CN103188604A - 一种实现井下矿定位导航的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本次公开的一种实现井下矿高精度定位导航的方法及装置，涉及无线电通信、定位、测距领域，可实现井下矿人员及移动设备高精度定位导航。利用无线通信场强信息判断被定位目标的运动方向，利用加速度传感器对时间的双重积分测算被定位目标与智能无线定位通信基站的距离，并利用近距离射频识别卡判别后通过无线定位通信单元接收智能无线定位通讯基站发送的坐标值，校正加速度传感器的累积误差，实现高精度定位，实现该定位方法的装置为智能头盔。智能头盔集成了无线定位通信单元，低功耗LED灯组，嵌入式微型摄像头，OLED显示屏和耳麦，通过智能无线定位通讯基站和环网设备与地面监控中心的交互，实现视频采集、传输，双向语音通信、定位导航等功能。

Description

一种实现井下矿定位导航的方法及装置
技术领域
本发明涉及无线电通信、定位、测距领域，具体说利用无线电通讯技术、电子技术、计算机应用技术实现井下矿人员及移动设备高精度定位导航的装置。
背景技术
近年来，煤矿和非煤矿山井下矿在生产过程中事故时有发生，事故发生时知道井下人员的具体位置可以为救援工作提供有利条件。国家及国家安全管理部门对井下矿安全生产非常重视，推出了“井下矿六大系统”的建设标准。
无线电定位技术包括GPS/北斗/格洛纳斯/伽利略等常规卫星定位方式，RFID、ZIGEBEE、WIFI、UWB、NFC等短距离无线定位方式。卫星定位方式需要卫星可见，在井下矿山无法使用，RFID、ZIGEBEE、WIFI、UWB、NFC等短距离无线定位方式目前在井下矿山应用较多的无线电定位技术为RFID、ZIGBEE和WIFI，UWB和NFC都处于研制阶段。目前，短距离无线定位的原理多采用RSSI、TOA、TDOA和AOA等方式，TOA和TDOA需要时间精确同步和辅助设施，AOA天线技术较为复杂，低成本易实现的为RSSI原理或RFID方式，二者处于区域定位技术水平，定位精度不高。RFID存在漏读现象；利用RSSI原理的定位方式，因无线信号的传播特性会出现被定位目标在一个区域内跳动的情况，使其定位精度不高。
另外，井下人员定位设备、无线语音通信设备、照明设备、急救设备等多处于分立状态，井下工作人员在作业期间，身上挂满各种各样设备，造成其负重作业，限制其灵活性。
发明内容
针对现有无线定位技术水平，本着低成本易实现原则，为了减少井下矿作业人员负重，本发明提供一种高精度定位的方法及装置，该装置为智能头盔。
智能头盔主体由外壳、屏蔽层、内壳、帽檐、低功耗LED照明灯组构成，内壳采用具有缓冲性能的材料构成，屏蔽层起到防止电磁辐射作用，达到国家防辐射标准；低功耗LED照明灯组内装嵌入式微型摄像头和无线定位通信单元，在智能头盔帽檐处安装OLED显示屏和耳麦，显示屏采用折叠结构安装，耳麦采用抽拉式线轴固定在智能头盔帽檐内，整个头盔由便携式矿用可充电电池供电。
无线定位通信单元由无线单片机、加速度传感器、射频卡单元、语音解压缩芯片、视频编解码芯片构成，单片机内部封装路由协议、H.373、H.264协议和高精度定位算法。被定位目标包括井下作业人员和设备，佩戴智能头盔的人员或安装含有智能头盔所集成部件的设备在井下矿作业时，人员或设备在智能无线定位通信基站覆盖范围内移动。可由智能无线定位通信基站布设时设定的真实坐标划定的虚拟区段，确定被定位目标处于哪个区域内。无线定位通信单元利用接收到的该区域内两个端点的智能无线定位通讯基站的信号强度信息确定被定位目标的走向；再利用高精度加速度传感器采集的X、Y、Z三轴的分量对运动时间进行双重积分运算计算被定位目标到智能无线定位通讯基站的距离，同时智能无线定位通讯基站在厘米级的距离内识别智能头盔射频卡信息后将其真实坐标值发送给智能头盔，智能头盔的无线定位通信单元接收该基站坐标后作为运动起始点坐标，用于校正加速度传感器带来的累积误差，得到被定位目标的位置坐标，实现高精度定位；当被定位目标不做运动时，最后定位运算结果可作为利用场强信息进行定位运算结果的修正值来确定被定位目标当前所处位置。
