專利名稱：一種基于場強和計步測距的井下人員定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種井下人員位置的檢測方法，該方法涉及無線電通信、測距和定位技術等領域。
背景技術：
井下人員定位是安全生產(chǎn)的重要措施。多年來人們采用各種方法對井下人員位置進行檢測。常用的定位方法有接受信號強度指示(Received Signal StrengthIndication, RSSI),測量到達角度(Angle Of Arrival, AOA),測量到達時間(Time OfArrival, TOA),測量到達時間差(Time Difference Of Arrival, TD0A)和射頻識別技術(RFID, Radio Frequency Identification)等方法。目前實際使用以射頻識別技術(RFID)為主，RFID利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數(shù)據(jù)。與其它接觸式識別技術不同，RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可實現(xiàn)對人員或物體在不同狀態(tài)下的自動識別和位置監(jiān)測。典型的射頻識別系統(tǒng)主要包括射頻卡和讀寫器兩部分。使用RFID具有以下問題1.定位精度受讀寫器分布密度限制，只能實現(xiàn)區(qū)域定位，不能做到誤差為幾米的精確定位；2.受RFID讀寫速度限制，不能處理多人同時快速通過讀卡系統(tǒng)的情況，易出現(xiàn)漏讀。信號強度指示(RSSI)方法是目前Zigbee和WiFi網(wǎng)絡采用的主要定位方法，它根據(jù)無線信號的傳輸損耗模型計算移動節(jié)點與錨節(jié)點間的距離。移動節(jié)點接收到的信號強度隨距離發(fā)射機的位置變化而變化，即移動節(jié)點距離發(fā)射機距離越近，接收到的信號強度越強，反之，移動節(jié)點距發(fā)射機越遠，接收到的信號強度越弱，RSSI定位方法便是利用這一特性，將測得的信號強度轉(zhuǎn)換為距離預估值，然后將距離預估值與信號強度地圖進行比對分析，再經(jīng)過濾波確定最終定位結果，RSSI方法簡單易實施。但無線信號的傳輸損耗模型受環(huán)境影響巨大，所以一般RSSI定位系統(tǒng)往往必須依靠增加錨節(jié)點的密度和通過全局優(yōu)化算法來控制單方向上的定位誤差，但井下環(huán)境多為隧道組成的線狀環(huán)境，無法得到平面上其它方向的場強數(shù)據(jù)，所以當隧道中存在如較大金屬遮擋物等其它影響無線信號傳輸?shù)囊蛩貢r，定位誤差較大，所以需要一種不依賴于其它方向的場強數(shù)據(jù)的，能在井下準確地定位的定位方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于場強和計步測距的井下人員定位方法，通過系統(tǒng)服務器及少量的無線接入點對使用專用定位裝置的井下工作人員實現(xiàn)準確的定位，便于安全生產(chǎn)管理人員調(diào)度管理，并在礦井發(fā)生災害時，為救援人員提供較準確的人員位置信息，以提高救援效率和被困人員的獲救概率。本方法具體步驟如下1.被定位人員的步長計算，根據(jù)被定位人員身高記錄T通過以下公式得到其實際步長N N =1. 85(T-132)2.基準點檢測，井下各巷道中間隔一定距離安裝定位參考點，定位裝置定時監(jiān)測定位參考點發(fā)射信號的場強，在定位裝置靠近定位參考點時，場強到達峰值，以此定位參考點的位置作為定位裝置的當前位置，并作為可靠定位信息記錄存儲。將此定位參考點作為當前定位基準點開始計步。3.基于計步計算定位裝置距當前定位基準點距離，定位裝置具有準確的計步功能，可實時記錄佩戴定位裝置人員的行進的步數(shù)Μ，乘以自身存儲的佩戴位裝置的人員的個人步長，即得到被定位人員與當前定位基準點距離的距離L
