手持移动电子设备；无人车模块的数量为n个；每个无人车模块包括车载通信单元、记忆单元、车载电源单元、车载定位单元、计算与控制单元、移动单元以及传感器单元；单参考点定位基站模块的数量为k个，每个单参考点定位基站模块包括基站信号处理单元、阵列天线单元、基站通信单元以及基站电源单元；固定节点模块的数量为m个，每个固定节点模块包括固定节点电源单元、固定节点信号处理单元、无线通信单元以及固定节点传感器单元；

终端模块包括终端计算与控制单元；

其中，无线通信单元包括天线和无线通信芯片，固定节点传感器单元中至少包括一个压力传感器，固定节点信号处理单元包括一个带有高性能处理器的单片机；固定节点电源单元包括电池容量大、重量轻的锂电池；

每个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元包括天线以及射频合路器；基站通信单元包括天线和无线通信芯片；基站信号处理单元包括UWB定位芯片和相关开发板；基站电源单元包括电池容量大的蓄电池；

每个无人车模块中车载通信单元包括天线和无线通信芯片；记忆单元包括存储器；车载定位单元包括UWB定位芯片以及天线；移动单元中至少包括两个电机；传感器单元包括但不限于IMU、光敏传感器、温度传感器、声音传感器、烟雾传感器、CO传感器、可燃气体传感器、红外传感器以及摄像头；计算与控制单元包括一个具有多个端口的单片机；车载电源单元包括电池容量大、重量轻的锂电池；

所述矿井无人车探测及位置反馈系统中各模块与单元的连接关系如下：

每个无人车模块中的车载定位单元、车载通信单元、记忆单元、移动单元和传感器单元与计算与控制单元相连；在每个单参考点定位基站模块中，阵列天线单元与基站信号处理单元相连，基站信号处理单元与基站通信单元相连；每个固定节点模块中的固定节点传感器单元与固定节点信号处理单元相连，固定节点信号处理单元与无线通信单元相连；

终端模块与固定节点模块或无人车模块通过无线信号保持连接；每个节点通过节点间组成的自组织网络，建立多跳路由与终端模块通信；第i个无人车模块与第j个单参考点定位基站模块通过各自的通信单元收发无线信号保持连接，同时第i个无人车模块中的车载定位单元通过发送UWB信号与第j个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元保持连接；其中，第i个无人车模块位于第j个单参考点定位基站模块的定位范围内；

具体地：车载电源单元为无人车模块中的各单元供电，移动单元中的两个电机与计算与控制单元相连，传感器单元中的IMU、光敏传感器、温度传感器、声音传感器、烟雾传感器、CO传感器、可燃气体传感器、红外传感器、摄像头与计算与控制单元相连，车载定位单元中的UWB定位芯片与计算与控制单元相连，车载通信单元中的无线通信芯片与计算与控制单元相连，记忆单元中的存储器与计算与控制单元相连；

单参考点定位基站模块：基站电源单元为单参考点定位基站模块中的各单元供电，阵列天线单元中的多个天线与射频合路器相连，射频合路器与基站信号处理单元相连，基站通信单元中的无线通信芯片与基站信号处理单元相连；固定节点模块：固定节点电源单元为固定节点模块中的各单元供电，压力传感器传感器与固定节点信号处理单元相连，无线通信单元中的无线通信芯片与固定节点信号处理单元相连；

所述矿井无人车探测及位置反馈系统中各模块及单元的功能如下：

无人机模块中的计算与控制单元：处理各种数字、模拟信号，并对各单元发出控制信号；

传感器单元：探测矿井中的环境状况，并将环境信息转化为数字或模拟信号；

车载定位单元：发出UWB信号，以便于进行定位操作；车载通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与单参考点定位基站模块、其他无人车模块和固定节点模块进行无线通信；

移动单元：接收来自计算与控制单元发来的PWM信号，并驱动两个电机旋转；

记忆单元：存储每次小车移动的时间、速度以及方向数据以及缓存摄像头拍摄的图像数据；

车载电源单元：为当前无人车模块中的各单元供电；

单参考点定位基站模块中的基站信号处理单元：处理各种数字信号与UWB信号，并对各单元发出控制信号；阵列天线单元：接收无人车模块中车载定位单元发来的多径UWB信号；基站通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与无人车模块的通信；基站电源单元：为其他单元供电；

固定节点模块中的固定节点信号处理单元：处理各种数字、模拟信号，并对各单元发出控制信号；固定节点传感器单元：收集矿井壁及周围的环境信息，并将之转化为数字或模拟信号；无线通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与无人车模块、其他固定节点模块的通信；固定节点电源单元为其他单元供电；

终端模块中的终端计算与控制单元：处理来自固定节点的数字信号，并将环境信息显示给外界；向节点发送控制信号，以实现对所有模块的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：无人车模块在矿井内的排布为分布式。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：m小于n。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：n大于k。

5.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：i和j的取值范围分别为1<＝i<＝n以及1<＝j<＝k。

6.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：每个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元中的天线数量不少于4根。

