基于北斗+5G,技术的煤矿运输车辆定位控制

薛 卓，张存良，王 亮，贾 波

（内蒙古汇能煤电集团有限公司，鄂尔多斯 017000）

煤矿运输车辆在复杂的地下环境中进行作业，不仅对其定位控制的要求极高，还需要响应速度快[1]。然而，现有的自动定位控制方法往往存在一些精度不足、响应时间长等问题，限制了煤矿运输车辆的安全和效率[2]。因此，如何实现高质量的煤矿运输车辆自动定位控制成为了当前研究的重点。

文献[3]提出了一种结合视觉与单路侧单元的车辆定位法。通过相机观测车道线距离和RSU 测距通信获取位置信息，再利用算法融合多源数据估计车辆姿态。但该方法受环境光线、天气及信号干扰等因素影响，可能导致定位误差；
文献[4]利用标签确定近邻区域，计算外心以插入虚拟参考标签，缩小区域面积并提高标签临近度，从而定位车辆。但该方法在煤矿复杂环境下受地域、运动状态、光线和车辆拥堵等影响，标签分布不均或遮挡可能导致定位不准确；
文献[5]利用多源点云和图像数据进行车辆定位与再识别，通过校准和坐标变换，形成完整车辆点云，并与彩色信息融合。但是，在真实交通环境下，受地域、运动状态、光线和车辆拥堵等影响，标定结果对视角变化敏感，设备位置或姿态变化可能导致标定不准确，进而影响车辆定位精度；
文献[6]提出了一种基于神经网络和路边装置指纹的车辆定位法。将定位区划分为网格，收集各网格内不同路边装置（RSU）的信号强度，构建指纹库。定位时，用BPNN 预测车辆粗坐标，以其最大预测误差为半径，确定匹配区域。但此方法在煤矿等快速移动或网络不稳定的环境中，识别错误风险较高。

为了解决上述方法中存在的问题，提出基于北斗+5G 技术的煤矿运输车辆定位控制方法。

1.1 基于北斗卫星技术的车辆定位方法设计

通过使用北斗无源卫星技术，利用地面基站和卫星之间的上行距离以及卫星和用户接收机之间的下行距离来建立导航方程。扣除地面基站与卫星的上行距离可以得到以卫星为等效空间的北斗无源卫星技术的伪距测量。将这些测量结果输入到北斗无源观测方程组中，可以求解得到煤矿车辆的定位结果。具体过程如下：

在每辆煤矿运输车辆上安装一个北斗用户接收机，该设备能够接收到来自地面基站和北斗卫星的信号。地面基站与第k 颗卫星的上行距离公式表达如下：

在BJ54 坐标基准下，通过相似椭圆原理，可得到以下公式：

式中：n、s 分别表示地球的短半径和长半径。

将上述计算得到的伪距测量值、卫星坐标、用户接收机坐标等数据输入到公式（4）的北斗无源观测方程组中，可以求解得到煤矿车辆的定位结果：

1.2 基于5G 蜂窝网络的车辆定位

根据5G 蜂窝网无线通信技术特点，可通过信号与基站间的距离、传输时间、信号强度与角度等信息推测出目标定位，提高车辆定位系统在复杂环境中的运行可靠性和稳定性。具体步骤如下：

假设有一个主基站和待测煤矿运输车辆，主基站的坐标可以用（xj，yj，zj）表示，待测煤矿运输车辆坐标用（xm，ym，zm）表示。利用公式（5）计算出基站o与待测煤矿运输车辆的观测量σo，这个距离测量值可以作为观测量的一部分，用于确定车辆的位置。

式中：（xo，yo，zo）表示基站o 坐标。

利用方位角ϑo和俯仰角γo可以计算出车辆相对于基站的方向。这些角度信息可以帮助确定车辆在空间中的大致位置和方向。

为了提高对车辆位置的准确估计，将这些观测量、方位角、俯仰角等信息输入到观测噪声公式（8）中，以考虑观测过程中的噪声干扰，则有：

式中：M 表示宽带流速。

为了将原始的观测量转化为更方便使用的形式，通过位置矩阵转置函数j（C）将车辆的位置信息进行转换：

将上述得到的信息输入到基于5G 蜂窝网的车辆定位公式（10）中，通过卡尔曼滤波等算法来估计待测煤矿运输车辆的位置，即：

1.3 融合定位方法设计

通过融合模型将基于北斗卫星技术与基于5G蜂窝网技术融合[7]，融合模型主要包括故障自检、局部滤波器和主滤波器。融合模型框架如图1 所示。

图1 融合模型Fig.1 Fusion model

融合模型上，故障自检与局部滤波器用于煤矿运输车辆定位模型发生故障时的自我检测及错误数据滤除操作。在主滤波器处设置反馈环节，反馈融合后的最优车辆定位结果、最优协方差矩阵与信息分配因子至局部滤波器，用于滤除噪声数据和噪声，提高车辆定位的精度[8]。

主滤波器输出的最优协方差矩阵Ah公式表达如下：

式中：Ao表示北斗卫星与5G 蜂窝网络的协方差矩阵。

式中：Ah表示北斗卫星和5G 蜂窝网络的最优协方差矩阵；
表示北斗卫星与5G 蜂窝网络得到的车辆定位结果。

设计用于车辆定位信号校准的模糊PID 控制器，并通过模糊PID 控制器完成车辆定位轨迹信号校准可以降低这些干扰对系统稳定性的影响，提高系统的可靠性。具体过程如下：

