CN109212474B - 基于eiel电子标签的井下定位方法 - Google Patents

基于eiel电子标签的井下定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及井下定位技术领域，具体是一种基于EIEL电子标签的井下定位方法。包括EIEL标签是等间距的阵列式电子标签，由3‑5个带状无源的射频卡S按照相等间距阵列排布构成；定位设备装有射频识别传感器，设备信号辐射场激活周边EIEL标签后，可以接收到标签内射频卡的RSSI值和信息，按照EIEL‑Apositioning公式解算出当前位置坐标；EIEL标签布设在巷道连接处、拐点、巷道地形变换的特征点等位置，布设密度在5‑15米内；井下人员携带设备行走在巷道内，其辐射场可以激活周边两个以上标签，按照空间交会法取平均值计算精确坐标。本发明EIEL标签制作成本低，可以在地下工程或井下进行大范围布设，为井下人员自主定位，应急避险导航的提供信息，弥补现有井下定位系统的不足。

Description

基于EIEL电子标签的井下定位方法
技术领域
本发明涉及井下定位技术领域，具体是一种基于EIEL电子标签的井下定位方法。
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，进行定位导航。或者结合周边避险设施的分布信息，利用定位导航设备，躲避灾害影响范围，确定自己逃生或救援的最优路径。
目前井下普遍安装井下定位系统主要是利用电磁波发射与信号识别方法来实现井下定位，如RFID技术、Zigbee技术、PHS技术、WI-FI技术等等，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，这类方法定位技术服务对象主要是管理层，实现井下人员或动态目标监督管理。
近几年，随着无线技术和物联网需要的发展，射频识别技术应用较多，如学校电子门禁、停车场定位识别、物流跟踪、人员定位、物品入库与管理、入侵检测、智能家居等方面，大部分提供是射频识别服务，少部分可以定位服务只圈定一个大概位置，定位精度从十几米到几米不等，中国发明专利申请号201410335966.0，公开了ZIgbee定位技术井下定位方法，中国发明专利申请号201210137373.4，公开了一种基于RFID射频识别井下定位方法，这类技术定位准确度取决于信号接收装置分布密度，定位精度不高，而且定位过程完全依赖电源的发射与网络接收，一但灾害后供电中止或信号中断，系统将无法完成定位服务，中国发明专利申请号201610401387.0公开了一种地磁与RFID射频结合的井下定位方法，中国发明专利申请号201710694907.6公开了一种基于磁特征参量联合距离的井下定位方法，这两种方法是基于地磁特征的井下地磁定位方法研究，关于人员随身携带定位设备的主动式RSSI定位研究较少，特别是关于基于EIEL标签的井下定位方法还未见公开报导。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，从而提供一种基于EIEL电子标签的井下定位方法，利用EIEL-Apositioning阵列距离和后方交会的原理进行井下运动目标的精确定位，可以用于井下人员、井下移动设备、井下救援机器人的定位导航，特别是EIEL标签制作成本低，一个EIEL标签约十元左右，可以在地下工程或井下进行大范围布设，当井下灾后发生供电中止或信号中断情况下，可以为井下人员自主定位，应急避险导航的提供信息，弥补现有井下定位系统的不足。
本发明解决所述问题，采用的技术方案是：
一种基于EIEL电子标签的井下定位方法，包括如下步骤：
步骤一，设定EIEL电子标签主要参数和规格：
(a)EIEL标签是等间距的阵列式电子标签，由3-5个带状无源的射频卡S等间距阵列排布构成；
(b)间距d取值按照最终定位精度设计确定，取值范围在10-20厘米之间；
(c)每个射频卡S存贮信息包括安装在巷道具体坐标(X，Y)和射频卡的相关参数等内容；
步骤二，单个标签的定位计算：
(a)定位设备P辐射场有效半径范围在10-20米内，安装有主动式射频识别传感器、天线等附件和定位解算软件包；
(b)井下人员随身携带定位设备P，其辐射场信号可以激活周边EIEL标签，激活后EIEL标签内的每个射频卡可以发射反向信号，设备P接收到每个射频卡的RSSI值Pi和信息后，根据公式(1)估算出射频卡到定位设备距离di，
Figure BDA0001807801860000021
其中di是射频卡到定位设备的距离，d0是参考距离；P0、Pi分别是距离为d0、di时读写器收到的信号强度RSSI值；
Figure BDA0001807801860000022
是随机变量遮蔽因子；n为路径损耗指数；
(c)EIEL-Apositioning原理是运用坐标反算距离方程进行的半参数补偿最小二乘估计，求解定位设备的坐标，即先列出每个射频卡到定位设备的距离误差方程式，见公式(2)，然后按照半参数补偿最小二乘估计解算出设备P当前位置坐标；
Figure BDA0001807801860000031
