基于UWB的井下目标精确定位平台的硬件设计与实现
发布时间：2020-12-23 23:03
近些年来,随着物联网和人工智能技术在煤矿安全监控监测领域应用的蓬勃发展,井下工作人员和设备的位置信息日益重要。在目前的井下定位系统中,更多的是采用WiFi、ZigBee等无线定位技术。但这些定位系统的定位误差普遍较大,已经无法满足井下对目标精确定位的要求。超宽带（Ultra WideBand,UWB）技术具有抗多径能力强、定位精度高、时间分辨率高等优点,所以近年来,基于UWB技术的室内精确定位系统发展尤其迅速,而将UWB技术用于井下目标精确定位的研究并不多见,所以本文基于精确定位的需求,对基于UWB的井下目标精确定位技术展开深入的研究。基于UWB的井下目标精确定位系统与传统定位系统相比,定位精度更高、实时性更强,这对于能够及时准确地掌握井下工作人员的实时移动轨迹,确保工作人员的生命安全具有非常重大意义。此外通过该系统可以对矿车、采煤机、掘进机等设备的运行轨迹进行实时反馈,这对于调度管理人员对设备进行合理的分配和使用提供极大的便利,有助于提高煤矿的生产效率和安全管理水平。本文的主要工作如下:（1）对UWB信号的定义、产生、调制、信道模型进行详细的研究,在深入了解UWB技术的基础理论知识之...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SDS-TWR中时钟漂移产生的误差Figure2-13ErrorsduetoclockdriftinSDS-TWR
工程硕士专业学位论文46以及防倒充电路构成，所以在搭建外围电路时不需要使用二极管进行隔离。为了使该芯片可以在高温条件下正常工作，设计了热反馈电路，通过电路对充电电流进行自动调节以达到限制芯片温度的目的。该芯片可以使电源对锂电池的充电电压保持恒定不变，始终稳定在4.2V，但充电电流可以通过2号引脚外接电阻进行调节。当锂电池电压充满后，电流会降低到初始值的十分之一，此时TP4056充电结束，将会自动终止充电循环。当外部没有电源为其供电时，该芯片将会进入低电流状态。当有电源为其供电时，也可以通过硬件配置将其设为待机模式，此时消耗的电流低至55uA。其充电保护电路如图4-3所示，图4-3锂电池充电管理电路设计图Figure4-3LithiumbatterychargemanagementcircuitdesignTP4056的4脚为电源引脚，外接直流5V电压源供电，8脚为芯片使能端，外接直流5V电压源，从而使芯片处于正常工作状态，3脚接GND。由于定位标签不需要对电池温度进行监测，所以1号引脚TEMP接GND即可。2号引脚外接电阻后接GND，可根据式（4-1）估算充电电流，421200PORGBATVIR=（4-1）充电电流IBAT的大小取决于R42的阻值，在本文设计的定位系统中R42阻值为1.2K，此时可以得到最大充电电流为1A。5号引脚连接锂电池的正极，该引脚可以用于向电池提供充电电流以及4.2V充电电压。D1、D2为指示灯，用于表示充电的两种状态，其正极外接5V直流电压源，D2的负极通过限流电阻R44连接至6号引脚，当充电结束的时候，该引脚被内部开关拉低至低电平，此时D2有电流通过可以被点亮，标示着充电完成。D1的负极通过限流电阻R43连接至7号引脚，如果电池正在充电，则该引
4定位标签的设计与实现47脚被内部开关拉低至低电平，此时D1有电流通过可以被点亮，标示着正在充电，充电完成之后该引脚被设置为高阻态，此时D1处于熄灭状态。2、电量状态显示电路锂离子电池的电量会随着负载的消耗而逐渐减少，当电池电量过低时，就会导致定位标签卡突然停止工作，这会给整个定位系统带来非常大的麻烦，因此为了避免这种现象发生，本文特意设计了电量检测电路用于实时显示电池电量的状态。本文所设计的电量状态显示电路如图4-4所示。图4-4电量状态显示电路设计图Figure4-4Powerstatusdisplaycircuitdesign3、升压电路可充电锂离子电池随着电量的消耗，其电压也会逐渐降低，这就导致其为负载提供的电压处于一种动态变化的状态中。当电池电压低于负载所需电压时，将会导致其无法正常工作，因此为了保证定位标签卡能够稳定可靠地运行，这就需要为其他负载模块提供一个纹波较小的稳定电源。所以设计一个升压并且能够稳定在某一固定电压值的电路就显得十分必要。如图4-5所示，本文设计了一款BOOST升压电路，选用YB1109C作为DC/DC电压调整期搭建升压电路。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于UWB技术的煤矿井下无线定位系统[J]. 申伟光. 煤矿安全. 2018(10)
[2]UWB定位技术在煤矿井下的应用[J]. 陈新科,喻川,文智力. 煤炭科学技术. 2018(S1)
