基于相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的礦井人員與移動(dòng)設(shè)備定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的礦井動(dòng)目標(biāo)定位方法，本定位方法通過井上服務(wù)設(shè)備及井下分站設(shè)備對(duì)使用定位設(shè)備的井下工作人員和移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的定位，可有效防止由于礦井的不同巷道環(huán)境的電磁波傳輸特性的不同所引起的定位誤差；本定位方法基于相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度定位，可有效去除由于無線通信設(shè)備的功率不同與功率變化所引起的定位誤差，并可有效去除由人體遮擋引起的定位誤差。
【專利說明】基于相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的礦井人員與移動(dòng)設(shè)備定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種礦井移動(dòng)目標(biāo)位置的檢測(cè)運(yùn)算方法，該方法涉及無線電通信、測(cè)距和定位技術(shù)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]井下定位是安全生產(chǎn)的重要措施。井上常用的定位方法有:到達(dá)角度定位(Angle Of Arrival, A0A),到達(dá)時(shí)間定位(Time OfArrival, Τ0Α),到達(dá)時(shí)間差定位(TimeDifference Of Arrival, TDOA),接受信號(hào)強(qiáng)度指不定位(Received Signal StrengthIndication, RSSI)和射頻識(shí)別技術(shù)(RFID, Radio Frequency Identification)等方法。到達(dá)角度定位有定位死角，分站天線復(fù)雜，成本高，維護(hù)工作量大，不宜用于礦井人員定位。到達(dá)時(shí)間定位需定位設(shè)備與分站、分站與分站之間嚴(yán)格同步，系統(tǒng)同步困難，晶振穩(wěn)定性要求高，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，特別是定位設(shè)備成本高，不宜用于礦井人員定位。到達(dá)時(shí)間差定位不需定位設(shè)備與分站同步，但需分站與分站之間嚴(yán)格同步，系統(tǒng)同步困難，晶振穩(wěn)定性要求高，成本較高，特別是定位設(shè)備成本高。接受信號(hào)強(qiáng)度定位系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，但受巷道信號(hào)衰減、人體等遮擋、發(fā)射功率、接收靈敏度等影響，誤差大。特別是人體等遮擋衰減對(duì)定位影響，隨機(jī)變化，難以解決。目前礦井實(shí)際使用以射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)為主，RFID利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。與其它接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可實(shí)現(xiàn)對(duì)人員或物體在不同狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別和位置監(jiān)測(cè)。典型的射頻識(shí)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:
[0003]1.定位精度受讀寫器分布密度限制，只能實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位，不能做到誤差為幾米的精確定位；
[0004]2.受RFID讀寫速度限制，不能處理多人同時(shí)快速通過讀卡系統(tǒng)的情況，易出現(xiàn)漏讀。其它定位方法主要有到達(dá)角度、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差和信號(hào)強(qiáng)度等。
[0005]基于以上原因，為保證礦山安全生產(chǎn)，需要一種更適合井下巷道環(huán)境的更加準(zhǔn)確的定位方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種更適合井下巷道環(huán)境的定位方法，可有效避免使用電磁波絕對(duì)場(chǎng)強(qiáng)定位受不同巷道環(huán)境信號(hào)衰減特性不一致、人體等遮擋、發(fā)射功率、接收靈敏度等因素影響，保證定位穩(wěn)定性和定位精度。本發(fā)明的定位方法通過井上監(jiān)控中心設(shè)備和井下具有無線通信功能的分站對(duì)使用定位設(shè)備的井下工作人員和移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確地定位，具體步驟包括:
[0007]1.在巷道內(nèi)按小于等于L / 2間距設(shè)置分站，L為定位設(shè)備無線傳輸距離；分站天線設(shè)置在巷道頂部，在巷道分支和急拐彎處增設(shè)分站，除出入口等特殊區(qū)域外，保證定位設(shè)備在任意位置發(fā)射的電磁波至少有4個(gè)分站接收到。[0008]2.在所有兩分站之間選N點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，在無人體遮擋的條件下在定標(biāo)點(diǎn)使用定位設(shè)備向附近的分站發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，記錄定標(biāo)點(diǎn)位置和各分站接收到的此信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)記錄生成位置與絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表。
