CN103217154B - 一种煤矿井下人员定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对煤矿井下人员执行自动化定位的方法，包括：（a）对作为定位对象的井下人员实时检测当前的三轴加速度和三轴轴角速度以及当前所处地点的磁场强度；（b）周期性采集上述检测数据，然后利用这些检测数据计算得出定位对象在各个采集周期内包括运动速度及相对位置在内的定位信息；（c）将计算得出的定位信息经由Zigbee无线传输网络发送至地面监控系统予以存储和实时显示，由此完成对煤矿井下人员的定位过程。此外，本发明中还公开了相应的自动化定位装置，以及对定位对象执行步姿判断及零速修正处理的优选方案。通过本发明，可以实现高精度和高可靠性的人员定位，并能充分发挥Zigbee网络在煤矿井下环境中的良好应用。

Description

一种煤矿井下人员定位方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信定位技术领域，更具体地，涉及一种煤矿井下人员定位方法及装置。

背景技术

随着煤炭行业的不断发展，煤炭企业对生产管理和生产安全的需求也日益提升，其中对煤矿井下人员的有效定位，不但利于提升管理质量，更是对安全生产以及事故救援的可靠保障。由于井下无法接受GPS信号，不能采用GPS系统解决人员定位问题，目前通常采用RFID定位或Zigbee定位来实现井下人员的定位。这两种定位方式均属无线信号定位，需要预先在矿井内的通道口和其他关键点安放定位传感器，人员携带定位标签进入井下，当进入到定位传感器的感应区域时，启动相应的处理方式判断人员所处的位置。

具体而言，RFID定位技术的定位传感器为射频读卡器，定位标签为射频卡，当人员经过射频读卡器的读取范围时，射频读卡器对射频卡进行读取，记录卡内信息完成人员行踪记录。RFID定位技术的算法简单，但存在以下缺点：其定位精度与射频读卡器的安置密度成正比，提高精度的成本较高；射频卡的读取速度有限，多人同时经过射频读卡器时，会出现漏检情况；此外，射频读卡器的读取范围有限，射频卡的方向与射频读卡器的天线放置需要满足一定的匹配关系，灵活性低。

Zigbee定位技术的定位传感器和定位标签均为Zigbee节点，利用Zigbee网络的自组网功能，人员佩带的标签节点自动加入井下预先安放的Zigbee参考节点所组成的网络中。标签节点测量到不同参考节点的信号强度，换算成距离，并根据特定算法计算出自身的位置。然而，由于井下环境复杂，干扰源众多，信号强度的波动很大，信号强度与距离的对应准确率低，造成最终定位效果的不稳定。因此，在相关领域中亟需更为完善、便于操控的定位方式，以便在煤矿井下这种复杂环境中实现对其人员的精确定位。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种煤矿井下人员定位方法及装置，其中基于惯性导航技术，能够在煤矿井下环境中提供高精度和高可靠性的人员定位；此外通过对定位对象执行步姿判断并执行零速修正处理，能够显著减少惯性导航采样过程中的噪声，降低误差，充分发挥Zigbee网络在煤矿井下环境中的良好应用。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于对煤矿井下人员执行自动化定位的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）对作为定位对象的井下人员实时检测当前的三轴加速度和三轴角速度以及当前所处地点的磁场强度；

（b）周期性采集上述检测数据，然后利用这些检测数据计算得出定位对象在各个采集周期内包括运动速度及相对位置在内的定位信息；

（c）将步骤（b）计算得出的定位信息经由Zigbee无线传输网络发送至地面监控系统予以存储和实时显示，由此完成对煤矿井下人员的定位过程。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，当开始采集所述检测数据之后，首先对其执行去噪处理，然后通过互补滤波方式计算得出所述定位信息：

（a1）利用检测数据中的当前三轴加速度，推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角；

（a2）利用检测数据中的当前三轴角速度，再次推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角，然后结合步骤（a1）所得出的俯仰角和横滚角执行修正，由此获得俯仰角修正值和横滚角修正值；

（a3）利用检测数据中的当前所处地点磁场强度与所述俯仰角修正值和横滚角修正值进行数据融合，计算出定位对象当前的偏航角；然后结合当前三轴角速度数据执行修正，由此获得偏航角修正值；

（a4）再次利用检测数据中的当前三轴加速度，并结合通过步骤（a2）和（a3）所获得的俯仰角、横滚角和偏航角三者修正值，计算得出定位对象包括运动速度及相对位置在内的初始定位信息；

