CN104020464B - 基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统及其定位方法，定位系统由无线基准节点、无线定位节点、工业总线、中继设备和信息管理中心组成。所述定位方法为：获取井下人员行进矢量加速度信息；将所述人员的矢量加速度信息转化为步数信息；利用能量检测的方法对无线定位节点的位置进行修正，得到矿下人员精准的位置信息。本发明系统结合总线和无线的通讯技术，采用工业总线的连接方式，避免了纯无线网络不稳定因素的影响；无线基准节点和无线定位节点组成一个低速率短距离的无线通信网络，体现了无线网络的灵活，方便的特性。本发明具有系统稳定性高、可靠性好、低功耗、定位准等优点。

Description

基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及无线定位领域，尤其涉及一种在矿井下利用加速度传感器和无线测距技术工作的定位系统及定位方法。

背景技术

矿下人员定位系统能够对矿下人员工作进行监督，从而进行合理的调度和管理，系统能进行事前预警，并提高事后搜救工作效率，这对煤矿实现安全生产有重要的意义。由于矿下情况复杂，无法应用传统的GPS信号来测定人员移动的距离，同时，由于系统采用电池供电，设备节点的功耗问题尤其值得注意。所以首先要保证系统的稳定性，其次要使系统规划方案具有实际可行性，并且要求系统安装调试简单、易于维护和管理。现有的矿下定位技术包括蓝牙、Zigbee等无线技术。基于Zigbee技术的定位方法主要是通过对矿下人员携带的身份节点发出无线信号的能量强弱和基站的位置来计算出矿下人员的具体位置。基于蓝牙技术的定位方法是通过检测矿下人员是否在其通信范围内，来确认人员的所在区域。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：201310418649.0，名称为：智能型矿用地下人员定位及在线监控指挥系统。该技术通过矿用人员定位射频卡(矿下人员佩戴)和无线识别传感器通信来确定工作人员是在具体某个无线识别传感器附近。但是，上述定位方法属于区域定位，定位精度不高，无法快速准确的得到多个人员的位置信息。另外，中国专利申请号为：2008100969894.4，名称为：一种基于Zigbee网络平台的井下人员跟踪定位方法及其系统。该方法采用Zigbee协议，通过射频能量检测和跟踪定位节点的具体位置来推算出矿下人员的位置。这种技术首先不能够有效保证在特殊情况时各个跟踪定位节点间的通信；其次信号强度测距方法在巷道环境下不可靠，易受反射、多径传播等问题影响；而且在矿下人员较多时，有可能存在漏检情况。

发明内容

本发明目的在于提供一种系统稳定性高、可靠性好、功耗低、定位准的基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统及其定位方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：

本发明所述定位系统由无线定位节点、无线基准节点、工业总线和信息管理中心组成；信息管理中心与无线基准节点之间通过工业总线连接；无线定位节点和无线基准节点组成一个低速率短距离的无线通信网络，所述网络为星型网络，无线基准节点为星型网络的网络协调器，无线定位节点为终端节点。

所述无线定位节点包含无线模块、低功耗微控制器、求救报警装置、加速度传感器和电池；无线模块、求救报警装置和加速度传感器分别与低功耗微控制器和电池模块连接，电池模块与低功耗微控制器连接；无线定位节点安装在井下工作人员的脚腕部，由加速度传感器采集工作人员行进信号，经过卡尔曼滤波处理后，通过无线模块将信号发送至最近的无线基准节点。

所述无线基准节点包含无线模块、低功耗微控制器、总线接口和电池模块；无线模块与低功耗微控制器连接，工业总线通过与总线接口与低功耗微控制器连接，电池模块分别与无线模块、低功耗微控制器和总线接口连接为其提供电能；无线基准节点固定安装在井下巷道中，其位置信息录入信息管理中心的系统中，无线基准节点通过工业总线将无线定位节点中无线模块发送来的信息传输至信息管理中心系统，信息管理中心与无线基准节点及其网络内的无线定位节点进行数据交互；采用工业总线的连接方式，避免了纯无线网络不稳定因素的影响。

所述信息管理中心由接口模块、计算处理模块和显示模块组成；工业总线通过接口模块与计算处理模块连接，计算处理模块的输出端与显示模块连接；信息管理中心将经过卡尔曼滤波处理后的加速度信号设定阈值，计算出井下工作人员的移动距离；无线基准节点判断出井下工作人员行走的方向信息并对无线定位节点的位置信息进行修正，从而得到井下工作人员精准的位置信息。