[0009]3.計(jì)算各分站的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度與距離較遠(yuǎn)兩分站絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的和之比，生成位置與相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表。
[0010]4.定位設(shè)備自動(dòng)定時(shí)發(fā)送信號(hào)；對(duì)定位設(shè)備定位時(shí)，根據(jù)各分站編號(hào)及分站接收到的定位設(shè)備信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度判斷定位設(shè)備的位置區(qū)域。
[0011]5.根據(jù)各分站接收到的定位設(shè)備信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度運(yùn)算得到各分站相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，查經(jīng)第3步得到的位置與相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表，得到定位設(shè)備的多個(gè)位置數(shù)據(jù)，若表中無對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)用插值計(jì)算得到。
[0012]6.求第5步得到的定位設(shè)備多個(gè)位置點(diǎn)的每個(gè)坐標(biāo)軸值的算數(shù)平均值，得到一個(gè)新坐標(biāo)點(diǎn)，如所有位置點(diǎn)與新坐標(biāo)點(diǎn)的距離差均小于設(shè)定值，將此新坐標(biāo)點(diǎn)作為定位設(shè)備實(shí)際位置；否則去除差值最大的位置點(diǎn)，以其余位置點(diǎn)的每個(gè)坐標(biāo)軸值的算數(shù)平均值組成的坐標(biāo)作為定位設(shè)備實(shí)際位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1定位系統(tǒng)示意圖。
[0014]圖2分站硬件示意圖。
[0015]圖3定位設(shè)備硬件示意圖。
[0016]圖4分站與定位設(shè)備位置示例圖。
[0017]圖5位置與相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表標(biāo)定步驟示意圖。
[0018]圖6對(duì)定位設(shè)備的定位步驟示意圖。
[0019]圖7線性插值法位置運(yùn)算示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]所述定位方法由井下定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，如圖1所示實(shí)施例中，定位系統(tǒng)組成包括:
[0021]管理子系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。有線通信子系統(tǒng)是整個(gè)定位系統(tǒng)的骨干通信網(wǎng)絡(luò)，以礦用光纖為主要傳輸介質(zhì)。
[0022]管理子系統(tǒng)包括:
[0023]1.定位服務(wù)器(I)，定位服務(wù)器負(fù)責(zé)定位運(yùn)算、無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)各終端的通信管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和為監(jiān)控終端提供人員及設(shè)備的信息服務(wù)。
[0024]2.監(jiān)控終端(2)，生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控終端訪問定位服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員及相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)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(jì)，歷史位置追蹤查詢等功能。地理信息平臺(tái)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。
[0025]有線通信子系統(tǒng)包括:
[0026]1.核心交換機(jī)(3)，負(fù)責(zé)所有接入有線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。
[0027]2.0LT光線路終端(4)，OLT是PON接入系統(tǒng)的中心設(shè)備，通過以太網(wǎng)接口連接核心以太網(wǎng)，通過光纖連接無源分光器ODN，通過ODN與用戶終端側(cè)的ONU通信。OLT具有二層/三層交換和光纖端口冗余功能。
[0028]3.0DN無源分光器(5)，ODN用于光纜接續(xù)或PON接入系統(tǒng)的光功率分配，負(fù)責(zé)連接OLT和0NU。主要功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)和集中上行數(shù)據(jù)。
[0029]4.0NU光節(jié)點(diǎn)(6)，ONU為光網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)提供用戶側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接入接口。
[0030]無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng):
[0031]1.無線網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)分站(7)，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，在井下出入口安裝，無線網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口雙絞線與ONU連接，接收并處理來自有線網(wǎng)絡(luò)的下行信號(hào)，上傳來自分站和定位設(shè)備等設(shè)備的信息數(shù)據(jù)。
