CN107830855B - 一种煤矿矿井导航定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿井导航技术领域，尤其涉及一种煤矿矿井导航定位系统，包括多个恒定磁力源、多个电控磁力源、定位终端以及服务器，多个恒定磁力源和多个电控磁力源均安装在煤矿矿井中；定位终端位于煤矿矿井内，用于测量所在位置的磁场强度与磁场变化频率，并将测量数据与预设磁场地图进行对比得出定位终端的实际位置；服务器存储有预设磁场地图，并根据定位终端发送的测量数据与预设磁场地图中的磁场强度以及磁场变化频率做对比，确定出定位终端的实际位置并发送至定位终端。本发明的煤矿矿井导航定位系统在煤矿矿井这类地下环境中定位准确，保证了矿井工人的人身安全，还可运用于室内或者其他复杂环境下的辅助定位，具有很好的推广能力。

Description

一种煤矿矿井导航定位系统

技术领域

本发明涉及矿井导航技术领域，尤其涉及一种煤矿矿井导航定位系统。

背景技术

现有技术中较常用的定位方法是利用全球导航卫星系统来测定位置，全球导航定位系统是全球性的位置与时间测定系统，它包括卫星星座、地面监护系统及用户终端设备，可以为地球表面、近地面和地球外空任意地点的用户提供全天候、实时、高精度的三维位置、速度以及精密的时间信息。GPS系统、Galilea系统和GLONASS系统都属于全球导航卫星系统的范畴。

但是全球卫星导航定位系统通常只能用于地面无遮挡环境下的目标导航和定位，在有遮挡的情况下，导航信号质量会迅速恶化，从而导致无法完成定位。特别是对于煤矿矿井，由于导航信号无法穿过地表，利用导航卫星信号几乎是不可能的。另外，地下煤矿矿井地形复杂、电磁信号反射、多径干扰情况严重，对定位效果带来了更多的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种煤矿矿井导航定位系统。

一种煤矿矿井导航定位系统，包括多个恒定磁力源、多个电控磁力源、定位终端以及服务器，其中：

多个恒定磁力源和多个电控磁力源均安装在煤矿矿井中，其中每个恒定磁力源具有固定的磁场强度，每个电控磁力源具有固定的磁场变化频率，多个恒定磁力源和多个电控磁力源在煤矿矿井中位置固定分布以使煤矿矿井的磁场强度以及磁场变化频率按照预设磁场地图分布；

定位终端位于煤矿矿井内，内部存储有预设磁场地图，用于测量所在位置的磁场强度与磁场变化频率，并将测量数据与预设磁场地图进行对比得出定位终端的实际位置；和/或将测量数据发送至服务器，并接收服务器下发的实际位置信息；和/或与服务器之间进行通讯；

服务器，存储有预设磁场地图，并根据定位终端发送的测量数据与预设磁场地图中的磁场强度以及磁场变化频率作对比，确定出定位终端的实际位置并发送至定位终端。

进一步的，恒定磁力源与电控磁力源间隔安装于矿井巷道侧壁上。

进一步的，定位终端包括磁场检测单元、数据处理单元、控制单元以及无线通讯单元，其中：

磁场检测单元，用于检测定位终端所在位置的磁场强度与磁场变化频率；

数据处理单元，用于将磁场检测单元检测的测量数据处理成数字信号；

控制单元，用于将数字信号与预设磁场地图进行对比得出定位终端的实际位置；和/或根据数字信号产生相应的控制命令，并控制无线通讯单元将数字信号发送至服务器；

无线通讯单元，用于将数字信号发送至服务器；和/或用于接收服务器发送的定位信息，并将定位信息发送至控制单元。

进一步的，定位终端还包括显示单元，其中：

显示单元，与控制单元连接，用于根据控制单元的控制命令显示相应的信息。

进一步的，数据处理单元包括磁电转换子单元、比率运放子单元以及模数转换子单元，其中：

磁电转换子单元将磁场检测单元检测的测量数据转化为电信号，比率运放子单元将电信号进行放大后传输到模数转换子单元，模数转换子单元将电信号转化为数字信号后发送至控制单元。