在远距离通信情况下，在所述工业总线的中段加入总线中继设备，用以保证较高的通信速率。

在井下的每条单方向巷道中，至少安装一个无线基准节点，最佳安装位置在巷道口附近。每个巷道的方向信息可以和无线基准节点相对应，根据能量检测的方法通过无线定位节点加入的网络判断其行走的方向，这样便能更加准确的通过加速度传感器计算位移。无线基准节点通过工业总线发送给信息管理中心进行数据处理。

本发明还提及了基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

(1)系统启动，信息管理中心进行自检测，并确认井下各无线基准节点正常工作；

(2)工作人员进入矿井前，信息管理中心录入无线定位节点、工作人员、随身设备的对应关系；无线定位节点在矿井入口将数据清零，并发送清零消息给信息处理中心；

(3)工作人员进入矿井后，无线定位节点通过能量检测判断来加入能量较强的无线基准节点的网络，能量较强的网络即为较近的网络；无线定位节点实时采集加速度传感器的信号并进行滤波处理，速度传感器采集到的信号通过无线基准节点发送到信息管理中心，由信息管理中心处理信号并计算出无线节点的位置并显示在显示屏上；

(4)在工作人员进入下一个无线基准节点的通信范围内时，下一个无线基准节点会对无线定位节点进行检测，判断无线定位节点是否接近，在到达下一个无线基准节点时，以下一个无线基准节点为基准采集无线基准节点位置信息、加速度传感器信号计算出的位移信息，来对工作人员进行精确定位；

(5)工作人员在矿井下时，如果工作人员遇到异常情况，可通过无线定位节点上的求救报警装置向信息管理中心发出求救信息；如果信息管理中心发现井下有异常情况，可向无线定位节点上的报警装置发送信息，使报警装置进行报警，通知井下工作人员立即撤离。

工作过程大致如下：

无线定位节点采集加速度传感器数据，并通过卡尔曼滤波的方法对信息进行优化处理，计算出井下工作人员行进的步数，每隔一定时间将步数信息发送给最近的无线基准节点，无线基准节点获得无线定位节点的步数数据和身份信息后发送到信息管理中心，由信息管理中心通过历史数据计算出人员的位置信息，最终显示出无线定位节点具体的位置信息，并进行统计和管理。无线定位节点在通过无线基准节点时，系统会通过能量检测的方法对无线定位节点的位置进行修正，能够有效的提高精度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采用工业总线的连接方式，避免了纯无线网络不稳定因素的影响；

2、结合总线和无线通讯技术，无线基准节点和无线定位节点组成一个低速率短距离的无线通信网络，体现无线网络的灵活，泛在的特性；

3、系统稳定性高、可靠性好、功耗低、定位精准。

附图说明

图1为本发明定位系统的结构示意简图。

图2为本发明定位系统的工作结构简图。

图3为本发明定位系统中无线定位节点的结构框图。

图4为本发明定位系统中无线基准节点的结构框图。

图5为本发明定位系统中信息管理中心的结构框图。

图6为本发明定位系统的软件流程图。

图7为本发明定位系统中加速度传感器采集的原始加速度曲线图。

图8为本发明定位系统中经卡尔曼滤波后的矢量加速度曲线图。

附图标号：1-无线定位节点、2-无线基准节点、3-工业总线、4-信息管理中心、5-总线中继设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的本发明的定位系统示意简图中，本发明所述定位系统由无线定位节点1、无线基准节点2、工业总线3和信息管理中心4组成；信息管理中心与无线基准节点之间通过工业总线连接；无线定位节点和无线基准节点组成一个低速率短距离的无线通信网络，所述网络为星型网络，网络容量较大，无线基准节点为星型网络的网络协调器，无线定位节点为终端节点；

所述无线定位节点包含无线模块、低功耗微控制器、求救报警装置、加速度传感器和电池模块；无线模块、求救报警装置和加速度传感器分别与低功耗微控制器和电池模块连接，电池模块与低功耗微控制器连接；无线定位节点安装在井下工作人员的脚腕外侧，由加速度传感器采集工作人员行进信号，经过卡尔曼滤波处理后，通过无线模块将信号发送至最近的无线基准节点；

所述无线基准节点包含无线模块、低功耗微控制器、总线接口和电池模块；无线模块与低功耗微控制器连接，工业总线通过与总线接口与低功耗微控制器连接，电池模块分别与无线模块、低功耗微控制器和总线接口连接为其提供电能；无线基准节点固定安装在井下巷道中，其位置信息录入信息管理中心的系统中，无线基准节点通过工业总线将无线定位节点中无线模块发送来的信息传输至信息管理中心系统，信息管理中心与无线基准节点及其网络内的无线定位节点进行数据交互；在一段单方向的巷道中，至少放置一个无线基准节点，如果单方向段的巷道放置一个无线基准节点，最佳放置位置在巷道口附近；每个巷道的方向信息可以和无线基准节点相对应，这样信息管理中心可以通过无线定位节点加入的网络判断其行走的方向，据此可以更准确的通过加速度传感器计算位移。