[0032]2.分站(8)，在巷道內(nèi)間隔一定距離安裝分站，分站包括電源，備用電池、控制器及通信模塊及天線。分站的存貯著自身位置信息和標(biāo)識(shí)信息，為定位運(yùn)算提供依據(jù)。
[0033]3.定位設(shè)備(9)，定位設(shè)備通過分站接入無線網(wǎng)絡(luò)與井上定位服務(wù)器通信。
[0034]如圖2所示實(shí)施例中，分站的硬件包括:
[0035]1.系統(tǒng)芯片(202)選擇TI公司的CC2430芯片，CC2430在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用I個(gè)8位MCU，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程I / O引腳。
[0036]2.天線(201)采用全向天線。
[0037]3.主板(203)主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)芯片供電，電源管理部分具有電源檢驗(yàn)功能，當(dāng)外部電源斷電自動(dòng)切換由蓄電池供電，電池充電管理部分負(fù)責(zé)為蓄電池沖電，根據(jù)電池電量和電池溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，具備防過充、防過放、過流、短路等功能。AD / DC部分負(fù)責(zé)為將外部交流電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)及蓄電池充電所需的直流電。
[0038]4.蓄電池(204)采用鉛酸蓄電池或符合安標(biāo)要求的鋰電池。
[0039]如圖3所示實(shí)施例中，定位設(shè)備的硬件包括:
[0040]1.系統(tǒng)芯片(302)選擇TI公司的CC2430芯片，內(nèi)部集成處理器和射頻前端功能，CC2430的介紹見分站系統(tǒng)芯片部分。
[0041]2.天線(301)采用柔性天線，天線放置于定位設(shè)備的外殼內(nèi)部。
[0042]3.主板(303)主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)芯片供電，電源轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)將鋰電池的3.7V直流電源電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)芯片所需的穩(wěn)定的3.3V工作電壓，電源轉(zhuǎn)換核心芯片采用MAX1724MAX1724EZK33。電池充電管理部分負(fù)責(zé)為電池充電，根據(jù)電池電量和電池溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，具備防過充、防過放、過流、短路等功能。電池使用鋰離子蓄電池，鋰電池內(nèi)部有保護(hù)板具有防反接功能，具備防過充、防過放、過流、短路等功能。充電管理芯片選用TP4056,內(nèi)部采用PM0SFET架構(gòu)，具有防倒充電路，外部不需加隔離二極管。根據(jù)熱反饋可自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下能自動(dòng)限制芯片溫度。固定充電電壓4.2V，恒流充電階段的電流可通過電阻設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值I / 10時(shí)，充電管理芯片自動(dòng)停止充電。當(dāng)移除充電電源后，充電管理芯片自動(dòng)進(jìn)入低電流狀態(tài)，降電池漏電流至2uA以下。充電管理芯片在有電源時(shí)也可將供電電流降至55uA置于停機(jī)模式。
[0043]在巷道內(nèi)按小于等于L / 2間距設(shè)置分站，L為定位設(shè)備無線傳輸距離，本示例定位設(shè)備無線傳輸距離為200米，所以相鄰分站間隔為100米；分站天線設(shè)置在巷道頂部，在巷道分支和急拐彎處增設(shè)分站，除出入口等特殊區(qū)域外，保證定位設(shè)備在任意位置發(fā)射的電磁波至少有4個(gè)分站接收到。參考圖4，分站A、B、C、D、E依次安裝排列，相鄰分站間隔均為100米，每間隔20米進(jìn)行一次標(biāo)定，假定當(dāng)前標(biāo)定點(diǎn)位于C與D分站之間，標(biāo)定的過程如下:
[0044]1.記錄當(dāng)前標(biāo)定點(diǎn)位置(xM, yM, zM) ； (501)
[0045]2.在無人體遮擋的條件下在定標(biāo)點(diǎn)使用標(biāo)識(shí)卡向附近的分站發(fā)送檢測(cè)信號(hào)；(502)
[0046]3.B、C、D、E分站可接收到檢測(cè)信號(hào)，測(cè)得絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度分別為PBM，PCM, Pdm, Pem,記錄分站編號(hào)及其收到信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)；(503)
[0047]4.間隔20米到達(dá)下一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，重復(fù)以上步驟繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)定；如對(duì)所有標(biāo)定點(diǎn)完成標(biāo)定則執(zhí)行(505) ； (504)。
[0048]5.根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)位置和絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度記錄生成位置與絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表；(505)
[0049]
【權(quán)利要求】
