CN113589266B - 一种基于uwb技术的矿用多模式无线测距系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，包括至少2个测距传感器；测距传感器包括：嵌入式处理器、UWB测距模块、板载天线、参数设置模块、SD卡模块、信号输出隔离模块、显示屏、蜂鸣器、SD卡模块、电源模块。本发明针对煤矿井下的实际工况，能够实现：1)点对点测距、点对多点测距、多点之间相互测距；2)多套无线测距系统可在同一工作区域内分组独立工作。采用TOF测距算法计算出传感器之间的距离，并将距离信息或控制信号传输到相应的设备控制器上，实现采掘、运输设备之间的位置感知，进而实现设备之间的联动控制、自主跟随、防碰撞等功能，对于提高煤矿井下自动化生产水平，降低员工劳动强度，减人提效，实现安全生产具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下无线测距技术领域，具体而言，涉及一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统。
背景技术
随着煤矿井下生产机械化程度的不断提高，生产效率越来越高。然而，工作面上采掘、运输设备之间均由专业司机进行驾驶，设备之间的位置感知、联动控制、自动跟随等自动化功能无法很好的实现，自动化程度较低，工作人员劳动强度大且人员数量较多，从而导致安全隐患较高。
要实现上述自动化功能，首先要解决设备之间的精准测距、位置感知问题。目前，应用于煤矿井下的测距技术主要有：超声波测距技术、WIFI测距技术、红外测距技术等。但上述测距方式在井下实际应用中会存在一定的局限性，其中：超声波测距技术受井下煤壁凹凸不平的影响，多径效应明显，另外受非视距影响较大，测距精度较低；红外测距技术在煤矿井下容易受煤泥等污物遮挡透光玻璃，导致无法正常工作；而WIFI测距技术是基于WiFi信号RSSI方法的测量距离，测距精度为米级且测距距离有限，无法满足设备之间的测距需求。
超宽带（Ultra-Wideband, UWB）技术是近年来新兴的无线通信技术，它通过测量无线电磁波在空气中传播延时带来的相位变化来测量距离。相较于传统通信方式使用的连续波信号，UWB技术仅仅需要产生一个时间间隔极短（小于nS）的脉冲，便可通过天线进行发送及接收。由于其每个脉冲持续时间很短，而反射信号在到达时间上都落后于首径信号，因此接收节点可以准确的分离出首达路径信号，并利用首达路径信号进行测量，避免了多径信号的影响。因此，UWB测距技术具有测距精度高、抗干扰性能强、传输距离远、系统简单等优点，非常适合在井下采掘工作面、运输巷道这类空间受限的工作区域使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，以解决上述场景中现有技术存在的问题，该无线测距系统可应用于采掘工作面、运输巷道，实现设备之间的精准测距及位置感知。进而实现设备的联动控制、自主跟随、防碰撞等功能，从而大大提高井下设备的自动化程度、进一步推动工作面的少人化、无人化，实现“少人则安、无人则安”的目标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明公开一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，包括至少2个测距传感器，所述测距传感器采用UWB技术进行测距；
其中，所述测距传感器包括：嵌入式处理器、UWB测距模块、板载天线、参数设置模块、信号输出隔离模块、显示屏、蜂鸣器、SD卡模块、电源模块；UWB测距模块通过TTL通讯接口与嵌入式处理器连接；板载天线与UWB测距模块直接连接；参数设置模块与嵌入式处理器的GPIO接口连接；信号输出隔离模块与嵌入式处理器的CAN、GPIO接口连接；蜂鸣器与嵌入式处理器的GPIO接口连接；SD卡模块与嵌入式处理器的SD卡通信接口连接；电源模块用于为测距传感器进行供电。
优选地，嵌入式处理器为基于ARM9内核的i.MX287芯片。
优选地，UWB测距模块采用DW1000芯片。
优选地，UWB测距模块发起与其他测距模块的测距请求，并根据TOF测距算法计算出相互之间的距离，UWB测距模块通过TTL通讯接口输出本身及与其同组内其他测距模块的测距信息。
