矿用单轨吊机车定位系统开发

　　摘要：针对煤矿井下单轨吊机车常用定位技术存在定位精度低和成本高的问题，提出了一种基于捷联惯性导航和射频识别(RFID)技术的组合定位系统。采用惯性测量模块采集机车加速度和姿态角数据;基于RFID技术实现机车位置校正，从而消除累积误差;基于LabVIEW软件开发了上位机，在上位机中可实时观察到机车的速度、位置、航向等信息。实验结果表明，当机车行驶50m时，其测距误差小于3m，满足低成本、高精度的定位需求。

　　关键词：矿井;单轨吊机车;捷联惯性导航;RFID;定位

　　0引言

　　近年来，单轨吊机车以其运行速度快、爬坡能力强、受巷道底板影响小等优点在矿井中应用越来越广泛。然而，单轨吊机车定位技术依然比较落后，目前仍以射频识别(RFID)定位为主。这种定位方式的精度与标签分布密度成正比，定位精度的提高会导致成本上升，难以满足低成本、高精度的实际应用需求。机车定位精度低不仅会影响其运输效率，而且容易引发撞车事故，危及矿井工作人员的安全。针对此问题，本文开发了基于捷联惯性导航和RFID技术的组合定位系统，实现了对单轨吊机车的低成本、高精度定位。

　　1矿用单轨吊机车定位系统结构

　　由车载机、WiFi通信网络、上位机三部分组成。车载机安装于单轨吊机车上，其作用：①实时采集机车加速度、角速度、磁场强度数据并解算出机车的行驶距离和姿态角;②实时读取标签数据，从而实现位置校正。车载机实现以上功能后，会将定位数据发送至WiFi通信网络，WiFi通信网络进一步把该数据发送至上位机。上位机接收到数据后，将实时显示机车的位置、速度、航向等信息，以便调度人员实现对机车的实时监控。

　　2车载机设计

　　车载机是定位系统中最重要的部分，其设计是否合理将影响系统的经济性和实用性。由主控制模块、惯性测量模块、位置校正模块、通信模块和电源模块组成。

　　(1)主控制模块主控制模块采用STM32F103-RCT6单片机，该单片机采用ARMcortex-M3内核，工作频率为72MHz，运行速度快，可以保证定位的实时性。此外，该单片机有丰富的外设资源，如3个SPI、5个串口、2个I2C、1个CAN，为车载机功能的实现提供了硬件支持。(2)惯性测量模块惯性测量模块采用WT931，集成了高精度的微机电系统(MEMS)加速度计、陀螺仪、磁力计，结合其内部的卡尔曼滤波算法可以精准地输出机车的实时姿态角和加速度。

　　(3)位置校正模块位置校正模块由RFID阅读器和电子标签共同组成。其中，RFID阅读器采用UHF-RKF918，通信距离可达2m;电子标签采用抗金属标签，其内部存储着特定的位置信息。将电子标签以50m的间距安装于机车轨道上，当机车接近电子标签时，阅读器就会读取到标签中的位置信息，进而完成机车位置校正，补偿累积误差。(4)通信模块通信模块采用ALK8266WiFi模块，该模块支持SPI通信，与串口通信相比，其通信速度更快，确保了定位的实时性。将该模块和上位机分别配置为TCP客户端和TCP服务器，并设置好相应的IP地址和端口号，即可通过WiFi通信网络将定位数据发送至上位机。

　　3算法设计

　　该系统的算法主要包括加速度误差滤除算法、测距算法和定位算法。其中，加速度误差滤除算法又包括零偏滤除算法、重力分量滤除算法、稳态加速度误差滤除算法。本文将重点分析稳态加速度误差滤除算法、测距算法和定位算法。

　　(1)稳态加速度误差滤除算法稳态加速度误差指机车静止时的加速度波动误差，是由传感器精度低导致的。在实际应用中发现，即使加速度传感器已经滤除了零偏和重力分量，但当机车静止时，稳态加速度误差依然存在。为了滤除该误差，本文提出了改进的加速度变化率阈值法。加速度变化率阈值法的缺陷在于滤除了一部分有效的运动加速度数据，将会影响测距精度。本文对该方法做了改进，使其在滤除稳态加速度误差的同时保持了加速度数据的真实性。

　　(2)测距算法当加速度误差被充分滤除之后，即可利用测距算法求解机车的速度和行驶距离。

　　(3)定位算法定位算法是实现定位的最后一部分算法，以测距结果、标签数据、航向角为基础解算机车的实时坐标。由4条轨道组成，4个标签分别固定于轨道交界处。若机车读取到标签1中的数据，航向角θ=0(Y轴正方向)，测距结果为h。首先，由标签数据确定机车的起点坐标为(x1，y1);其次，通过航向角可知机车在轨道2上行驶;最后由测距结果求得机车的坐标为(x1，y1+h)。

　　4上位机设计

　　该系统采用LabVIEW平台开发上位机应用程序，井上调度人员可通过上位机实时观察机车的位置、速度、行驶方向，并根据机车运行情况及时与司机沟通，从而提高单轨吊机车的运输效率和运行安全性。

　　5测距实验

　　由定位样机、路由器、上位机构建一个简单的机车定位系统，以此为实验平台进行现场实验。将定位样机固定于单轨吊机车上，机车在50m长的直线路段往返行驶10次，通过上位机观察并记录测距结果。有4次实验误差在2~3m，5次实验误差在1~2m，1次实验误差在0~1m。总之，当机车行驶50m时，其测距误差在3m以内。

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　　6结语

　　针对当前煤矿井下单轨吊机车定位系统定位精度低、硬件成本高等问题，开发了基于捷联惯性导航和RFID的组合定位系统，并进行了现场实验。实验结果表明，当机车在50m的直线路段行驶时，测距误差在3m内，实现了低成本、高精度定位。

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　　作者：郭梁1，宋建成1，宁振兵2，王明勇2