（a5）重复执行上述步骤（a1）～（a4），并结合上一周期的定位信息来计算当前周期的定位信息，由此获得定位对象在各个采集周期内的定位信息。

作为进一步优选地，对于上述计算定位信息的过程，基于定位对象的步姿判断来执行下列优化处理：

当利用检测数据中的当前三轴加速度推算得出定位对象的当前俯仰角之后，首先按照此俯仰角将定位对象的步行周期划分为加速-减速-零速三个阶段，然后通过步骤（a2）～（a4）分别计算得出对应的定位信息，其中对于划分为加速或减速阶段的，保留其对应的定位信息不变；而对于划分为零速阶段的，将其对应的运动速度执行归零处理，其相对位置信息保持不变。

作为进一步优选地，利用事先预设的俯仰角阈值来判定零速阶段，该俯仰角阈值譬如通过对各个定位对象处于静止状态时的足部俯仰角数据统计学习而获得，其中当定位对象的当前俯仰角与所述俯仰角阈值两者之差的绝对值在10度以内时，则判定为零速阶段；反之，则判定处于加速或减速阶段。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的煤矿井下人员自动化定位装置，其特征在于，该定位装置包括姿态方位传感模块、Zigbee无线传输模块和嵌入式运算控制模块，它们优选集成为块状结构，并可拆卸地放置在作为定位对象的井下人员的足部，其中：

所述姿态方位传感模块包括加速度传感器、陀螺仪和磁力计，该加速度传感器和陀螺仪分别用于对定位对象当前的三轴加速度和三轴角速度执行实时检测，该磁力计用于对定位对象当前所处地点的磁场强度执行实时检测；

所述嵌入式运算控制模块周期性采集姿态方位传感模块的上述检测数据，并利用这些检测数据计算得出定位对象在各个采集周期内包括运动速度及相对位置在内的定位信息；

所述Zigbee无线传输模块将嵌入式运算控制模块计算得出的定位信息发送至地面监控系统，并由地面监控系统予以存储和实时显示。

作为进一步优选地，所述嵌入式运算控制模块还用于根据检测数据中的三轴加速度数据，将定位对象的步行周期划分为加速-减速-零速三个阶段，并对划分为零速阶段时所对应的运动速度执行归零处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用惯性导航技术，可以简单易行、可靠性高的方式实现对井下人员的精确定位；此外通过借助Zigbee的自组网功能，可形成可自由扩展的无线网络体系，并适用于煤矿井下的特殊应用场合；

2、通过采用互补滤波方式来处理获得定位信息，能够进一步提高惯性导航的精度和可靠性，而且利用成本相对较低的硬件平台即可实现，降低了整体定位系统的配置成本；

3、在整个惯性导航定位过程中，通过配合步姿判断并对测量速度进行归零修正，能够显著减少惯性导航采样过程中的噪声，降低系统误差累计，并遏制速度漂移现象的发生。

附图说明

图1是按照本发明的煤矿井下人员自动化定位装置的组成示意图；

图2是按照本发明的煤矿井下人员自动化定位方法的工艺流程图；

图3是将图2中所示的定位装置放置至定位对象后的步姿分析图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的煤矿井下人员自动化定位装置的组成示意图。如图1中所示，该定位装置主要包括姿态方位传感模块1、嵌入式运算控制模块2和Zigbee无线传输模块3，它们优选集成为块状结构，并可拆卸地放置在作为定位对象的井下人员的足部。具体而言，姿态方位传感模块1譬如为InvenSense公司的MPU6050六轴运动处理组件，并包括用于对定位对象当前的三轴加速度执行实时检测的加速度传感器、用于对定位对象当前的三轴角速度执行实时检测的陀螺仪，以及用于对定位对象当前所处地点的磁场强度执行实时检测的磁力计。嵌入式运算控制模块2用于周期性采集姿态方位传感模块的上述检测数据，并利用这些检测数据计算得出定位对象在各个采集周期内包括运动速度及相对位置在内的定位信息。作为其具体构成形式，譬如可采用TI公司的MSP430F5系列处理器芯片、存储器、I2C通信接口、SPI通信接口以及稳压电源等。Zigbee无线传输模块3的作用在于将嵌入式运算控制模块2计算得出的定位信息发送至地面监控系统，并由地面监控系统予以存储和实时显示，其具体形式譬如可采用TI公司的CC2430内置射频收发器芯片、PCB板载天线以及SPI通信接口等。