优选地，板载天线包括UWB天线及Zigbee天线，其中：UWB天线用于发送及接收UWB信号，Zigbee天线用于在传感器之间传输测距信息。
优选地，参数设置模块包括3个16位旋转编码开关及1个2位拨码开关；其中，3个16位旋转编码开关分别为第一旋转编码开关、第二旋转编码开关和第三旋转编码开关；第一旋转编码开关用于设置测距模块的小区编号，相同小区编号的测距模块处于同一组内，测距模块只有在同一组内才可以相互测距，多套无线测距系统可自由组合，实现同一工作区域内分组独立工作；第二旋转编码开关用于设置CAN节点号，避免总线上多个传感器CAN节点号冲突；第三旋转编码开关用于设定信号输出隔离模块中光电固态继电器动作时对应的距离阈值；2位拨码开关用于设置传感器工作模式，传感器工作模式至少包括点对点测距、点对多点测距和多点之间相互测距。
优选地，信号输出隔离模块包括CAN隔离模块和光电固态继电器隔离模块，用于将本安信号与非安信号进行隔离，本安侧与非安侧之间能承受交流1500V，历时1min的工频耐压试验。
优选地，CAN隔离模块用于传输采掘、运输设备之间的测距信息至设备控制器；当传感器之间的实际距离大于通过旋转编码开关3设定的距离阈值时，光电固态继电器的节点处于常闭状态；当传感器之间的实际距离小于等于设定的距离阈值时，光电固态继电器的节点断开。
优选地，显示屏为0.96寸OLED屏，用于实时显示同组内测距传感器编号及测距距离、测距模块小区编号、CAN节点号、设定的继电器距离阈值、传感器故障信息；当光电固态继电器的节点断开后，蜂鸣器发出报警音，用于提醒设备操作人员；SD卡模块用于程序下载、程序自动升级及数据存储。
优选地，传感器电路板包括主电路板，主电路板中设置包括嵌入式处理器、UWB测距模块、板载天线、参数设置模块、显示屏、蜂鸣器、SD卡模块、电源模块及信号输出隔离模块的控制电路板；主电路板为本安型电路；信号输出隔离模块的控制电路为本安非安隔离电路，需采用浇封剂进行浇封。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明通过设置传感器的小区编号，可将小区编号相同的传感器定义为1套无线测距系统，从而实现多套无线测距系统在同一工作区域内分组独立工作，现场设置灵活、方便；
2、本发明通过设置传感器的测距模式，可分别实现：点对点测距、点对多点测距、多点之间相互测距，针对井下不同的工况适应性强、应用范围较广。
3、本发明使用UWB精确测距技术，并结合软件算法进行优化，能大大提高UWB的抗干扰能力及稳定性，保证测距精度≤30cm。
4、本发明所述测距传感器，不区分基站与标签，通用性好。
5、本发明可应用于采掘工作面、运输巷道，实现设备之间的精准测距及位置感知，进而实现设备的联动控制、自主跟随、防碰撞等功能，从而大大提高设备自动化程度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统的传感器结构示意图。
图2是本发明提供的一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统的测距模块测距原理示意图。
图3是本发明提供的一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统中测距模块多址调度方式的示意图。
图4是本发明提供的一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统中无线测距系统工作模式示意图。
图5是本发明提供的一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统中无线测距系统分组独立工作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都将属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，以解决上述现有技术存在的问题，该系统可解决采掘工作面、运输巷道设备之间的精准测距及位置感知问题，进而实现设备的联动控制、自主跟随、防碰撞等功能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例提供一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，包括至少2个测距传感器，传感器包括：嵌入式处理器、UWB测距模块、板载天线、参数设置模块、SD卡模块、信号输出隔离模块、显示屏、蜂鸣器、SD卡模块、电源模块。