在真实的煤矿生产交通环境中，地域限制、自车运动状态变化、光线变化、车辆拥堵等复杂场景下，车辆定位信号在传输过程中会受到干扰，针对这些干扰问题，设计用于车辆定位信号校准的模糊PID 控制器，如图2 所示。

图2 模糊PID 控制器Fig.2 Fuzzy PID controller

图2 中，基于北斗卫星与5G 网络匹配需求，设置模糊PID 控制器的偏差变化率RV，结合车辆定位信息与目标位置之间的偏差值，设置位置偏差值R，在考虑偏差变化率的基础上，设置输出控制量Yf，作为模糊PID 控制器的输入变量，将频率作为输出控制变量。

三个变量的模糊子集为｛PN，PQ，PD，ZP，ND，NQ，NN｝，分别对应着较大、大、微大、零、微小、小、较小7 级状态。位置偏差值的模糊论域为［-0.2 m，0.2 m］，输出控制量的模糊论域为［0，50 Hz］，位置偏差变化率的模糊论域为［-0.2 m/min，0.2 m/min］。通过模糊规则获取输入变量的规则强度ζ0，其公式表达如下：

式中：ν 表示隶属度函数。

得到模糊控制器的输出控制量的隶属度函数νyf（yf）公式表达如下：

将单值梯形作为模糊控制器的输出控制量函数，通过重心法完成对模糊控制信号yf的反模糊化，其公式表达如下：

煤矿运输车辆的定位控制输出可通过模糊控制器的输出控制信号yf与PID 控制器的积分系数的乘积获取，模糊PID 控制器的输出控制量Yf公式表达如下：

式中：L3表示PID 控制器的积分系数。

当PID 控制器的积分系数过大时将会引起系统振荡问题，积分系数为0。

基于此，完成用于煤矿运输车辆自动定位控制的模糊PID 控制器设计。

为了评估北斗+5G 技术在煤矿运输车辆定位控制的效果和可行性，在某市地下环道进行了测试。实验场地如图3 所示。在本实验中，使用了集成了北斗导航和5G 通信模块的车载终端设备，具备稳定高速的数据传输能力。配置了车载终端的通信接口，包括北斗天线接口和5G 网络配置，确保信号接收和网络接入。采用8 GB 内存和Intel Core i7-4210H处理器的硬件环境，通过MATLAB 软件处理数据，评估北斗+5G 技术在煤矿运输车辆定位的实际效果。

图3 实验场Fig.3 Experimental scenarios

为了验证北斗+5G 车辆定位技术的有效性和可靠性，在煤矿环境下设定了10 次/s 的传感器数据采样频率，并选择适合的5G 通信频段确保通信稳定与高速传输。采集的定位信号数据被导入MATLAB进行后续处理和分析。

（1）控制效果

采用所提方法完成煤矿运输车辆定位控制，记录其定位轨迹误差，如图4 所示。

图4 所提方法的定位轨迹误差Fig.4 Location trajectory error of the proposed methods

分析图4 可知，所提出的方法的煤矿运输车辆定位轨迹控制误差在1～2 dm 范围内。根据这些结果，可以明显看出所提出的方法在煤矿运输车辆定位控制方面具有更高的定位精度。这个结果验证了所提出的方法利用北斗卫星技术的定位精度和5G蜂窝网络技术的数据传输能力，从而实现了更准确、更可靠的煤矿运输车辆定位轨迹控制。

（2）阶跃响应

为了评估不同方法在车辆定位控制中对于输入的突变信号（即阶跃输入）的处理能力，采用了所提出的方法进行实验，并记录了阶跃响应曲线，如图5 所示。

图5 所提方法的阶跃响应Fig.5 Step responses of the proposed methods

分析图5 可知，所提方法在完成定位控制时，通过设计模糊PID 控制器进行车辆定位信号校准，进而优化系统的响应速度、超调量和振荡频率等指标，提高阶跃响应的控制性能。由此可见，所提出的方法在车辆定位控制方面具有更高的效率和更稳定的效果。

为了解决传统传感器检测模式的问题，本研究提出了一种基于北斗+5G 技术的煤矿运输车辆定位控制方法。利用北斗卫星技术和5G 蜂窝网络技术相结合的方式对煤矿运输车辆进行定位。同时，针对信号源头的随机干扰问题，设计了基于模糊PID 控制器的车辆定位信号校准方法。通过模糊PID 控制器完成车辆定位轨迹信号的校准。实验结果表明，基于北斗卫星技术和5G 蜂窝网络的模式在煤矿运输车辆自动定位控制中具有更好的定位控制精度和稳定性。与传统的传感器模式相比，该方法在实际应用中表现更优。因此，本研究的方法对于解决车辆定位控制问题具有重要的现实应用意义。

猜你喜欢 北斗基站煤矿 北斗和它的N种变身军事文摘(2023年20期)2023-10-31北斗时钟盘小哥白尼(神奇星球)(2022年3期)2022-06-06“北斗”离我们有多远当代陕西(2019年18期)2019-10-17可恶的“伪基站”探索科学(2017年4期)2017-05-04中国的北斗 世界的北斗太空探索(2016年3期)2016-07-12基于GSM基站ID的高速公路路径识别系统中国交通信息化(2016年8期)2016-06-06大型煤矿自动化控制系统的设计与应用工业设计(2016年4期)2016-05-04小基站助力“提速降费”移动通信(2015年17期)2015-08-24上半年确定关闭煤矿名单513处现代企业(2015年8期)2015-02-28去年95.6%煤矿实现“零死亡”现代企业(2015年6期)2015-02-28