L = MN4.方向判斷，根據(jù)記錄的上次的可靠定位數(shù)據(jù)判斷佩戴定位裝置人員的行進方向，如上次的定位基準點為定位參考點Α，此次定位基準點為定位參考點B，則可判定人員的行進方向是由定位參考點A向定位參考點B方向移動；也可根據(jù)定位裝置檢測到的定位參考點的場強變化趨勢來判定方向，當定位裝置檢測到兩個相鄰定位參考點B和C的場強，如檢測到定位參考點B的場強變化趨勢是逐漸變小，而定位參考點C的場強變化趨勢是逐漸變大，則判定人員行進方向為由定位參考點B向定位參考點C方向移動；5.誤差判斷，根據(jù)佩戴定位裝置的人員行進方向判斷移動方向上的下一個定位基準點，如距離L的值大于當前定位基準點與下一個定位基準點之間的距離，則說明此距離值存在誤差，不作為參考值；6.根據(jù)場強計算距無線通信基站距離，定位裝置檢測當前定位基準點和下一個定位基準點的信號場強，分別為Rdl和Rd2 ;場強與距離的公式為參考經(jīng)驗公式，相關參數(shù)通過現(xiàn)場測量得到，如下
「nA-Rd+Xg
_6] d = l0-^~式中A為信號傳播Im遠時接收信號的功率；η為傳播因子也稱為損耗指數(shù)，其數(shù)值大小取決于無線信號的傳播環(huán)境；Rd為定位裝置接收到的無線通信基站的信號強度，即RSSI值；X5為零均值的高斯分布正態(tài)隨機變量；將Rdl和Rd2分別帶入公式得到定位裝置與當前定位基準點的距離dl，定位裝置與下一個定位基準點的距離d2 ；7.根據(jù)場強距離結合計步距離計算定位裝置與當前定位基準點的距離，將所有距離交集公共部分中心的值作為定位裝置與當前定位基準點的距離d ；8.位置計算，將定位裝置到當前定位基準點的距離d，代入兩定位參考點所在的隧道的曲線方程，即可得到定位裝置的當前坐標。


圖1定位系統(tǒng)示意圖。圖2定位裝置硬件示意圖。圖3定位裝置的系統(tǒng)結構圖。圖4定位方法步驟示意圖。
圖5井下人員行進方向判斷原理示意圖。圖6定位裝置與無線通信基站的距離運算示意圖。圖7定位裝置位置運算示意圖。
具體實施例方式所述定位方法由井下定位系統(tǒng)實現(xiàn)人員定位，如圖1所示實施例中，定位系統(tǒng)組成包括井下定位系統(tǒng)包括定位服務器(I)，有線通信子系統(tǒng)，井下無線通信子系統(tǒng)和定位裝置(3)。有線通信子系統(tǒng)是整個定位系統(tǒng)的骨干，有線通信子系統(tǒng)以光纖為主要傳輸介質(zhì)。有線通信子系統(tǒng)還包括分光器，無線交換機(5)等網(wǎng)絡管理設備。在井下間隔一定距離安裝無線通信基站(2)，無線通信基站通過光纖連接井上的服務器。無線通信基站主要功能是W1-FI無線接入，基站包括電源，備用電池、無線接入設備及天線。無線接入設備在標準W1-FI網(wǎng)絡中稱為AP (Access Point)，負責無線終端設備接入有線以太網(wǎng)，通過無線通信基站將W1-FI無線局域網(wǎng)覆蓋各巷道。每個AP分配有服務集標識符SSID和不同的物理地址，定位系統(tǒng)根據(jù)AP的標識區(qū)別不同的無線通信基站，無線通信基站支持無線終端設備的跨區(qū)域漫游，同時無線通信基站在定位運算時被作為定位基準參考點，無線通信基站的位置信息和標識信息存貯在定位服務器和定位裝置的存儲子系統(tǒng)中，為定位運算提供依據(jù)。定位裝置作為標準W1-FI終端設備接入W1-FI無線局域網(wǎng)與井上定位服務器通信。定位服務器負責系統(tǒng)通信管理、數(shù)據(jù)存儲和為監(jiān)控終端提供人員及設備的信息服務。生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控終端(4)訪問定位服務器實現(xiàn)對井下工作人員及相關設備的實時監(jiān)控，監(jiān)控終端具有地圖顯示，工作人員位置及資料顯示查詢，工作人員位置統(tǒng)計，歷史位置追蹤查詢等功能。地理信息平臺可使用MapX地圖化組件，礦井地圖為巷道二維剖面化的矢量地圖，地圖文件為MapInfo格式。如圖2所示實施例中，定位裝置的硬件包括1.處理器(201)選擇TI公司的MSP430F147單片機，該型號為16位RISC結構，具有32kFlash，IkRAM ;并有5種低功耗模式，豐富的片內(nèi)外圍模塊，靈活的時鐘系統(tǒng)等諸多優(yōu)點。MSP430可在1.8 3. 6V低電壓下工作，系統(tǒng)采用3. 3V工作電壓。MSP430F147內(nèi)置精度為12位200kps的A/D轉(zhuǎn)換器。I位非線性微分誤差，I位非線性積分誤差，4種模數(shù)轉(zhuǎn)換模式。2. W1-FI通信(204)部分包括W1-FI通信模塊和天線，W1-FI通信模塊采用以ConnectOne公司的iChip系列加密聯(lián)網(wǎng)控制芯片C02128為核心的方案的產(chǎn)品，模塊內(nèi)部包括射頻模塊、通信接口模塊、狀態(tài)控制和檢測模塊、存儲器；天線采用柔性天線。