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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明涉及一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，属于无线通信、探测与定位技术领域。无人车系统包括无人车模块、单参考点定位基站模块、固定节点模块及终端模块；无人车模块采集环境信息，并与所在区域内的单参考点定位基站模块进行无线通信得到位置信息，最终将环境信息和位置信息以无线信号的形式传出；矿井壁上的固定节点检测矿井壁的压力，并将传来的无线信号传输至用户终端；用户收到矿井内部环境及位置信息后，从建立的路由发送指令，控制无人车系统中各个模块。所述系统能实现自动化和远程操控，只需一个单参考点定位基站模块即可对无人车进行定位，无需装配无线通信基站，降低了部署难度且能对各个模块进行定向控制。

主权项：1.一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统，其特征在于：包括无人车模块、单参考点定位基站模块、固定节点模块以及终端模块；其中，终端模块包括智能手机、PAD、平板电脑或手持移动电子设备；无人车模块的数量为n个；每个无人车模块包括车载通信单元、记忆单元、车载电源单元、车载定位单元、计算与控制单元、移动单元以及传感器单元；单参考点定位基站模块的数量为k个，每个单参考点定位基站模块包括基站信号处理单元、阵列天线单元、基站通信单元以及基站电源单元；固定节点模块的数量为m个，每个固定节点模块包括固定节点电源单元、固定节点信号处理单元、无线通信单元以及固定节点传感器单元；终端模块包括终端计算与控制单元；其中，无线通信单元包括天线和无线通信芯片，固定节点传感器单元中至少包括一个压力传感器，固定节点信号处理单元包括一个带有高性能处理器的单片机；固定节点电源单元包括电池容量大、重量轻的锂电池；每个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元包括天线以及射频合路器；基站通信单元包括天线和无线通信芯片；基站信号处理单元包括UWB定位芯片和相关开发板；基站电源单元包括电池容量大的蓄电池；每个无人车模块中车载通信单元包括天线和无线通信芯片；记忆单元包括存储器；车载定位单元包括UWB定位芯片以及天线；移动单元中至少包括两个电机；传感器单元包括IMU、光敏传感器、温度传感器、声音传感器、烟雾传感器、CO传感器、可燃气体传感器、红外传感器以及摄像头；计算与控制单元包括一个具有多个端口的单片机；车载电源单元包括电池容量大、重量轻的锂电池；所述矿井无人车探测及位置反馈系统中各模块与单元的连接关系如下：每个无人车模块中的车载定位单元、车载通信单元、记忆单元、移动单元和传感器单元与计算与控制单元相连；在每个单参考点定位基站模块中，阵列天线单元与基站信号处理单元相连，基站信号处理单元与基站通信单元相连；每个固定节点模块中的固定节点传感器单元与固定节点信号处理单元相连，固定节点信号处理单元与无线通信单元相连；终端模块与固定节点模块或无人车模块通过无线信号保持连接；每个节点通过节点间组成的自组织网络，建立多跳路由与终端模块通信；第i个无人车模块与第j个单参考点定位基站模块通过各自的通信单元收发无线信号保持连接，同时第i个无人车模块中的车载定位单元通过发送UWB信号与第j个单参考点定位基站模块中的阵列天线单元保持连接；其中，第i个无人车模块位于第j个单参考点定位基站模块的定位范围内；具体地：车载电源单元为无人车模块中的各单元供电，移动单元中的两个电机与计算与控制单元相连，传感器单元中的IMU、光敏传感器、温度传感器、声音传感器、烟雾传感器、CO传感器、可燃气体传感器、红外传感器、摄像头与计算与控制单元相连，车载定位单元中的UWB定位芯片与计算与控制单元相连，车载通信单元中的无线通信芯片与计算与控制单元相连，记忆单元中的存储器与计算与控制单元相连；单参考点定位基站模块：基站电源单元为单参考点定位基站模块中的各单元供电，阵列天线单元中的多个天线与射频合路器相连，射频合路器与基站信号处理单元相连，基站通信单元中的无线通信芯片与基站信号处理单元相连；固定节点模块：固定节点电源单元为固定节点模块中的各单元供电，压力传感器与固定节点信号处理单元相连，无线通信单元中的无线通信芯片与固定节点信号处理单元相连；所述矿井无人车探测及位置反馈系统中各模块及单元的功能如下：无人车模块中的计算与控制单元：处理各种数字、模拟信号，并对各单元发出控制信号；传感器单元：探测矿井中的环境状况，并将环境信息转化为数字或模拟信号；车载定位单元：发出UWB信号，以便于进行定位操作；车载通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与单参考点定位基站模块、其他无人车模块和固定节点模块进行无线通信；移动单元：接收来自计算与控制单元发来的PWM信号，并驱动两个电机旋转；记忆单元：存储每次小车移动的时间、速度以及方向数据以及缓存摄像头拍摄的图像数据；车载电源单元：为当前无人车模块中的各单元供电；单参考点定位基站模块中的基站信号处理单元：处理各种数字信号与UWB信号，并对各单元发出控制信号；阵列天线单元：接收无人车模块中车载定位单元发来的多径UWB信号；基站通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与无人车模块的通信；基站电源单元：为其他单元供电；固定节点模块中的固定节点信号处理单元：处理各种数字、模拟信号，并对各单元发出控制信号；固定节点传感器单元：收集矿井壁及周围的环境信息，并将之转化为数字或模拟信号；无线通信单元：收发无线信号，并将无线信号转化为数字信号，以实现与无人车模块、其他固定节点模块的通信；固定节点电源单元为其他单元供电；终端模块中的终端计算与控制单元：处理来自固定节点的数字信号，并将环境信息显示给外界；向节点发送控制信号，以实现对所有模块的控制；所述无人车模块的工作过程，包括如下步骤：步骤1:车载电源模块供电，计算与控制单元对与其他单元连接的各个端口的输入输出设置进行初始化；步骤2：车载通信单元开始收发无线信号；步骤3：计算与控制单元判断通信单元是否收到来自固定节点或移动节点发送的无线信号，若计算与控制单元判断出通信单元未收到无线信号，返回步骤2；若计算与控制单元判断出通信单元收到无线信号，进行步骤4；步骤4：计算与控制单元判断该无线信号是否为控制本无人车模块的信号，具体为：4A：若计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