CN113596726A - 一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统及方法，属于矿井技术领域。该系统包括车辆标识卡、车辆调度基站、基站、信号灯和服务器。车辆标识卡安装于矿井车辆上，车辆调度基站和基站均采用双无线射频模块进行设计，车辆标识卡与车辆调度基站或基站采用UWB无线方式进行信息交互，车辆标识卡主动发起广播，采用对称双边两路测距算法依次与四个基站定位，从定位结果中选取最小值，以获取车辆标识卡相对于基站的位置信息，从而控制信号灯状态，车辆根据信号灯状态行驶，服务器对车辆运行状态和信号灯状态进行实时显示。本发明提高了定位精度，采用分布式调度方法不依赖于主干网络，可靠性好。

Description

一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统及方法
技术领域
本发明属于矿井技术领域，涉及一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统及方法。
背景技术
现有矿井车辆定位方式集中在RFID和Zigbee技术上，定位精度不准确，调度方式需要对整 个运输巷道建模，系统复杂度高，调度方式不灵活，需要人工进行干预，可靠性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统及方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统，该系统包括车辆标识卡、车辆调度基站、 四个基站、信号灯和服务器；
车辆标识卡安装于矿井车辆上，车辆调度基站和四个基站均采用双无线射频模块进行设 计；
车辆标识卡与车辆调度基站或基站采用UWB无线方式进行信息交互，车辆标识卡主动发 起广播，依次等待四个基站逐一回复广播，车辆标识卡获得基站地址后，采用对称双边两路 测距算法依次与四个基站定位，从定位结果中选取最小值，以获取车辆标识卡相对于基站的 位置信息，车辆调度基站依据车辆标识卡位置信息控制信号灯状态，服务器对车辆运行状态 和信号灯状态进行实时显示。
可选的，所述基站和车辆调度基站均包括UWB主射频模块、UWB辅射频模块、协议通讯模块、基站微控制器、光电转换微控制器、工业交换机处理器、光模块、电模块和电源模块；
所述工业交换机处理器依次与光电转换微控制器和基站微控制器连接；
所述基站微控制器分别与UWB主射频模块、UWB辅射频模块和协议通讯模块连接；
所述与光电转换微控制器和基站微控制器连接；
所述工业交换机处理器分别与光模块和电模块连接。
可选的，所述基站微控制器选用ARM系列CPU作为控制核心，控制外围设备进行逻辑 运算；
所述光电转换微控制器选用ARM系列CPU作为控制核心，控制工业交换价处理器进行 逻辑运算；
所述工业交换机处理器选用8/6端口10/100M以太网交换机控制器。
可选的，所述车辆标识卡包括UWB定位模块、充电模块、三轴加速度传感器和车辆标识 卡微控制器；
所述车辆标识卡微控制器分别与UWB定位模块、充电模块和三轴加速度传感器连接。
可选的，所述四个基站和信号灯分别设置在调度硐的两边，基站的正向方向朝向控制路 段中间，基站的负向天线朝向调车硐；
(1)在初始状态下，信号灯默认为绿灯，如果某台基站首次检测到车辆进入控制路段，即 首次检测到正距离值，则控制相邻信号灯为红灯；
(2)当无轨胶轮车在控制路段被当前的基站再次定位后，且定位结果为正值，则信号灯的 状态不发生变化；
(3)当无轨胶轮车被相邻的基站定位后，且定位结果为负值时，则认为无轨胶轮车驶出控 制路段，此时信号灯状态由红灯变为绿灯。
可选的，所述车辆标识卡和基站的运作为：
车辆标识卡发送广播包，1#、2#、3#、4#基站逐一回复广播包，车辆标识卡获得基站的 地址后，车辆标识卡先与1#基站定位测距，1#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆 标识卡；车辆标识卡然后与2#基站定位测距，2#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车 辆标识卡；车辆标识卡然后与3#基站定位测距，3#基站计算完测距结果后，将定位结果发往 车辆标识卡；车辆标识卡然后与4#基站定位测距，4#基站计算完测距结果后，将定位结果发 往车辆标识卡；车辆标识卡对四次测距结果进行处理，选取其中最小的定位结果，用于判定 车辆从哪个方向进入控制路段，然后发往相对应的基站，进行调度处理。
基于所述系统的矿井车辆位置精准跟踪及智能调度方法，车辆标识卡与车辆调度基站或 基站采用UWB无线方式进行信息交互，车辆标识卡主动发起广播，依次等待四个基站逐一回 复广播，车辆标识卡获得基站地址后，采用对称双边两路测距算法依次与四个基站定位，从 定位结果中选取最小值，以获取车辆标识卡相对于基站的位置信息，车辆调度基站依据车辆 标识卡位置信息控制信号灯状态，服务器对车辆运行状态和信号灯状态进行实时显示。