第i个S标签坐标(xi，yi)无误差，定位设备P坐标(xp，yp)；第i个S标签到设备距离为离为di，误差为Vi，对应半参数为Ti；
步骤三，巷道标签布设：
(a)在巷道连接处、拐点、巷道地形变换的特征点等位置必须安装EIEL标签；
(b)巷道其它位置按计算布设密度安装标签，EIEL标签布设密度范围在3-15米内，或者按照实际矿山设计要求的定位精度，计算布设标签的密度；
步骤四，交会法计算定位设备的精确坐标：
(a)井下定位时，井下人员携带设备P(XP，YP)行走在巷道内，定位设备P坐标即为井下人员坐标；
(b)定位设备辐射场可以激活周边多个EIEL标签，按照RSSI设计的有效距离半径挑选出参与计算的EIEL标签，按照步骤二计算每个EIEL标签估算出定位坐标
Figure BDA0001807801860000032
(c)按照空间交会法取平均值作为定位设备的最后坐标，精确算出井下人员当前的位置，见公式(3)，
Figure BDA0001807801860000033
定位设备P最终精确坐标(Xp，Yp)，
Figure BDA0001807801860000034
是由第i个EIEL标签按照EIEL-Apositioning方法确定的定位设备P坐标，i＝1,2…N代表标签个数。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：
①在发明的EIEL标签的基础上，利用阵列式距离定位、空间后方交会定位两种方法，精确确定井下运动目标的位置，该方法可以应用于井下人员、井下移动设备、井下救援机器人的应急定位导航。定位精度高，成本低，是一种新型自主式定位方法，弥补现有井下定位系统不足，以解决井下发生灾害后井下无电、无网络时应急定位和救援导航的技术难题。
②利用定位设备的辐射场信号可以激活周边EIEL标签，并接收激活后EIEL标签内每个射频卡RSSI值进行距离估算，通过EIEL-Apositioning公式的半参数补偿最小二乘估计，进行定位设备位置的精密解算，并通过多个EIEL标签解算结果求平均后确定最终精确位置，提高了井下定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例EIEL标签结构示意图。
图2为本发明实施例EIEL-Apositioning定位原理示意图。
图3为本发明实施例基于EIEL电子标签的井下定位方法布置结构示意图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好地理解本发明内容，因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。
参见图1、图2、图3，一种基于EIEL电子标签的井下定位方法，包括如下步骤：
步骤一，设定EIEL电子标签主要参数和规格：
(a)实验中EIEL标签是5个带状无源射频卡阵列排布，射频卡之间距离均相等，均为10厘米。
(b)每个射频卡Si(i＝1,2,3,4,5)存贮了安装位置坐标(X，Y)和射频卡主要技术参数内容，参考距离是d0，路径损耗指数n，见表1。
表1 E2标签的主要信息
Figure BDA0001807801860000041
步骤二，单个标签的定位计算：
(a)试验定位设备P辐射场一般有效半径是10米，安装有主动式射频识别传感器、圆形天线等附件和定位解算软件包EIEL-Apositioning。
(b)井下人员随身携带定位设备P，其辐射场信号可以激活周边E2标签，激活后E2标签内的射频卡Si(i＝1,2,3,4,5发射反向信号，设备P接收到相应的RSSI值Pi和信息后，根据公式(1)估算出标签到定位设备距离di，
Figure BDA0001807801860000051
其中di是目标到读卡器的距离，d0是参考距离；P0、Pi分别是距离为d0、di时读写器收到的信号强度RSSI值；
Figure BDA0001807801860000053
是随机变量遮蔽因子；n为路径损耗指数。同理E3、E5标签也可以进行距离估算，见表2。
表2定位设备接收E2、E3和E5标签RSSI和距离估算
Figure BDA0001807801860000052
(c)EIEL-Apositioning定位方法是依据坐标反算距离方程，进行半参数估计补偿最小二乘原理的坐标解算，即先列出每个射频卡到定位设备的距离误差方程式，见公式(2)，每个EIEL标签有5个的射频卡，就应该有5个方程，然后按照半参数回归分析解算出设备P当前位置坐标；
Figure BDA0001807801860000061
第i个S标签坐标(xi，yi)无误差，定位设备P坐标(xp，yp)；第i个S标签到设备距离为离为di，误差为Vi，对应半参数为Ti。
步骤三，巷道标签布设：
(a)在巷道连接处、拐点、巷道地形变换的特征点等位置必须安装EIEL标签。
(b)巷道其它位置按计算布设密度安装标签，EIEL标签布设密度范围在3-15米内。此次试验布设密度5米一个。
步骤四，交会法计算定位设备的精确坐标：