车的信号，进一步判断该无线信号是否为危险警告信号；若不是危险警告信息，跳至步骤6，否则，计算与控制单元向车载通信单元发出危险警告数字信号，车载通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播；然后计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点；执行完毕后返回无人车模块中的步骤2；4B：若计算与控制单元判断出无线信号是控制本无人车的信号，进行步骤5；步骤5：计算与控制单元判断无线信号类型，并进行如下操作：5A：若无线信号为终端控制无人车返还的信号，计算与控制单元读取记忆模块中存储的无人车之前的所有移动操作数据，并根据这些数据，控制移动单元驱使无人车返回矿井起点，执行完毕后返回步骤2；5B：若无线信号为终端控制的收集传感器数据的信号，计算与控制单元读取各个传感器的模拟或数字信号，并将模拟信号都转化为合适的数字信号；之后，计算与控制单元在该传感器数字信号开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端；然后计算与控制单元将被处理过的传感器信号传输至车载通信单元，通信单元根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点，执行完毕后返回步骤2；5C：若无线信号为终端控制无人车移动的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，向移动单元传输相应的PWM信号，移动单元中的两个电机收到PWM信号后分别进行指定方向、指定速度的转动，驱动无人车进行旋转、前进以及后退操作；同时，计算与控制单元将无人车移动的方向、速度、时间存入记忆单元，执行完毕后返回至步骤2；5D：若无线信号为终端控制的获取位置信息的信号，计算与控制单元根据终端发送来的控制信号，控制车载定位单元向所在区域的单参考点定位模块发出UWB信号，车载通信单元向基站通信单元发出请求建立连接的无线信号；然后，计算与控制单元判断是否收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号；若没有收到，继续判断是否收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号；若收到来自单参考点定位基站模块发来的关于本无人车模块的位置的无线信号，然后计算与控制单元在关于位置信息的数字信号的开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端后，发送至车载通信单元，然后车载通信单元根据收到的无线信号的路由将位置信号反向传输至上游节点，执行完毕后返回至步骤2；步骤6：在计算与控制单元判断出无线信号不是控制本无人车模块的信号后，计算与控制单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端；若目的地为终端，车载通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若目的地不是终端，车载通信单元向下游节点传递建立通往目标节点的路由的请求，执行完毕后返回至步骤2；单参考点定位基站模块的工作过程，包括如下步骤：步骤1：基站电源单元供电，基站信号处理单元初始化与各个单元连接的端口的输入输出设置，计数器计数为0；步骤2：阵列天线单元开始接收UWB信号；步骤3：基站信号处理单元判断阵列天线单元是否传来信号，并进行如下操作：3A:若阵列天线单元有信号传来，基站信号处理单元中的计数器加1；并判断计数器是否达到4；若达到4，计数器清零，并进行步骤4；若没有达到4返回步骤2；3B：若阵列天线单元没有信号传来，返回步骤2；步骤4：基站信号处理单元根据TDOA算法，利用4个天线的UWB信号传来的时间之差，计算发送该UWB信号的无人车模块的位置；步骤5：基站通信单元根据无人车模块发出的建立连接的信号建立连接；步骤6：基站信号处理单元将位置信号处理后传输至基站通信单元，基站通信单元将位置信号转化为无线信号，发往该无人车模块；执行操作后返回步骤2；固定节点模块的工作过程，包括如下步骤：步骤1：固定节点电源单元供电，固定节点信号处理单元初始化与传感器连接的端口的输入输出设置；步骤2：无线通信单元开始收发无线信号；步骤3：固定节点信号处理单元判断无线通信单元是否收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，若没有收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，返回步骤2；否则若收到来自其他固定节点或移动节点发送的无线信号，进行步骤4；步骤4：固定节点信号处理单元判断该无线信号是否为控制该节点读取传感器数据的信号；并进行如下操作：4A：若该无线信号不是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元进一步判断该无线信号的目的地是否为终端；若该无线信号的目的地为终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元根据已建立的路由反向传输至上游节点；若该无线信号的目的地不是终端，固定节点信号处理单元控制无线通信单元向下游节点传递建立通往目标节点的路由的请求；执行完操作后，返回步骤2；4B：若该无线信号是控制该节点读取传感器数据的信号，固定节点信号处理单元读取压力传感器的数字或模拟信号，并将模拟信号转化为数字信号；执行完操作后进行步骤5；步骤5：固定节点信号处理单元判断压力传感器检测的关于压力大小的参数是否超出危险值，判断参数是否超出危险值，若超出，固定节点信号处理模块向无线通信单元发出危险警告数字信号，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后向周围节点广播，执行完操作后返回固定节点模块工作流程的步骤2；若参数未超出危险值，进行步骤6；步骤6：固定节点信号处理单元在关于传感器数据的数字信号的开头添加关于信号传送目的地的信息，规定信号目的地为终端后，将数字信号传输至无线通信单元，无线通信单元将数字信号转化为无线信号后根据收到的无线信号的路由将传感器数据信号反向传输至上游节点；执行完操作后，返回步骤2。

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百度查询： 北京理工大学 一种基于UWB技术的矿井无人车探测及位置反馈系统