综合运算的定位结果再通过无线定位通信单元的无线通信部分经智能无线定位通信基站和环网设备传输到地面监控中心。智能头盔的无线定位通信单元的核心处理器采用路由算法，具有自身设备信息传输和路由功能。
本发明的有益效果：解决了无线信号跳动对定位精度的影响，减轻了井下作业人员的负重，可实现高精度无线定位和短距离无线通讯，实现井下作业人员的考勤、运动方向等信息识别和无线传感器数据采集。除在井下矿山应用外，稍加改动还可应用在体育项目、机车驾驶的防碰撞等方面。在井下铁矿环境下实际测试，单独利用无线信号场强信息(RSSI)计算定位结果，定位精度10米左右；综合利用加速度传感器、射频识别和信号场强信息计算定位结果，定位精度3米以内。
附图说明
图1是本发明的智能头盔组成图；
图2是本发明的井下定位导航及信息采集系统示意图；
图3是本发明的无线定位通信单元示意图；
具体实施方式
本发明所实现的信息采集、定位、导航和语音通信功能主要由智能头盔17和智能无线定位通信基站18实现。整套井下定位导航及信息采集系统如图2所示，由智能头盔17、智能无线定位通信基站18、环网设备19和地面监控中心15构成。智能头盔17与智能无线定位通信基站18通过无线信号通信，智能无线定位通信基站18通过环网设备19与地面监控中心15构成有线局域网。
系统实施时，首先在井下巷道内按照智能头盔的通信距离布置智能无线定位通讯基站，安放基站的位置利用测绘设备测量出该点三维坐标并存储于该位置的智能无线定位通信基站内，作为智能头盔定位运算的校正值。智能无线定位通讯基站通过光纤环网或CAN总线/485总线等环网设备19接入地面控制中心的局域网，构成井下定位导航及信息采集系统的骨干网络。根据基站的布设形成巷道内初步区间定位的网格，被定位目标在定位网格内移动，智能头盔内部的无线定位通信单元计算得到的高精度被定位目标三维坐标值，通过无线方式发送到智能无线定位通信基站18，再通过环网设备19以有线通信方式汇聚到地面监控中心15，在监控中心的监视计算机的二维/三维地图上实时显示被定位目标的位置及运动轨迹。
智能头盔17这个装置在定位系统中起到至关重要作用，集成高亮度LED灯组1、无线定位通信单元3、显示单元、语音通信和视频采集单元。用高亮度LED灯组等代替现有矿灯，具有低功耗、长寿命优点，同时可以为视频采集单元提供足够的照度；实现照明、视频采集、无线通讯、定位、双向语音通信和信息显示功能，整个智能头盔17由便携式矿用可充电电池16供电，如图1所示。图1中1为低功耗LED照明灯组，其内装有嵌入式微型摄像头2和无线定位通信单元3，其组成示意如图3所示，无线定位通信单元3可以嵌入到LED灯组1内，也可以放于智能头盔17的外壳4内、内壳5外，内壳5由具有缓冲材料构成，外敷绝缘屏蔽层6，防止电磁辐射，达到国家防辐射标准。OLED显示屏7安装在智能头盔帽檐8处，采用可折叠结构安装，通过嵌入智能头盔帽檐8内的软排线与无线单片机10相连。耳麦9采用抽拉式线轴固定在智能头盔帽檐8内，通过音频线与无线定位通信单元3连接。