7.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：无人车模块的工作过程，包括如下步骤：

步骤1:车载电源模块供电，计算与控制单元对与其他单元连接的各个端口的输入输出设置进行初始化；

步骤2：车载通信单元开始收发无线信号；

步骤3：计算与控制单元判断通信单元是否收到来自固定节点或移动节点发送的无线信号，若计算与控制单元判断出通信单元未收到无线信号，返回步骤2；若计算与控制单元判断出通信单元收到无线信号，进行步骤4；

步骤4：计算与控制单元判断该无线信号是否为控制本无人车模块的信号，具体为：

4.A：若计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车的信号，进一步判断该无线信号是否为危险警告信号；若不是危险警告信息，跳至步骤6，否则，计算与控制单元向车载通信单元发出危险警告数字信号，车载通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播；然后计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点；执行完毕后返回无人车模块中的步骤2；

4.B：若计算与控制单元判断出无线信号是控制本无人车的信号，进行步骤5；

步骤5：计算与控制单元判断无线信号类型，并进行如下操作：

5.A：若无线信号为终端控制无人车返还的信号，计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点，执行完毕后返回步骤2；

5.B：若无线信号为终端控制的收集传感器数据的信号，计算与控制单元读取各个传感器的模拟或数字信号，并将模拟信号都转化为合适的数字信号；之后，计算与控制单元在该传感器数字信号开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端；然后计算与控制单元将被处理过的传感器信号传输至车载通信单元，通信单元根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点，执行完毕后返回步骤2；

5.C：若无线信号为终端控制无人车移动的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，向移动单元传输相应的PWM信号，移动单元中的两个电机收到PWM信号后分别进行指定方向、指定速度的转动，驱动无人车进行旋转、前进以及后退操作；同时，计算与控制单元将无人车移动的方向、速度、时间存入记忆单元，执行完毕后返回至步骤2；

5.D：若无线信号为终端控制的获取位置信息的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，控制车载定位单元向所在区域的单参考点定位模块发出UWB信号，车载通信单元向基站通信单元发出请求建立连接的无线信号；然后，计算与控制单元判断是否收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号；若没有收到，继续判断是否收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号；若收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号，然后计算与控制单元在关于位置信息的数字信号的开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端后，发送至车载通信单元，然后车载通信单元根据收到的无线信号的路由将位置信号反向传输至上游节点，执行完毕后返回至步骤2；

步骤6：在计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车模块的信号后，计算与控制单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端；若目的地为终端，车载通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若目的地不是终端，车载通信单元向下游节点传递建立通往目标节点的路由的请求，执行完毕后返回至步骤2。

8.根据权利要求7所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：步骤3中，固定节点指固定节点模块；移动节点指其他无人车模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：单参考点定位基站模块的工作过程，包括如下步骤：

步骤1：基站电源单元供电，基站信号处理单元初始化与各个单元连接的端口的输入输出设置，计数器计数为0；

步骤2：阵列天线单元开始接收UWB信号；

步骤3：基站信号处理单元判断阵列天线单元是否传来信号，并进行如下操作：

3.A:若阵列天线单元有信号传来，基站信号处理单元中的计数器加1；并判断计数器是否达到4；若达到4，计数器清零，并进行步骤4；若没有达到4返回步骤2；

3.B：若阵列天线单元没有信号传来，返回步骤2；

步骤4：基站信号处理单元根据TDOA算法，利用4个天线的UWB信号传来的时间之差，计算发送该UWB信号的无人车模块的位置；

步骤5：基站通信单元根据无人车模块发出的建立连接的信号建立连接；

步骤6：基站信号处理单元将位置信号处理后传输至基站通信单元，基站通信单元将位置信号转化为无线信号，发往该无人车模块；执行操作后返回步骤2。

10.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：固定节点模块的工作过程，包括如下步骤：

步骤1：固定节点电源单元供电，固定节点信号处理单元初始化与传感器连接的端口的输入输出设置；

步骤2：无线通信单元开始收发无线信号；

步骤3：固定节点信号处理单元判断无线通信单元是否收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，若没有收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，返回步骤2；否则若收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，进行步骤4；

步骤4：固定节点信号处理单元判断该无线信号是否为控制该节点读取传感器数据的信号；并进行如下操作：

4.A：若该无线信号不是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端；若该无线信号的目的地为终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若该无线信号的目的地不是终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元向下游节点传递建立通往目标节点的路由的请求；执行完操作后，返回步骤2；

4.B：若该无线信号是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元读取压力传感器的数字或模拟信号，并将模拟信号转化为数字信号；执行完操作后进行步骤5；

步骤5：固定节点信号处理单元判断压力传感器检测的关于压力大小的参数是否超出危险值，判断参数是否超出危险值，若超出，固定节点信号处理模块向无线通信单元发出危险警告数字信号，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播，执行完操作后返回固定节点模块工作流程的步骤2；若参数未超出危险值，进行步骤6；

步骤6：固定节点信号处理单元在关于传感器数据的数字信号的开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端后，将数字信号传输至无线通信单元，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点；执行完操作后，返回步骤2。

Images