可选的，所述四个基站和信号灯分别设置在调度硐的两边，基站的正向方向朝向控制路 段中间，基站的负向天线朝向调车硐；
(1)在初始状态下，信号灯默认为绿灯，如果某台基站首次检测到车辆进入控制路段，即 首次检测到正距离值，则控制相邻信号灯为红灯；
(2)当无轨胶轮车在控制路段被当前的基站再次定位后，且定位结果为正值，则信号灯的 状态不发生变化；
(3)当无轨胶轮车被相邻的基站定位后，且定位结果为负值时，则认为无轨胶轮车驶出控 制路段，此时信号灯状态由红灯变为绿灯。
可选的，所述车辆标识卡和基站的运作为：
车辆标识卡发送广播包，1#、2#、3#、4#基站逐一回复广播包，车辆标识卡获得基站的 地址后，车辆标识卡先与1#基站定位测距，1#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆 标识卡；车辆标识卡然后与2#基站定位测距，2#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车 辆标识卡；车辆标识卡然后与3#基站定位测距，3#基站计算完测距结果后，将定位结果发往 车辆标识卡；车辆标识卡然后与4#基站定位测距，4#基站计算完测距结果后，将定位结果发 往车辆标识卡；车辆标识卡对四次测距结果进行处理，选取其中最小的定位结果，用于判定 车辆从哪个方向进入控制路段，然后发往相对应的基站，进行调度处理。
可选的，所述车辆标识卡与基站主射频和辅射频的距离值分别为s1和s2，s取值为1米， 采用对称双边两路测距SDS-TWR算法计算出；
所述车辆标识卡相对于基站的方向判定机制如下：
s1-s2>s时，定位卡在基站的右边，距离s2米；
s1-s2<s时，定位卡在基站的左边，距离s2米；
s1<s且s2<s时，定位卡在定位基站的左边，距离s2米。
本发明的有益效果在于：本文发明是基于UWB技术的矿井车辆精准定位跟踪及智能调度 的系统，定位精度较高，采用分布式调度算法，不依赖于主干网络，可靠性高，系统网络架 构简单，部署方便，成本较低。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详 细描述，其中：
图1为本发明原理图；
图2为基站功能框图；
图3为车辆标识卡功能框图；
图4为车辆标识卡和基站工作流程图；
图5为基站定位过程图；
图6为调度原理图；
图7为车辆标识卡相对于基站的方向判定机制图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明 的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表 实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中， 需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位 或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不 是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图 中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通 技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统、方法，包括车辆标识卡、车辆调 度基站、基站、信号灯和服务器。车辆标识卡安装于矿井车辆上，车辆调度基站和基站均采 用双无线射频模块进行设计，车辆标识卡与车辆调度基站或基站采用UWB无线方式进行信息 交互，车辆标识卡主动发起广播，依次等待4个基站逐一回复广播，车辆标识卡获得基站地 址后，采用对称双边两路测距(SDS-TWR)测距算法依次与四个基站定位，从定位结果中选取最 小值，以获取车辆标识卡相对于基站的位置信息，车辆调度基站依据车辆标识卡位置信息实 现基于时间响应的分布式调度规则，从而控制信号灯状态，车辆根据信号灯状态行驶，服务 器对车辆运行状态和信号灯状态进行实时显示。本发明系统网络架构简单，部署方便，成本 较低，大大提高了定位精度，采用分布式调度方法不依赖于主干网络，安全可靠性较好。
基站或车辆调度基站包括UWB主射频模块、UWB辅射频模块、协议通讯模块、基站微控制器、光电转换微控制器、工业交换机处理器、光模块、电模块和电源模块，如图2所示。
(1)基站微控制器
选用ARM系列CPU作为控制核心，控制外围设备进行逻辑运算。
(2)主射频和辅射频
