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基于UWB的矿用一体化智能车载终端的设计

2024-02-20 71 上传者：管理员

摘要：设计了1种基于UWB精确定位技术，融合精确定位、4G/5G无线通信、视频监控、数据采集、语音通话等多种功能于一体的智能车载终端。智能车载终端采用安卓平台，以ARM RK3399为控制核心，以UWB通信收发芯片DW1000为精确定位核心，实现了井下车辆的精确定位、智能调度、信息采集、安全预警、语音通话、人机交互等功能。测试结果表明：车载终端最大动态定位误差不大于7.3 m，满足煤矿对智能辅助运输的各项功能需求，

关键词：
无线通信
智能车载终端
智能辅助运输
精确定位
超宽带
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煤矿井下辅助运输担负着全矿井生产所需人员、物资及设备的中转和运输工作，是保证煤矿安全生产和提高生产效率的重要一环[1]。矿用无轨胶轮车以其机动灵活、运输效率高、应用范围广的特点，是煤矿井下辅助运输的主要设备。目前煤矿井下辅助运输发展比较滞后，普遍存在着巷道狭窄，环境昏暗，人车混流等现象，缺乏对车辆的精确定位、智能调度与有效监管，导致井下车辆运行无序、效率低，车辆超速、疲劳驾驶、怠工等违章行为时有发生，行车安全隐患大、成本高，无法实现井下辅助运输的安全高效智慧运行。随着《煤矿智能化建设指南（2021年版）》、AQ 1119—2023《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》等国家政策的出台，基于精确位置的井下智能辅助运输被明确提出[2]。

鉴于此，研究设计了一种基于UWB精确定位技术，融合精确定位、4G/5G无线通信、视频监控、数据采集、语音通话等多种功能于一体的智能车载终端，满足当前煤矿对井下车辆的精确定位、智能调度、数据采集、安全预警、语音通话、人机交互等功能需求[3]，对煤矿企业保障井下人、车运行安全，提升煤矿井下智能辅助运输建设具有重要意义与示范效应。

1、智能车载终端总体设计

根据煤矿井下对辅助运输的应用需求，基于安卓平台，融合多种功能于一体的智能车载终端主要由UWB精确定位模块、4G/5G无线通信模块、CAN通信数据采集模块、视频模块、语音模块、触摸屏模块、电源管理模块组成[4]。智能车载终端总体设计图如图1。

图1 智能车载终端总体设计图

智能车载终端安装于车辆驾驶室内，由车载电源供电。其中UWB精确定位模块采用UWB与惯导融合的定位算法[5]，与车外的定位基站实时UWB无线通信，实现对车辆的厘米级精确定位功能；CAN通信模块通过CAN总线采集车辆的行车控制器数据，获取车辆的里程、车速、转速、水温等车辆的工况信息；视频模块配接3组本安型低照度摄像仪，实现在井下昏暗环境下的行车记录，倒车影像、驾驶员AI视频监控的功能[6];4G/5G无线通信模块将采集到的车辆工况信息以及视频信息通过井下4G/5G网络与系统上位机完成信息交互，获取周围车辆、人员位置信息；语音模块实现与其他车载终端或本安手机的高清语音通话功能；触摸屏模块实现与驾驶员的人机交互功能；基于安卓平台的车辆定位调度APP结合自身车辆及周围人、车的精确位置信息，实现井下辅助运输的智能调度与行车安全预警。

2、智能车载终端硬件

智能车载终端硬件设计结构图如图2。

图2 智能车载终端硬件设计结构图

智能车载终端以国产厂商瑞芯微研发的6核64位ARM处理器RK3399为控制核心，和以UWB通信收发芯片DW1000为精确定位核心。RK3399是一款低功耗、高性能且有丰富的接口的应用处理器芯片，内置多个高性能硬件处理引擎，能够支持多种格式的视频解码[7]。智能车载终端由电源管理模块、ARM核心模块、UWB精确定位模块、4G/5G无线通信模块、CAN数据采集模块、语音电路模块、USB视频电路模块、触摸屏电路模块、存储模块、声光指示模块、按键输入模块组成。

2.1 UWB精确定位模块

车辆的精确位置是实现井下智能调度的核心支撑。UWB精确定位模块由主控ARM STM32L051、UWB无线收发电路、发射/接收信号放大电路、惯导电路、UWB天线组成。主控ARM按照UWB与惯导融合的定位算法，通过UWB无线收发电路收与车外定位基站实时通信，通过发射/接收信号放大电路、UWB天线对UWB信号进行放大，增强其无线传输能力。

UWB收发电路图如图3。UWB无线收发电路以DW000为核心，DW1000是高集成的UWB射频收发芯片，包含1个模拟前端、1个接收器、1个发送器和与片外主控器连接的SPI数字后端[8]，是UWB通信的关键核心。

图3 UWB收发电路图

DW1000采用SPI与主控ARM STM32L051通信，由ARM对其控制实现UWB信号的收发。DW1000有8个电源引脚，由3.3 V和1.8 V电源供电，其中1.8 V给VDDLDOD、VDDLDOA引脚供电，用以降低能耗[9]。UWB信号由DW1000的差分引脚RF＿P和RF＿N输出，经HHM1595A1巴伦转换器，将差分信号转换为单端射频信号[10]，进一步通过发射/接收放大电路及UWB天线来增加发射功率，提高通信范围。惯导电路用以辅助定位，使智能车载终端在非视距环境下仍具有较好的定位精度。