具体地，UWB测距模块通过TTL通讯接口与嵌入式处理器连接；板载天线与UWB测距模块直接连接；参数设置模块与嵌入式处理器的GPIO接口连接；信号输出隔离模块与嵌入式处理器的CAN、GPIO接口连接；蜂鸣器与嵌入式处理器的GPIO接口连接；SD卡模块与嵌入式处理器的SD卡通信接口连接；电源模块为上述模块进行供电。
于本实施案例中，传感器之间通过UWB测距模块及与其相连接的UWB天线、Zigbee天线进行测距与通信，并通过SDS-TWR（双过双向测距距方式）进行测距，相较于SS-TWR（单边双向测距方式），可有效消除测距过程中因时间不同步问题而造成的误差，提高测距精度。
进一步地，如图2所示，系统工作时，UWB测距模块A通过UWB天线向其信号覆盖范围内且处于同组内的测距模块B发送测距请求，测距模块B接收来自测距模块A的数据包后，经过一定的时延Ta后，向测距模块A发出响应数据包并记录发送响应数据包的时刻，测距模块A收到响应数据包后并记录接收响应数据包的时刻值；接着，由测距模块B向测距模块A发送测距请求，测距模块A接收来自测距模块B的数据包后，经过一定的时延Tb后，向测距模块B发出响应数据包并记录发送响应数据包的时刻，测距模块B收到响应数据包后并记录接收响应数据包的时刻值，到此，完成了一次测距过程。
测距往返时间值为：
测距距离为d=t×c，其中，c=299792458m/s(真空中的光速)。
于本实施案例中，为提高测距精度及数据传输稳定性，本发明所述测距模块之间的UWB信号通过UWB天线进行发送及接收，测距数据单独通过Zigbee天线进行传输。
于本实施案例中，如图3和图4所示，在UWB的测距过程（点对多点测距、多点之间相互测距）中，采用TDMA方式进行多址调度，相对传统的Aloha多址调度方式存在标签冲突概率高、信道利用率低等缺点，TDMA方式可有效降低测距模块之间测距时的冲突概率、提高信道利用率、提高并发量，从而提高测距成功率。
于本实施案例中，测距模块通过TTL通讯接口输出本身及与其同组内其他测距模块的测距信息至嵌入式处理器。
于本实施案例中，所述参数设置模块包括3个16位旋转编码开关及2位拨码开关。用于设置传感器参数及工作模式。
进一步地，如图5所示，旋转编码开关1用于设置测距模块的小区编号（小区编号即为测距模块的信道编号，编号为1-16），相同小区编号的测距模块处于同一组内，测距模块只有在同一组内才可以相互测距，由此，多套无线测距系统可在同一工作区域内分组独立工作；旋转编码开关2用于设置CAN节点号（节点号为1-16），避免与其它传感器的CAN节点号冲突，方便传感器与设备上的控制器连接；旋转编码开关3用于设定信号输出隔离模块中光电固态继电器动作时对应的距离阈值，可设置距离阈值为0.5m至90m之间的16个值，这16个值可通过修改软件参数进行修改；2位拨码开关用于设置传感器工作模式为：点对点测距、点对多点测距、多点之间相互测距3种不同的测距方式。
于本实施案例中，信号输出隔离模块包括CAN隔离模块、光电固态继电器隔离模块，该模块用于将本安信号与非安信号进行隔离。具体来说，嵌入式处理器至信号输出隔离模块输入侧的CAN信号、继电器输入端控制信号均为本安信号，信号输出隔离模块输出端输出的信号为非安信号，该模块采用浇封剂进行浇封，实现传感器与设备控制器之间的电气隔离，确保其可在煤矿井下爆炸性气体环境下安全可靠的工作。
于本实施案例中，所述电源模块输入电源为12V本安电源，电源模块具有防反接、过流保护、短路保护等功能。该电源模块包含2路3.3V电源，第1路为12V本安输入电源经隔离电源模块后输出3.3V电源给嵌入式处理器供电；嵌入式处理器上电后，再使能第2路3.3V电源模块输出3.3V电源给处理器以外的电路供电。通过设计2路3.3V电源按不同上电时序上电，可防止嵌入式处理器上电时IO口电压影响其上电时序、造成核心板无法启动或损坏，确保核心板正常启动。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：包括至少2个测距传感器，所述测距传感器采用UWB技术进行测距；