所述信息管理中心由接口模块、计算处理模块和显示模块组成；工业总线通过接口模块与计算处理模块连接，计算处理模块的输出端与显示模块连接；信息管理中心将经过卡尔曼滤波处理后的加速度信号设定阈值，计算出井下工作人员的移动距离；无线基准节点判断出井下工作人员行走的方向信息并对无线定位节点的位置信息进行修正，从而得到井下工作人员精准的位置信息。

在远距离通信情况下，在所述工业总线的中段加入总线中继设备，用以保证较高的通信速率。

具体的测距算法描述如下：

1、混合测距算法描述：

首先，由数据采集端的加速度传感器采集到加速度数据，对得到的数据应用卡尔曼滤波算法处理；

其次，对数据结果设定合理的阈值，得到矿下人员行进的步数；

最后，根据步数与距离之间的关系，得到人员行进的距离，每隔一定时间上传至信息管理中心，管理中心通过不同的节点地址信息比对历史数据，估算出对应人员的位置信息。

同时，利用射频信号能量分布特性对人员位置信息进行实时校准，从而实现了在室内或没有GPS信号的设备上也能得到人员的具体位置，满足了矿下特殊环境内的定位要求。

2、测步方法描述：

由无线定位节点上的加速度传感器采集加速度数据，经过卡尔曼滤波处理后，对加速度轨迹设定合理的阈值，即可实时计算人员行进的步数。据此，进一步计算井下人员行进的距离，以满足矿下特殊环境内的定位要求。

人员行进的加速度可分为纵向(记为x轴)，垂直(记为y轴)，横向(记为z轴)三个维度。在实际井下人员行进过程中，我们将加速度传感器放置在人体的脚腕侧面，纵向(x轴)为行进方向，因此横向(z轴)加速度对行进计数不构成明显影响。通过纵向(x轴)和垂直(y轴)两个方向的加速度可以获得人员行进的矢量加速度曲线。如图8所示，原始加速度曲线存在毛刺，在实际的井下人员定位系统中，加速度传感器所测得的加速度数据很容易受到噪声影响，致使加速度测量值存在较大误差。因此需要对采集到的数据做滤波处理。

3、卡尔曼滤波算法描述：

首先利用系统的过程模型，由k-1时刻的加速度值，预测k时刻的加速度：

x(k|k-1)＝x(k-1|k-1) (1)

假设系统过程噪声和测量噪声的协方差分别为Q、R，系统加速度的协方差为：

P(k|k-1)＝P(k-1|k-1)+Q (2)

结合加速度的预测值和测量值，可以得到现在k时刻加速度的最优化估算值x(k|k)：

x(k|k)＝x(k|k-1)+Kg(k)(z(k)-x(k|k-1)) (3)

其中z(k)为系统加速度的测量值，Kg为卡尔曼增益：

Kg(k)＝P(k|k-1)/(P(k|k-1)+R) (4)

此时更新k时刻加速度值的协方差：

P(k|k)＝(1-Kg(k))P(k|k-1) (5)

矢量加速度数据经过卡尔曼滤波后，如图8所示，数据毛刺变得平滑，去除了抖动等噪声的干扰，由此判断步数的精确度也比滤波前有明显的改善。

矢量加速度数据经过卡尔曼滤波算法处理后，首先通过比较峰值加速度的大小，设置一定的阈值来判断运动是否属于有效数据：有效的移动数据记为一步，无效的移动数据被舍弃。同时设定系统每采样100次更新一次，并动态的调整阈值，接下来的100次采样利用此阈值继续判断数据的有效性并合理计步，这样便使系统具有了动态性和自适应性。最后根据步数N，并且已知步行时的单步距离经验值S₀，由如下公式可以获得距离信息S：

S＝S₀×N (6)

实施例1：

基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统的定位方法，

第一步，系统启动，信息管理中心进行自检测，并确认矿下各无线基准节点正常工作。

第二步，进入矿前，信息管理中心录入无线定位节点和人员的对应信息。无线定位节点在矿井入口将数据清零，并加入矿井口的无线基准节点的网络中并发送清零消息。

第三步，进入矿井后，无线定位节点实时采集加速度传感器的信号，并通过卡尔曼滤波优化处理信号，计算出无线节点的行进的步数信息。

无线定位节点只加入最靠近自己的无线基准节点的网络。当无线定位节点从无线基准节点走向下一个无线基准节点的过程中，需要进行网络的切换。在两个基准节点中间位置到下一个无线基准节点之间，下一个无线基准节点的信号更强，无线定位节点进入这个区域时会自动切换到下一个无线基准节点的网络中。

