CN111586838A - 煤矿井下精确定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤矿井下精确定位方法，包括如下步骤：S1.定位终端向定位基站发送RFID握手信息，定位基站判断是否收到RFID握手信息，若是，进入步骤S2，若否，进入步骤S3；S2.确定RFID定位结果；S3.定位终端判断是否收到定位基站发送的ZigBee入网信号，若是，则进行ZigBee定位，若否，进入步骤S4；S4.定位终端向定位基站发送UWB握手信息进行UWB定位。本发明的一种煤矿井下精确定位方法，能够自适应地测算目标体在煤矿井下的位置，适用性好、定位精度高、定位成本低。

Description

煤矿井下精确定位方法
技术领域
本发明涉及定位领域，具体涉及一种煤矿井下精确定位方法。
背景技术
RFID是一种射频识别技术，又称无线射频识别，可通无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，为一种非接触式的数据通信技术，可以在室内达到1-3米的定位精确度。RFID的应用非常广泛，典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。
ZigBee无线通信技术是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术。相较于传统网络通信技术，ZigBee无线通信技术表现出更为高效、便捷的特征。作为一项近距离、低成本、低功耗的无线网络技术，ZigBee无线通信技术其关于组网、安全及应用软件方面的技术是基于IEEE批准的802.15.4无线标准。该项技术尤为适用于数据流量偏小的业务，可尤为便捷地在一系列固定式、便携式移动终端中进行安装。
UWB技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。
矿井当前使用的井下人员考勤管理系统以有源RFID技术为主，定位精度为几十米到几百米不等。有矿用人员定位管理系统采用zigbee技术实现静态条件下定位精度5米，移动条件定位精度10米。也有矿井人员管理系统采用UWB技术实现30厘米定位精度，定位精度较高但是成本相对较高。
市场上出现的很多精确定位系统，要么是定位精度低，还达不到煤矿的需求标准，要么就是定位基站等硬件设备部署数量过大，整个系统部署造价太高。
因此，为解决以上问题，需要一种煤矿井下精确定位方法，能够自适应地测算目标体在煤矿井下的位置，适用性好、定位精度高、定位成本低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供煤矿井下精确定位方法，能够自适应地测算目标体在煤矿井下的位置，适用性好、定位精度高、定位成本低。
本发明的煤矿井下精确定位方法，包括如下步骤：
S1.定位终端向定位基站发送RFID握手信息，定位基站判断是否接收到RFID握手信息，若是，则进入步骤S2，若否，则进入步骤S3；
S2.定位基站向定位终端发送确认信息，定位终端收到确认信息后向定位基站发送定位信息，定位基站判断是否收到定位信息，若是，则定位终端在定位基站的测量范围内，若否，则定位终端不在定位基站的测量范围内；
S3.定位基站向定位终端发送广播信号，定位终端收到广播信号后向定位基站发送ZigBee定位测距请求信号，定位基站判断是否收到ZigBee定位测距请求信号，若是，则根据ZigBee定位模式确定定位终端的位置，若否，则进入步骤S4；
S4.定位终端向定位基站发送UWB握手信息，定位基站收到UWB握手信息后向定位终端发送确认信息，并根据UWB定位模式确定定位终端的位置。
进一步，步骤S3中，所述ZigBee定位模式采用TOF测距算法确定定位终端分别与ZigBee第一定位模块和ZigBee第二定位模块之间的距离，并根据所述距离计算得到定位终端的位置。
进一步，确定定位终端分别与ZigBee第一定位模块和ZigBee第二定位模块之间的距离，具体包括：
S31.确定定位终端与ZigBee第一定位模块的距离d1；
所述距离
Figure BDA0002503117520000021
其中，Tf为定位终端向ZigBee第一定位模块发送数据的时刻；Tt为ZigBee第一定位模块收到定位终端发送数据的时刻；Ts为ZigBee第一定位模块向定位终端发送回复数据的时刻；Tr为定位终端收到ZigBee第一定位模块发送回复数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度；
S32.确定定位终端与ZigBee第二定位模块的距离d2；
所述距离
Figure BDA0002503117520000031
其中，T′f为定位终端向ZigBee第二定位模块发送数据的时刻；T′t为ZigBee第二定位模块收到定位终端发送数据的时刻；T′s为ZigBee第二定位模块向定位终端发送回复数据的时刻；T′r为定位终端收到ZigBee第二定位模块发送回复数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度。
进一步，步骤S4中，所述UWB定位模式采用SDS-TWR测距算法确定定位终端分别与第一定位基站和第二定位基站之间的距离，并根据所述距离计算得到定位终端的位置。
进一步，确定定位终端分别与第一定位基站和第二定位基站之间的距离，具体包括：
S41.确定定位终端与第一定位基站的距离d1′；
所述距离
Figure BDA0002503117520000032
