CN105957382A - 车辆定位***及井下车辆定位的方法 - Google Patents

车辆定位***及井下车辆定位的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车辆定位***及井下车辆定位的方法，属于车俩定位领域，所述车辆定位***，包括服务器、至少一个UWB锚点和能够与所述UWB锚点无线通信的车载***，其中：所述服务器用于设置在井上的监控中心，所述UWB锚点用于设置在井下，各UWB锚点之间串连，所述车载***用于设置在井下的待定位车辆上，其中一个UWB锚点通过设置在井上的监控中心的交换机与所述服务器连接。与现有技术相比，本发明能够实现对井下车辆的高精度定位。

Description

车辆定位***及井下车辆定位的方法
技术领域
本发明涉及车辆定位领域，特别是指一种车辆定位***及井下车辆定位的方法。
背景技术
无轨胶轮车是通过以胶轮或履带为行走机构，采用防爆柴油机、蓄电池等为牵引动力的车辆，实现材料、设备及人员的运输。无轨胶轮车辅助运输区别于传统的轨道矿车、无极绳、小提升机接力运输等方式。无轨胶轮车无轨道限制，机动灵活、适应性强、安全高效、应用范围广，近年来得到了迅速的推广应用。无轨胶轮化运输大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率；简化了辅助运输环节，减少了事故点，提高了工效和安全性。当无轨胶轮车应用在井下作业时，由于井下巷道窄、视线受限，行车状况复杂，特别是在巷道存在一定坡度的情况下，行驶的车辆相互之间往往看不清对方，因而容易引起车辆在某区域内发生阻塞，导致车辆频繁倒车，造成运输效率低下、运输油料浪费、机械损耗等问题，严重的还将导致某些安全事故发生。因此，为保证车辆运行安全，提高效率，节能减排，需要对井下辅助运输车辆进行监测和调度控制，进行交通管制以保证运行畅通。
目前，射频识别RFID定位***，由于其成本低，技术成熟的特点，被广泛应用于在人员定位领域。但是，RFID定位***只能实现区域定位，无法满足井下交通调度所需的精确定位要求，根据不确定的定位数据进行交通调度，只会带来更多的不确定性，在井下无轨胶轮车的定位中，现有技术的具体做法是，将人员定位***中的人员标识卡改装成车卡使用，但这种做法难以满足车辆定位的需求。因为，目前所有的人员定位***都是基于2.4GHz或者433Mhz的区域定位***，定位精度是以分站信号覆盖范围来计算的，如果分站信号覆盖范围是100米，定位精度就是100米；分站信号覆盖是50米，定位精度就是50米；如果两个分站信号范围发生了重叠，则位于重叠区域的标识卡会被两个分站收到，那么定位精度就在原有基础上增加了一倍，如图1所示。
人员定位的特点是，重点关注人员出入井时间，在井下工作时间，井下人员数量以及人员的大致位置，在这种需求下，几十米甚至上百米的定位精度是完全可以满足要求的。而车辆定位的特点则与人员定位有很大的区别，对于车辆定位，重点是交通调度，要实现交通调度，必须要有精确的车辆位置信息，精度至少要达到米级。因此，对井下车辆实现高精度定位，成为了井下车辆运输作业中迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现井下车辆高精度定位的车辆定位***及井下车辆定位的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种车辆定位***，包括服务器、至少一个UWB锚点和能够与所述UWB锚点无线通信的车载***，其中：
所述服务器用于设置在井上的监控中心，所述UWB锚点用于设置在井下，各UWB锚点之间串连，所述车载***用于设置在井下的待定位车辆上，其中一个UWB锚点通过设置在井上的监控中心的交换机与所述服务器连接。
