CN102183254B

CN102183254B - 基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统

Info

Publication number: CN102183254B
Application number: CN2011100414817A
Authority: CN
Inventors: 戴庆源
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: CN102183254A

Abstract

一种基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统，属于煤矿定位和通信系统技术领域。其特征在于包括地面上设有控制与显示中心；地面下的每个主坑道每隔一定距离设有低频基站，低频基站与地面的控制与显示中心宽带有线连接；在主坑道和子坑道内一定距离设有惯性测量单元校准点，惯性测量单元校准点由低频基站提供；矿工携带的低频定位手机，低频定位手机与低频基站进行接收和发送信息。优点：该系统的定位精度高，通信可靠性好，系统的稳定性和适应性强。

Description

基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统

技术领域

本发明涉及一种煤矿定位和通信系统，特别是一种基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统。

背景技术

生产安全问题长期以来都是困扰各国煤炭开采的一个难于解决的棘手问题,而煤矿井下无线定位和通信又是这一问题的症结.一套完善的、可靠的井下无线定位和通信系统应用于煤矿地面与井下人员通信,监控和调度井下工作,以及事故发生后的人员搜救,对于煤矿提高效率,安全生产都是极为重要的。近年来国内外一直都致力于探索研发适合煤矿应用的无线定位和通信体系.正在研究和已应用的煤矿通信系统所采用的主要技术手段是基于RFID（射频识别，电子标签）技术的井下网络系统. 这种系统的原理是矿井人员携带着的RDID发射一个简单的信号，由井下事先布置好的RFID 读取器读取信号并对其进行定位。井下的所有读取器都有线或无线连接起来组成一个定位和通信网络，网络中心再跟地面主控室有线连接实现一个地面对矿井人员实时定位和通信的功能。但RFID方法有以下几个主要缺点：

1、作用距离有限：这是由于RFID发射功率小以及RFID和读取器之间一定要直接可视造成的。如果RFID和读取器不能直接可视，那么其定位误差将大大增加，通信距离也要大大减小；

2、由于作用距离有限，井下必须铺设大量的RFID阅读器。但是井下环境恶劣，通信网络架设和维护费用高，系统抗干扰能力差,通信效果不好等等都造成了此类系统造价高稳定性差等弱点；

3、井下瓦斯含量高，安装过多的电子设备造成安全隐患；

4、适应性差：由于阅读器都要事先安装好，对在新开辟的子坑道里的矿井人员来说，他们周围没有阅读器，所以地面就没法对这些人员进行定位和通信。

发明内容

本发明的目的是要提供一种具有定位精度高、通信可靠性好、系统稳定性和适应性强以及价格便宜的基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统。

本发明的目的是这样来达到的，一种基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统，其特征在于包括地面上设有控制与显示中心；地面下的每个主坑道每隔一定距离设有低频基站，低频基站与地面的控制与显示中心宽带有线连接；在主坑道和子坑道内一定距离设有惯性测量单元校准点，惯性测量单元校准点由低频基站提供；矿工携带的低频定位手机，低频定位手机与低频基站进行接收和发送信息。

本发明所述的低频定位手机包括：导航计算器；惯性测量单元，与导航计算器连接；低频信号接收器，接收低频基站信息，与导航计算器连接；惯性测量单元校准信息储存器，与导航计算器连接；低频信号发射器，向低频基站提供当前位置和其它信息，与导航计算器连接。

本发明所述的低频信号接收器的接收频率为200KH _Z ，信号带宽为20KH _Z 。

本发明所述的低频信号发射器的上行频率为100 KH _Z ，带宽为10 KH _Z 。

本发明所述的低频基站和低频定位手机的低频为100 KH _Z -500 KH _Z 。

本发明由于采用了以上技术方案，该系统的定位精度高，通信可靠性好，系统的稳定性和适应性强。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明的低频定位手机原理框图。

图3为本发明的地面上的控制与显示中心与地面下的低频基站连接图。

具体实施方式

为了提高煤矿定位的可靠性和降低设备的成本，在通风和电磁环境好的主坑道里安装尽量少的井下通信设备达到对矿井人员和设备的精确定位和有效通信是关键。要做到这点，必须解决井下不直接可视条件下的定位和通信。图1所示的是一个有着两个主坑道几十个子坑道的煤矿例图。如果用RFID技术，每个子坑道至少要安装一到两个ＲＤＩＦ读取器，也就是说要有几十上百的读取器要安装在条件恶劣的子坑道里并且要用有线或无线网联结起来。而如果有一种定位和通信技术不要求矿井人员和基站之间直接可视，那么数量有限的几个基站就可以安装在通风情况良好，电磁干扰小，坑道面宽阔的主坑道里，这既减少了RFID每个子坑道都要按装读取器的数量要求，也大大改善了基站的工作条件，提高了其可靠性和安全性。