(a)井下定位方法井下人员携带设备P001(XP，YP)行走在巷道内，定位设备P001坐标即为井下人员坐标。
(b)定位设备辐射场可以激活周边6个标签，按照RSSI设计的有效距离半径5米，挑选出参与计算的标签为E2、E3和E5，按照步骤二计算每个标签估算出定位坐标
Figure BDA0001807801860000062
见表3；
(c)按照空间交会法取平均值计算最后坐标，精确算出井下人员当前的位置，见公式(3)
Figure BDA0001807801860000063
定位设备P最终精确坐标(Xp，Yp)，
Figure BDA0001807801860000064
是由第i个EIEL标签按照EIEL-Apositioning方法确定的定位设备P坐标，i＝1,2…N代表标签个数。
表3基于EIEL标签的的精确定位
Figure BDA0001807801860000065
本发明在发明的EIEL标签的基础上，利用阵列式距离定位、空间后方交会定位两种方法，精确确定井下运动目标的位置，该方法可以应用于井下人员、井下移动设备、井下救援机器人的应急定位导航。定位精度高，成本低，是一种新型自主式定位方法，弥补现有井下定位系统不足，以解决井下发生灾害后井下无电、无网络时应急定位和救援导航的技术难题，利用定位设备的辐射场信号可以激活周边EIEL标签，并接收激活后EIEL标签内每个射频卡RSSI值进行距离估算，通过EIEL-Apositioning公式的半参数补偿最小二乘估计，进行定位设备位置的精密解算，并通过多个EIEL标签解算结果求平均后确定最终精确位置，提高了井下定位精度。
以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及其附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (1)

1.一种基于EIEL电子标签的井下定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，设定EIEL电子标签主要参数和规格：
(a)EIEL标签是等间距的阵列式电子标签，由3-5个带状无源的射频卡S等间距阵列排布构成；
(b)间距d取值按照最终定位精度设计确定，取值范围在10-20厘米之间；
(c)每个射频卡S存贮信息包括安装在巷道具体坐标(X，Y)和射频卡的相关参数等内容；
步骤二，单个标签的定位计算：
(a)定位设备P辐射场有效半径范围在10-20米内，安装有主动式射频识别传感器、天线等附件和定位解算软件包；
(b)井下人员随身携带定位设备P，其辐射场信号可以激活周边EIEL标签，激活后EIEL标签内的每个射频卡可以发射反向信号，设备P接收到每个射频卡的RSSI值Pi和信息后，根据公式(1)估算出射频卡到定位设备距离di，
Figure FDA0001807801850000011
其中di是射频卡到定位设备的距离，d0是参考距离；P0、Pi分别是距离为d0、di时读写器收到的信号强度RSSI值；
Figure FDA0001807801850000013
是随机变量遮蔽因子；n为路径损耗指数；
(c)EIEL-Apositioning原理是运用坐标反算距离方程进行的半参数补偿最小二乘估计，求解定位设备的坐标，即先列出每个射频卡到定位设备的距离误差方程式，见公式(2)，然后按照半参数补偿最小二乘估计解算出设备P当前位置坐标；
Figure FDA0001807801850000012
第i个S标签坐标(xi，yi)无误差，定位设备P坐标(xp，yp)；第i个S标签到设备距离为离为di，误差为Vi，对应半参数为Ti；
步骤三，巷道标签布设：
(a)在巷道连接处、拐点、巷道地形变换的特征点等位置必须安装EIEL标签；
(b)巷道其它位置按计算布设密度安装标签，EIEL标签布设密度范围在3-15米内，或者按照实际矿山设计要求的定位精度，计算布设标签的密度；
步骤四，交会法计算定位设备的精确坐标：
(a)井下定位时，井下人员携带设备P(XP，YP)行走在巷道内，定位设备P坐标即为井下人员坐标；
(b)定位设备辐射场可以激活周边多个EIEL标签，按照RSSI设计的有效距离半径挑选出参与计算的EIEL标签，按照步骤二计算每个EIEL标签估算出定位坐标
Figure FDA0001807801850000021
(c)按照空间交会法取平均值作为定位设备的最后坐标，精确算出井下人员当前的位置，见公式(3)，
Figure FDA0001807801850000022
定位设备P最终精确坐标(Xp，Yp)，
Figure FDA0001807801850000023
是由第i个EIEL标签按照EIEL-Apositioning方法确定的定位设备P坐标，i＝1,2…N代表标签个数。
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GR01 Patent grant
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