3.計步感應(202)使用SMB380三軸加速度傳感器，傳統(tǒng)的機械式計步器采用簧片或者彈力小球檢測人行走時步產(chǎn)生的振動通過內(nèi)部處理器判斷電子脈沖實現(xiàn)計步，采用此方式無法區(qū)別行走和其它活動產(chǎn)生的振動，靈敏度和準確性都不高。使用三軸加速度傳感器可以測量三個相互垂直的軸在地心引力范圍內(nèi)保持絕對的方向上的靜態(tài)和動態(tài)的加速度，所采集的信號為數(shù)字信號通過SPI接口傳輸給處理器。4.存儲(203)芯片采用I片24C512，由于所述定位裝置只使用了一個存儲芯片，不需設置片選地址，所以24C1024的片點選管腳全部接地。24C512使用I2C總線通信，，使用兩個標準I/O接口加上拉電阻連接SCL和SDA管腳，，實現(xiàn)處理器與存儲芯片通信控制。
5.串口通信(205)使用TI公司的MAX232芯片RS-232標準串口單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電，接口使用SMT2. 5插口，可使用轉(zhuǎn)接電纜連接計算機9針串口實現(xiàn)通信。6.電源電路(206)部分包括電池、電壓轉(zhuǎn)換和電池管理部分，電池使用鋰離子蓄電池，鋰電池(組)應具有防反接功能，具有內(nèi)部保護電路外，具有有外保護電路，具備防過充、防過放、過流、短路等功能，還有均衡充電、均衡放電功能。電壓轉(zhuǎn)換采用MAX1724電源
-H-* I I
心片如圖3所示實施例中，定位裝置的系統(tǒng)包括1.定位子系統(tǒng)302，負責從W1-FI通信模塊采集周邊W1-FI接入點到模塊的信號場強，并根據(jù)場強信號、接入點的位置信息，結合佩戴人員的步長步數(shù)運算得到定位裝置的 位置，通過通信子系統(tǒng)上傳至系統(tǒng)服務器。2.通信子系統(tǒng)303，負責裝置與系統(tǒng)及外界設備的通信，包括W1-FI無線通信控制，有線串口通信控制。3.采集子系統(tǒng)301，負責三軸加速度傳感器信號的采集處理，使用緩存存儲三個方向上的加速度信號，X為X軸方向的值，Y為Y軸方向的值，Z為Z軸方向的值，取加速度變化量最大的軸進行計步，根據(jù)統(tǒng)計測量一般人跑步每秒不超過5步，慢速行走不低于每秒I步，可將O. 5-5Hz作為計步的信號的有效范圍，通過低通濾波去掉高頻噪聲，參考其它兩軸的數(shù)據(jù)特征，可有效去除其它人體活動所產(chǎn)生的干擾，經(jīng)過特征匹配等運算實現(xiàn)準確計步。使用此方法計步不受定位裝置佩戴位置限制，使用者可將定位裝置隨身裝在任意位置，如裝入上下衣口袋、固定在腰帶上或背包中，不受均不影響準確計步。參考圖4人員定位的實現(xiàn)過程如下定位裝置系統(tǒng)初始化過程中，首先根據(jù)存儲的定位裝置使用者的身高記錄T通過以下公式得到其實際步長N(401)N =1. 85(T-132)定位裝置定時監(jiān)測與各無線通信基站所發(fā)射信號的場強(402)，當井下人員攜帶定位裝置行走靠近無線通信基站時，場強到達峰值，以此無線通信基站的位置作為定位裝置的當前位置，定位系統(tǒng)獲得定位裝置較為準確的位置數(shù)據(jù)(403)，同時開始計步。定位裝置實時記錄人員經(jīng)過無線通信基站后行走的步數(shù)，乘以自身存儲的佩戴位裝置的人員的個人步長，即可得到人員與前無線通信基站的距離(404);設步數(shù)為Μ，步長為N，則定位裝置與前無線通信基站的距離L為L = MN方向判斷(405)，如圖5所示，根據(jù)定位系統(tǒng)或定位裝置所記錄的上次的可靠定位數(shù)據(jù)判斷井下人員(504)的行進方向，如上次準確定位的無線通信基站為Α(501)，此次準確定位的無線通信基站為B (502)，則可判定人員的行進方向是由無線通信基站A向無線基站B方向移動；也可根據(jù)定位裝置(3)檢測到的無線通信基站的場強變化趨勢來判定方向，當定位裝置檢測到兩個相鄰無線基站的場強，如檢測到無線通信基站B (502)的場強變化趨勢是逐漸變小，而無線通信基站C(503)的場強變化趨勢是逐漸變大，則判定行進方向為由無線通信基站B向無線通信基站C方向移動；誤差判斷(406)，根據(jù)佩戴定位裝置的人員行進方向判斷移動方向上的下一個定位基準點，如距離L的值大于當前定位基準點與下一個定位基準點之間的距離，則說明此距離值存在誤差，不作為參考值；檢測當前定位基準點所在無線通信基站(502)和下一個定位基準點所在無線通信基站(503)的信號場強值Rdl，Rd2(407);根據(jù)場強計算距離(408)，將場強帶入代入以下公式得到定位裝置與無線通信基站(502)和(503)的距離dl，d2。
