摘要：針對(duì)煤礦井下單軌吊機(jī)車常用定位技術(shù)存在定位精度低和成本高的問(wèn)題，提出了一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航和射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的組合定位系統(tǒng)。采用慣性測(cè)量模塊采集機(jī)車加速度和姿態(tài)角數(shù)據(jù);基于RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)車位置校正，從而消除累積誤差;基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了上位機(jī)，在上位機(jī)中可實(shí)時(shí)觀察到機(jī)車的速度、位置、航向等信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)車行駛50m時(shí)，其測(cè)距誤差小于3m，滿足低成本、高精度的定位需求。

　　關(guān)鍵詞：礦井;單軌吊機(jī)車;捷聯(lián)慣性導(dǎo)航;RFID;定位

　　0引言

　　近年來(lái)，單軌吊機(jī)車以其運(yùn)行速度快、爬坡能力強(qiáng)、受巷道底板影響小等優(yōu)點(diǎn)在礦井中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，單軌吊機(jī)車定位技術(shù)依然比較落后，目前仍以射頻識(shí)別(RFID)定位為主。這種定位方式的精度與標(biāo)簽分布密度成正比，定位精度的提高會(huì)導(dǎo)致成本上升，難以滿足低成本、高精度的實(shí)際應(yīng)用需求。機(jī)車定位精度低不僅會(huì)影響其運(yùn)輸效率，而且容易引發(fā)撞車事故，危及礦井工作人員的安全。針對(duì)此問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航和RFID技術(shù)的組合定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單軌吊機(jī)車的低成本、高精度定位。

　　1礦用單軌吊機(jī)車定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　由車載機(jī)、WiFi通信網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)三部分組成。車載機(jī)安裝于單軌吊機(jī)車上，其作用：①實(shí)時(shí)采集機(jī)車加速度、角速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)并解算出機(jī)車的行駛距離和姿態(tài)角;②實(shí)時(shí)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)位置校正。車載機(jī)實(shí)現(xiàn)以上功能后，會(huì)將定位數(shù)據(jù)發(fā)送至WiFi通信網(wǎng)絡(luò)，WiFi通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步把該數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，將實(shí)時(shí)顯示機(jī)車的位置、速度、航向等信息，以便調(diào)度人員實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　2車載機(jī)設(shè)計(jì)

　　車載機(jī)是定位系統(tǒng)中最重要的部分，其設(shè)計(jì)是否合理將影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。由主控制模塊、慣性測(cè)量模塊、位置校正模塊、通信模塊和電源模塊組成。

　　(1)主控制模塊主控制模塊采用STM32F103-RCT6單片機(jī)，該單片機(jī)采用ARMcortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72MHz，運(yùn)行速度快，可以保證定位的實(shí)時(shí)性。此外，該單片機(jī)有豐富的外設(shè)資源，如3個(gè)SPI、5個(gè)串口、2個(gè)I2C、1個(gè)CAN，為車載機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)提供了硬件支持。(2)慣性測(cè)量模塊慣性測(cè)量模塊采用WT931，集成了高精度的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)，結(jié)合其內(nèi)部的卡爾曼濾波算法可以精準(zhǔn)地輸出機(jī)車的實(shí)時(shí)姿態(tài)角和加速度。

　　(3)位置校正模塊位置校正模塊由RFID閱讀器和電子標(biāo)簽共同組成。其中，RFID閱讀器采用UHF-RKF918，通信距離可達(dá)2m;電子標(biāo)簽采用抗金屬標(biāo)簽，其內(nèi)部存儲(chǔ)著特定的位置信息。將電子標(biāo)簽以50m的間距安裝于機(jī)車軌道上，當(dāng)機(jī)車接近電子標(biāo)簽時(shí)，閱讀器就會(huì)讀取到標(biāo)簽中的位置信息，進(jìn)而完成機(jī)車位置校正，補(bǔ)償累積誤差。(4)通信模塊通信模塊采用ALK8266WiFi模塊，該模塊支持SPI通信，與串口通信相比，其通信速度更快，確保了定位的實(shí)時(shí)性。將該模塊和上位機(jī)分別配置為TCP客戶端和TCP服務(wù)器，并設(shè)置好相應(yīng)的IP地址和端口號(hào)，即可通過(guò)WiFi通信網(wǎng)絡(luò)將定位數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