进一步的，定位终端为矿用手机。

本发明的煤矿矿井导航定位系统，具有以下有益效果：

由多个恒定磁力源、多个电控磁力源、定位终端以及服务器组成的定位系统中，定位终端通过测量矿井下人工设定的磁场强度以及磁场变化频率来确定其所在位置，在煤矿矿井这类地下环境中定位准确，也保证了矿井工人的人身安全，同时，本发明既可用于煤矿矿井定位，还可运用于室内或者其他复杂环境下的辅助定位，具有很好的推广能力。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例的一种煤矿矿井导航定位系统的模块组成图；

图2为本发明实施例的一种煤矿矿井导航定位系统的另一模块组成图；

图3为本发明实施例的一种煤矿矿井导航定位系统的又一模块组成图；

图4为本发明实施例的一种煤矿矿井导航定位系统中定位终端的数据处理单元模块组成图；

图中：1-恒定磁力源、2-电控磁力源、3-定位终端、301-磁场检测单元、302-数据处理单元、3021-磁电转换子单元、3022-比率运放子单元、3023-模数转换子单元、303-控制单元、304-无线通讯单元、305-显示单元、4-服务器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例的一种煤矿矿井导航定位系统，如图1所示，包括多个恒定磁力源1、多个电控磁力源2、定位终端3以及服务器4，其中多个恒定磁力源1和多个电控磁力源2均安装在煤矿矿井中，其中每个恒定磁力源1具有固定的磁场强度，每个电控磁力源2具有固定的磁场变化频率，多个恒定磁力源1和多个电控磁力源2在煤矿矿井中位置固定分布以使煤矿矿井的磁场强度以及磁场变化频率按照预设磁场地图分布；定位终端3位于煤矿矿井内，内部存储有预设磁场地图，用于测量其所在位置的磁场强度与磁场变化频率，并将测量数据与预设磁场地图进行对比得出定位终端3的实际位置；和/或将测量数据发送至服务器4，并接收服务器4下发的实际位置信息；和/或与服务器4之间进行通讯；服务器4，存储有预设磁场地图，并根据定位终端3发送的测量数据与预设磁场地图中的磁场强度以及磁场变化频率做对比，确定出定位终端3的实际位置并发送至定位终端3。

由于每个恒定磁力源1产生的磁场强度均不相同，且每个电控磁力源2产生的磁场具有不同的变化频率；所以所有的恒定磁力源1与电控磁力源2组成的磁场地图任意位置都有唯一的磁场强度与磁场变化频率组合值，将这些组合值与地理位置一一对应后产生定位数据库，即上述的预设磁场地图。定位终端3通过检测其所在位置的磁场强度与磁场变化频率，就可以匹配出唯一的位置数据，以此实现定位的目的。定位终端3根据自身存储的磁场地图进行数据匹配，或者将所测得的磁场强度、磁场变化频率数据通过无线传输的方式发送至服务器4，服务器4中也存储着磁场地图，通过数据匹配确定定位终端3的位置，将位置信息再通过无线通讯的方式发送至定位终端3。定位终端3与服务器4之间的无线通讯通过工业以太网的形式进行，在煤矿矿井中部分位置安装以太网网关，以太网网关与服务器4连接，定位终端3与以太网网关之间实现无线通讯，继而实现定位终端3与服务器4之间无线通讯。

定位终端3除了将磁场测量数据发送至服务器4外，还可以与服务器4之间进行其他内容的通讯，例如井下工人与位于服务器4位置的指导人员之间的语音信息传送，指导人员将工作计划、工作命令传输至定位终端3，实现煤矿工人与指导人员之间的通讯。定位终端3主要由配置磁力计的通讯载体构成，可以为矿用手机，矿用手机是在普通手机的基础上增加磁力计的功能，磁力计用于检测煤矿矿井内磁场强度以及磁场变化频率，磁力计将检测的数据通过通讯载体自行匹配位置信息，或者发送至位于地面上的服务器4进行数据匹配、数据存储等。

服务器4中包括有与定位终端3进行通讯的装置，用于和定位终端3之间实现无线数据的交互；另外，服务器4能够根据恒定磁力源1与电控磁力源2的工作状态获取最新的磁场地图，使定为终端能够获得最精确的位置信息。在本发明的定位系统中，服务器4可与多个定位终端3之间进行通讯，对多个定位终端3的位置进行记录或者监控，间接地监控矿井工人的作业情况，保证矿井个人的安全，避免迷路或者人员丢失。为了便于服务器4对定位终端3的监控，设置显示装置，例如面积较大的液晶显示屏，将煤矿矿井内部的地图与定位终端3的位置相应突出标示，更加方便工作人员查看，了解工作进度。

