CN111323745B - 一种基于多源融合的井下人员定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多源融合的井下人员定位系统及方法，包括地面监控中心、上层终端、通信主干网、网关节点、总线、定位锚节点、位置信标和移动节点，针对煤矿井下人员定位技术精度低、定位盲区多，实现全覆盖成本高等问题，本发明采用电磁波一维粗定位与惯导高精度定位相结合的方法，根据需要，不需要高精度定位的区域使用电磁波粗定位，以节省移动节点的电量消耗，需要高精度定位区域，使用惯性导航高精度定位，上位机软件可以发送定位切换命令给指定的移动节点，需要了解其精确的位置和行走轨迹时，将惯导定位数据传输给定位锚节点，以减小定位误差、提高定位精度，且抗干扰能力强，能够以较低成本实现矿井的无盲区全覆盖。

Description

一种基于多源融合的井下人员定位系统及方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下动目标位置监测技术领域，具体为一种基于多源融合的井下人员定位系统及方法。
背景技术
煤矿井下的工作环境恶劣，地质环境复杂，一直存在着多种地质灾难的隐患，并且，我国开采技术相对落后，井下生产人员素质较低，导致各种由于人为原因引起的矿井恶性事故不断发生，井下工作人员的生命安全受到严重威胁。随着科学技术的不断进步，井下人员定位系统，以便获知井下工作人员的位置，方便在发生矿难后及时开展救援工作以及日常生产中的管理调度。
但目前井下应用的人员定位系统仍普遍存在定位精度低、定位盲区多，实现全覆盖成本高等缺陷，给日常管理和救援工作带来的阻碍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多源融合的井下人员定位系统及方法，能够减小定位误差、提高定位精度，且抗干扰能力强，能够以较低成本实现矿井的无盲区全覆盖，以解决上述背景技术中提出的煤矿井下人员定位技术定位精度低、定位盲区多，实现全覆盖成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于多源融合的井下人员定位系统，包括地面监控中心、上层终端、通信主干网、网关节点、总线、定位锚节点、位置信标和移动节点；
所述地面监控中心为一台计算机或者服务器，或是多台计算机或服务器组成的计算机网络，地面监控中心从通信主干网接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包；
所述上层终端为一种处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时定位数据；
所述通信主干网为矿井已有的负责井上井下通信的主干网络，或专门为本系统搭建的通信网络；
所述总线负责将锚节点连接至光关节点；
所述网关节点将总线信号转换为通信主干网的传输信号；
所述定位锚节点通过网关节点连接至通信主干网，定位锚节点包括近距离无线通信单元、总线传输单元、远距离窄带无线通信单元、控制单元和供电单元；
所述位置信标为蓝牙信标，周期性广播带有其位置信息的无线信号，用于为移动节点进行惯性导航定位的累积误差修正提供准确的位置信息；
所述移动节点由A、B两个设备组成，移动节点组成设备A包括近距离无线通信单元A、蓝牙通信单元A、远距离窄带无线通信单元A、控制单元A和供电单元A；移动节点组成设备B由惯性导航单元、控制单元B、蓝牙通信单元B和供电单元B组成。
更进一步地，总线可以为CAN总线、RS485总线或网线，通信主干网可以为光纤工业环网。
本发明提供另一种技术方案：一种基于多源融合的井下人员定位方法，包括以下步骤：
步骤1)：将定位锚节点固定在巷道侧壁或巷道顶部，移动节点放置在井下人员身上，其移动节点组成设备A佩戴方式任意，移动节点组成设备B固定于井下人员足部；
步骤2)：移动节点在定位锚节点近距离无线通信覆盖之内时，移动节点使用具有较大通信带宽的近距离无线通信方式与定位锚节点进行通信；
步骤3)：移动节点在近距离无线通信覆盖之外时，使用远距离窄带通信与定位锚节点进行通信，远距离窄带通信使用在非视距条件下实现长达数公里的远距离通信；
步骤4)：位置信标部设在井下需要进行惯性导航精确定位的巷道内，将位置信标根据惯性导航定位误差修正的需要在巷道内布设。