进一步的，每个UWB锚点均连接有两个朝向两侧背对背的定向天线。
进一步的，每个UWB锚点的两个定向天线之间间隔距离大于1米。
进一步的，所述交换机和与其相连的UWB锚点之间设置有光电接口。
进一步的，所述UWB锚点采用防爆电源供电。
上述的车辆定位***进行的基于UWB技术的井下车辆定位的方法，包括：
步骤1：车载***发起测距通信；
步骤2：UWB锚点的两个定向天线接收车载***发送的测距信号，UWB锚点计算出测距信号的飞行时间；
步骤3：UWB锚点将计算出的飞行时间和两个定向天线的信号接收信息上传给服务器，服务器计算出车载***与UWB锚点之间的精确距离并判断车载***位于UWB锚点的左边还是右边，实现对车载***的位置定位。
进一步的，所述步骤2包括：
UWB锚点和车载***之间采用双程测距方式进行测距。
进一步的，所述步骤3包括：
如果UWB锚点的两个定向天线中只有一个定向天线能够接收到测距信号，则服务器判定车载***位于UWB锚点的该能够接收到测距信号的定向天线的一侧；
和/或，如果UWB锚点的两个定向天线都能够接收到测距信号，并且车载***与两个定向天线的距离差等于两个定向天线之间的距离，则服务器判定车载***位于距离较近的定向天线的一侧；
和/或，如果UWB锚点的两个定向天线都能够接收到测距信号，并且车载***与两个定向天线的距离和等于两个定向天线之间的距离，则服务器判定车载***位于两个定向天线之间。
进一步的，所述步骤3之后，包括：
步骤4：重复执行步骤1-3，服务器获取对车载***两次测距的时间间隔，并根据车载***与UWB锚点之间的距离变化，计算出车载***的行驶速度。
本发明具有以下有益效果：
本发明中，采用UWB技术的TOA方式实现对井下车辆的定位。安装在车辆上的车载***，一旦进入UWB锚点的信号覆盖范围，即可以跟UWB锚点进行测距通信。工作过程为：首先由***发起测距通信，向UWB锚点发送测距信号，UWB锚点接收到测距信号后，由UWB锚点计算出测距信号的飞行时间，并将计算出的飞行时间上传给监控中心的服务器，运行在服务器上的监控软件将UWB锚点上传的信号飞行时间乘以信号速度(光速)，就能够计算得出车载***与UWB锚点之间的精确距离。由于煤矿巷道是一个狭长空间，可以近似为一条直线，同时，UWB锚点的具***置在安装施工的时候已经测量，是已知的，那么计算出车载***和UWB锚点之间的相对距离，也就能够实现对车载***进行精确定位，从而实现对井下车辆的精确定位。与现有技术相比，本发明能够实现对井下车辆的高精度定位。
附图说明
图1为现有技术的车辆定位的效果示意图；
图2为本发明的车辆定位***的结构示意图；
图3为本发明的车辆定位***的测距原理示意图；
图4为本发明的井下车辆定位的方法的流程示意图；
图5为本发明的井下车辆定位的方法的双程测距方式的原理示意图；
图6为本发明的井下车辆定位的方法的实施例一的原理示意图；
图7为本发明的井下车辆定位的方法的实施例二的原理示意图；
图8为本发明的井下车辆定位的方法的实施例三的原理示意图；
图9为本发明的井下车辆定位的方法的一种改进的流程示意图；
图10为本发明的车辆定位的效果示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
名词解释和作用：
服务器：运行采集程序、数据库、算法引擎、客户端等***软件。井下所有的数据都会上传到服务器上，有服务器运行的采集程序进行数据采集，数据库进行数据存储，算法引擎进行定位算法计算，客户端进行界面展示。
UWB锚点：根据定位需求，在井下巷道中安装UWB锚点，UWB锚点和所有在其信号范围内的***进行通信和测距，并把相应的结果上传到监控中心的服务器上。
车载***：车载***安装在车辆上，当车辆进入UWB锚点信号范围内时，车载***和UWB锚点进行通信及测距，完成定位。每个车载***都有唯一的ID号，所以可以和特定的车辆绑定，通过车载***的ID号就可以识别具体是哪一辆车。