在姿态方位传感模块1中，如同本领域技术人员所熟知地，加速度传感器、陀螺仪和磁力计的安放在其载体坐标系中应方向一致，且平移后可重合，以便对定位对象有效执行惯性导航。嵌入式运算控制模块2可通过I2C总线与姿态方位传感模块1数据连接，并为其供电；嵌入式运算控制模块2还通过SPI总线与Zigbee无线传输模块3进行数据连接，并为其供电。如图3中所示，姿态方位传感模块1、嵌入式运算控制模块2和Zigbee无线传输模块3整合成譬如呈块状结构的微型装置，并可通过弹力固定带可拆卸地放置在定位对象的足部，优选固定在鞋面上。

下面将参照图2来具体描述按照本发明的煤矿井下人员自动化定位方法。

首先，对作为定位对象的井下人员实时检测其当前的三轴加速度和三轴角速度以及其当前所处地点的磁场强度；接着，周期性采集上述检测数据，然后利用这些检测数据计算得出定位对象在各个采集周期内包括运动速度及相对位置在内的定位信息；最后，将计算得出的定位信息经由Zigbee无线传输网络发送至地面监控系统予以存储和实时显示，由此完成对煤矿井下人员的自动化定位过程。通过上述操作，能够基于惯性导航技术实现对井下人员的精确定位，并借助Zigbee的自组网功能，形成可自由扩展的无线网络体系，因而尤其适用于煤矿井下的特殊应用场合。

鉴于利用三轴加速度和磁场强度推算的姿态角度虽然具有较好的低频特性，但对快速动作不够敏感；与此相对照地，利用三轴角速度推算的姿态角度虽然能够快速跟踪被检测对象，但不能长时间准确工作；因此按照本发明的一个优选实施方式，当开始采集所述检测数据之后，对其执行去噪处理，然后优选通过互补滤波方式计算得出所述定位信息，以便进一步提高惯性导航的精度和可靠性，而且该过程的运算量较小，对硬件平台的计算能力要求不高，因而尤其适合煤矿井下定位的实际应用。该过程具体描述如下：

STEP1：利用检测数据中的当前三轴加速度，推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角；

STEP2：利用检测数据中的当前三轴角速度，再次推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角，然后结合上一步骤所推算得出的俯仰角和横滚角执行修正，由此获得俯仰角修正值和横滚角修正值；

STEP3：利用检测数据中的当前所处地点磁场强度与所述俯仰角修正值和横滚角修正值进行数据融合，计算出定位对象当前的偏航角；然后结合当前三轴角速度数据执行修正，由此获得偏航角修正值；

STEP4：再次利用检测数据中的当前三轴加速度，并结合上述所获得的俯仰角、横滚角和偏航角三者修正值，计算得出定位对象包括运动速度及相对位置在内的初始定位信息；

STEP5：重复执行上述步骤，并结合上一周期的定位信息来计算当前周期的定位信息，由此获得定位对象在各个采集周期内的定位信息。

此外，考虑到定位对象在步行过程中往往会对三轴加速度和三轴角速度的检测过程带来频繁的干扰，导致采样数据噪声增多，误差无法避免；而且当进行积分处理后，误差会进一步扩大和积累，速度漂移无法有效遏制，最终导致定位的有效时间短暂，定位效果不佳。因此，在本发明中针对上述情况，配以步姿判断并对测量速度进行修正，以便减少惯性测量所带来的系统误差积累。

如图3中所示，取定位对象的鞋面作为分析点，在其一步周期内移动速度呈现“加速—减速—零速—加速”这一周期性过程：当脚部落地与地面紧贴时，分析点的速度降为零，将此记为脚落地阶段；当脚部离开地面，在空中摇摆前进时，分析点的速度经历加速和减速过程，将此记为脚迈步阶段。在一步周期内速度呈现周期变化的同时，分析点的俯仰角同样呈现周期性变化，并且特征明显。

基于以上分析，在本发明中相应采用的步姿判断及修正过程具体如下：当利用检测数据中的当前三轴加速度推算得出定位对象的当前俯仰角之后，首先按照此俯仰角将定位对象的步行周期划分为加速-减速-零速三个阶段，然后按照上述方式分别计算得出对应的定位信息，其中对于划分为加速或减速阶段的，保留其对应的定位信息不变；而对于划分为零速阶段的，将其对应的运动速度执行归零处理，其相对位置信息保持不变。

在实践应用中，可以利用事先预设的俯仰角阈值来判定零速阶段，该俯仰角阈值譬如通过对各个定位对象处于静止状态时的足部俯仰角数据统计学习而获得，其中当定位对象的当前俯仰角与所述俯仰角阈值两者之差的绝对值在10度以内时，则判定为零速阶段；反之，则判定处于加速或减速阶段。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于对煤矿井下人员执行自动化定位的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对作为定位对象的井下人员实时检测当前的三轴加速度和三轴角速度以及当前所处地点的磁场强度；