无线定位通信单元3由无线单片机10、加速度传感器11、射频卡单元12等构成。无线单片机10的IO接口与加速度传感器11、语音解压缩芯片13、视频编解码芯片14相连接，语音解压缩芯片13与耳麦9软连接；视频编解码芯片14与微型摄像头2软连接。无线单片机10内部封装路由协议、H.373、H.264协议和高精度定位算法，实现语音/视频的编解码、定位解算和路由转发功能。视频、语音、定位信息通过无线单片机10采集运算、压缩打包处理后通过无线方式发送到智能无线定位通讯基站18，再经与智能无线定位通信基站18相连的环网设备19上传到地面监控中心15，定位信息在地面监控中心15的监视计算机上的二维/三维地图上实时显示，实现被定位目标的监控和运动轨迹回放。地面监控中心15的调度信息，报警信息、逃生路线通过环网设备19再经智能无线定位通讯基站18发送到智能头盔17内的无线单片机10，由无线单片机10经数据线送到显示屏上7显示，被定位目标可以根据显示屏7上显示的信息或路线图指示作业或逃生，实现导航功能；也可通过环网设备19再经智能无线定位通讯基站18、智能头盔内的无线单片机10及与其相连接的耳麦9实现与被定位目标的双向语音通信。

Claims (4)

1.一种实现井下矿高精度定位导航的方法及装置，其特征是由智能头盔及其无线集成的无线定位通信单元(3)、OLED显示屏(7)和封装于无线定位通信单元(3)内的高精度定位算法实现。
2.根据权利要求1所述的高精度定位算法，其特征是在根据(18)智能无线定位通信基站布设坐标划定的虚拟区段，确定被定位目标处于哪个区域内，无线定位通信单元(3)利用接收到的该区域内两个端点的(18)智能无线定位通讯基站的信号强度信息确定被定位目标的走向；再利用高精度加速度传感器(11)采集的X、Y、Z三轴的分量对运动时间进行双重积分运算计算被定位目标到智能无线定位通讯基站(18)的距离，同时结合智能无线定位通讯基站(18)识别智能头盔(17)内的射频卡(12)信息后发送给智能头盔(17)的真实坐标值，校正加速度传感器(11)带来的累积误差，得到被定位目标的位置坐标，实现高精度定位；当被定位目标不做运动时，最后定位运算结果可作为利用场强信息进行定位运算结果的修正值来确定被定位目标当前所处位置。
3.根据权利要求1所述的智能头盔，其特征是集成LED照明灯组(1)，其内嵌嵌入式微型摄像头(2)和无线定位通信单元(3)，嵌入式微型摄像头(2)通过数据线与无线定位通信单元(3)上的视频编解码芯片(14)相连接；智能头盔主体由外壳(4)、内壳(5)、帽檐(8)构成，内壳(5)由具有缓冲性能的材料构成，外敷绝缘屏蔽层(6)，防止电磁辐射，达到国家防辐射标准；OLED显示屏(7)安装在智能头盔帽檐(8)处，采用折叠结构安装，通过嵌入智能头盔帽檐(8)内的软排线与无线定位通信单元(3)上的无线单片机(10)相连，耳麦(9)采用抽拉式线轴固定在智能头盔帽檐(8)内，通过音频线与无线定位通信单元(3)上的语音解压缩芯片(13)连接，整个头盔由便携式矿用可充电电池(16)供电。
4.根据权利要求3所述的无线定位通信单元，其特征是其由无线单片机(10)、加速度传感器(11)、射频卡单元(12)、语音解压缩芯片(13)、视频编解码芯片(14)构成，无线单片机(10)的IO接口与加速度传感器(11)、语音解压缩芯片(13)、视频编解码芯片(14)相连接，无线单片机(10)内部封装路由协议、H.373、H.264协议和高精度定位算法，视频、语音、定位信息通过无线单片机(10)采集、运算、压缩处理后通过无线方式发送到(18)智能无线定位通讯基站，再经与(18)智能无线定位通信基站相连的(19)环网设备上传到地面监控中心(15)；地面监控中心(15)也可通过(19)环网设备、(18)智能无线定位通信基站这条链路将调度信息、报警信息、逃生路线发送到(17)智能头盔的(7)显示屏上，为被定位目标实现作业或逃生导航。
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