CN109633536A - 一种用于矿井的导航定位终端及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于矿井的导航定位终端及工作方法，包括MCU控制处理模块、CSS射频模块和天线、INS惯性导航器件、气压测高模块、LORA通信模块和天线；其中CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，INS惯性导航器件通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；气压测高模块并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；LORA通信模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。本发明用于矿井的导航定位终端在矿井、地下管网等场所中卫星信号拒止环境中，能够实现准确的定位，保证了矿井工作人员的人身安全，具有非常重要的现实意义。

Description

一种用于矿井的导航定位终端及工作方法
技术领域
本发明属于矿井、地下管网等特殊环境场所中人员定位技术，具体涉及用于矿井的导航定位终端及工作方法。
技术背景
矿井、地下管网的作业环境恶劣,常伴有瓦斯煤尘爆炸、火灾、水患等自然灾害,严重地威胁着矿工的生命安全。从大量的案例分析中得出,造成事故的原因是有共性的,除了安全设施投入不足,从业人员素质较低外,另一个重要的原因就是:对下井人员管理措施不力,人员监督检查不到位。目前煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，时有人数不清的现象，井上管理人员难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况。而现有矿井人员定位系统的读卡器大多数采用RS85总线与分站进行远距离通信，需要在煤矿井下铺设大量RS85通信电缆用于连接读卡器和分站，增加了精确人员定位系统的部署成本和施工难度。同时，在现有精确人员定位系统中，当井下人员遇到紧急情况时，只能通过动触发人员标签上的求救按钮通知地面监控中心的管理人员进行救援一旦井下人员无法动弹、昏迷，失去手动触发求救按钮能力时，管理人员无法获知井下人员是否遇险.为了解决这一问题,及时、有效、准确掌握井下活动范围，本发明提供了种用于矿井的导航定位终端及工作方法。对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位，随时清楚掌握每个人员在井下的位置及活动轨迹。如果发生灾变,还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息,为事故抢险提供科学依据。
发明内容
本发明针对当前矿井工作人员定位难得问题，采用物联网和移动互联网相结合的技术来解决矿井人员定位、搜救问题，提出了一种用于矿井的导航定位终端及工作方法。
一种用于矿井的导航定位终端，包括：MCU控制处理模块、CSS射频模块和天线、INS惯性导航器件、气压测高模块、LORA通信模块和天线；其中CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，INS惯性导航器件通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；气压测高模块并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；LORA通信模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
一种用于矿井的导航定位终端的工作方法，具体为：在工作人员下井前，矿井安装有用于定位的CSS锚节点，依据矿井的长度每间距20米安装一个锚节点，保证整个矿井部署CSS通信的网络，导航定位终端在运行过程中能与至少三个锚节点进行通信；同时矿井中安装LORA通信的基站，用于导航定位终端通过LORA模块将当前位置数据传输出去；工作人员下井后，携带导航定位终端，该终端可以安装在工作人员的鞋子上或者是腰部；当工作人员在井下移动时，定位终端的CSS模块与矿井内的锚节点进行通信，获取与锚节点的距离信息；通过INS惯性导航器件获取工作人员的运动信息；通过气压测高模块获取当前高度信息，然后通过导航定位终端的LORA模块实时的将三个信息通过LORA基站传输至后台的上位机系统；上位机系统在获得测距信息后，根据已经建立的矿井地图信息，将人员的距离信息通过三边定位方法转化为地图中的位置坐标信息，同时与INS的导航位置信息进行卡尔曼联合滤波融合，得到稳定的位置坐标信息，结合高度信息，在矿井地图中解算输出稳定、准确的三维定位结果，并通过显示设备实时显示，从而能够实时监测工作人员的在矿井中的位置信息。
作为优选，CSS射频模块采用Nanotron公司的nanoPAN5375射频模块，通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，采用基于对称双面双向测距进行测距。
作为优选，INS惯性导航器件包括3轴加速度计、磁力计、陀螺仪,通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
作为优选，气压测高模块用于提供定位系统中的高度测定，实现矿井环境中的高度区分，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
作为优选，LORA通信模块采用SX1278射频模块，通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，用于在矿井环境下传输CSS定位的测距信息、INS位置信息及气压测高的高度信息。
作为优选，矿井内安装有用于定位的锚节点，保证导航定位终端在运行过程中能与至少三个锚节点进行通信，用于提供定位终端相对于锚节点坐标的参考位置信息。
作为优选，矿井内安装有用于LORA通信的基站，使得CSS定位的测距信息、INS位置信息及气压测高的高度信息能够传输至后端平台上位机系统。
作为优选，后端上位机系统收到CSS定位的测距信息、INS位置信息及气压测高的高度信息后，在上位机中对INS的导航位置信息与CSS坐标的结果进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，解算输出稳定、准确的三维定位结果。
本发明一种用于矿井的导航定位终端及工作方法，采用CSS与INS组合定位方式实现矿井工作人员的高精度定位，并采用LORA无线技术进行通信，解决了矿井、地下管网等环境下缺少卫星导航信号以及常用移动通信信号的问题，有着传统井下定位系统无法比拟的优势，,具有节点布置简易,方便移动,不易损坏,定位精度高以及成本低廉等优势和较好的应用价值。
附图说明
图1为导航定位终端示意图；
具体实施方式
一种用于矿井的导航定位终端及工作方法，该终端如图1所示，包括MCU控制处理模块，CSS射频模块和天线，INS惯性导航器件，气压测高模块，LORA通信模块和天线。所述CSS射频模块和天线通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，用于获取定位终端设备相对坐标系的位置信息；INS惯性导航器件用于获取个人的运动状态信息并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；气压测高模块提供定位系统中的高度测定，用于矿井环境中的三维高度区分，通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；LORA通信模块和天线通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
本发明实施例适用流程如下：
本发明提供用于确定一个或多个工作人员在矿井、地下管网等场所中的定位或位置的数据。在工作人员下井前，矿井提前安装有用于定位的锚节点，依据矿井的长度每间距20米安装一个锚节点，保证导航定位终端在运行过程中能与至少三个锚节点进行通信。同时矿井中安装LORA通信的基站，用于导航定位终端将数据传输出去。矿井工作人员下井后，携带导航定位终端，该终端可以安装在工作人员的鞋子上或者是腰部，当工作人员在井下移动时，终端的CSS模块与矿井内的锚节点进行通信，获取与锚节点的距离信息，同时通过INS器件获取工作人员的运动信息，以及当前高度信息，通过终端的LORA模块实时的将三个信息通过LORA基站传输至后台的上位机系统。上位机系统在获得测距信息后，根据已经建立的矿井地图信息，将人员的距离信息通过计算转化为位置坐标信息，同时与INS的导航位置信息进行卡尔曼联合滤波融合，结合高度信息，解算输出稳定、准确的三维定位结果，并通过显示设备实时显示，从而能够实时监测工作人员的在矿井中的位置信息。