具体的，本发明实施例中恒定磁力源1与电控磁力源2间隔安装于矿井巷道侧壁上。一般情况下，只在矿井巷道的一侧进行恒定磁力源1和电控磁力源2的分布，通过对恒定磁力源1与电控磁力源2的合理搭配，使煤矿矿井内的空间形成强度变化的磁场线，且这些恒定磁力源1与电控磁力源2的安装位置保持一定的函数关系，在两个电控磁力源2之间安装至少一个恒定磁力源1，恒定磁力源1的数量根据具体地理条件进行设计，一般可按照电控磁力源2的有效范围的5—10倍设计。当定位终端3检测到某一磁场变化频率后，即可初步确定定位终端3的位置，再根据所测得的磁场强度进一步确定出定位终端3的具体位置。本实施例的每个恒定磁力源1具有稳定不变的磁场强度，所以其实现方式是在电磁铁上接入直流电，磁场强度大小由直流电的电流大小决定。本实施例的电控磁力源2其磁场频率变化的实现方式选择在电磁铁上接入交流电，继而产生的磁场强度呈一定频率进行变化，该磁场的变化频率由交流电的频率决定，所以多个电控磁力源2实现不同的磁场变化频率，就是在不同电磁铁上接入频率不同的交流电产生。本实施例对恒定磁力源1以及电控磁力源2的数量、直流电电流大小、交流电频率值均不作具体限定，其具体数值根据实际情况进行设计，本实施例不做详述。具体的，恒定磁力源1在安装过程中，为了使某一空间点磁场强度之和随着空间位置有明显变化，达到较高的变化率，通常在安装时，相邻两个恒定磁力源1的中心磁力线方向彼此之间呈一定角度，例如30度。

具体的，煤矿矿井内的磁场地图可根据实际情况进行调整，例如调整某个恒定磁力源1的接入电流大小，或者调整某个电控磁力源2的接入交流电的频率大小，同时跟新磁场强度、磁场频率数据与位置数据的对应关系，即更新磁场地图，更新后的磁场地图发送至服务器4。当定位终端3位于磁场数据差别较小的区域时，恒定磁力源1与电控磁力源2进行调整，使某一区域的各个恒定磁力源1产生的磁场强度差值变大，各个电控磁力源2的磁场频率差值变大，使定位装置能够通过磁场测量数据得到更加精准的定位。

具体的如图2所示，本发明实施例的定位终端3包括磁场检测单元301、数据处理单元302、控制单元303以及无线通讯单元304，其中：磁场检测单元301，用于检测定位终端3所在位置的磁场强度与磁场变化频率；数据处理单元302，用于将磁场检测单元301检测的测量数据处理成数字信号；控制单元303，用于将数字信号与预设磁场地图进行对比得出定位终端3的实际位置；和/或根据数字信号产生相应的控制命令，并控制无线通讯单元304将数字信号发送至服务器4；无线通讯单元304，用于将数字信号发送至服务器4；和/或用于接收服务器4发送的定位信息，并将定位信息发送至控制单元303。

具体的如图3所示，本实施例的定位终端3包括磁场检测单元301、数据处理单元302、控制单元303以及无线通讯单元304，还包括显示单元305，其中：显示单元305，与控制单元303连接，用于根据控制单元303的控制命令显示相应的信息。

具体的如图4所示，本发明实施例的数据处理单元302包括磁电转换子单元3021、比率运放子单元3022以及模数转换子单元3023，其中：磁电转换子单元3021将磁场检测子单元检测的测量数据转化为电信号，比率运放子单元3022将电信号进行放大后传输到模数转换子单元3023，模数转换子单元3023将电信号转化为数字信号后发送至控制单元303。