选用Decawave公司的DW1000芯片或DW3000芯片，定位精度可达厘米级，支持TOA测距和TDOA精确定位，可完成无数数据的收发，采用SPI方式与微控制器通讯。
(3)协议通信模块
完成数据存储转换。
(4)光电转换微控制器
选用ARM系列CPU作为控制核心，控制工业交换价处理器进行逻辑运算。
(5)工业交换机处理器
选用超低功耗的8/6端口10/100M以太网交换机控制器
(6)电源模块
完成基站供电，采用本安电路进行设计。
车辆标识卡包括UWB定位模块、充电模块、振动传感器和车辆标识卡微控制器，如图3 所示。
车辆标识卡和基站工作流程：车辆标识卡发送广播包，1#、2#、3#、4#基站逐一回复广 播包，车辆标识卡获得基站的地址后，车辆标识卡先与1#基站定位测距，1#基站计算完测距 结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与2#基站定位测距，2#基站计算完测 距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与3#基站定位测距，3#基站计算完 测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与4#基站定位测距，4#基站计算 完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡。车辆标识卡对四次测距结果进行处理，选取其 中最小的定位结果(可以判定车辆从哪个方向进入控制路段)，然后发往相对应的基站，进 行调度处理。
如图4～图6所示，调度原理为：在调度硐的两边分别布置基站和信号灯，基站的正向 方向朝向控制路段中间，基站的负向天线朝向调车硐。
(1)在初始状态下，信号灯默认为绿灯，如果某台基站首次检测到车辆进入控制路段，即 首次检测到正距离值，则控制相邻信号灯为红灯；
(2)当无轨胶轮车在控制路段被当前的基站再次定位后，且定位结果为正值，则信号灯的 状态不发生变化；
(3)当无轨胶轮车被相邻的基站定位后，且定位结果为负值时，则认为无轨胶轮车驶出控 制路段，此时信号灯状态由红灯变为绿灯。
如图7所示，矿井巷道一般为狭长状态，巷道宽度以及高度相对较小，可以将矿井巷道 看成一维线性空间，采用对称双边两路测距(SDS-TWR)算法计算出车辆标识卡与基站主射频和 辅射频的距离值s1和s2，s取值为1米，车辆标识卡相对于基站的方向判定机制如下：
s1-s2>s时，定位卡在基站的右边，距离s2米；
s1-s2<s时，定位卡在基站的左边，距离s2米；
s1<s且s2<s时，定位卡在定位基站的左边，距离s2米。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

Claims (10)

1.一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统，其特征在于：该系统包括车辆标识卡、车辆调度基站、四个基站、信号灯和服务器；
车辆标识卡安装于矿井车辆上，车辆调度基站和四个基站均采用双无线射频模块进行设计；
车辆标识卡与车辆调度基站或基站采用UWB无线方式进行信息交互，车辆标识卡主动发起广播，依次等待四个基站逐一回复广播，车辆标识卡获得基站地址后，采用对称双边两路测距算法依次与四个基站定位，从定位结果中选取最小值，以获取车辆标识卡相对于基站的位置信息，车辆调度基站依据车辆标识卡位置信息实现基于时间响应的分布式调度规则，从而控制信号灯状态，车辆根据信号灯状态行驶，服务器对车辆运行状态和信号灯状态进行实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统，其特征在于：所述基站和车辆调度基站均包括UWB主射频模块、UWB辅射频模块、协议通讯模块、基站微控制器、光电转换微控制器、工业交换机处理器、光模块、电模块和电源模块；
所述工业交换机处理器依次与光电转换微控制器和基站微控制器连接；
所述基站微控制器分别与UWB主射频模块、UWB辅射频模块和协议通讯模块连接；
所述与光电转换微控制器和基站微控制器连接；
所述工业交换机处理器分别与光模块和电模块连接。
3.根据权利要求2所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统，其特征在于：所述基站微控制器选用ARM系列CPU作为控制核心，控制外围设备进行逻辑运算；
所述光电转换微控制器选用ARM系列CPU作为控制核心，控制工业交换机处理器进行逻辑运算；
所述工业交换机处理器选用8/6端口10/100M以太网交换机控制器。
4.根据权利要求3所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统，其特征在于：所述车辆标识卡包括UWB定位模块、充电模块、三轴加速度传感器和车辆标识卡微控制器；
