CN105863735B - 地磁与rfid 射频结合的井下定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地磁与RFID射频结合的井下定位方法。步骤是：巷道安装RFID射频识别卡、人工磁标，井下人员定位装置中组装信息采集器、地磁传感器；绘制井下巷道图、井下地磁分布图、巷道射频识别卡分布图；井下人员随身携带井下定位装置；巷道内RFID射频识别卡发送带有编号的无线信号，井下定位装置接收无线信号，记录并判断该无线信号强度，进行位置匹配粗计算，并显示井下人员当前位置；井下天然地磁场和人工磁标叠加形成井下磁场，井下定位装置的地磁传感器接收磁场数据，记录并进行位置匹配精计算，同时显示井下人员当前精确位置。本发明在井下发生供电中止或信号中断情况下，可完成井下人员定位导航，且定位精度高。

Description

地磁与RFID 射频结合的井下定位方法

技术领域

本发明涉及井下定位技术领域，具体是一种地磁与RFID 射频结合的井下定位方法。

背景技术

井下定位和紧急避险技术是实现井下安全生产和监督管理的关键保障，当矿井出现危险事故时，井下人员或参与救援人员需要借助定位技术来准确、快速地掌握当前所处的准确位置，获取周围避险设置的分布信息，分析自己逃生或救援的最优路径，躲避灾害影响范围，从而保证避险或救援过程的生命安全。

现有的井下定位方法的原理是：井下工作人员身上安装射频定位卡或无线定位终端，井下巷道不同位置安装射频信息采集器或无线定位基站。携带有识别卡或无线定位终端的人员在经过井下放置的读卡器或无线定位基站时，相应接收装置就可以读取到井下人员位置信息，然后通过数据传输线把信息输送到监控终端。系统可以实现井下不同区域的人员运动轨迹动态监测，使管理人员及时了解井下人员的分布、数量及运动状态。

采用上述井下定位技术的数据传输和定位识别是井下人员的被动式定位。在井下正常生产状态下，矿井监控设备可以监测到井下人员位置和运动轨迹，但是井下人员无法实时获取自己所处空间坐标，分析避险或救援最优路径，无法实现按需求的定位导航。这种井下定位技术完全依赖于网络电源的发射与接收，一旦井下受灾害，发生供电中止或信号中断情况，将无法完成井下人员的定位，无法实现避险或救援过程中的实时导航。这种现有定位方法精度依赖于巷道射频信息采集器安装间隔，计算出的井下人员位置不准确，定位精度不高。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中井下人员定位的不足，而提供一种地磁与RFID 射频结合的井下定位方法，该井下定位方法能够提高井下定位精度，解决井下发生灾害后，在无电、无网络情况下井下人员逃生定位导航和救援人员定位搜救的难题。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：

一种地磁与RFID 射频结合的井下定位方法，包括以下步骤：

步骤1：在巷道特定位置安装RFID 射频识别卡、人工磁标，井下人员携带定位装置，在定位装置中组装射频采集器、地磁测量传感器；

步骤2：绘制井下巷道地形分布图、井下地磁分布图、巷道射频识别卡分布图；

步骤3：井下人员携带的定位装置嵌入井下定位的应用程序；

步骤4：巷道内RFID 射频识别卡发送带有编号的无线信号，井下人员携带定位装置中的信息采集器接收无线信号，记录并判断该无线信号的信号强度，进行位置匹配粗计算，在定位装置的显示屏显示井下人员当前位置；

步骤5：井下天然地磁场和人工磁体叠加形成井下磁场，井下人员携带定位装置的地磁测量传感器接收磁场数据，记录并进行位置匹配精计算，在定位装置的显示屏显示井下人员当前精确位置。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其有益效果是：

（1）本发明是在井下天然地磁场基础上，增加人工磁标，实现无源、自主的井下人员的定位，可以有效弥补目前井下紧急情况下无法定位的不足，实现井下无电、无网络时应急避险和救援导航，实现突发应急情况下的人员定位导航功能。

（2）本发明利用地磁与RFID 射频两种信号组合定位，使得井下人员或移动物体的定位实效性强，提高了井下定位精度。

作为优选，本发明进一步的技术方案是：

步骤1中，在巷道主要节点、拐点与特征点处安装射频发射装置，每个射频发射装置安装一个RFID 射频识别卡， RFID 射频识别卡的位置信息保存在的射频识别数据库中。