1.基于相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的礦井人員與移動(dòng)設(shè)備定位方法，其特征在于:在巷道內(nèi)按小于等于L / 2間距設(shè)置分站，L為定位設(shè)備無線傳輸距離；分站天線設(shè)置在巷道頂部，在巷道分支和急拐彎處增設(shè)分站，保證定位設(shè)備發(fā)射的電磁波至少有4個(gè)分站接收到；在所有相鄰兩分站之間選N點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)使用定位設(shè)備在標(biāo)定點(diǎn)向附近的分站發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，記錄標(biāo)定點(diǎn)位置和各分站接收到檢測(cè)信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，生成位置與絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表；根據(jù)位置與絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表生成位置與相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表；對(duì)定位設(shè)備定位時(shí)，根據(jù)各分站接收到的定位設(shè)備的信號(hào)絕對(duì)強(qiáng)度運(yùn)算得到相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，查經(jīng)標(biāo)定得到的位置與相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表得到定位設(shè)備位置數(shù)據(jù)，若表中無對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)用插值計(jì)算得到；根據(jù)定位設(shè)備的多個(gè)位置數(shù)據(jù)計(jì)算得到定位設(shè)備位置。
2.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于:在巷道內(nèi)按小于等于L/ 2間距設(shè)置分站，L為定位設(shè)備無線傳輸距離；分站天線設(shè)置在巷道頂部，在巷道分支和急拐彎處增設(shè)分站，除出入口等特殊區(qū)域外，保證定位設(shè)備在任意位置發(fā)射的電磁波至少有4個(gè)分站接收到。
3.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于:在所有兩分站之間選N點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，在無人體遮擋的條件下在定標(biāo)點(diǎn)使用定位設(shè)備向附近的分站發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，記錄定標(biāo)點(diǎn)位置和各分站接收到的此信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)記錄生成位置與絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表。
4.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于:計(jì)算各分站的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度與距離較遠(yuǎn)兩分站絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的和之比，生成位置與相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表。
5.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于:定位設(shè)備自動(dòng)定時(shí)發(fā)送信號(hào)；對(duì)定位設(shè)備定位時(shí)，根據(jù)各分站編號(hào)及分站接收到的定位設(shè)備信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度判斷定位設(shè)備的位置區(qū)域。
6.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于:對(duì)定位設(shè)備定位時(shí)，根據(jù)各分站接收到的定位設(shè)備信號(hào)的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度運(yùn)算得到各分站相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，查經(jīng)權(quán)利要求4所述的定位方法得到的位置與相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表，得到定位設(shè)備的多個(gè)位置數(shù)據(jù)，若表中無對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)用插值計(jì)算得到。
7.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于:求由權(quán)利要求6所述的定位方法得到的定位設(shè)備多個(gè)位置點(diǎn)的每個(gè)坐標(biāo)軸值的算數(shù)平均值，得到一個(gè)新坐標(biāo)點(diǎn)，如所有位置點(diǎn)與新坐標(biāo)點(diǎn)的距離差均小于設(shè)定值，將此新坐標(biāo)點(diǎn)作為定位設(shè)備實(shí)際位置；否則去除差值最大的位置點(diǎn)，以其余位置點(diǎn)的每個(gè)坐標(biāo)軸值的算數(shù)平均值組成的坐標(biāo)作為定位設(shè)備實(shí)際位置。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK103813447SQ201410054951
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】孫繼平, 劉毅, 伍云霞 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)