2.2 USB视频电路模块

USB接口扩展电路如图4。

智能车载终端通过USB接口外接3组本安型低照度摄像仪，实现驾驶室及周围环境的视频监控。RK3399的USB接口资源有限，因此视频监控模块以USB扩展芯片Fe1.1s为核心，将1个USB Host接口接入Fe1.1s的USB通信15脚DMU和16脚DPU，扩展为4个次级USB接口，实现多组摄像仪的接入[11]。

图4 USB接口扩展电路图

2.3 语音电路模块和4G/5G无线通信模块

智能车载终端的语音模块以音频解码芯片ALC5651为核心，通过I2S接口与RK3399通信，实现语音采集和播放。

智能车载终端的4G/5G无线通信模块采用华为公司推出的全球首款商用5G工业模组MH5000-31，其支持5G SA/NSA双模，最高上行峰值速率可达230 Mbps，最高下行峰值速率可达2 Gbps[12]，通过USB接口与RK3399实时通信。5G的高实时性是车载终端在井下智能辅助运输应用中的重要保障。

3、智能车载终端软件

智能车载终端总体功能图如图5。

图5 智能车载终端总体功能图

智能车载终端是连接上位机系统、车辆与驾驶员交互的平台[13],采用安卓系统设计车辆定位调度APP程序，根据车载终端的总体设计和功能需求，划分各功能任务模块分别设计。

4、试验测试

对智能车载终端进行地面定位精度试验及各项功能的井下工业现场试验。车载终端的UWB通信参数设置为信道2，通信速率850 kbps、脉冲重复率64 MHz。

1）地面定位精度试验。

选取地面500 m长的平直空旷道路作试验场地，在0 m处部署定位基站，车载终端安装于车辆驾驶室内，并在车辆侧面安装光传感器。用全站仪标定道路上50.1、148、257.3、360、477 m共5个测试点位，并在每个测试点位上放置光反射。车辆以25 km/h时速匀速行驶，经过测试点位时，光传感器发出的光信号被光反射板反射，回传触发光传感器，测试软件记录该触发时间时刻，即车辆经过测试点位的准确时间，查看相同时间点的定位基站的测量值，与实际位置对比，计算最大动态误差。

2）井下工业现场试验。

在山西天地王坡煤矿对智能车载终端的各项功能进行井下工业现场试验，如：(1)智能调度试验：井下用车人员可通过用户版APP发起用车申请，指定乘车位置，设定预约时间，上位机系统根据乘车位置及车辆使用情况就近选择车辆进行派车，减少等待时间，智能车载终端接收到派车任务后，导航到乘车位置，完成派车任务[14]，实现“井下智能打车”；(2)4G/5G无线通信试验：智能车载终端通过4G/5G无线网络，实时获取到上位机系统上所有的车辆精确位置信息，并在地图上显示；(3)语音通话试验：用车载终端成功拨打电话。

地面及井下试验的结果见表1。

表1 智能车载终端性能试验结果

经试验，智能车载终端能够有效满足当前煤矿对井下车辆的精确定位、智能调度、数据采集、安全预警、语音通话、人机交互等功能需求。

5、结语

基于煤矿井下智能辅助运输的实际需求，研究设计了一种基于安卓平台，融合UWB精确定位、4G/5G无线通信、视频监控、数据采集、语音通话等多种功能于一体的智能车载终端，实现井下辅助运输的安全高效智慧运行。测试结果表明：该车载终端集成度、智能化程度较高，满足煤矿对车辆的精确定位、智能调度、数据采集、语音通话等功能的应用要求，有效提升井下车辆运输效率，保障人、车运行安全，有助于提升煤矿井下辅助运输智能化建设与管理水平。

参考文献:

[1]常凯,刘志更,袁晓明,等.煤矿辅助运输系统智能化现状分析及框架设计研究[J].工矿自动化,2022,48(6):27-35.

[2]王国法,赵国瑞,任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报,2019,44(1):34-41.

[3]张德胜.矿井一体化智能通信终端的研究与设计[J].中国煤炭,2018,44(10):92-96.

[4]李宝龙.基于UWB的无轨胶轮车定位系统研究[D].太原:太原理工大学,2020.

[5]孙继平,江嬴.矿井车辆无人驾驶关键技术研究[J].工矿自动化,2022,48(5):1-5.

[6]田军.矿用车载通信终端设计[J].煤矿机械,2022,43(11):24-27.

[7]李铭洋.基于5G通信技术的医用终端设计与实现[D].成都:电子科技大学,2022.

[8]方文浩.基于UWB的煤矿井下高精度定位技术研究[D].合肥:合肥工业大学,2018.

[9]严威.基于UWB的井下目标精确定位平台的硬件设计与实现[D].北京:中国矿业大学(北京),2020.

[10]张亚森.基于DWM1000的UWB室内定位系统设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2018.

[11]李者.基于UWB技术的矿用车辆管理系统[J].煤矿安全,2023,54(4):210-215.