步骤1中，每条巷道中每隔5米至30米布置人工磁标，每个人工磁标的编号和磁场特征信息保存于井下地磁分布数据库中。

步骤1中，定位装置中还安装有射频识别卡分布数据库和井下地磁分布数据库。

步骤2中，井下巷道地形分布图的图层包含巷道长度、坡度、连接方式。

步骤2中，井下地磁分布图的图层包含人工磁标空间位置、编码、磁场特征信息。

步骤2中，巷道射频识别卡分布图的图层包含射频识别卡发射装置的位置、编码信息。

步骤3中，井下定位的应用程序包含有射频信号采集与匹配模块、地磁测量与匹配模块、井下定位分析与显示模块。

步骤4中，巷道内的RFID 射频识别卡每隔0.5秒至1秒发送一次含有该RFID 射频识别卡编号的无线信号。

步骤5中，地磁测量传感器实时测量井下巷道的地磁场数据，当人员连续行走2米至5米时，地磁测量传感器生成一个地磁特征序列，构成井下人员行走路线地磁实时向量；井下定位的应用程序根据行走路线地磁实时向量，进行数字地图匹配与分析，显示井下人员当前所在地的精确空间坐标。

附图说明

图1 为本发明实施例的定位示意图；

图中标记：S1-第一位置射频发射装置，S2-第二位置射频发射装置，S3-第三位置射频发射装置，S4-第四位置射频发射装置，Si-第i位置射频发射装置（i=5，6，…9），M1-1号人工磁体，M2-2号人工磁体，M3-3号人工磁体，Mi-第i号人工磁体（i=4，5，…8），P01-井下人员。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步阐述，但实施例不对本发明构成任何限制。

参见图1，一种地磁与RFID 射频结合的井下定位方法，按下述步骤进行：

步骤1：在巷道特定位置安装RFID 射频识别卡、人工磁标，井下人员携带定位装置，在定位装置中组装射频采集器、地磁测量传感器，具体为：

①在一条巷道两个端点、巷道拐点处安装射频发射装置，每个射频发射装置内部安装一个RFID 射频识别卡，RFID 射频识别卡发射数据为射频识别卡编号，巷道内的RFID射频识别卡信息保存在射频识别数据库中，此数据库结构为射频识别卡编号、点空间位置X坐标、点空间位置Y坐标、点标高；

②每条巷道中部每隔5米至30米布置人工磁标，每个人工磁标有单独的磁标编号。磁标安放前，应完成测量人工磁标的磁场特征标定测量，并把人工磁体编号、磁场特征、磁体安装的空间信息即点X坐标、点Y坐标信息保存于井下地磁分布数据库中；

③井下人员携带定位装置为小型电子平板接收集成装置，装置嵌入了射频信号采集器电子元件和地磁测量传感器电子元件。

步骤2：运用数字绘图平台绘制井下巷道地形分布图、井下地磁分布图、巷道射频识别卡分布图等，将生成分布图层转换成相应数据文件，导入井下定位的应用程序的基准图数据库中；

井下巷道地形分布图的图层包含巷道长度、坡度、连接方式；

井下地磁分布图的图层包含人工磁标空间位置、编码、磁场特征信息；

巷道射频识别卡分布图的图层包含射频识别卡发射装置的位置、编码信息。

步骤3：井下人员携带定位装置安装井下定位的应用程序，是通过编程语言开发的地磁与RFID 射频结合的井下定位应用程序，应用程序包含有射频信号采集与匹配模块、地磁测量与匹配模块、井下定位分析与显示模块，应用程序可以自动采集无线信号、地磁实时向量，完成井下人员动态定位匹配计算与显示；具体为：

①射频信号采集与匹配模块功能是：井下人员随身携带定位装备的射频采集器，自动采集无线信号后生成数组，导入井下巷道射频发射装置分布属性数据库，进行相关点检索运算；

②地磁测量与匹配模块功能是：井下人员随身携带定位装备的地磁测量传感器，自动探测行走路线磁场，生成地磁实时向量，导入井下巷道磁场分布属性数据，进行定位匹配运算；

③井下定位分析与显示模块功能是：将两种定位方式运算出的定位信息在井下基准图上可视化显示，在井下人员随身携带定位装备的显示屏上显示井下基准图，并动态显示人员行走路线及空间位置。

步骤4：利用射频信号对井下人员完成定位，定位精度一般为10米至50米之间，具体为：

①巷道RFID 射频识别卡每隔0.5秒至1秒自动发送带有其编号的无线信号，井下人员P01携带定位装置行走在巷道中；

②井下人员P01携带定位装置射频采集器可接收到若干个射频识别卡无线信号，P01定位装置记录并对比若干个无线信号信号强度，认为此次输入信号强度最大的编号S1为为井下人员P01最近点；

③设定S1编号为检索关键字段，进行射频识别数据库匹配运算，输出S1编号点空间位置的X坐标、Y坐标和标高，在定位装置显示屏上的井下巷道分布电子地图上S1点附近显示井下人员P01图标。

步骤5：利用地磁信号的井下人员定位为精确定位，定位精度一般为1米至2米之间，具体为：

①巷道中安装的人工磁标与地球天然磁场叠加，共同形成井下磁场，井下人员P01携带定位装置中的地磁传感器可以连续感应并接收行走过程中井下磁场强度；

②井下人员P01连续行走2米至5米左右，随身携带定位装置地磁传感器可以获得一个地磁分布的特征序列，可以转换为井下人员P01行走路线地磁实时向量；

③设地磁实时向量为数字向量匹配计算特征向量，导入井下地磁分布基准数据库，完成进行数字匹配与分析，计算出井下人员P01当时行走所处精确空间坐标，在定位装置显示屏上的井下巷道分布电子地图上显示井下人员P01图标。