第四步，在进入下一个无线基准节点的通信范围内时，无线定位节点通过能量检测，在自身功率达到最低点时，用下一个无线基准节点的位置信息来校正自身的位置信息：以下一个无线基准节点为基准，之后以该无线基准节点的位置和加速度传感器信号计算出无线定位节点在该无线基准节点通信范围内的具体位移，精确定位。

第五步，矿井下，如果矿下人员发现有异常情况，比如员工根据经验预测有危险发生时，则可以通过按下无线定位节点上的求救按键，给信息管理中心发出求救信息。信息管理中心的工作人员接收到求救信息，立即采取救援措施。

如果发生塌方事故，矿下人员没有能及时的撤离，那么可以通过历史信息查询各矿下人员塌方前最后的位置的具体信息。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统，其特征在于：所述定位系统由无线定位节点、无线基准节点、工业总线和信息管理中心组成；信息管理中心与无线基准节点之间通过工业总线连接；无线定位节点和无线基准节点组成一个低速率短距离的无线通信网络，所述网络为星型网络，无线基准节点为星型网络的网络协调器，无线定位节点为终端节点；

所述无线定位节点包含无线模块、低功耗微控制器、求救报警装置、加速度传感器和电池模块；无线模块、求救报警装置和加速度传感器分别与低功耗微控制器和电池模块连接，电池模块与低功耗微控制器连接；无线定位节点安装在井下工作人员的脚腕部，由加速度传感器采集工作人员行进信号，经过卡尔曼滤波处理后，通过无线模块将信号发送至最近的无线基准节点；

所述无线基准节点包含无线模块、低功耗微控制器、总线接口和电池模块；无线模块与低功耗微控制器连接，工业总线通过与总线接口与低功耗微控制器连接，电池模块分别与无线模块、低功耗微控制器和总线接口连接为其提供电能；无线基准节点固定安装在井下巷道中，其位置信息录入信息管理中心的系统中，无线基准节点通过工业总线将无线定位节点中无线模块发送来的信息传输至信息管理中心系统，信息管理中心与无线基准节点及其网络内的无线定位节点进行数据交互；

所述信息管理中心由接口模块、计算处理模块和显示模块组成；工业总线通过接口模块与计算处理模块连接，计算处理模块的输出端与显示模块连接；信息管理中心将经过卡尔曼滤波处理后的加速度信号设定阈值，计算出井下工作人员的移动距离；无线基准节点判断出井下工作人员行走的方向信息并对无线定位节点的位置信息进行修正，从而得到井下工作人员精准的位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统，其特征在于：在远距离通信情况下，在所述工业总线的中段加入总线中继设备。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统，其特征在于：在井下的每条单方向巷道中，至少安装一个无线基准节点，安装位置在巷道口附近。

4.一种利用权利要求1所述的基于加速度传感器和无线测距技术的混合定位系统的定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

(1)系统启动，信息管理中心进行自检测，并确认井下各无线基准节点正常工作；

(2)工作人员进入矿井前，信息管理中心录入无线定位节点、工作人员、随身设备的对应关系；无线定位节点在矿井入口将数据清零，并发送清零消息给信息处理中心；

(3)工作人员进入矿井后，无线定位节点通过能量检测判断来加入能量较强的无线基准节点的网络，能量较强的网络即为较近的网络；无线定位节点实时采集加速度传感器的信号并进行滤波处理，速度传感器采集到的信号通过无线基准节点发送到信息管理中心，由信息管理中心处理信号并计算出无线节点的位置并显示在显示屏上；

(4)在工作人员进入下一个无线基准节点的通信范围内时，下一个无线基准节点会对无线定位节点进行检测，判断无线定位节点是否接近，在到达下一个无线基准节点时，以下一个无线基准节点为基准采集无线基准节点位置信息、加速度传感器信号计算出的位移信息，来对工作人员进行精确定位；

(5)工作人员在矿井下时，如果工作人员遇到异常情况，可通过无线定位节点上的求救报警装置向信息管理中心发出求救信息；如果信息管理中心发现井下有异常情况，可向无线定位节点上的报警装置发送信息，使报警装置进行报警，通知井下工作人员立即撤离。