交换机：完成***搭建。
防爆电源：为定位分站供电。
UWB：Ultra Wideband的缩写，即超宽带通信。
TOA：Time Of Arrival，信号到达时间；
TWO WAY RANGING(TWR)：双程测距，测两次飞行时间求平均值作为飞行时间。
一方面，本发明提供一种车辆定位***，如图2所示，包括服务器1、至少一个UWB锚点2和能够与UWB锚点2无线通信的车载***3，其中：
服务器1用于设置在井上的监控中心，UWB锚点2用于设置在井下，各UWB锚点2之间串连，车载***3用于设置在井下的待定位车辆上，其中一个UWB锚点2通过设置在井上的监控中心的交换机4与服务器1连接。
本发明中，采用UWB技术的TOA方式实现对井下车辆的定位。安装在车辆上的车载***3，一旦进入UWB锚点2的信号覆盖范围，即可以跟UWB锚点2进行测距通信。工作过程为：首先由***发起测距通信，向UWB锚点2发送测距信号，UWB锚点2接收到测距信号后，由UWB锚点2计算出测距信号的飞行时间，并将计算出的飞行时间上传给监控中心的服务器1，运行在服务器1上的监控软件将UWB锚点2上传的信号飞行时间乘以信号速度(光速)，就能够计算得出车载***3与UWB锚点2之间的精确距离。由于煤矿巷道是一个狭长空间，可以近似为一条直线，同时，UWB锚点2的具***置在安装施工的时候已经测量，是已知的，如图3所示，那么计算出车载***3和UWB锚点2之间的相对距离，也就能够实现对车载***3进行精确定位，从而实现对井下车辆的精确定位。与现有技术相比，本发明能够实现对井下车辆的高精度定位。
本发明采用的UWB技术的TOA方式既可以适用于大空间的分站数量较多的情况，也可以适用于小空间的分站数量较少的情况，即使在只有一个分站的情况下，也可以实现对井下车辆的高精度定位。因此，本发明适用于广泛的应用范围。
本发明中，有的情况下，得到了车载***3和UWB锚点2之间的相对距离，即可实现对井下车辆的精确定位，但是有的情况下，得到了车载***3和UWB锚点2之间的相对距离，还需要确定车载***3在UWB锚点2的左边还是右边，才能够实现对井下车辆的精确定位。因此，作为本发明的一种改进，每个UWB锚点2均连接有两个朝向两侧背对背的定向天线。本发明中，通过两个定向天线对测距信号的接受情况，就能够判断出车载***3在UWB锚点2的左边还是右边。
本发明中，由于UWB锚点2的定位精度能够达到30cm，所以每个UWB锚点2的两个定向天线之间间隔距离可以设置为大于1米。
作为本发明的进一步改进，交换机4和与其相连的UWB锚点2之间设置有光电接口5。在井下的煤矿采集作业中，由于井下的施工空间较大，通常采用光缆或者工业总线进行数据通信，而工业总线传输速率太慢，所以本发明中选择光缆进行数据通信。本发明中采用光电接口5实现光缆到网缆(网线)的信号转换，进而实现UWB锚点2与服务器1的数据通信。其中，光电接口5可以为UWB锚点2、光电转换器或其它本领域技术人员公知的光电转换设备。
为了保障井下煤矿的安全，井下应用的设备都需要通过防爆认证才可以下井，优选的，UWB锚点2采用防爆电源6供电，防爆电源6是通过防爆认证的电源。
另一方面，本发明还提供一种上述的车辆定位***进行的基于UWB技术的井下车辆定位的方法，如图4所示，包括：
S1：车载***3发起测距通信；
S2：UWB锚点2的两个定向天线接收车载***3发送的测距信号，UWB锚点2计算出测距信号的飞行时间；
S3：UWB锚点2将计算出的飞行时间和两个定向天线的信号接收信息上传给服务器1，服务器1计算出车载***3与UWB锚点2之间的精确距离并判断车载***3位于UWB锚点2的左边还是右边，实现对车载***3的位置定位。
本发明，与现有技术相比，能够实现对井下车辆的高精度定位。
作为本发明的一种改进，S2包括：
