特性的位置确定
[0057]在一些实施例中，到至少一个参考信号装置34、37的径向距离由与射频通信相关 联的时间特性来确定。例如，时间特性可与射频通信的发射和射频通信的接收之间的经过 时间相关联。在一个实施例中，该经过时间是两个时刻的差异，这两个时刻为:射频信号在 一个方向中从参考信号装置34或37或者从移动信号装置36被发射的时刻，以及从参考信号 装置34、37中的另一个装置或移动信号装置36被接收的时刻。发射信号包括时间戳记，在该 时间戳记处信号被发射。接收装置因此可以确定信号从发射机到接收机传播所花费的时 间。由于传播速度是已知的（即光速），所以可以确定径向距离。然而，发射装置上的内部时 钟(可用于测量时间）相对于接收装置上的内部时钟将会随时间而漂移。这限制了可以来确 定传播时间、以及因此来确定距离和位置的精度。因此，在一个实施例中，采用了无线同步 协议来维持内部时钟之间的一些同步性。
[0058]在一些实施例中，基于到达时间差，通信系统33或控制系统38确定了机器的位置， 而不是确定了经过时间。时间差指的是移动信号装置36与多个参考信号装置34、37之间的 相应信号发射的到达时间差。例如，可以从移动信号装置36广播一信号，且每一个参考信号 装置34、37接收到信号（例如到达）的时间可以被记录以得到一个或多个时间差测量。相反 地，每一个参考信号装置34、37可同步发射相应的信号，且每一个信号的到达时间在移动信 号装置36处记录。参考信号装置34、37可以彼此相互同步，以使得时间差计算去除移动信号 装置36与参考信号装置34、37之间的任何异步性。基于到达时间差，可以得到第二信号装置 36的位置。
[0059]在其它实施例中，时间特性为与用于双向射频通信的往返行程有关的经过时间。 初始的第一射频信号从初始装置发射至响应的接收装置。一旦接收到第一信号，响应装置 发送响应射频信号至初始装置。在一个实施例中，第一信号可包括识别发射第一信号的初 始装置的识别数据。响应信号还可包括识别初始装置的识别数据。因而，当初始装置接收到 响应信号时，它可确定该响应信号是对由该初始装置(而不是工地中一些其它可能的初始 装置)发送的第一信号的响应。响应装置在响应信号中还可包括用于识别响应的装置的识 别数据。因而，在于工地10中具有多个响应装置的实施例中，初始装置可确定哪个响应装置 对其初始信号做出响应。根据该信息，经过时间是第一信号从初始装置传播至响应装置所 花费的时间加上响应信号从响应装置传播至初始装置所花费的时间。通过初始装置和响应 装置的处理延迟是恒定的，且可在任何时间测量中被减去或另外排除，且由于任何时钟异 步性产生的误差由经过时间计算消除，因为发射时间和接收时间都参考于相同的内部时钟 (即初始装置的时钟）。经过时间因而可表示射频通信的双向传播飞行时间。到涉及射频通 信的相应参考信号装置34、37的径向距离可被确定为传播飞行时间与光速相乘值的一半。
[0060] 在一个实施例中，信号发射包括定向发射(与全方向发射相对），以使得径向距离 对应于工地中的特定位置，而非由半径限定的圆圈上的任何一点。
[0061] 在另一个实施例中，沿着圆圈44或46(机器10所在的）特定位置可由工地拓扑知识 来确定。例如，基于存储在存储器中的工地地图，控制系统38可排除沿着圆圈44或46(不是 用于机器10的可能位置)的位置。这种排除的位置可以是例如位于工地壁内的位置。另外或 可替代地，如上所述，控制系统38可限制可能位置于圆圈44或46上的那些位置，该位置位于 隧道113内，其中机器10已知被设置，例如它已经指定为在该隧道中操作。
[0062]此外或作为使用工地拓扑知识的替代，位置确定可涉及三边测量过程（如已在这 里描述的），但是在这里关于参考信号装置34、37作为中心的相应圆圈44、46是基于对应的 经过时间，诸如双向飞行时间确定。