本发明提出了一种Inertial Measurement Unit (IMU, 惯性测量单元)和低频无线电混合定位模式的煤矿定位系统，它可以解决井下不直接可视的定位和通信问题。这样就可以使得井下固定设备安装最小化，以达到低成本精度高和可靠的定位与通信目的。

申请人的产品试图同时解决煤矿不可视条件下定位和通信两个问题。首先我们介绍一下IMU定位技术。随着惯性技术的不断发展,以惯性技术为基础的组合导航系统已经成为当前导航系统发展的主要方向,特别是基于微型惯性组件的低成本惯性组合导航系统正在成为导航领域的一个研究热点。IMU是利用陀螺仪和加速度计进行导航的，它可以在包括煤矿在内的各种环境下工作，而且不易受电磁干扰。美国和北约已经开发出了基于IMU芯片的单兵导航器件，它可以在GPS被破坏的情况下在各种环境下实现对人员的导航。在民用领域，美国ADI公司已经开发出高性能低价格的IMU芯片。 ADI公司新增的两款高度集成的精密MEMS惯性传感器ADIS16135和ADIS16385，可以轻松地实现稳定、导航和控制功能。新传感器既能提供战术级（<10度/小时）陀螺仪性能，同时具备ADI公司备受好评的 iSensor 集成度和工厂校准能力。

低频无线电通信技术，首先我们这里的低频定义为100KHz到500KHz的部分长波和部分中波频率。由于该频率的无线电波主要靠沿着地球表面的地波传播,其传播损耗小，绕射能力强，在海水和土壤中传播吸收损耗也较小。这些特点决定了低频信号非常适合井下通信。在矿井中的主坑道内，安装几台低频基站，就可以在复杂的矿井内跟矿井人员的低频定位手机进行数据交换。如图1所示，低频定位手机可以在不可视的条件下同时发射和接收低频信号。在矿难发生低频基站停止工作后，由于低频信号具有一定的穿透能力，低频定位手机可以与避难所或者搜救人员继续保持通信。低频基站发射的另一个功能就是可以给IMU提供位置校准点。

和低频无线电混合定位，IMU是一种具有全天候各种环境下都能工作的导航系统。但是由于IMU输出的是速度和加速度量，在用于定位时必须已知起始点的位置。另外，IMU定位是对IMU输出量进行数学积分达成的，所以IMU输出量的误差将随着时间而积累起来，为了避免大的定位误差，就有必要适时的对IMU进行位置校准。

申请人提出了一种利用井下低频基站对IMU提供位置校准的办法。由于低频定位手机一直可以接收到两个或两个以上的基站信号，这些信号是地面控制人员用来广播或者是对特定的人员发布信息用的。在基站安装调试完成后，一次性的在地图上相隔数百米的距离设置IMU校准点（不用安装硬件电子设备），在这些校准点上标上测量到的两个或两个以上基站的接收信号强度（RSSI)和相位。由于低频定位手机在IMU较准点上可以收到至少两个基站的信号，低频定位手机在测量RSSI和相位后对比地图上的标识值，就能知道自己在地图上的精确位置，IMU因此也就得到了位置校准。

本发明由三部分组成： 1）便携式的带IMU器件和低频收发器的定位手机； 2）有限的安装在主坑道里的低频基站； 3）地面上的控制与显示中心。

如图2所示低频定位手机主要有以下部分组成：

IMU器件：三轴加速度计输出和三轴数字陀螺仪输出；

低频信号接收器：接收基站通信信息并提供实时接受信号强度测量（这里假设IMU校准用RSSI方法）。接收频率为200KHz, 信号带宽为20KHz；在２０KHz的带宽上可以广播语音信号和对低频定位手机作各种点对点的文本信息交换；