其中，所述测距传感器包括：嵌入式处理器、UWB测距模块、板载天线、参数设置模块、信号输出隔离模块、显示屏、蜂鸣器、SD卡模块、电源模块；UWB测距模块通过TTL通讯接口与嵌入式处理器连接；板载天线与UWB测距模块直接连接；参数设置模块与嵌入式处理器的GPIO接口连接；信号输出隔离模块与嵌入式处理器的CAN、GPIO接口连接；蜂鸣器与嵌入式处理器的GPIO接口连接；SD卡模块与嵌入式处理器的SD卡通信接口连接；电源模块用于为测距传感器进行供电；
参数设置模块包括3个16位旋转编码开关及1个2位拨码开关；其中，3个16位旋转编码开关分别为第一旋转编码开关、第二旋转编码开关和第三旋转编码开关；第一旋转编码开关用于设置测距模块的小区编号，相同小区编号的测距模块处于同一组内，测距模块只有在同一组内才可以相互测距，多套无线测距系统可自由组合，实现同一工作区域内分组独立工作；第二旋转编码开关用于设置CAN节点号，避免总线上多个传感器CAN节点号冲突；第三旋转编码开关用于设定信号输出隔离模块中光电固态继电器动作时对应的距离阈值；2位拨码开关用于设置传感器工作模式，传感器工作模式至少包括点对点测距、点对多点测距和多点之间相互测距。
2.根据权利要求1所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：嵌入式处理器为基于ARM9内核的i.MX287芯片。
3.根据权利要求1所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：UWB测距模块采用DW1000芯片。
4.根据权利要求3所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：UWB测距模块发起与其他测距模块的测距请求，并根据TOF测距算法计算出相互之间的距离，UWB测距模块通过TTL通讯接口输出本身及与其同组内其他测距模块的测距信息。
5.根据权利要求1所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：板载天线包括UWB天线及Zigbee天线，其中：UWB天线用于发送及接收UWB信号，Zigbee天线用于在传感器之间传输测距信息。
6.根据权利要求1所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：信号输出隔离模块包括CAN隔离模块和光电固态继电器隔离模块，用于将本安信号与非安信号进行隔离，本安侧与非安侧之间能承受交流1500V，历时1min的工频耐压试验。
7.根据权利要求6所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：CAN隔离模块用于传输采掘、运输设备之间的测距信息至设备控制器；当传感器之间的实际距离大于通过第三旋转编码开关设定的距离阈值时，光电固态继电器的节点处于常闭状态；当传感器之间的实际距离小于等于设定的距离阈值时，光电固态继电器的节点断开。
8.根据权利要求1所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：所述显示屏为0.96寸OLED屏，用于实时显示同组内测距传感器编号及测距距离、测距模块小区编号、CAN节点号、设定的继电器距离阈值、传感器故障信息；当光电固态继电器的节点断开后，蜂鸣器发出报警音，用于提醒设备操作人员；SD卡模块用于程序下载、程序自动升级及数据存储。
9.根据权利要求1所述的基于UWB技术的矿用多模式无线测距系统，其特征在于：传感器电路板包括主电路板，主电路板中设置包括嵌入式处理器、UWB测距模块、板载天线、参数设置模块、显示屏、蜂鸣器、SD卡模块、电源模块及信号输出隔离模块的控制电路板；主电路板为本安型电路；信号输出隔离模块的控制电路为本安非安隔离电路，需采用浇封剂进行浇封。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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