[0063]在一些实施例中，除了使用工地拓扑信息和/或三边测量过程之外或代替使用工 地拓扑信息和/或三边测量过程的是，还可以基于诸如卡尔曼滤波器的统计模型来改进位 置确定的精确度。卡尔曼滤波器使用迭代过程来确定位置。具体地说，卡尔曼滤波器通过使 用对要加权的一个或多个之前位置确定的了解、基于时间t处校正的所有可能位置的可能 性来确定时间t处的最可能位置。可能位置可以由相距相应的一个或多个参考信号装置34、 37的一个或多个径向距离来识别。例如，统计模型可以知道时间t-Ι处的位置(或可能位置） 并且知道机器10的最大速度或机器10的测量速度变化。基于该了解，统计模型可基于时间t 处的可能位置相对于先前位置或t-1处的可能位置的距离和/或方向布置来对可能位置加 权，且然后排序。例如，时间t处的可能位置(与时间t-Ι处的位置或可能位置相距大于第一 距离)可以被排序远低于时间t处的可能位置（与时间t-Ι处的位置或可能位置相距小于第 二距离）。
[0064]除了使用卡尔曼滤波器来改进整体位置确定之外或代替使用卡尔曼滤波器来改 进整体位置确定的是，随着机器10在工地中移动，卡尔曼滤波器还可以用于改进位置确定 中使用的距离测量中的每一个的精确度。例如，通信系统33可以通过当机器10基本上处于 工地中的相同位置处时重复地发射往返通信来多次测量飞行时间。由于可以起因于多路径 反射或低的低信噪比的噪音级别，这可以有利于地下环境。卡尔曼滤波器在这种情况下可 以用于通过忽略或给定对统计离群值的测量的低权重并且给定对统计上与先前测量一致 的测量的较高权重来改进距离测量。因此，在一个实施例中，第一卡尔曼滤波器可以用于确 定飞行时间或与其相关联的距离，且第二卡尔曼滤波器可以用于确定工地内的位置。
[0065]在一些实施例中，除了使用工地拓扑信息和/或三边测量过程之外或代替使用工 地拓扑信息和/或三边测量过程的是，位置确定是基于来自一个或多个运动传感器14的移 动信息和/或来自取向传感器16和/或17的取向信息。在一个实施例中，由运动传感器14确 定速率矢量或速度。例如，一个运动传感器14可以是从其中得到速度的里程表。速率矢量可 以基于速度和诸如可以由数字指南针16提供的取向信息来得到。因为对于所描述的LHD装 载机，数字指南针16只提供机器10的前部23的取向，所以机器10的后部27可以基于前部23 和铰接传感器17的已确定取向来得到，测量后部27相对于前部23的旋转。速率矢量或速度 然后可用于基于从先前射频通信(例如，经过时间）得到的先前确定位置或一组可能位置来 预测未来位置或未来的一组位置。该组预测位置然后可基于其与由更新的射频通信得到的 新的一组可能位置的关联性而缩小。缩小的一组位置中的参数然后更新为基于速率或速度 的新预测值。这个过程可被迭代重复直到只有单个预测位置保持为止，或直到该组位置充 分缩小到表示可接收级别的位置精确度为止。
[0066] 基于运动传感器的位置确定可以包括基于诸如粒子滤波器的统计模型的位置模 拟。这种粒子滤波器模拟可以包括用一个或多个虚拟粒子填充工地20的存储地图。每一个 粒子表示不同的可能机器位置和/或取向。例如，位置可以由与X轴相关联的X坐标和与y轴 相关联的y坐标来表示。每一个粒子的取向可以由相对于(例如)正X轴或由X值和y值特征化 的二维单位矢量的旋转度来表示。在这种模拟期间，定位系统30用粒子随机地填充存储在 控制系统38的存储模块(例如，控制器18的存储器系统21)中的地图。每一个粒子具有初始 随机生成位置和取向。粒子的相应位置和/或取向然后基于来自从相距相应参考信号装置 34、37的经过时间测量得到的位置数据的信息来迭代更新，直到定位系统30能够确定由更 新粒子的空间收敛指示的机器10的精确位置为止。
[0067] 对于基于时基特性的任何上述实施例，（多个)起始装置和(多个)响应装置是射频 测距(RFR)装置。在一个实施例中，起始装置是相应的有源(与无源相对)射频识别标签，且 响应装置可以是相应的射频识别阅读器。可替代地，起始装置可以是相应的射频识别阅读 器且响应装置可以是相应的有源射频识别标签。然而，作为另一个替代，起始装置和接收装 置是由相同硬件配置组成的射频测距(RFR)，但是可以由控制系统38选择性地命令以初始 化从选定射频测距装置到射频测距系统中的任何一个或多个其它射频测距装置的射频。