Claims (9)

1.一种用于矿井的导航定位终端，其特征在于：包括MCU控制处理模块、CSS射频模块和天线、INS惯性导航器件、气压测高模块、LORA通信模块和天线；其中CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，INS惯性导航器件通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；气压测高模块并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；LORA通信模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于矿井的导航定位终端的工作方法，其特征在于：在工作人员下井前，矿井安装有用于定位的CSS锚节点，依据矿井的长度每间距20米安装一个锚节点，保证整个矿井部署CSS通信的网络，导航定位终端在运行过程中能与至少三个锚节点进行通信；同时矿井中安装LORA通信的基站，用于导航定位终端通过LORA模块将当前位置数据传输出去；工作人员下井后，携带导航定位终端，该终端可以安装在工作人员的鞋子上或者是腰部；当工作人员在井下移动时，定位终端的CSS模块与矿井内的锚节点进行通信，获取与锚节点的距离信息；通过INS惯性导航器件获取工作人员的运动信息；通过气压测高模块获取当前高度信息，然后通过导航定位终端的LORA模块实时的将三个信息通过LORA基站传输至后台的上位机系统；上位机系统在获得测距信息后，根据已经建立的矿井地图信息，将人员的距离信息通过三边定位方法转化为地图中的位置坐标信息，同时与INS的导航位置信息进行卡尔曼联合滤波融合，得到稳定的位置坐标信息，结合高度信息，在矿井地图中解算输出稳定、准确的三维定位结果，并通过显示设备实时显示，从而能够实时监测工作人员的在矿井中的位置信息。
3.如权利要求书1所述一种用于矿井的导航定位终端，其特征在于：CSS射频模块采用Nanotron公司的nanoPAN5375射频模块，通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，采用基于对称双面双向测距进行测距。
4.如权利要求书1所述一种用于矿井的导航定位终端，其特征在于：INS惯性导航器件包括3轴加速度计、磁力计、陀螺仪,通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
5.如权利要求书1所述一种用于矿井的导航定位终端,其特征在于：气压测高模块用于提供定位系统中的高度测定，实现矿井环境中的高度区分，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
6.如权利要求书1所述一种用于矿井的导航定位终端，其特征在于：LORA通信模块采用SX1278射频模块，通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，用于在矿井环境下传输CSS定位的测距信息、INS位置信息及气压测高的高度信息。
7.如权利要求书1所述一种用于矿井的导航定位终端，其特征在于：矿井内安装有用于定位的锚节点，保证导航定位终端在运行过程中能与至少三个锚节点进行通信，用于提供定位终端相对于锚节点坐标的参考位置信息。
8.如权利要求书1述一种用于矿井的导航定位终端，其特征在于：矿井内安装有用于LORA通信的基站，使得CSS定位的测距信息、INS位置信息及气压测高的高度信息能够传输至后端平台上位机系统。
9.如权利要求书1，7所述一种用于矿井的导航定位终端，其特征在于：后端上位机系统收到CSS定位的测距信息、INS位置信息及气压测高的高度信息后，在上位机中对INS的导航位置信息与CSS坐标的结果进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，解算输出稳定、准确的三维定位结果。
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