一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于礦井監(jiān)控與通信領(lǐng)域，涉及一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)、以及一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)煤礦井下地質(zhì)條件非常復(fù)雜，礦井巷道長(zhǎng)達(dá)幾十千米，工作環(huán)境惡劣，作業(yè)地點(diǎn)分散，作業(yè)人員和設(shè)備流動(dòng)性大。作業(yè)人員往往難以確定自己在煤礦井下的位置，特別是在事故發(fā)生時(shí)，更難以精確定位事故現(xiàn)場(chǎng)人員和流動(dòng)設(shè)備；另外，由于煤礦井下流動(dòng)設(shè)備眾多，諸如各種運(yùn)輸、裝載機(jī)車位置分散，管理起來十分不便。因此，假如能在煤礦井下建立作業(yè)人員和流動(dòng)設(shè)備的精確定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員和流動(dòng)設(shè)備在煤礦井下的位置查詢、路徑分析、導(dǎo)航等功能，可顯著增強(qiáng)煤礦井下安全生產(chǎn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)的能力并可更加合理、高效地調(diào)配生產(chǎn)資源和管理生產(chǎn)。因此，研究煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位系統(tǒng)和方法，開發(fā)滿足礦井實(shí)際需求的產(chǎn)品和系統(tǒng)成為目前礦山采掘行業(yè)迫切需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的精確定位，利于提高煤礦企業(yè)的自動(dòng)化管理水平。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]—種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)，包括在各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)上安裝的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、以及在巷道線路的各個(gè)交叉位置布置的錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)；在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上配置有陀螺儀、加速度傳感器、超聲波傳感器一、中央處理器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；陀螺儀用于檢測(cè)所述移動(dòng)目標(biāo)的角位移；加速度傳感器用于檢測(cè)所述移動(dòng)目標(biāo)的線位移；中央處理器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)之間的通訊，進(jìn)而對(duì)井下各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行身份信息識(shí)別；在錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)上配置有與所述超聲波傳感器一匹配的超聲波傳感器二。
[0006]進(jìn)一步，在巷道線路的每個(gè)交叉位置的錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)量至少為三個(gè)。
[0007]此外，本發(fā)明還提出了一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法，其采用如下技術(shù)方案:
[0008]—種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法，采用上述的一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)；該方法包括如下步驟:
[0009]a通過陀螺儀和加速度傳感器獲取移動(dòng)目標(biāo)的角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)，并結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息，通過求解計(jì)算得到移動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)；
[0010]b通過超聲波傳感器一與超聲波傳感器二得到移動(dòng)目標(biāo)在當(dāng)前位置的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)；
[0011]C對(duì)上述相對(duì)位置數(shù)據(jù)和絕對(duì)位置數(shù)據(jù)求和計(jì)算，得到移動(dòng)目標(biāo)在煤礦井下的位置信息。
[0012]進(jìn)一步，步驟a中，移動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)求解過程如下:
[0013]結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息、角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，確定移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向信息和位移信息，從而計(jì)算得到移動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)。
[0014]進(jìn)一步，步驟b中，基于超聲波的Τ0Α方法得到移動(dòng)目標(biāo)在當(dāng)前位置的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。
[0015]進(jìn)一步，步驟b中，在進(jìn)行絕對(duì)位置數(shù)據(jù)計(jì)算之前，
[0016]移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，完成井下各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)身份信息識(shí)別，然后根據(jù)識(shí)別后的移動(dòng)目標(biāo)信息，進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)的超聲波定位計(jì)算。
[0017]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018]本發(fā)明根據(jù)煤礦巷道線路情況，僅需要在巷道線路的各個(gè)交叉位置布置錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，并為煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)分別配備移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位；本發(fā)明系統(tǒng)投資小，定位精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的區(qū)段定位系統(tǒng)。此外，本發(fā)明方法采用陀螺儀、加速度傳感器進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)角位移、線位移的測(cè)量，需要對(duì)運(yùn)算過程中的誤差進(jìn)行控制，由于煤礦井下巷道線路區(qū)段劃分，距離較短，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移數(shù)據(jù)誤差較小；移動(dòng)目標(biāo)的絕對(duì)位置信息采用超聲波定位，由于超聲波傳播的速度遠(yuǎn)小于無線電信號(hào)或其它電信號(hào)，因此，本發(fā)明方法采用基于超聲波的Τ0Α移動(dòng)目標(biāo)絕對(duì)位置定位精度較高，滿足實(shí)際精度要求。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加速度傳感器坐標(biāo)系圖。
[0020]圖2為本發(fā)明中煤礦井下巷道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0022]—種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)，包括在各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)上安裝的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、以及在巷道線路的各個(gè)交叉位置布置的錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)。在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上配置有陀螺儀、加速度傳感器、超聲波傳感器一、中央處理器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。陀螺儀用于檢測(cè)所述移動(dòng)目標(biāo)的角位移。加速度傳感器用于檢測(cè)所述移動(dòng)目標(biāo)的線位移。中央處理器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)之間的通訊，進(jìn)而對(duì)井下各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行身份信息識(shí)別；在錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)上配置有與所述超聲波傳感器一匹配的超聲波傳感器二，超聲波傳感器二在煤礦井下巷道中的安裝位置確定，該位置信息可作為對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)定位的依據(jù)。
[0023]優(yōu)選地，在每處巷道交叉位置安裝至少三個(gè)超聲波傳感器二，利用三點(diǎn)超聲波Τ0Α定位方法，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。
[0024]此外，本發(fā)明還提出了一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法，采用上述的一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)。該方法包括如下步驟:
[0025]a基于陀螺儀、加速度傳感器和巷道線路的相對(duì)定位算法