[0068] 位置确定精度可以以多种方式来提高。在一个实施例中，射频测距装置是超宽带 (UWB)射频装置，其配置成基于UWB射频通信确定相应装置之间的距离。在一些实施例中，所 传送的UWB射频信号具有千兆赫量级的带宽。例如，在一个实施例中，频率的范围可以从3.1 至5.3千兆赫(GHz)，中心频率为4.3GHz，因此提供约2GHz的带宽。射频信号传输可以由一系 列脉冲波形构成。脉冲波形是具有频率分量的短脉冲，在一些实施例中，频率分量分布跨越 两个或更多兆赫。在一个实施例中，频率的分布有约4GHz的中心频率，例如4.3GHz。将飞行 时间关联至无线电频率传输行进距离的计算假设传输路径是沿着直线。然而，在地下矿场 中，射频传输被形成矿井隧道壁的岩床反射，所以传输在发射机和接收机之间具有多个路 径。多个路径导致信号在多个不同时间内被接收到，使得难以确定直接直线路径的时间。然 而，直接路径将首先到达，因此可以从所接收信号的前沿来确定，即第一个接收的脉冲。由 于波形的高带宽、高频成分，或反过来说，由于信号的短波长，利用UWB无线电频率可以提高 测量的分辨率。在一个实施例中，为了使传输的直接路径到达接收器并以足够的信号强度 接收到以便精确地检测到，发射和接收射频测距装置布置在彼此的视线中。
[0069]在一些实施例，包括但不限于UWB实施例，射频信号被发射和处理用于相干信号处 理。相干信号处理包括以相干的方式重复发射射频信号，以使得经由通信所发射数据的同 样位通过多次传输进行重复发射。这允许信号传输的振幅对于给定的信噪比来说较低。降 低的振幅以及因此降低的传输功率，在某些情况下可以帮助确保无线电频率通信在任何最 大允许的电磁辐射水平内。这可以帮助定位系统30满足可能需要的任何电磁兼容性(EMC) 的监管标准。另外或可替代地，对于相同的功率水平来说，低信噪比可以用于增加测距装置 可以进行通信的最大距离。因此，在一些实施例中，移动信号装置36和参考信号装置34,37 使用相干信号处理来确定飞行时间的测量值。此外，在一些实施例中，相干信号处理是采用 UWB射频测距装置实现的，因为相应信号装置34,36,37，和飞行时间测量值是双向（往返)飞 行时间测量。在一个实施例中，UWB相干处理射频测距装置是由TimeDomahiiX TDC采集控 股公司）制造的i\dsON_S；110(P410)测距无线电装置。在另一个实施例中，UWB相干处理射 频测距装置是P412测距无线电装置，而在另外的实施例中，UWB相干处理射频测距装置是同 样由ThiieDomain?:制造的P442测距无线电装置。
[0070] 在涉及相干处理的双向飞行时间测量的示例性实施例中，可以在从起始装置向响 应装置发送的第一信号中，以规则的间隔（即已知的占空比）多次发射数据包。该数据包包 括指示该数据第一次发射的时间戳记和识别起始装置的标识符（例如起始装置的MAC地 址）。响应装置接收传输，并识别该信号第一次到达响应装置的时间。响应装置知道该数据 包被发射的占空比。因此，响应装置可以将数据包相关以整合每一个数据包内的相应位，并 且从而提高信噪比。响应装置然后基于时间戳记和记录的到达时间确定单向飞行时间。然 后响应装置使用相同的重复传输方法发送响应信号给起始装置，但在响应数据包内编码发 射响应信号的时间、计算的单向飞行时间、起始装置的标识符和与响应装置相关联的标识 符（例如响应装置的MAC地址）。然后起始装置接收响应信号，并将每一个数据包的数据相 关，以提高信噪比。起始装置记录第一次接收到响应信号的时间，并确定响应信号的飞行时 间。然后起始装置通过总结第一信号的飞行时间和响应信号的飞行时间得出双向飞行时 间。
[0071] 工业实用性
[0072] 图4说明具有多个平行隧道113、115的矿井的工地20中的定位系统30的设置。在隧 道113、115中的每一个的第一端处是相应的第一信号装置34,其是如本文所述的参考信号 装置。具有移动第二信号装置36的机器10指定为操作隧道113和从隧道113分支的工地的部 分，诸如用于装矿的指定装载位置50(例如，放矿点）和用于卸矿的至少一个指定放矿位置 52(放矿溜井）。另一个机器11在矿井的另一个隧道115中操作，但是(