步骤5)：移动节点在定位锚节点近距离无线通信覆盖范围之内时，默认关闭远距离窄带无线通信和惯性导航定位，将移动节点和定位锚节点使用近距离无线通信方式进行电磁波测距，实现一维粗定位，近距离无线通信具有较大通信带宽，在井口等人员集中位置，通过实现并发识别多个移动节点保证不漏卡；移动节点处在定位锚节点近距离无线通信覆盖范围之外时，移动节点自动切换为惯性导航定位，使用蓝牙通信，将移动节点组成部分B的惯性导航定位数据通过蓝牙发送到移动节点组成部分A，移动节点组成部分A使用远距离窄带无线通信将定位数据传输至定位锚节点。
步骤6)：移动节点在定位锚节点近距离无线通信覆盖范围之内时，定位监控中心可以发送定位切换指令至移动节点，使其从电磁波一维粗定位切换至使用惯性导航高精度度定位，使用蓝牙通信，将移动节点组成设备B的惯性导航定位数据通过蓝牙发送到移动节点组成设备A，移动节点组成设备A使用远距离窄带无线通信将定位数据传输至定位锚节点。
更进一步地，步骤1)中定位锚节点安装在井口、工作面等人员聚集区域和井下大巷等人员经常经过的区域；
更进一步地，采用电磁波一维粗定位与惯导高精度定位相结合的方法，根据需要，不需要高精度定位的区域使用电磁波一维粗定位，以节省移动节点的电量消耗，需要高精度的定位的区域使用惯性导航高精度定位，在定位锚节点近距离无线通信覆盖范围之内需要使用惯性导航高精度定位的位置安装位置信标，移动节点接收到此位置信标的信号时，切换定位方式为惯性导航高精度定位，使用蓝牙通信，将移动节点组成设备B的惯性导航定位数据通过蓝牙发送到移动节点组成设备A，移动节点组成设备A使用远距离窄带无线通信将定位数据传输至定位锚节点；
更进一步地，当移动节点处在近距离无线通信和远距离窄带无线通信均不能覆盖的位置时，移动节点将存储自己的惯性导航定位数据，待移动节点进度锚节点无线通信覆盖范围内时，将存储的惯性导航定位数据发送给定位锚节点，保障移动节点在井下定位轨迹的完整。
更进一步地，步骤2)中近距离无线通信可以使用zigbee或wifi通信，远距离无线通信可以使用LoRa、NB-iot通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于多源融合的井下人员定位系统及方法，包括地面监控中心、上层终端、通信主干网、网关节点、总线、定位锚节点、位置信标和移动节点，针对现有煤矿井下人员定位技术精度低、定位盲区多，实现全覆盖成本高等问题，本发明采用电磁波一维粗定位与惯性导航高精度定位相结合的方法，根据需要，不需要高精度定位的区域使用电磁波一维粗定位，以节省移动节点的电量消耗，需要高精度定位区域，使用惯导高精度定位，移动节点可根据定位锚节点的无线通信覆盖情况，自动切换定位方式，上位机软件也可以发送定位切换命令给指定的移动节点，需要了解其精确的位置和行走轨迹时，使其使用蓝牙通信，将移动节点在组成设备B的惯导定位数据通过蓝牙通信发送给移动节点组成设备A，移动节点组成设备A将惯导定位数据传输给定位锚节点，以减小定位误差、提高定位精度，且抗干扰能力强，能够以较低成本实现矿井的无盲区全覆盖。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的定位锚节点电路框图；
图3为本发明的移动节点组成设备A电路框图；
图4为本发明的移动节点组成设备B电路框图；
图5为本发明的定位示意图。
图中：1地面监控中心、2上层终端、3通信主干网、4网关节点、5总线、6定位锚节点、7移动节点、8位置信标、9近距离无线通信单元、10总线传输单元、11远距离窄带无线通信单元、12控制单元、13供电单元、14近距离无线通信单元A、15蓝牙通信单元A、16远距离窄带无线通信单元A、17控制单元A、18供电单元A、19惯性导航单元、20控制单元B、21蓝牙通信单元B、22供电单元B。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明实施例中：提供一种基于多源融合的井下人员定位系统，包括地面监控中心1、上层终端2、通信主干网3、网关节点4、总线5、定位锚节点6、移动节点7和位置信标8；
在上述实施例中，地面监控中心1为一台计算机或者服务器，或是多台计算机或服务器组成的计算机网络，地面监控中心1从通信主干网3接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包；