[0026]移動(dòng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部加速度坐標(biāo)系如圖1所示。在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸上，通過陀螺儀、加速度傳感器檢測(cè)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)軸上的角加速度和加速度，進(jìn)而通過計(jì)算確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的姿態(tài)變化，以及在該時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移的大小和方向。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)變化和相對(duì)位移是相對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置變化前的加速度傳感器坐標(biāo)系計(jì)算得到的，要求得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的位置信息必須要確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)生移動(dòng)前的位置信息。
[0027]如圖2所示，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道中開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上配置的陀螺儀、加速度傳感器無法判定移動(dòng)目標(biāo)在各個(gè)方向上的實(shí)際角位移和線位移；為了將移動(dòng)目標(biāo)加速度坐標(biāo)系與實(shí)際巷道線路坐標(biāo)系建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)速度，確定一定時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)位移(該位移距離大于兩倍巷道寬度)，從而確定了移動(dòng)目標(biāo)在加速度坐標(biāo)系某方向上的移動(dòng)位移與巷道線路方向上移動(dòng)位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了巷道線路坐標(biāo)系與移動(dòng)目標(biāo)加速度坐標(biāo)系的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)目標(biāo)在巷道線路內(nèi)的相對(duì)位移量的檢測(cè)。
[0028]b基于超聲波傳感器的精確定位算法
[0029]安裝移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)目標(biāo)在煤礦井下巷道線路中運(yùn)動(dòng)時(shí)，待移動(dòng)目標(biāo)移動(dòng)到錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上配置的超聲波發(fā)生器一發(fā)出超聲波，被配置在錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)上的超聲波傳感器二捕捉，基于超聲波的Τ0Α方法確定出移動(dòng)目標(biāo)相對(duì)于錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的距離信息；由于錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是固定不變的，通過錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)信息與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何求解計(jì)算可以求得移動(dòng)目標(biāo)在該位置的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)。
[0030]如圖2所示，在煤礦井下井口、巷道交叉位置都安裝有一定數(shù)量的位置確定的錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，因此，在這些位置都能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確求得移動(dòng)目標(biāo)的絕對(duì)位置信息。需要說明的是，在進(jìn)行絕對(duì)位置數(shù)據(jù)計(jì)算之前，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的通訊，完成井下各移動(dòng)目標(biāo)身份信息識(shí)別，然后根據(jù)識(shí)別后的移動(dòng)目標(biāo)信息，進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)的超聲波定位計(jì)算。
[0031]c基于多信息融合的煤礦井下定位算法
[0032]將上述步驟a和步驟b得到的準(zhǔn)確相對(duì)位置數(shù)據(jù)和絕對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行求和計(jì)算，可以得到移動(dòng)目標(biāo)在煤礦井下的準(zhǔn)確位置信息。
[0033]當(dāng)然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保護(hù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)，其特征在于，包括在各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)上安裝的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、以及在巷道線路的各個(gè)交叉位置布置的錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)；在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上配置有陀螺儀、加速度傳感器、超聲波傳感器一、中央處理器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；陀螺儀用于檢測(cè)所述移動(dòng)目標(biāo)的角位移；加速度傳感器用于檢測(cè)所述移動(dòng)目標(biāo)的線位移；中央處理器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)之間的通訊，進(jìn)而對(duì)井下各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行身份信息識(shí)別；在錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)上配置有與所述超聲波傳感器一匹配的超聲波傳感器--ο2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)，其特征在于，在巷道線路的每個(gè)交叉位置的錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)量至少為三個(gè)。3.一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法，采用如權(quán)利要求1或2所述的一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)，其特征在于，包括如下步驟: a通過陀螺儀和加速度傳感器獲取移動(dòng)目標(biāo)的角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)，并結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息，通過求解計(jì)算得到移動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)； b利用超聲波傳感器一與超聲波傳感器二得到移動(dòng)目標(biāo)在當(dāng)前位置的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)； c對(duì)上述相對(duì)位置數(shù)據(jù)和絕對(duì)位置數(shù)據(jù)求和計(jì)算，得到移動(dòng)目標(biāo)在煤礦井下的位置信息。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法，其特征在于，所述步驟a中，移動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)求解過程如下: 結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息、角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，確定移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向信息和位移信息，從而計(jì)算得到移動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法，其特征在于，所述步驟b中，基于超聲波的T0A方法得到移動(dòng)目標(biāo)在當(dāng)前位置的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的方法，其特征在于，所述步驟b中，在進(jìn)行絕對(duì)位置數(shù)據(jù)計(jì)算之前， 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，完成井下各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)身份信息識(shí)別，然后根據(jù)識(shí)別后的移動(dòng)目標(biāo)信息，進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)的超聲波定位計(jì)算。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于定位煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明系統(tǒng)根據(jù)煤礦巷道線路情況，僅需要在巷道線路的各個(gè)交叉位置布置錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，并為煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)分別配備移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位；本發(fā)明系統(tǒng)投資小，定位精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的區(qū)段定位系統(tǒng)。本發(fā)明方法采用陀螺儀、加速度傳感器進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)角位移、線位移的測(cè)量，需要對(duì)運(yùn)算過程中的誤差進(jìn)行控制，由于煤礦井下巷道線路區(qū)段劃分，距離較短，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移數(shù)據(jù)誤差較小；移動(dòng)目標(biāo)的絕對(duì)位置信息采用超聲波定位，由于超聲波傳播的速度遠(yuǎn)小于無線電信號(hào)或其它電信號(hào)，因此，本發(fā)明方法采用基于超聲波的TOA移動(dòng)目標(biāo)絕對(duì)位置定位精度較高，滿足實(shí)際精度要求。
【IPC分類】G01S5/18
【公開號(hào)】CN105353348
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510666112
【發(fā)明人】高峰, 仲惟燕, 劉蕾, 馮冠一, 張涌
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年10月15日