權利要求
1.一種基于場強和計步測距的井下人員定位方法，其特征在于以井下各巷道中間隔一定距離安裝的定位系統(tǒng)的無線信號發(fā)射設備作為定位參考點，定位裝置定時監(jiān)測各定位參考點所發(fā)射信號的場強，在定位裝置靠近定位參考點時，場強到達峰值，以此定位參考點作為定位裝置的當前定位基準點，并將此位置坐標作為定位裝置的可靠定位信息記錄存儲；定位裝置實時記錄佩戴定位裝置人員在可靠定位后所行走的步數(shù)；步數(shù)乘以計算所得的佩戴位裝置的人員的個人步長得到定位裝置與當前定位基準點的距離；根據(jù)定位裝置檢測到的兩相鄰定位基準點的場強計算距兩定位基準點距離；取距離交集公共部分中心的值作為定位裝置與當前定位基準點的距離。
2.如權利要求1所述的定位方法，其特征在于定位裝置實時檢測定位參考點發(fā)射信號的場強。
3.如權利要求1所述的定位方法，其特征在于非首次可靠定位時，根據(jù)所記錄的前一次的可靠定位數(shù)據(jù)判斷佩戴定位裝置人員的行進方向。
4.如權利要求1所述的定位方法，其特征在于根據(jù)定位裝置檢測到的定位參考點的場強變化趨勢來判斷佩戴定位裝置人員的行進方向。
5.如權利要求1所述的定位方法，其特征在于在定位裝置上安裝計步裝置，在可靠定位后實時記錄佩戴定位裝置的人員行走的步數(shù)M。
6.如權利要求1所述的定位方法，其特征在于根據(jù)井下人員的身高記錄T，通過由下面的公式得到該人員的實際步長N :N =1. 85(T-132)。
7.如權利要求1所述的定位方法，根據(jù)佩戴定位裝置的井下人員行走步數(shù)計算距離， 其特征在于通過下面的公式得到定位裝置與當前定位基準點的距離L :L = MN，式中M為佩戴定位裝置的人員以當前定位基準點為起點所行走的步數(shù)，式中N為佩戴定位裝置的人員的實際步長N。
8.如權利要求7所述的定位方法，根據(jù)定位參考點間的距離進行誤差判斷，其特征在于根據(jù)佩戴定位裝置的人員行進方向判斷移動方向上的下一個定位基準點，如距離L的值大于當前定位基準點與下一個定位基準點之間的距離，則說明此距離值存在誤差，不作為參考值。
9.如權利要求1所述的定位方法，其特征在于定位裝置檢測當前定位基準點和下一個定位基準點的信號場強，分別為Rdl和Rd2。
10.如權利要求9所述的定位方法，其特征在于基于場強進行距離計算，公式如下A~ Rd+A"^·J = IO 10"式中A為信號傳播Im遠時接收信號的功率；η為傳播因子也稱為損耗指數(shù)，其數(shù)值大小取決于無線信號的傳播環(huán)境；Rd為定位裝置接收到的定位參考點的信號強度，即RSSI值；X5為零均值的高斯分布正態(tài)隨機變量；將Rdl和Rd2分別帶入公式得到定位裝置與當前定位基準點的距離dl，定位裝置與下一個定位基準點的距離d2。
11.如權利要求10所述的定位方法，其特征在于根據(jù)場強所得距離dl和d2結合計步距離L計算定位裝置與當前定位基準點的距離，將所有距離交集公共部分中心的值作為定位裝置與當前定位基準點的距離。
12.如權利要求1所述的定位方法，其特征在于將定位裝置到當前定位基準點的距離，代入當前定位基準點和下一個定位基準點所在的隧道的曲線方程得到定位裝置的當前坐標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于場強和計步測距的井下人員定位方法，本定位方法通過系統(tǒng)服務器及少量的無線接入設備對使用專用定位裝置的井下工作人員實現(xiàn)準確的定位，定位過程簡單有效，抗電磁干擾能力強，具有較強的魯棒性；使用本定位方法的定位系統(tǒng)具有定位精度高，成本低，系統(tǒng)設備結構簡單，易實施等特點；便于安全生產(chǎn)管理人員調(diào)度管理，并在礦井發(fā)生災害時，為救援人員提供較準確的人員位置信息，以提高救援效率和被困人員的獲救概率。
文檔編號G01S1/08GK103018711SQ20121046426
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權日2012年11月19日
發(fā)明者孫繼平, 劉毅 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)