关于TWR测距的方法，参考图8。
[0053]电磁波飞行时间=(2Tee-Tsp-2Tse+Tep+Tef-Tsf)/4 两点之间距离=光速*电磁波飞行时间。
[0054]这样方法，可以消除由于测距两端的时间处理带来的误差，达到高精度测距。
[0055]在本发明中，采用了 TDoA和TWR测距两种技术的融合。在采用TDoA的方式实现定位，若要得到比较好的定位精度，基站必须位于四周，标签位于基站中间，才能用双曲线算法求解得到标签的位置。而采用TWR测距的方式实现定位，标签需要和所有的基站完成测距，测距时间长，系统容纳的标签数量有限。通过这两种技术的融合，通过时间和距离的转化，解决了定位精度/基站架设/标签数量等多种问题的局限性。
[0056]本系统中，数据传输采用433MHz的无线传输方式，实现从服务器3到标签I的数据和命令下发的功能。标签I的433MHz数传模块，只需要有接收功能，标签控制模块5只需要有发送功能，这样简化了系统的设计。标签I若有任何数据需要上传，可以通过UWB在定位报文中直接上传。具体实现参考图9。即，系统中数据上传采用UWB的方式，数据下行采用433MHz的数传的方式，极大简化了系统的设计的复杂度，提高了系统的可靠性。
[0057]系统的具体实施，以下就两个方面进行说明:系统建设和定位。
[0058]一、系统建设分为系统安装和系统配置。
[0059]系统安装主要有两个方面，一个是车辆上设备的安装，一个是人和标签I的配对。除标签I外，所有的其他设备都是安装在车辆上。
[0060]安装在车辆上的设备中，基站2需要根据实际情况，分布在车辆四周，若可以，最好是所有基站2在同一个平面上。
[0061]系统配置包括: 1.Anchor配置，主要是要配置基站的位置，特别是相对于车辆的具体位置，计算的精度和位置安装有非常大的相关性。其他就是网络参数的配置。
[0062]2.标签配置，主要是和人进行关联，建立一一对应关系。
[0063]3.系统告警区域配置，根据需要配置告警区域，系统可以配置多个等级，至少具有“非告警区域”/ “黄色告警区域”/ “红色告警区域”。对这些区域进行定义。当标签I处于不同区域的时候，需要动态调整策略。
[0064]二、系统定位过程如下:
I系统自检。
[0065]系统上电之后，系统开始自检。系统自检主要有下面几个方面:
1)服务器3系统软件自检，配置确认是否正常；
2)基站自检是否正常，开启心跳并和服务器建立关联；
3)服务器2向时间同步器4发送时间同步指令；
2人车位置检测及车辆启动。
[0066]系统的时间同步开启之后，标签I的位置可以被基站检测到，但服务器2需要通过标签控制模块5进行时隙分配，决定每个标签的工作时隙，及工作频率。然后服务器计算每个标签相对与车辆的位置。
[0067]若发现有人停留在红色告警区域，车辆将无法启动，除非人离开红色告警区域。在系统确认安全的情况下，指示灯会显示车辆可以启动。
[0068]3系统动态定位。
[0069]后续的系统正常运行阶段，标签I发送定位测距报文到基站2，服务器计算标签I的位置，通过标签控制模块5动态调整标签I的工作频率和时隙。当遇到紧急情况的时候，服务器通过车辆控制告警模块6进行告警，包括:车身的三色灯告警，以及标签I的蜂鸣器告警；当发现告警无效的时候，系统需要通过车辆控制告警模块6自动停车。
[0070]以下再对系统的一些实施细节进行描述和分析。
[0071]1、有线时间同步。
[0072]由于系统的局限性，基站围绕车布置，没有任何一个基站能实现对所有基站的无线可视(中间都有阻挡)，所以采用有线时间同步的方式，保证基站间时间的同步精度高于0.0lnso这样只会带来极小的距离误差，满足系统精度的要求。
[0073]2、高精度。
[0074]在本系统中，定位精度可以达到0.3米以内。高精度主要是通过下面几个技术得到保障:
O高精度的有线时间同步，系统有线时间同步精度达到0.01 ns，转换为距离是3毫米;
2)高精度的测距，采用TWR的方式进行测距，测距精度达到3厘米(I万次测距，标准差为2.5厘米)
3 )算法保障，在系统中，采用多次滤波，保证了定位数据更精准。
[0075]但由于采用无线的方式定位，会受到一些环境的影响，比如人体的遮挡等，会导致系统的定位精度降低。整体定位精度为0.3米。
[0076]3、时分调度。
[0077]在本系统中，引入了 TD (时分)的概念，将I秒钟划分为500个时间间隙，每个时间隙为2毫秒，在这2毫秒时间内，标签I要和基站完成一次定位操作。同时，根据标签所处的位置不同，动态调整其工作的时间间隙的数量。当位于安全区域的时候，每秒完成I次定位；当标签处于黄色告警区域，每秒完成3次定位；当处于红色告警区域，每秒完成7次定位。
[0078]通过时分调度，保障了系统的容量，同时，也保证了标签佩戴人员的安全。
[0079]4、高容量。
[0080]在这个系统中，系统标签的容量可以达到256个(当然，进入黄色告警的不超过20%，进入红色告警区域的不超过10%)，高容量主要是通过上面的几个技术作为保障:
1)时分调度；
2)TDoA和TWR定位技术融合。
[0081]5、低成本高可靠性。
[0082]在本系统中，系统均采用极为简单的单芯片方案实现，系统成本相对于雷达等技术，具有更低的成本，系统覆盖不存在死角。
【主权项】
1.矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，包括:佩戴在人员身上的标签(1)，以及安装在车辆上的基站(2)、服务器(3)、时间同步器(4)、标签控制模块(5)和车辆控制告警模块(6)，所述服务器(3)分别连接时间同步器(4)、标签控制模块(5)、车辆控制告警模块(6)以及各基站(2);时间同步器(4)通过线缆连接各基站(2)，通过有线的方式实现基站(2)间时间同步；标签控制模块(5)通过无线数传的数据通道将服务器(3)的控制信号下发到标签(I);所述标签(I)包括与标签MCU相连的无线定位模块、无线数传模块、告警模块以及电池，所述基站(2)通过无线收集标签(I)定位信息，并将定位信息通过有线回传到服务器(3);服务器(3)进行标签位置计算及呈现、系统自检和设备管理、时间同步控制、告警信号控制及车辆控制，车辆控制告警模块(6)接收来自服务器(3)的控制信号，再向执行机构输出告警控制信号或停车控制信号。
2.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述服务器(3)中，根据车辆的实际情况和基站(2)的布设情况，先构建位置数据库，在基站(2)收到标签(I)的数据之后，服务器(3)开始计算各个标签的最终位置，并实时呈现在显示屏上。
3.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述服务器(3)的告警信号控制及车辆控制功能包括: 1)将标签告警信号通过标签控制模块(5)发送到标签(I); 2)当有人进入危险区域的时候，控制声光报警； 3)当有人非常靠近的时候，启动车辆停止功能，在没有检测到系统安全的情况下，系统禁止车辆启动。
4.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述时间同步器(4)包括依次连接的通信接口、时间同步器MCU、信号源和放大器，时间同步器MCU先接收来自服务器(3)的控制命令，决定是否启动信号源，产生固定频率的时钟信号，然后通过放大器放大，输出多个同步信号，用线缆传送到所有的基站(2);基站(2)收到信号之后，整形处理，然后输入到与标签(I)通信的无线定位模块，确保所有基站用相同的时间源，时间同步以后服务器(3)才能进行位置计算。
5.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述时间同步器(4)和基站(2)之间的连接线缆的长度为固定值。
6.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述标签(I)和基站(2)之间采用UWB模块进行数据传输和测距定位功能。
7.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述标签控制模块(5 )通过RS232接口接收来自服务器(3 )的控制信号，然后通过无线数传模块发送到标签(I)。
8.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，将I秒钟划分为500个2毫秒的时间间隙，在这2毫秒时间内，标签(I)要和基站(2)完成一次定位操作；根据标签(I)所处的位置不同，动态调整其工作的时间间隙的数量:当标签(I)位于安全区域的时候，每秒完成I次定位；当标签(I)处于黄色告警区域，每秒完成3次定位；当标签(I)处于红色告警区域，每秒完成7次定位。
【专利摘要】本发明涉及一种矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，包括：佩戴在人员身上的标签，以及安装在车辆上的基站、服务器、时间同步器、标签控制模块和车辆控制告警模块，所述服务器分别连接时间同步器、标签控制模块、车辆控制告警模块以及各基站；时间同步器通过线缆连接各基站，通过有线的方式实现基站间时间同步；标签控制模块通过无线数传的数据通道将服务器的控制信号下发到标签。基站通过无线收集标签定位信息，并将定位信息通过有线回传到服务器；服务器进行标签位置计算及呈现、系统自检和设备管理、时间同步控制、告警信号控制及车辆控制。本发明实现了车辆和人员之间的位置快速检测，并在车和人两端同时实现告警，并且可以实现快速停车。
【IPC分类】G01S1-08
【公开号】CN104833946
【申请号】CN201510234448
【发明人】刘小东, 吴玖阳, 翟佳丽, 袁博
【申请人】无锡军工智能电气股份有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月8日