所述车辆标识卡微控制器分别与UWB定位模块、充电模块和三轴加速度传感器连接。
5.根据权利要求4所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统，其特征在于：所述四个基站和信号灯分别设置在调度硐的两边，基站的正向方向朝向控制路段中间，基站的负向天线朝向调车硐；
(1)在初始状态下，信号灯默认为绿灯，如果某台基站首次检测到车辆进入控制路段，即首次检测到正距离值，则控制相邻信号灯为红灯；
(2)当无轨胶轮车在控制路段被当前的基站再次定位后，且定位结果为正值，则信号灯的状态不发生变化；
(3)当无轨胶轮车被相邻的基站定位后，且定位结果为负值时，则认为无轨胶轮车驶出控制路段，此时信号灯状态由红灯变为绿灯。
6.根据权利要求5所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度系统，其特征在于：所述车辆标识卡和基站的运作为：
车辆标识卡发送广播包，1#、2#、3#、4#基站逐一回复广播包，车辆标识卡获得基站的地址后，车辆标识卡先与1#基站定位测距，1#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与2#基站定位测距，2#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与3#基站定位测距，3#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与4#基站定位测距，4#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡对四次测距结果进行处理，选取其中最小的定位结果，用于判定车辆从哪个方向进入控制路段，然后发往相对应的基站，进行调度处理。
7.基于权利要求1～6中任一项所述系统的矿井车辆位置精准跟踪及智能调度方法，其特征在于：所述车辆标识卡与车辆调度基站或基站采用UWB无线方式进行信息交互，车辆标识卡主动发起广播，依次等待四个基站逐一回复广播，车辆标识卡获得基站地址后，采用对称双边两路测距算法依次与四个基站定位，从定位结果中选取最小值，以获取车辆标识卡相对于基站的位置信息，车辆调度基站依据车辆标识卡位置信息实现基于时间响应的分布式调度规则，从而控制信号灯状态，车辆根据信号灯状态行驶，服务器对车辆运行状态和信号灯状态进行实时显示。
8.根据权利要求7所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度方法，其特征在于：所述四个基站和信号灯分别设置在调度硐的两边，基站的正向方向朝向控制路段中间，基站的负向天线朝向调车硐；
(1)在初始状态下，信号灯默认为绿灯，如果某台基站首次检测到车辆进入控制路段，即首次检测到正距离值，则控制相邻信号灯为红灯；
(2)当无轨胶轮车在控制路段被当前的基站再次定位后，且定位结果为正值，则信号灯的状态不发生变化；
(3)当无轨胶轮车被相邻的基站定位后，且定位结果为负值时，则认为无轨胶轮车驶出控制路段，此时信号灯状态由红灯变为绿灯。
9.根据权利要求8所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度方法，其特征在于：所述车辆标识卡和基站的运作为：
车辆标识卡发送广播包，1#、2#、3#、4#基站逐一回复广播包，车辆标识卡获得基站的地址后，车辆标识卡先与1#基站定位测距，1#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与2#基站定位测距，2#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与3#基站定位测距，3#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡然后与4#基站定位测距，4#基站计算完测距结果后，将定位结果发往车辆标识卡；车辆标识卡对四次测距结果进行处理，选取其中最小的定位结果，用于判定车辆从哪个方向进入控制路段，然后发往相对应的基站，进行调度处理。
10.根据权利要求9所述的一种矿井车辆位置精准跟踪及智能调度方法，其特征在于：所述车辆标识卡与基站主射频和辅射频的距离值分别为s1和s2，s取值为1米，采用对称双边两路测距SDS-TWR算法计算出；
所述车辆标识卡相对于基站的方向判定机制如下：
s1-s2>s时，定位卡在基站的右边，距离s2米；
s1-s2<s时，定位卡在基站的左边，距离s2米；
s1<s且s2<s时，定位卡在定位基站的左边，距离s2米。
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