CN107621629A - 一种井下精确定位系统及井下定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下精确定位系统及井下定位方法，包括井下信号发生端、井上定位终端，所述信号发生端包括磁场发生源、若干磁场接收单元；所述磁场接收单元与所述定位终端进行有线数据通信；磁场发生源设置在井下移动物体上或由工人随身携带，磁场接收单元按照规定的间距布置在井下巷道内；磁场发生源向磁场接收单元发出电磁场和频率信号，频率信号携带唯一标识所述磁场发生源的标识码；磁场接收单元接收电磁场产生感应电动势并计算出磁通量，将磁通量及标识码上传至所述定位终端；定位终端根据各个磁场接收单元的磁通量和标识码计算出磁场发生源的精确位置。本发明能对井下工人或移动机车进行精确定位，误差小、抗干扰性强。

Description

一种井下精确定位系统及井下定位方法

技术领域

本发明涉及井下定位技术。

背景技术

目前我国煤矿井下在开采过程中，井下的机车运输、行走人员直接关系到煤矿生产的效率与效益。由于机车运输任务繁重、工作繁忙极易造成翻车、出轨、对撞、追尾、撞人等事故，当出现事故时对机车、人员快速准确定位是应急救援的关键，国内矿井精确人员定位技术有很大发展，但都存在误差大、抗干扰能力差、成本高的缺陷，给应急救援工作带来了阻碍。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种定位精度高、抗干扰性好的井下精确定位系统以及方法，能够减小定位误差、提高定位精度，且抗干扰能力强。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种井下精确定位系统，包括位于井下的信号发生端、位于井上的定位终端，所述信号发生端包括磁场发生源、若干磁场接收单元，所述磁场接收单元与所述定位终端进行有线数据通信；

所述磁场发生源设置在井下移动物体上或由工人随身携带，所述磁场接收单元按照规定的间距布置在井下巷道内；

所述磁场发生源向磁场接收单元发出电磁场和频率信号，所述频率信号携带唯一标识所述磁场发生源的标识码；

所述磁场接收单元接收所述电磁场产生感应电动势并根据所述感应电动势计算出磁通量，将所述磁通量及标识码上传至所述定位终端；

所述定位终端根据各个磁场接收单元的磁通量和标识码计算出磁场发生源的精确位置。

同时，本发明提供了一种采用上述井下精确定位系统进行井下定位的方法，包括以下环节：

A、定位终端建立基础模拟数据库，所述基础模拟数据库包括各个磁场接收单元在井下的实际位置信息、磁场发生源的模拟位置信息；

B、磁场发生源向磁场接收单元发出电磁场和频率信号f，频率信号f携带标识磁场发生源的标识码；

C、磁场接收单元接收电磁场测量出自身感应电动势，根据感应电动势测出磁通量；接收频率信号f将频率信号f转化为标识码；磁场接收单元将所述磁通量、标识码打包成定位数据包通过传输网关有线传送到定位终端；

D、定位终端依次扫描并接收所有磁场接收单元上传的定位数据包，同时读取定位数据包中的标识码；

E、定位终端任取3个定位数据包的磁通量，求取磁通量平均值作为基础阈值；

F、定位终端循环提取每一个定位数据包中的磁通量值，采用检测值算法和方差增量比判断磁通量是否同方向变化，定位终端对磁通量同方向变化的定位数据包进行存储；

G、将同方向变化的定位数据包中的磁通量值与基础阈值进行循环比较，存储磁通量最大值的定位数据包M、磁通量次大值的定位数据包SM；

H、定位终端针对定位数据包M及定位数据包SM采用半径交叉算法，结合基础模拟数据库定位磁场发生源的精确位置。

区别于现有技术的情况，本发明的优点是：

(1)磁场发生源同时发射磁场和频率信息，这样磁场接收单元在磁场发生源发射的磁场影响下，会引起自身感应电动势的变化，通过感应电动势可以计算出磁通量，依据磁通量和频率携带的标识码，定位终端即可定位出磁场发生源的位置信息，在磁通量及频率信号的采集和分析上有效的屏蔽了信号噪声和电子元件波动带来的干扰误差，抗干扰性强。

(2)定位终端通过检测值算法和方差增量比确定磁场发生源移动方向，以及采用基于3个磁场接收单元磁通量的平均值为阀值基础，减小了定位误差，半径交叉法可以提高定位精度。

(3)磁场发生源采用了标识码进行标识，这样当井下存在多个磁场发生源时，可以根据标识码进行区别，能起到对井下人员、机车运行轨迹实现区分识别，实现对所有磁场发生源的精确定位的目的。

附图说明

图1是本发明所述的井下定位系统结构图；

图2是本发明所述的磁场接收单元的框架示意图；

图3是本发明所述的井下定位方法流程图；

图中，1-磁场发生源，2-磁场接收单元，3-井下巷道壁，4-定位终端，5-电磁场。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