在上述实施例中，上层终端2是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心1连接，获取实时定位数据；
在上述实施例中，通信主干网3是矿井已有的负责井上井下通信的主干网络，或专门为本系统搭建的通信网络；
在上述实施例中，网关节点4将总线5信号转换为通信主干网3的传输信号，总线5可以为CAN总线、RS485总线或网线，通信主干网3可以为光纤工业环网；
在上述实施例中，定位锚节点6通过网关节点4连接至通信主干网3，定位锚节点6包括近距离无线通信单元9、总线传输单元10、远距离窄带无线通信单元11、控制单元12和供电单元13；
在上述实施例中，位置信标8是蓝牙无线信标，周期性广播带有其位置信息的无线信号；
在上述实施例中，移动节点7由A、B两个设备组成，组成设备A包括近距离无线通信单元A14、蓝牙通信单元A15、远距离窄带无线通信单元A16、控制单元A17和供电单元A18；移动节点组成设备B由惯性导航单元19、控制单元B20、蓝牙通信单元B21和供电单元B22组成。
基于上述实施例描述，为了进一步更好的说明解释本发明，还提供另一种技术方案：一种基于多源融合的井下人员定位方法，包括以下步骤：
第一步：将定位锚节点6固定在巷道侧壁或巷道顶部，移动节点7放置在井下人员身上，其移动节点组成设备A佩戴方式任意，不做要求，移动节点组成设备B固定于井下人员足部；
第二部：移动节点7处在定位锚节点6近距离无线通信覆盖之内时，移动节点7使用具有较大通信带宽的近距离无线通信方式与定位锚节点6进行通信；
第三部：移动节点7处在近距离无线通信覆盖之外时，使用远距离窄带通信与定位锚节点6进行通信，远距离窄带通信使用在非视距条件下实现长达数公里的远距离通信；
第四部：位置信标8布设在井下需要进行惯性导航精确定位的巷道内，将位置信标根据惯性导航定位误差修正的需要在巷道内进行布设；
第五步：将移动节点7和定位锚节点6使用近距离无线通信方式进行基于信号飞行时间TOF的测距，实现一维粗定位，近距离无线通信具有较大通信带宽，在井口人员集中位置，通过近距离无线通信实现并发识别多个移动节点7保证不漏卡；近距离无线通信使用zigbee通信，远距离无线通信使用LoRa通信；
第六步：移动节点7使用在近距离无线通信覆盖之外时，使用远距离窄带通信与定位锚节点6进行通信，远距离窄带通信使用在非视距条件下实现长达数公里的远距离通信；当移动节点7处在近距离无线通信范围之外时，使用移动节点组成设备B的惯性导航单元18进行定位，惯导定位数据通过蓝牙通信传给移动节点组成设备A，移动节点7通过组成设备A的远距离窄带无线通信将定位结果发送至定位锚节点6；
其中，定位锚节点布设在井口、工作面等人员聚集区域和井下大巷等人员经常经过的区域；
其中，采用的定位方法是一种基于电磁波飞行时间(TOF)测距的电磁波一维粗定位与惯导高精度定位相结合的方法，根据需要，不需要高精度定位的区域使用电磁波一维粗定位，以节省移动节点7的电量消耗，需要高精度定位区域，使用惯导高精度定位，上位机软件可以发送定位切换命令给指定的移动节点7，需要了解其精确的位置和行走轨迹时，使其启动蓝牙通信，将惯导定位数据传输给定位锚节点6。
综上所述：本发明提供的一种基于多源融合的井下人员定位系统及方法，包括地面监控中心1、上层终端2、通信主干网3、网关节点4、总线5、定位锚节点6、移动节点7和位置信标8，针对现有煤矿井下人员定位技术精度低、定位盲区多，实现全覆盖成本高等问题，本发明采用电磁波一维粗定位与惯导高精度定位相结合的方法，根据需要不需要高精度定位的区域使用电磁波粗定位，以节省移动节点7的电量消耗，需要高精度定位区域，使用惯导高精度定位，上位机软件可以发送定位切换命令给指定的移动节点7，需要了解其精确的位置和行走轨迹时，使其启动蓝牙通信，将惯导定位数据传输给定位锚节点6，以减小定位误差、提高定位精度，且抗干扰能力强，能够以较低成本实现矿井的无盲区全覆盖。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多源融合的井下人员定位系统，其特征在于，包括地面监控中心(1)、上层终端(2)、通信主干网(3)、网关节点(4)、总线(5)、定位锚节点(6)、移动节点(7)和位置信标(8)；
所述地面监控中心(1)为一台计算机或者服务器，或是多台计算机或服务器组成的计算机网络，地面监控中心(1)从通信主干网(3)接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包；
