【论文笔记】煤矿井下UWB人员定位系统研究

文章目录

摘要
正文
- 一、带有回传帧机制的ADS-TWR算法
- 二、区域判定策略
- 三、区域校正策略

摘要

该系统采用带有回传帧机制的**非对称双边双向测距算法(ADS-TWR)**进行测距，无需时钟同步，保证了测距精度

采用区域判定策略和区域校正策略划分定位区域，使得标签只与自身所在定位区域内基站通信实现定位，避免了定位过程中的大量无效帧问题，提高了定位效率

采用加权最小二乘法(WLS)与**无损卡尔曼滤波(UKF)**联合定位算法解算标签位置坐标，提高了定位精度

正文

纳秒级脉冲信号进行通信的**UWB（Ultra Wide Band，超宽带）技术因其极高的带宽和时间分辨率，可很好地降低NLOS（Non Line Of Sight，非视距）**干扰，更好地适应井下复杂环境，实现厘米级精度定位

前人研究

学者	内容
何永平	采用2次粒子滤波方法处理原始数据
罗豪龙	针对基于TDOA（Time Delay Of Arrival，到达时间差）的UWB定位系统，采用Chan算法和改进的卡尔曼滤波算法，进一步消除了NLOS干扰
王浩	针对UWB定位系统中的测距值进行卡尔曼滤波后，采用Taylor级数展开方法得到定位坐标，并采用中位值平均滤波方法对定位坐标进行优化，使动态目标定位精度更高

煤矿井下UWB人员定位系统主要由标签、基站（集成LoRa无线节点）、LoRa集中器、工业以太网、交换机、上位机等组成。

在实际定位场景中，标签每次定位都会向其周围的所有基站广播Poll帧，接收到该数据帧的基站向标签发送Resp帧，而UWB定位系统中一般只需3个基站即可实现二维定位，因此造成定位过程存在大量无效帧，加大了系统计算量，且影响定位精度。

卢靖宇，余文涛，赵新，等．基于超宽带的移动机器人室内定位系统设计[J]．电子技术应用，2017，43（5）：25-28；

王晓明．基于测距的超宽带室内定位算法研究[D]．徐州：中国矿业大学，2019；

引入二维区域判别机制，以解决定位过程中大量无效帧问题。该机制对定位区域进行划分，标签可自动判别自身所处区域并只与该区域内的基站通信。

一、带有回传帧机制的ADS-TWR算法

ADS-TWR算法利用基站与标签之间的3次通信（收发Poll，Resp，Final帧）得到测距过程中信号飞行时间

从而计算标签与基站之间距离

该算法无需标签与基站之间进行时钟同步，可减小由标签与基站之间时钟偏移造成的测距误差

为使标签接收到单次测距数据后进行二维区域判别，在ADS-TWR算法完成3次通信后加入回传帧Report

二、区域判定策略

标签上电后，向所有基站广播Poll帧，标签通信范围内的基站利用带有回传帧机制的ADS-TWR算法进行测距，并将测距数据发送至标签，利用判定准则（1）判别基站编号s1−s4s_{1}-s_{4}s1−s4。判定准则（1）：从最小的５个测距数据中选出４个连续的基站编号，且第１个编号为奇数。
标签根据判定准则（2）及已知的s1−s4s_{1}-s_{4}s1−s4判别自身所处定位区域zzz。判定准则（2）：令该4个连续基站编号中最小的编号为2i+12i+12i+1，求取iii，则定位区域为ziz_{i}zi。
标签根据判定准则（３）及已知的ziz_{i}zi判别该区域内的４个基站编号，只与这４个基站通信。判定准则（３）：已知定位区域编号计算2i+12i+12i+1、2i+22i+22i+2、2i+32i+32i+3、2i+42i+42i+4。
测距数据ds1d_{s1}ds1，ds2d_{s2}ds2，ds3d_{s3}ds3，ds4d_{s4}ds4，采WLS算法计算自身相对ziz_{i}zi的坐标(x,y)(x,y)(x,y)。

三、区域校正策略

无满足条件的４个连续且以奇数开头的基站编号。

在实时定位过程中，若基站返回给标签的测距数据集合Ｄ中最小值对应的以奇数开头的４个基站编号不连续或连续基站编号不足４个，则无法进行区域判别，需进行区域校正；
根据ds1d_{s1}ds1，ds2d_{s2}ds2，ds3d_{s3}ds3，ds4d_{s4}ds4无法解算标签相对位置。

将ds1d_{s1}ds1，ds2d_{s2}ds2，ds3d_{s3}ds3，ds4d_{s4}ds4代入WLS算法中出现无解情况，说明定位过程中出现测距错误，无法解算标签相对位置，需进行区域校正；
基站无应答。

标签多次向基站发送Poll帧后接收不到基站返回的Resp帧，或完成测距后标签接收不到基站返回的Report帧，说明定位过程中有基站脱离标签通信范围，需进行区域校正。