UWB锚点2和车载***3之间采用双程测距(TWO WAYRANGING，TWR)方式进行测距。
TWR测距过程为：如图5所示，节点车载***3发出测距信号给UWB锚点2，再由UWB锚点2返还一个信号给车载***3，既信号在两节点间往返一次。车载***3在发出信号时开始计时，在收到UWB锚点2的响应信号时停止计时，令其累计时间为t1。UWB锚点2接收到车载***3发来信号时也开始计时，当返还给车载***3一个响应信号时就停止计时，令其累计时间为t2。由t1减去t2就可得到信号在节点间往返一次的时间，往返一次的时间即可得到测距信号的信号飞行时间。可见，采用TWR算法计算测距信号的信号飞行时间，节点(UWB锚点2和车载***3)间不需要时钟同步，因此，减小了通信误差。
作为本发明的进一步改进，S3包括以下三种实施例：
实施例一：如图6所示，如果UWB锚点2的两个定向天线中只有一个定向天线能够接收到测距信号，则服务器1判定车载***3位于UWB锚点2的该能够接收到测距信号的定向天线的一侧；
本实施例中，当车载***3距离定向天线比较远的时候，只有正面对着车载***3的定向天线才能够接收到测距信号，背面对着车载***3的定向天线无法接收到测距信号，例如，假设定向天线的正面接收距离为500米，背面接收距离为100米，那么当车载***3距离正面对着该车载***3的定向天线的距离小于500米，并且距离背面对着该车载***3的定向天线的距离大于100米时，那么服务器1能够判定车载***3位于UWB锚点2的该能够接收到测距信号的定向天线的一侧。
实施例二：如图7所示，如果UWB锚点2的两个定向天线都能够接收到测距信号，并且车载***3与两个定向天线的距离差等于两个定向天线之间的距离，则服务器1判定车载***3位于距离较近的定向天线的一侧；
本实施例中，当车载***3距离定向天线比较近的时候，两个定向天线都能够接收到测距信号，例如，实施例一的假设中，当车载***3距离正面对着该车载***3的定向天线和背面对着该车载***3的定向天线的距离均小于100米时，那么由于两个定向天线保持1米以上的距离，而且UWB锚点2的定位精度能够达到30cm。如果车载***3与两个定向天线的距离差等于两个定向天线之间的距离，则服务器1判定车载***3位于距离较近的定向天线的一侧；
实施例三：如图8所示，如果UWB锚点2的两个定向天线都能够接收到测距信号，并且车载***3与两个定向天线的距离和等于两个定向天线之间的距离，则服务器1判定车载***3位于两个定向天线之间。
上述的三种实施例针对三种不同的情况，均能够检测出车载***3位于UWB锚点2的左边还是右边。除此之外，本发明对车载***3的方向判断中，还可以采用本领域技术人员容易想到的其它方法，也可以实现本发明的技术效果。
通过以上方法可以精确测量胶轮车的位置信息，在这个基础上，结合时间信息，就可以比较精确的测算车辆的运行速度，判断车辆是否违规超速。由此：
作为本发明的一种改进，S3之后，如图9所示，包括：
S4：重复执行S1-3，服务器1获取对车载***3两次测距的时间间隔，并根据车载***3与UWB锚点2之间的距离变化，计算出车载***3的行驶速度。
本发明中，通过距离除以时间，就可以计算出车辆行驶的速度。服务器1获取对车载***3两次测距的时间间隔可以包括服务器1获取车载***3两次发送测距信号的时间间隔，还可以为服务器1获取UWB锚点2两次接收测距信号的时间间隔。
作为本发明的进一步改进，S4还包括：
车载***3两次测距的时间间隔可以为1秒或毫秒级。
本发明中，由于实际测距时间间隔是很短的，一般在1秒左右或者几百毫秒，所以可以通过多种方式修正速度。既可以通过每个时间间隔计算瞬时速度，也可以通过多个时间间隔的数据累积进行平均速度计算。通过算法优化，可以计算出准确的速度。