　　3算法設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的算法主要包括加速度誤差濾除算法、測(cè)距算法和定位算法。其中，加速度誤差濾除算法又包括零偏濾除算法、重力分量濾除算法、穩(wěn)態(tài)加速度誤差濾除算法。本文將重點(diǎn)分析穩(wěn)態(tài)加速度誤差濾除算法、測(cè)距算法和定位算法。

　　(1)穩(wěn)態(tài)加速度誤差濾除算法穩(wěn)態(tài)加速度誤差指機(jī)車靜止時(shí)的加速度波動(dòng)誤差，是由傳感器精度低導(dǎo)致的。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，即使加速度傳感器已經(jīng)濾除了零偏和重力分量，但當(dāng)機(jī)車靜止時(shí)，穩(wěn)態(tài)加速度誤差依然存在。為了濾除該誤差，本文提出了改進(jìn)的加速度變化率閾值法。加速度變化率閾值法的缺陷在于濾除了一部分有效的運(yùn)動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，將會(huì)影響測(cè)距精度。本文對(duì)該方法做了改進(jìn)，使其在濾除穩(wěn)態(tài)加速度誤差的同時(shí)保持了加速度數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

　　(2)測(cè)距算法當(dāng)加速度誤差被充分濾除之后，即可利用測(cè)距算法求解機(jī)車的速度和行駛距離。

　　(3)定位算法定位算法是實(shí)現(xiàn)定位的最后一部分算法，以測(cè)距結(jié)果、標(biāo)簽數(shù)據(jù)、航向角為基礎(chǔ)解算機(jī)車的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。由4條軌道組成，4個(gè)標(biāo)簽分別固定于軌道交界處。若機(jī)車讀取到標(biāo)簽1中的數(shù)據(jù)，航向角θ=0(Y軸正方向)，測(cè)距結(jié)果為h。首先，由標(biāo)簽數(shù)據(jù)確定機(jī)車的起點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1);其次，通過(guò)航向角可知機(jī)車在軌道2上行駛;最后由測(cè)距結(jié)果求得機(jī)車的坐標(biāo)為(x1，y1+h)。

　　4上位機(jī)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)應(yīng)用程序，井上調(diào)度人員可通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)觀察機(jī)車的位置、速度、行駛方向，并根據(jù)機(jī)車運(yùn)行情況及時(shí)與司機(jī)溝通，從而提高單軌吊機(jī)車的運(yùn)輸效率和運(yùn)行安全性。

　　5測(cè)距實(shí)驗(yàn)

　　由定位樣機(jī)、路由器、上位機(jī)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)車定位系統(tǒng)，以此為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。將定位樣機(jī)固定于單軌吊機(jī)車上，機(jī)車在50m長(zhǎng)的直線路段往返行駛10次，通過(guò)上位機(jī)觀察并記錄測(cè)距結(jié)果。有4次實(shí)驗(yàn)誤差在2~3m，5次實(shí)驗(yàn)誤差在1~2m，1次實(shí)驗(yàn)誤差在0~1m。總之，當(dāng)機(jī)車行駛50m時(shí)，其測(cè)距誤差在3m以內(nèi)。

　　煤礦技術(shù)論文范例： 煤礦掘進(jìn)中的深孔爆破技術(shù)分析

　　6結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)當(dāng)前煤礦井下單軌吊機(jī)車定位系統(tǒng)定位精度低、硬件成本高等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航和RFID的組合定位系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)車在50m的直線路段行駛時(shí)，測(cè)距誤差在3m內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度定位。

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　　作者：郭梁1，宋建成1，寧振兵2，王明勇2