本实施例上述人员定位模式，具体为：

（1）当井下安全生产状态良好时， RFID 射频定位与地磁定位两种工作模式同时开启，同时参与定位解算；RFID 射频定位粗略位置，可以作为地磁定位的匹配计算初始向量，参与匹配过程，提高软件解算的效率和精度。

（2）当井下发生灾害，无法提供电磁信号发射时，地磁定位模式单独运行；根据测量地磁向量序列，进行匹配解算，对井下人员空间位置进行定位，并为井下人员避险提供实时导航服务。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，尽管参照优选实施例对本发明专利作了详细说明，对于本领域的普通技术人员来说，可以对本发明的技术方案进行若干改进和润饰，但不脱离本发明技术方案的实质和范围，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种地磁与RFID 射频结合的井下定位方法，按下述步骤进行：

步骤1：在巷道特定位置安装RFID 射频识别卡、人工磁标，井下人员携带定位装置，在定位装置中组装射频采集器、地磁测量传感器，具体为：

①在一条巷道两个端点、巷道拐点处安装射频发射装置，每个射频发射装置内部安装一个RFID 射频识别卡，RFID 射频识别卡发射数据为射频识别卡编号，巷道内的RFID 射频识别卡信息保存在射频识别数据库中，此数据库结构为射频识别卡编号、点空间位置X坐标、点空间位置Y坐标、点标高；

②每条巷道中部每隔5米至30米布置人工磁标，每个人工磁标有单独的磁标编号，人工磁标安放前，应完成人工磁标的磁场特征标定测量，并把人工磁标编号、磁场特征、磁标安装的空间信息即点X坐标、点Y坐标信息保存于井下地磁分布数据库中；

③井下人员携带定位装置为小型电子平板接收集成装置，装置嵌入了射频信号采集器电子元件和地磁测量传感器电子元件；

步骤2：运用数字绘图平台绘制井下巷道地形分布图、井下地磁分布图、巷道射频识别卡分布图，将生成分布图层转换成相应数据文件，导入井下定位的应用程序的基准图数据库中；

井下巷道地形分布图的图层包含巷道长度、坡度、连接方式；

井下地磁分布图的图层包含人工磁标空间位置、编码、磁场特征信息；

巷道射频识别卡分布图的图层包含射频识别卡发射装置的位置、编码信息；

步骤3：井下人员携带定位装置安装井下定位的应用程序，是通过编程语言开发的地磁与RFID 射频结合的井下定位应用程序，应用程序包含有射频信号采集与匹配模块、地磁测量与匹配模块、井下定位分析与显示模块，应用程序可以自动采集无线信号、地磁实时向量，完成井下人员动态定位匹配计算与显示；具体为：

①射频信号采集与匹配模块功能是：井下人员随身携带定位装置 的射频采集器，自动采集无线信号后生成数组，导入井下巷道射频发射装置分布属性数据库，进行相关点检索运算；

②地磁测量与匹配模块功能是：井下人员随身携带定位装置地磁测量传感器，自动探测行走路线磁场，生成地磁实时向量，导入井下巷道磁场分布属性数据，进行定位匹配运算；

③井下定位分析与显示模块功能是：将两种定位方式运算出的定位信息在井下基准图上可视化显示，在井下人员随身携带定位装置显示屏上显示井下基准图，并动态显示人员行走路线及空间位置；

步骤4：利用射频信号对井下人员完成定位，定位精度为10米至50米之间，具体为：

①巷道RFID 射频识别卡每隔0.5秒至1秒自动发送带有其编号的无线信号，井下人员携带定位装置行走在巷道中；

②井下人员携带定位装置射频采集器可接收到若干个射频识别卡无线信号，井下人员携带的定位装置记录并对比若干个无线信号信号强度，认为此次输入信号强度最大的编号S1为井下人员最近点；

③设定S1编号为检索关键字段，进行射频识别数据库匹配运算，输出S1编号点空间位置的X坐标、Y坐标和标高，在定位装置显示屏上的井下巷道分布电子地图上S1点附近显示井下人员图标；

步骤5：利用地磁信号的井下人员定位为精确定位，定位精度为1米至2米之间，具体为：

①巷道中安装的人工磁标与地球天然磁场叠加，共同形成井下磁场，井下人员携带定位装置中的地磁测量传感器连续感应并接收行走过程中井下磁场强度；

②井下人员连续行走2米至5米，随身携带定位装置的地磁测量传感器获得一个地磁分布的特征序列，转换为井下人员行走路线地磁实时向量；

③设地磁实时向量为数字向量匹配计算特征向量，导入井下地磁分布数据库，进行数字匹配与分析，计算出井下人员当时行走所处精确空间坐标，在定位装置显示屏上的井下巷道分布电子地图上显示井下人员图标。