定位终端3开始定位后，首先磁场检测单元301检测定位终端3所在位置的磁场强度与磁场变化频率，再由数据处理单元302将磁场检测单元301检测的磁场数据处理成数字信号；数据处理单元302的处理过程包括：磁电转换子单元3021将磁场检测单元301检测的磁场数据转化为电信号，再由比率运放子单元3022将电信号进行放大后传输到模数转换子单元3023，模数转换子单元3023将电信号转化为数字信号后发送至控制单元303；控制单元303接收到数字信号后，将数字信号与磁场地图中存储的信息进行匹配，得出定位终端3的位置数据，由显示单元305进行显示；同时，控制单元303还可根据数字信号产生相应的控制命令，并控制无线通讯单元304将数字信号发送至服务器4；服务器4接收到后进行存储并匹配磁场地图，得出定位终端3的位置数据，再将该位置数据发送至矿井下的定位终端3，定位终端3的无线通讯单元304接收到服务器4下发的位置信息后，发送至控制单元303，显示单元305将服务器4下发的位置信息也进行显示；控制单元303可根据服务器4下发的位置信息判断其自身的磁场地图是否准确，如果与服务器4的位置数据差别较大，则需要向服务器4发送请求，重新下载磁场地图，如果与服务器4的位置数据差别较小或者一致，则可输出导航信息，引导煤矿工人的行进路线。定位终端3的功能还可附加多种多样，例如增加探照灯的功能，或者报警功能、一氧化碳检测功能等，本实施例不做具体限定。

整个定位系统由多个恒定磁力源1、多个电控磁力源2、定位终端3以及服务器4组成，定位终端3通过测量矿井下人工设定的磁场强度以及磁场变化频率来确定其所在位置，在煤矿矿井这类地下环境中定位准确，也保证了矿井工人的人身安全，同时，本发明既可用于煤矿矿井定位，还可运用于室内或者其他复杂环境下的辅助定位，具有很好的推广能力。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (5)

1.一种煤矿矿井导航定位系统，其特征在于，包括多个恒定磁力源、多个电控磁力源、定位终端以及服务器，其中：

多个恒定磁力源和多个电控磁力源均安装在煤矿矿井中，其中不同所述恒定磁力源具有其各自固定的磁场强度，不同所述电控磁力源具有其各自固定的磁场变化频率，多个所述恒定磁力源和多个所述电控磁力源在煤矿矿井中位置固定分布以使煤矿矿井的磁场强度以及磁场变化频率按照预设磁场地图分布；所述恒定磁力源与所述电控磁力源间隔安装于矿井巷道侧壁上；两个所述电控磁力源之间安装至少一个所述恒定磁力源，相邻两个恒定磁力源的中心磁力线方向彼此之间呈现设定角度；

所述定位终端位于煤矿矿井内，内部存储有所述预设磁场地图，用于测量其所在位置的磁场强度与磁场变化频率，并将测量数据与所述预设磁场地图进行对比得出所述定位终端的实际位置；和/或将测量数据发送至所述服务器，并接收所述服务器下发的实际位置信息；和/或与所述服务器之间进行通讯；

所述服务器，存储有预设磁场地图，并根据所述定位终端发送的测量数据与所述预设磁场地图中的磁场强度以及磁场变化频率作对比，确定出所述定位终端的实际位置并发送至所述定位终端。

2.如权利要求1所述的煤矿矿井导航定位系统，其特征在于，所述定位终端包括磁场检测单元、数据处理单元、控制单元以及无线通讯单元，其中：

所述磁场检测单元，用于检测所述定位终端所在位置的磁场强度与磁场变化频率；

所述数据处理单元，用于将所述磁场检测单元检测的测量数据处理成数字信号；

所述控制单元，用于将数字信号与所述预设磁场地图进行对比得出所述定位终端的实际位置；和/或根据所述数字信号产生相应的控制命令，并控制所述无线通讯单元将所述数字信号发送至所述服务器；

所述无线通讯单元，用于将所述数字信号发送至所述服务器；和/或用于接收所述服务器发送的定位信息，并将定位信息发送至所述控制单元。

3.如权利要求2所述的煤矿矿井导航定位系统，其特征在于，所述定位终端还包括显示单元，其中：

所述显示单元，与所述控制单元连接，用于根据所述控制单元的控制命令显示相应的信息。

4.如权利要求3所述的煤矿矿井导航定位系统，其特征在于，所述数据处理单元包括磁电转换子单元、比率运放子单元以及模数转换子单元，其中：

所述磁电转换子单元将所述磁场检测单元检测的测量数据转化为电信号，所述比率运放子单元将所述电信号进行放大后传输到所述模数转换子单元，所述模数转换子单元将所述电信号转化为数字信号后发送至所述控制单元。

5.如权利要求4所述的煤矿矿井导航定位系统，其特征在于，所述定位终端为矿用手机。