[3]基于UWB的室内停车场高精度定位系统设计[J]. 陈旻哲,熊诚,刘守印. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(04)
[4]基于区域判定的超宽带井下高精度定位[J]. 方文浩,陆阳,卫星. 计算机应用. 2018(07)
[5]基于超宽带位置服务技术的患者生命体征监测系统研究[J]. 曹茂诚,王军敬,杨云智. 微型电脑应用. 2018(01)
[6]基于UWB超宽带无线导航AGV机器人设计[J]. 苏渊博,李霞. 智能机器人. 2017(05)
[7]基于改进双向测距-到达时间差定位算法的超宽带定位系统[J]. 卞佳兴,朱荣,陈玄. 计算机应用. 2017(09)
[8]井下人员定位系统基于线性调频扩频UWB技术的分析信号传输到达时间差(TDOA)的测距模式[J]. 王韶伟. 内蒙古煤炭经济. 2017(11)
[9]基于ARM的嵌入式视频监控系统的硬件设计[J]. 张仕海,周颖. 物联网技术. 2017(05)
[10]农资仓储脉冲超宽带室内定位系统设计与试验及误差分析[J]. 孙小文,张小超,赵博,王丽丽,伟利国,贾全. 农业工程学报. 2017(S1)
博士论文
[1]小型化超宽带天线及其阵列设计[D]. 严忠民.中国科学技术大学 2012
[2]无线传感器网络节能数据传输问题研究[D]. 张韬.南京大学 2012
[3]脉冲超宽带通信系统同步与信道估计研究[D]. 任志远.北京邮电大学 2011
[4]复杂矿井三维可视化生产调度系统及关键技术研究[D]. 顾清华.西安建筑科技大学 2010
[5]超宽带定位与RAKE接收关键技术研究[D]. 肖竹.西安电子科技大学 2009
[6]超宽带（UWB）无线通信系统的同步及解调算法研究[D]. 乔永伟.北京邮电大学 2009
硕士论文
[1]基于UWB的室内机器人定位系统研究与设计[D]. 顾衍明.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于超宽带的室内高密度移动定位系统[D]. 张泽.华南理工大学 2018
[3]基于UWB的室内移动车辆定位系统研究[D]. 汪财.合肥工业大学 2018
[4]基于UWB的室内定位系统研制[D]. 唐路.东南大学 2018
[5]基于UWB的煤矿井下高精度定位技术研究[D]. 方文浩.合肥工业大学 2018
[6]基于超宽带的室内服务机器人定位技术研究与应用[D]. 李富民.山东大学 2017
[7]基于UWB通信的精确测距算法和井下机车定标技术研究[D]. 田傲然.合肥工业大学 2017
[8]基于RFID定位的停车场智能移动终端设计[D]. 陈婷.南京邮电大学 2016
[9]新型双频段超宽带双极化天线的研究与设计[D]. 向东红.电子科技大学 2016
[10]基于TDOA算法的UWB室内定位系统研究[D]. 洪惠鹏.海南大学 2016
本文编号：2934494
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SDS-TWR中时钟漂移产生的误差Figure2-13ErrorsduetoclockdriftinSDS-TWR
工程硕士专业学位论文46以及防倒充电路构成，所以在搭建外围电路时不需要使用二极管进行隔离。为了使该芯片可以在高温条件下正常工作，设计了热反馈电路，通过电路对充电电流进行自动调节以达到限制芯片温度的目的。该芯片可以使电源对锂电池的充电电压保持恒定不变，始终稳定在4.2V，但充电电流可以通过2号引脚外接电阻进行调节。当锂电池电压充满后，电流会降低到初始值的十分之一，此时TP4056充电结束，将会自动终止充电循环。当外部没有电源为其供电时，该芯片将会进入低电流状态。当有电源为其供电时，也可以通过硬件配置将其设为待机模式，此时消耗的电流低至55uA。其充电保护电路如图4-3所示，图4-3锂电池充电管理电路设计图Figure4-3LithiumbatterychargemanagementcircuitdesignTP4056的4脚为电源引脚，外接直流5V电压源供电，8脚为芯片使能端，外接直流5V电压源，从而使芯片处于正常工作状态，3脚接GND。由于定位标签不需要对电池温度进行监测，所以1号引脚TEMP接GND即可。2号引脚外接电阻后接GND，可根据式（4-1）估算充电电流，421200PORGBATVIR=（4-1）充电电流IBAT的大小取决于R42的阻值，在本文设计的定位系统中R42阻值为1.2K，此时可以得到最大充电电流为1A。5号引脚连接锂电池的正极，该引脚可以用于向电池提供充电电流以及4.2V充电电压。D1、D2为指示灯，用于表示充电的两种状态，其正极外接5V直流电压源，D2的负极通过限流电阻R44连接至6号引脚，当充电结束的时候，该引脚被内部开关拉低至低电平，此时D2有电流通过可以被点亮，标示着充电完成。D1的负极通过限流电阻R43连接至7号引脚，如果电池正在充电，则该引