(b)周期性采集上述检测数据，然后利用这些检测数据计算得出定位对象在各个采集周期内包括运动速度及相对位置在内的定位信息；在此步骤中，当开始采集所述检测数据之后，首先对其执行去噪处理，然后通过互补滤波方式计算得出所述定位信息：

(1)利用检测数据中的当前三轴加速度，推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角；

(2)利用检测数据中的当前三轴角速度，再次推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角，然后结合步骤(1)所得出的俯仰角和横滚角执行修正，由此获得俯仰角修正值和横滚角修正值；

(3)利用检测数据中的当前所处地点磁场强度与所述俯仰角修正值和横滚角修正值进行数据融合，计算出定位对象当前的偏航角；然后结合当前三轴角速度数据执行修正，由此获得偏航角修正值；

(4)再次利用检测数据中的当前三轴加速度，并结合通过步骤(2)和(3)所获得的俯仰角、横滚角和偏航角三者修正值，计算得出定位对象包括运动速度及相对位置在内的初始定位信息；

(5)重复执行上述步骤(1)～(4)，并结合上一周期的定位信息来计算当前周期的定位信息，由此获得定位对象在各个采集周期内的定位信息；

(c)将步骤(b)计算得出的定位信息经由Zigbee无线传输网络发送至地面监控系统予以存储和实时显示，由此完成对煤矿井下人员的定位过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于上述计算定位信息的过程，基于定位对象的步姿判断来执行下列优化处理：

当利用检测数据中的当前三轴加速度推算得出定位对象的当前俯仰角之后，首先按照此俯仰角将定位对象的步行周期划分为加速-减速-零速三个阶段，然后通过所述步骤(2)～(4)分别计算得出对应的定位信息，其中对于划分为加速或减速阶段的，保留其对应的定位信息不变；而对于划分为零速阶段的，将其对应的运动速度执行归零处理，其相对位置信息保持不变。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用事先预设的俯仰角阈值来判定零速阶段，该俯仰角阈值通过对各个定位对象处于静止状态时的足部俯仰角数据统计学习而获得，其中当定位对象的当前俯仰角与所述俯仰角阈值两者之差的绝对值在10度以内时，则判定为零速阶段；反之，则判定处于加速或减速阶段。

4.一种用于对煤矿井下人员执行自动化定位的装置，其特征在于，该定位装置包括姿态方位传感模块、Zigbee无线传输模块和嵌入式运算控制模块，它们优选集成为块状结构，并可拆卸地放置在作为定位对象的井下人员的足部，其中：

所述姿态方位传感模块包括加速度传感器、陀螺仪和磁力计，该加速度传感器和陀螺仪分别用于对定位对象当前的三轴加速度和三轴角速度执行实时检测，该磁力计用于对定位对象当前所处地点的磁场强度执行实时检测；

所述嵌入式运算控制模块周期性采集姿态方位传感模块的上述检测数据，并利用这些检测数据计算得出定位对象在各个采集周期内包括运动速度及相对位置在内的定位信息；该嵌入式运算控制模块的具体运算控制过程被设定为：当开始采集所述检测数据之后，首先对其执行去噪处理，然后通过互补滤波方式计算得出所述定位信息：(1)利用检测数据中的当前三轴加速度，推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角；(2)利用检测数据中的当前三轴角速度，再次推算得出定位对象当前的俯仰角和横滚角，然后结合步骤(1)所得出的俯仰角和横滚角执行修正，由此获得俯仰角修正值和横滚角修正值；(3)利用检测数据中的当前所处地点磁场强度与所述俯仰角修正值和横滚角修正值进行数据融合，计算出定位对象当前的偏航角；然后结合当前三轴角速度数据执行修正，由此获得偏航角修正值；(4)再次利用检测数据中的当前三轴加速度，并结合通过步骤(2)和(3)所获得的俯仰角、横滚角和偏航角三者修正值，计算得出定位对象包括运动速度及相对位置在内的初始定位信息；(5)重复执行上述步骤(1)～(4)，并结合上一周期的定位信息来计算当前周期的定位信息，由此获得定位对象在各个采集周期内的定位信息；

所述Zigbee无线传输模块将嵌入式运算控制模块计算得出的定位信息发送至地面监控系统，并由地面监控系统予以存储和实时显示。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述嵌入式运算控制模块还用于根据所述检测数据中的三轴加速度数据，将定位对象的步行周期划分为加速-减速-零速三个阶段，并对划分为零速阶段时所对应的运动速度执行归零处理。