本发明既可以实现对井下车辆的高精度定位，还可以准确的计算出井下车辆的速度。但是在某时刻的数据采回值，经过服务器1的计算后，可能会得出实际中不可能发生的情况，例如，车辆的前一个时刻在UWB锚点2左侧500米，而经过1秒后，该车辆在UWB锚点2右侧500米，这显然是现实不可能的情况。所以，服务器1在进行数据的计算时，需要根据历史数据辅助检测，如果出现了例如所述的情况，那么服务器1可以认定此时采回的数据为错误数据，需要对该数据滤除，从而保证数据处理的准确性。
本发明通过对UWB技术的应用，完全能够满足定位精度的要求，如图10所示，通过图10和图1的对比，可以看到，通过本发明的技术改进，井下车辆的定位精度大大提高，在此基础上，可以彻底改变井下车辆交通调度的方式。
本发明的井下车辆定位***及井下车辆定位的方法，可以实时监控车辆当前位置，精度达到米级，并能实时监控车辆的运行状态，为井下交通调度以及管制提供精确数据，从而有效的监管井下车辆的超速行为。因此，本发明在煤矿应用中，可以保证车辆运行安全、提高效率、节能减排，通过对井下辅助运输车辆进行监测和调度控制，实现交通管制控制以保证胶轮车运行畅通。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种车辆定位***，其特征在于，包括服务器、至少一个UWB锚点和能够与所述UWB锚点无线通信的车载***，其中：
所述服务器用于设置在井上的监控中心，所述UWB锚点用于设置在井下，各UWB锚点之间串连，所述车载***用于设置在井下的待定位车辆上，其中一个UWB锚点通过设置在井上的监控中心的交换机与所述服务器连接。
2.根据权利要求1所述的车辆定位***，其特征在于，每个UWB锚点均连接有两个朝向两侧背对背的定向天线。
3.根据权利要求2所述的井下车辆定位***，其特征在于，每个UWB锚点的两个定向天线之间间隔距离大于1米。
4.根据权利要求1-3中任一所述的井下车辆定位***，其特征在于，所述交换机和与其相连的UWB锚点之间设置有光电接口。
5.根据权利要求4所述的井下车辆定位***，其特征在于，所述UWB锚点采用防爆电源供电。
6.权利要求2-5中任一所述的车辆定位***进行的基于UWB技术的井下车辆定位的方法，其特征在于，包括：
步骤1：车载***发起测距通信；
步骤2：UWB锚点的两个定向天线接收车载***发送的测距信号，UWB锚点计算出测距信号的飞行时间；
步骤3：UWB锚点将计算出的飞行时间和两个定向天线的信号接收信息上传给服务器，服务器计算出车载***与UWB锚点之间的精确距离并判断车载***位于UWB锚点的左边还是右边，实现对车载***的位置定位。
7.根据权利要求6所述的基于UWB技术的井下车辆定位的方法，其特征在于，所述步骤2包括：
UWB锚点和车载***之间采用双程测距方式进行测距。
8.根据权利要求6所述的井下车辆定位的方法，其特征在于，所述步骤3包括：
如果UWB锚点的两个定向天线中只有一个定向天线能够接收到测距信号，则服务器判定车载***位于UWB锚点的该能够接收到测距信号的定向天线的一侧；
和/或，如果UWB锚点的两个定向天线都能够接收到测距信号，并且车载***与两个定向天线的距离差等于两个定向天线之间的距离，则服务器判定车载***位于距离较近的定向天线的一侧；
和/或，如果UWB锚点的两个定向天线都能够接收到测距信号，并且车载***与两个定向天线的距离和等于两个定向天线之间的距离，则服务器判定车载***位于两个定向天线之间。
9.根据权利要求6-8中任一所述的井下车辆定位的方法，其特征在于，所述步骤3之后，包括：
步骤4：重复执行步骤1-3，服务器获取对车载***两次测距的时间间隔，并根据车载***与UWB锚点之间的距离变化，计算出车载***的行驶速度。
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