参见图1至图2，一种井下精确定位系统，包括位于井下的信号发生端及位于井上的定位终端4，信号发生端包括磁场发生源1、若干磁场接收单元2，磁场接收单元2与定位终端4进行有线数据通信，通过有线数据通信可以降低数据信号损耗、提高信号抗干扰能力。

磁场发生源1设置在井下移动物体上或由工人随身携带，磁场接收单元2按照规定的间距，例如10米，布置在井下巷道内；磁场发生源1向磁场接收单元2发出电磁场5和频率信号，频率信号携带标识磁场发生源1的标识码，即每一个磁场发生源1都有一个标识码；磁场接收单元2接收电磁场产生感应电动势，根据感应电动势计算出磁通量，并将磁通量及标识码上传至定位终端4；定位终端4根据各个磁场接收单元2的磁通量大小和标识码计算出磁场发生源1的精确位置。

其中，磁场发生源1包括磁场发生器、频率发生器；磁场发生器发出磁场信号，频率发生器将磁场发生源1的标识码通过频率信号的形式发射出去。

其中，磁场接收单元2包括感应线圈、频率信号接收器、微处理器、信号处理器、计时器、传输网关，磁场接收器及频率信号接收器与信号处理器电连接，微处理器与信号处理器及传输网关电连接，计时器与磁场接收器、频率信号接收器、微处理器电连接，具体地，信号处理器包括检测电路、信号增益放大电路、滤波电路、检波电路，感应线圈及频率接收器与检测电路的输入端电连接，检测电路的输出端与信号增益放大电路的输入端电连接，信号增益放大电路的输出端与滤波电路的输入端电连接，滤波电路的输出端与检波电路的输入端电连接，检波电路的输出端与微处理器电连接。

这样检测电路输出感应电动势及频率信号到信号增益放大电路，信号增益放大电路对感应电动势及频率信号进行放大处理后经滤波电路进行平滑滤波，经检波电路设置检波参数后将感应电动势及频率信号发送到微处理器，通过微处理将感应电动势转换成磁通量及标识码；并将磁通量及标识码打包为定位数据包通过传输网关有线传送到定位终端4。其中，传输网关连接网络数据线的一端，网络数据线的另一端连接到定位终端的网络数据接口，这样通过网络数据线将定位数据包通过有线传输方式传输到定位终端，实现了数据的远距离传输，降低数据信号损耗，提高抗干扰能力。

本实施例中，感应线圈为螺线管感应线圈。

其中，定位终端4设置在上位机中，上位机的CPU中设有定位算法模型，定位算法模型通过定位算法建立基础模拟数据库及求取磁场发生源1位置，定位算法包括检测值算法、方差增量比算法、半径交叉算法。即通过CPU中的定位算法模型建立基础模拟数据库及求取磁场发生源1的具体位置。其中，基础模拟数据库是根据需要的定位精度，使用一个磁场发生源1作为参考模块在井下巷道进行模拟，首先将在每个磁场接收单元2在井下巷道的实际位置明确，其次将磁场发生源1参考模块分别靠近各个磁场接收单元2，得到各个定位的模拟位置数据，将生成的模拟位置数据及磁场接收单元2的实际位置上传到监控中心存储，形成基础模拟数据库。

如图3所示，本发明还提供了采用井下精确定位系统进行井下定位的方法，包括以下环节：

A、定位终端4建立基础模拟数据库，所述基础模拟数据库包括各个磁场接收单元2在井下的实际位置信息、磁场发生源1的模拟位置信息。

具体而言，在井下按照规定的间距，例如10米，设置磁场接收单元2，记录每一个磁场接收单元2在井下的位置；在移动物体或人体上固定磁场发生源1，并向磁场发生源1匹配一个标识码，即每一个磁场发生源1对应一个唯一的标识码。本实施例中，标识码为数字与字母组合的编码，以实现对工人和机车的分类标识，例如，用R00001、R00002等表示不同的工人，用C00001、C00002表示不同的机车。

根据需要的定位精度，使用一个磁场发生源1作为参考模块在井下巷道进行模拟移动，即将磁场发生源1参考模块分别靠近各个磁场接收单元2，得到磁场发生源1的模拟位置数据，从而磁场发生源1的模拟位置信息，同时定位终端4存储各个磁场接收单元2的实际位置信息。