4定位标签的设计与实现47脚被内部开关拉低至低电平，此时D1有电流通过可以被点亮，标示着正在充电，充电完成之后该引脚被设置为高阻态，此时D1处于熄灭状态。2、电量状态显示电路锂离子电池的电量会随着负载的消耗而逐渐减少，当电池电量过低时，就会导致定位标签卡突然停止工作，这会给整个定位系统带来非常大的麻烦，因此为了避免这种现象发生，本文特意设计了电量检测电路用于实时显示电池电量的状态。本文所设计的电量状态显示电路如图4-4所示。图4-4电量状态显示电路设计图Figure4-4Powerstatusdisplaycircuitdesign3、升压电路可充电锂离子电池随着电量的消耗，其电压也会逐渐降低，这就导致其为负载提供的电压处于一种动态变化的状态中。当电池电压低于负载所需电压时，将会导致其无法正常工作，因此为了保证定位标签卡能够稳定可靠地运行，这就需要为其他负载模块提供一个纹波较小的稳定电源。所以设计一个升压并且能够稳定在某一固定电压值的电路就显得十分必要。如图4-5所示，本文设计了一款BOOST升压电路，选用YB1109C作为DC/DC电压调整期搭建升压电路。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于UWB技术的煤矿井下无线定位系统[J]. 申伟光. 煤矿安全. 2018(10)
[2]UWB定位技术在煤矿井下的应用[J]. 陈新科,喻川,文智力. 煤炭科学技术. 2018(S1)
[3]基于UWB的室内停车场高精度定位系统设计[J]. 陈旻哲,熊诚,刘守印. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(04)
[4]基于区域判定的超宽带井下高精度定位[J]. 方文浩,陆阳,卫星. 计算机应用. 2018(07)
[5]基于超宽带位置服务技术的患者生命体征监测系统研究[J]. 曹茂诚,王军敬,杨云智. 微型电脑应用. 2018(01)
[6]基于UWB超宽带无线导航AGV机器人设计[J]. 苏渊博,李霞. 智能机器人. 2017(05)
[7]基于改进双向测距-到达时间差定位算法的超宽带定位系统[J]. 卞佳兴,朱荣,陈玄. 计算机应用. 2017(09)
[8]井下人员定位系统基于线性调频扩频UWB技术的分析信号传输到达时间差(TDOA)的测距模式[J]. 王韶伟. 内蒙古煤炭经济. 2017(11)
[9]基于ARM的嵌入式视频监控系统的硬件设计[J]. 张仕海,周颖. 物联网技术. 2017(05)
[10]农资仓储脉冲超宽带室内定位系统设计与试验及误差分析[J]. 孙小文,张小超,赵博,王丽丽,伟利国,贾全. 农业工程学报. 2017(S1)
博士论文
[1]小型化超宽带天线及其阵列设计[D]. 严忠民.中国科学技术大学 2012
[2]无线传感器网络节能数据传输问题研究[D]. 张韬.南京大学 2012
[3]脉冲超宽带通信系统同步与信道估计研究[D]. 任志远.北京邮电大学 2011
[4]复杂矿井三维可视化生产调度系统及关键技术研究[D]. 顾清华.西安建筑科技大学 2010
[5]超宽带定位与RAKE接收关键技术研究[D]. 肖竹.西安电子科技大学 2009
[6]超宽带（UWB）无线通信系统的同步及解调算法研究[D]. 乔永伟.北京邮电大学 2009
硕士论文
[1]基于UWB的室内机器人定位系统研究与设计[D]. 顾衍明.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于超宽带的室内高密度移动定位系统[D]. 张泽.华南理工大学 2018
[3]基于UWB的室内移动车辆定位系统研究[D]. 汪财.合肥工业大学 2018
[4]基于UWB的室内定位系统研制[D]. 唐路.东南大学 2018
[5]基于UWB的煤矿井下高精度定位技术研究[D]. 方文浩.合肥工业大学 2018
[6]基于超宽带的室内服务机器人定位技术研究与应用[D]. 李富民.山东大学 2017
[7]基于UWB通信的精确测距算法和井下机车定标技术研究[D]. 田傲然.合肥工业大学 2017
[8]基于RFID定位的停车场智能移动终端设计[D]. 陈婷.南京邮电大学 2016
[9]新型双频段超宽带双极化天线的研究与设计[D]. 向东红.电子科技大学 2016
[10]基于TDOA算法的UWB室内定位系统研究[D]. 洪惠鹏.海南大学 2016
本文编号：2934494
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