所述上层终端(2)为一种处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心(1)连接，获取实时定位数据；
所述通信主干网(3)为矿井已有的负责井上井下通信的主干网络，或专门为本系统搭建的通信网络；
所述总线(5)负责将锚节点(6)连接至网关节点(4)；
所述网关节点(4)将总线(5)信号转换为通信主干网(3)的传输信号；
所述定位锚节点(6)通过总线(5)和网关节点(4)连接至通信主干网(3)，定位锚节点(6)包括近距离无线通信单元(9)、总线传输单元(10)、远距离窄带无线通信单元(11)、控制单元(12)和供电单元(13)；
所述位置信标(8)为蓝牙信标，周期性广播带有其位置信息的无线信号，为移动节点进行惯性导航定位的累积误差修正提供准确的位置信息
所述移动节点(7)由A、B两个设备组成，移动节点组成设备A包括近距离无线通信单元A(14)、蓝牙通信单元A(15)、远距离窄带无线通信单元A(16)、控制单元A(17)和供电单元A(18)；移动节点组成设备B由惯性导航单元(19)、控制单元B(20)、蓝牙通信单元B(21)和供电单元B(22)组成；
一种基于多源融合的井下人员定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将定位锚节点(6)固定在巷道侧壁或巷道顶部，移动节点(7)放置在井下人员身上，其移动节点组成设备A佩戴方式任意，移动节点组成设备B固定于井下人员足部；
步骤2)：移动节点(7)处在定位锚节点(6)近距离无线通信覆盖之内时，移动节点(7)使用具有较大通信带宽的近距离无线通信方式与定位锚节点(6)进行通信；
步骤3)：移动节点(7)处在近距离无线通信覆盖之外时，使用远距离窄带通信与定位锚节点(6)进行通信，远距离窄带通信使用在非视距条件下实现长达数公里的远距离通信；
步骤4)：位置信标(8)布设在井下需要进行惯性导航精确定位的巷道内，将位置信标根据惯性导航定位误差修正的需要在巷道内进行布设；
步骤5)：移动节点(7)在定位锚节点(6)近距离无线通信覆盖范围之内时，默认关闭远距离窄带无线通信和惯性导航定位，将移动节点(7)和定位锚节点(6)使用近距离无线通信方式进行电磁波测距，实现一维粗定位，近距离无线通信具有较大通信带宽，在井口等人员集中位置，实现并发识别多个移动节点，保证不漏卡；移动节点(7)处在定位锚节点(6)近距离无线通信覆盖范围之外时，移动节点(7)自动切换为惯性导航定位，打开蓝牙通信，将移动节点组成设备B的惯性导航定位数据通过蓝牙发送到移动节点组成设备A，移动节点组成设备A使用远距离窄带无线通信将定位数据传输至定位锚节点(6)；
步骤6)：移动节点(7)在定位锚节点(6)近距离无线通信覆盖范围之内时，地面监控中心(1)可以发送定位切换指令至移动节点(7)，使其从电磁波一维粗定位切换至惯性导航高精度定位，打开蓝牙通信，将移动节点组成设备B的惯性导航定位数据通过蓝牙发送到移动节点组成设备A，移动节点组成设备A使用远距离窄带无线通信将定位数据传输至定位锚节点(6)。
2.如权利要求1所述的一种基于多源融合的井下人员定位系统，其特征在于，步骤1)中定位锚节点(6)布设在井口、工作面等人员聚集区域和井下大巷等人员经常经过的区域。
3.如权利要求2所述的一种基于多源融合的井下人员定位系统，其特征在于，采用电磁波一维粗定位与惯导高精度定位相结合的方式，根据需要，不需要高精度定位的区域使用电磁波一维粗定位，以节省移动节点的电量消耗，需要高精度的定位的区域使用惯性导航高精度定位，在定位锚节点(6)近距离无线通信覆盖范围之内需要使用惯性导航高精度定位的位置安装位置信标(8)，移动节点(7)接收到此位置信标(8)的信号时，切换定位方式为惯性导航高精度定位。
4.如权利要求3所述的一种基于多源融合的井下人员定位系统，其特征在于，当移动节点(7)处在定位锚节点(6)近距离无线通信和远距离窄带无线通信均不能覆盖的位置时，移动节点(7)将存储自己的惯性导航定位数据，待移动节点(7)进入锚节点(6)无线通信覆盖范围内时，将存储的惯性导航定位数据发送给定位锚节点(6)，保障移动节点(7)在井下定位轨迹的完整。
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