B、磁场发生源1向磁场接收单元2发出电磁场5和频率信号f，频率信号f携带标识磁场发生源1的标识码。

当待测物体移动时，磁场发生源1发出磁场和频率信号f，这样通过发射频率信号f的方式将磁场发生源1的标识码发送到磁场接收单元2。

C、磁场接收单元2接收电磁场5测量出自身感应电动势，根据感应电动势测出磁通量；接收频率信号f将频率信号f转化为标识码；磁场接收单元2将所述磁通量、标识码打包成定位数据包通过传输网关传送到定位终端4，即第一个磁场接收单元2的定位数据包表示为[f1,dB1/dt1]，第n个磁场接收单元2的定位数据包表示为[fn,dBn/dtn]；因磁场接收单元2通过传输网关有线传输数据，每一个传输网关对应一个IP地址，这样可以通过IP地址对每一个磁场接收单元2进行标识，即定位终端4能通过传输网关获取磁场接收单元2的详细信息，以便后续通过磁场接收单元2对磁场发生源1进行定位。

D、定位终端4依次扫描并接收所有磁场接收单元2上传的定位数据包。

E、定位终端4任取3个定位数据包的磁通量，求取磁通量平均值作为基础阈值。

F、定位终端4提取每一个定位数据包中的磁通量值，采用检测值算法和方差增量比判断磁通量是否同方向变化，定位终端存储磁通量同方向变化的定位数据包；即对每个新获得磁场接收单元2的磁通量值采用方差增量比和检测值是否同向变化判断磁通量是否同方向变化，对磁通量同方向变化的定位数据包保存，对磁通量不同方向变化的定位数据包予以舍弃，这样的目的是存储磁场发生源1移动方向上的磁场接收单元2的定位数据包，提高定位的精度和效率；

其中，

式中，x_n及x_m表示磁通量，n及m表示磁场接收单元2的编号，其中，n＝m+1，x_n＝dBn/dtn，x_m＝dBm/dtm；

判断方差增量比与检测值增量比是否同向变化，▽大于零时表示磁通量同方向变化。

G、将同方向变化的定位数据包中的磁通量值与基础阈值进行循环比较，存储磁通量最大值的定位数据包M、磁通量次大值的定位数据包SM；即将▽大于零的定位数据包予以保留，将每一个保留的磁通量数据与基础阈值进行大小比较，最后选出最大磁通量值和次大磁通量值，存储最大磁通量值的定位数据包M[fm,dBm/dtm]，次大磁通量值的定位数据包SM[fm,dBsm/dtsm]。

H、定位终端4针对定位数据包M及定位数据包SM采用半径交叉算法，结合基础模拟数据库定位磁场发生源1的精确位置。

其中，半径交叉算法具体为：提取定位数据包中的磁通量值通过公式获取定位数据包M对应的磁场接收单元2的磁场半径r1、定位数据包SM对应的磁场接收单元2的磁场半径r2；

式中，r表示磁场半径，μ₀表示真空磁导率，S为螺线管感应线圈截面积，I为磁场接受单元的感应电动势电流，其中，I＝ε/R，R为螺线管感应线圈电阻值，μ₀、S、I为已知值。

提取定位数据包M[fm,dBm/dtm]中的标识码fm确定磁场发生源1的详细信息；确定r1与r2在井下巷道内的交叉点P，将交叉点P与基础模拟数据库的磁场接收单元2在井下的实际位置信息进行匹配，即可确定出磁场发生源1精确位置。具体的匹配方式是，首选获取磁场半径r1的磁场接收单元2的IP地址进而获取其实际位置信息L1，获取磁场半径r2的磁场接收单元2的IP地址进而获取其实际位置信息L2，根据L1、L2获取基础模拟数据库中的磁场发生源1对应的模拟位置信息L3，交叉点P即为L3或为L3附近相差1米以内位置。

实施例2

本实施例还提供了当井下有多个磁场发生源1时，同时对多个磁场发生源1进行定位的方法，该方法在D环节中还包括读取定位数据包中的标识码fn的动作；并在定位终端4扫描到至少2个不同标识码时，存储每个不同标识码的定位数据包，并针对每个定位数据包重复E-G环节，其余环节与实施例1相同。即定位终端4扫描所有定位数据包的首端数据fn，例如已经发现了标识码为f1的定位数据包，又扫描到标识码为f2的定位数据包，这样记录包含有f1及f2的所有定位数据包，并分别针对标识码为f1的定位数据包重复第E-H环节，针对标识码为f2的定位数据包重复第E-H环节；这样可以获得多个磁场发生源1在井下的位置信息，同时获得多个磁场发生源1的详细信息，能起到对井下人员、机车运行轨迹实现区分识别，实现精确定位的目的。

本发明的工作原理是：当磁场发生源1移动时，磁场接收单元2会产生感应电动势，因磁通量的大小与磁场发生源1与磁场接收器的距离有关，即距离越小，磁通量越大，距离越远，磁通量越小，因而不同的磁场发生单元依据与磁场发生源1的距离产生的磁通量不同，这样只要测量出不同磁场接收单元2的的磁通量的大小，则可以明确磁场发生源1的具体位置。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种井下精确定位系统，其特征在于，包括位于井下的信号发生端、位于井上的定位终端(4)，所述信号发生端包括磁场发生源(1)、若干磁场接收单元(2)；所述磁场接收单元(2)与所述定位终端(4)进行有线数据通信，