IMU校准信息储存器：事先输入的校准信息，包含每个校准点上的RSSI值和相位和地图坐标位置；IMU校准信息是在低频基站安装完成后所做的一次性的对RSSI和相位测量。IMU校准点的间隔距离必须依据IMU器件的误差时漂性能决定，一般不小于５００米。　测量必须伴随着对IMU校准点的精确定位，这可以由高精度的IMU装置帮助完成。　RSSI和相位以及对应的坐标点将储存在低频定位手机内；

导航计算器：根据IMU提供的当前速度和加速度值进行导航运算；当导航计算器根据RSSI值和相位判断到了IMU校准点时，立刻对IMU进行位置校准；当矿难发生时，导航计算器可以为矿井人员提供通向最近的避难所的指示；

低频信号发射器：通过USB接口与导航计算器连接，向低频基站提供当前位置和其他通信短信息，比如温度、湿度、瓦斯含量等其他信息。由于频率越低无线电信号的穿透能力越强，所以低频定位手机的上行频率设为100KHz, 带宽约10KHz。按照1.0bit/Hz的频率利用率设计，10KHz带宽最大可以提供10Kbit的系统信息，如果低频定位手机每10秒向基站报告一次当前位置，每次报告包含100bit信息，那么10秒内系统有100Kbit的容量，容许1000个低频定位手机同时工作。

低频定位手机工作原理：低频信号接收机一直接收低频基站发来的信息，这个信息可能是语音广播，也可能是点对点的文字信息。低频信号接收机在解调信息的同时还不断测量当前的RSSI和相位值，这两个测量值用来跟IMU校准信息储存器里的值进行对比，当两组值相同的时候由导航计算器对导航进行校准。　IMU器件不断的向导航计算器报告当前的速度与加速度，导航计算器的导航算法算出当前的三维位置坐标。低频信号发射器再把坐标值发送到低频基站。

如图3所示，低频基站的任务主要是完成地面上的控制与显示中心和低频定位手机的信息交换，并帮助低频定位手机进行位置校准；低频基站跟地面上的控制与显示中心宽带有线连接，可以通过光缆或电缆连接，控制与显示中心跟所有低频定位手机的信息交换都是通过低频基站转接完成的。每个低频基站都是时间和频率同步的。低频基站的间隔由低频基站与低频定位手机无线连接能力决定。推算的距离为２公里。

本发明能够及时、准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面上的控制与显示中心，使管理人员能够随时掌握井下人员的工作位置和设备的分布状况，并保持语音和文本通信。在事故发生时，本系统也能维持矿井人员与救援人员或者是井下避难所的无线通信，向他们提供环境数据以及位置情况，以便于采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

本发明是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等一体的综合性运用系统,集合了IMU惯性制导技术和低频传输技术等，这一产品的实现，将为煤矿企业的安全生产和日常管理以及事故急救带来了宝贵的支持。

本发明可实现下井作业人员进出的有效识别，实现井下人员分布的可视化，并且使系统管理实时化、信息化和高度自动化。为高级管理人员提供考勤作业、人员进出限制等多方面的信息查询。一旦发生安全事故，该系统可以帮助救援人员和井下避难所跟矿井人员保持联系，为矿井人员提供通向最近避难所的路径指示。系统具有安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。

Claims

1.一种基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统，其特征在于包括地面上设有控制与显示中心；地面下的每个主坑道每隔一定距离设有低频基站，低频基站与地面的控制与显示中心宽带有线连接；在主坑道内每隔一定距离设有惯性测量单元校准点和子坑道内每隔一定距离设有惯性测量单元校准点，惯性测量单元校准点由低频基站提供；矿工携带的低频定位手机，低频定位手机与低频基站进行接收和发送信息，所述的低频定位手机包括：导航计算器；惯性测量单元，与导航计算器连接；低频信号接收器，接收低频基站信息，与导航计算器连接；惯性测量单元校准信息储存器，与导航计算器连接；低频信号发射器，向低频基站提供当前位置和其它信息，与导航计算器连接。

2.根据权利要求1所述的基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统，其特征在于所述的低频信号接收器的接收频率为200KH_Z，信号带宽为20KH_Z。

3.根据权利要求1所述的基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统，其特征在于所述的低频信号发射器的上行频率为100 KH_Z，带宽为10 KH_Z。

4.根据权利要求1所述的基于惯性测量单元和无线电低频技术的煤矿定位和通信系统，其特征在于所述的低频基站和低频定位手机的低频为100 KH_Z-500 KH_Z。