所述磁场发生源(1)设置在井下移动物体上或由工人随身携带，所述磁场接收单元(2)按照规定的间距布置在井下巷道(3)内；

所述磁场发生源(1)向磁场接收单元(2)发出电磁场(5)和频率信号，所述频率信号携带唯一标识所述磁场发生源(1)的标识码；

所述磁场接收单元(2)接收所述电磁场(5)产生感应电动势并根据所述感应电动势计算出磁通量，将所述磁通量及标识码上传至所述定位终端(4)；

所述定位终端(4)根据各个磁场接收单元(2)的磁通量和标识码计算出磁场发生源(1)的精确位置。

2.根据权利要求1所述的井下精确定位系统，其特征在于，所述磁场发生源(1)包括磁场发生器、频率发生器；

所述磁场接收单元(2)包括感应线圈、频率信号接收器、微处理器、信号处理器、计时器、传输网关，所述磁场接收器及频率信号接收器与所述信号处理器电连接，所述微处理器与所述信号处理器及传输网关电连接，所述计时器与所述磁场接收器、频率信号接收器、微处理器电连接。

3.根据权利要求2所述的井下精确定位系统，其特征在于，所述感应线圈为螺线管感应线圈。

4.根据权利要求1所述的井下精确定位系统，其特征在于，所述定位终端(4)设置在上位机中，所述上位机的CPU中设有定位算法模型，所述定位算法模型通过定位算法建立基础模拟数据库及求取磁场发生源(1)位置，所述定位算法包括检测值算法、方差增量比算法、半径交叉算法。

5.根据权利要求2所述的井下精确定位系统，其特征在于，所述信号处理器包括检测电路、信号增益放大电路、滤波电路、检波电路，所述感应线圈及频率接收器与检测电路的输入端电连接，所述检测电路的输出端与所述信号增益放大电路的输入端电连接，所述信号增益放大电路的输出端与所述滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路的输出端与所述检波电路的输入端电连接，所述检波电路的输出端与所述微处理器电连接。

6.一种井下定位方法，其特征在于，包括以下环节：

A、定位终端(4)建立基础模拟数据库，所述基础模拟数据库包括各个磁场接收单元(2)在井下的实际位置信息、磁场发生源(1)的模拟位置信息；

B、磁场发生源(1)向磁场接收单元(2)发出电磁场(5)和频率信号f，频率信号f携带标识磁场发生源(1)的标识码；

C、磁场接收单元(2)接收电磁场(5)产生感应电动势同时测量出自身感应电动势，根据感应电动势计算磁通量；接收频率信号f将频率信号f转化为标识码；磁场接收单元(2)将所述磁通量、标识码打包成定位数据包通过传输网关有线传送到定位终端(4)；

D、定位终端(4)依次扫描并接收所有磁场接收单元(2)上传的定位数据包；

E、定位终端(4)任取3个定位数据包的磁通量，求取磁通量平均值作为基础阈值；

F、定位终端(4)循环提取每一个定位数据包中的磁通量值，采用检测值算法和方差增量比判断磁通量是否同方向变化，定位终端(4)对磁通量同方向变化的定位数据包进行存储；

G、将同方向变化的定位数据包中的磁通量值与基础阈值进行循环比较，存储磁通量最大值的定位数据包M、磁通量次大值的定位数据包SM；

H、定位终端(4)针对定位数据包M及定位数据包SM采用半径交叉算法，结合基础模拟数据库定位磁场发生源(1)的精确位置。

7.根据权利要求6所述的一种井下定位方法，其特征在于， 式中，x_n及x_m表示磁通量，n及m表示磁场接收单元(2)的编号；

采用公式判断磁通量是否同方向变化，▽大于零时表示磁通量同方向变化。

8.根据权利要求6所述的一种井下定位方法，其特征在于，所述半径交叉算法具体为：通过公式获取定位数据包M对应的磁场接收单元(2)的第一磁场半径、定位数据包SM对应的磁场接收单元(2)的第二磁场半径，第一磁场半径及第二磁场半径的交汇处即为磁场发生源(1)精确位置；式中，r表示磁场半径，μ₀表示真空磁导率，S为螺线管感应线圈截面积，I为磁场接受单元的感应电动势电流。

9.根据权利要求6所述的一种井下定位方法，其特征在于，所述D环节中，所述定位终端(4)还读取所述定位数据包的标识码，并在扫描到至少2个不同标识码时，存储每个不同标识码的定位数据包，并针对每个不同标识码的定位数据包重复E-H环节。

10.根据权利要求6所述的一种井下定位方法，其特征在于，所述标识码为数字与字母相结合的编码。