其中，T1为定位终端向第一定位基站发送数据的时刻；T2为第一定位基站收到定位终端发送数据的时刻；T3为第一定位基站向定位终端发送回复数据的时刻；T4为定位终端收到第一定位基站发送回复数据的时刻；T5为定位终端再次向第一定位基站发送数据的时刻；T6为第一定位基站再次收到定位终端发送数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度；
S42.确定定位终端与第二定位基站的距离d2′；
所述距离
Figure BDA0002503117520000033
其中，T7为定位终端向第二定位基站发送数据的时刻；T8为第二定位基站收到定位终端发送数据的时刻；T9为第二定位基站向定位终端发送回复数据的时刻；T10为定位终端收到第二定位基站发送回复数据的时刻；T11为定位终端再次向第二定位基站发送数据的时刻；T12为第二定位基站再次收到定位终端发送数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度。
进一步，步骤S4还包括：在进行UWB定位前，判断若干个定位终端向定位基站发送入网广播帧时，所述入网广播帧之间是否会发生碰撞，若是，则设定若干个定位终端随机延迟发送入网广播帧，若否，则开始UWB定位。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种煤矿井下精确定位方法，通过基于RFID、Zigbee和UWB相融合的定位方法，定位终端可发送RFID信号、ZigBee信号和UWB信号，在定位基站覆盖的范围内，定位终端遇到RFID读卡器时，进行区域定位，遇到ZigBee读卡器时，采用ZigBee方式进行精确定位，遇到UWB信号时，自动切换到UWB模式下进行精准定位，能够自适应地测算设置有定位终端的目标体在煤矿井下的位置，适用性好、定位精度高、定位成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的定位装置示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的煤矿井下精确定位方法是利用煤矿井下精确定位系统来实现的。所述煤矿井下精确定位系统包括：布置于目标体的定位终端以及布置于矿井的若干个定位基站；所述目标体为在矿井中进行作业的工作人员或者是无轨胶轮车等运输设备。
本实施例中，所述定位终端为能够按照设定的通信频率向定位单位发送脉冲信息，从而实现精确定位的卡片式信标；定位终端为标识卡。
所述标识卡包括标识卡定位模块、标识卡充电模块、振动传感器以及标识卡微控制器；
所述标识卡定位模块包括UWB定位模块、ZigBee模块以及RFID模块；所述UWB定位模块，选用DW1000芯片，DW1000符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准，定位精度可达厘米级，支持TOA测距、SDS-TWR测距等多种测距，可完成无数数据的收发，采用SPI方式与标识卡微控制器通讯，用于实现UWB定位。所述ZigBee模块，选用JN5168无线微控制器设计，完成无线数据的收发，用于实现ZigBee定位。所述RFID模块，拟采用集成了无线发射和接收功能的nRF24L01芯片，工作频段为2.4GHz，采用GFSK调制，具有自动重发及自动应答功能，数据传输速率为1Mpbs或2Mbps；
所述标识卡充电模块负责标识卡的供电管理；
所述振动传感器选用LIS3DH进行功耗设计，当标识卡处于静止状态时，关闭外围设备，进入低功耗休眠状态；
所述标识卡微控制器选用ARM系列CPU作为控制核心，用于控制外围设备和进行逻辑运算。
所述定位基站包括定位基站定位模块、协议通信模块、电源模块以及基站微控制器；
所述定位基站定位模块包括ZigBee主定位模块、ZigBee辅定位模块、UWB定位模块以及RFID模块；
所述ZigBee主定位模块和ZigBee辅定位模块均选用JN5168无线微控制器设计，完成无线数据的收发，实现了KJ251A-D2读卡器定位功能，用于ZigBee定位，支持TOF等测距算法；
所述UWB定位模块选用DW1000芯片，DW1000符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准，定位精度可达厘米级，支持TOA测距、SDS-TWR测距等多种测距，可完成无数数据的收发，采用SPI方式与基站微控制器通讯，用于实现UWB定位；
所述RFID模块拟采用集成了无线发射和接收功能的nRF24L01芯片，工作频段为2.4GHz，采用GFSK调制，具有自动重发及自动应答功能，数据传输速率为1Mpbs或2Mbps，实现了KJF210B矿用本安型读卡器功能；
所述协议通信模块采用电力载波技术实现网络通讯，用于提高通讯速率；
所述电源模块用于完成基站供电，采用本安电路进行设计；
所述基站微控制器选用ARM系列CPU作为控制核心，用于控制外围设备和进行逻辑运算。
本发明的煤矿井下精确定位方法，包括如下步骤：
S1.定位终端向定位基站发送RFID握手信息，如果RFID握手信息在定位基站的RFID模块读卡器工作范围内，则进入步骤S2，否则，则进入步骤S3；
S2.定位基站向定位终端发送确认信息，定位终端收到确认信息后向定位基站发送定位信息，定位基站判断是否收到定位信息，若是，则定位终端在定位基站的测量范围内，若否，则定位终端不在定位基站的测量范围内；
S3.定位基站向定位终端发送广播入网信号，定位终端收到广播信号后向定位基站发送ZigBee定位测距请求帧，定位基站判断是否收到ZigBee定位测距请求帧，若是，则根据ZigBee定位模式确定定位终端的位置，若否，则进入步骤S4；
S4.定位终端向定位基站发送UWB握手信息，定位基站收到UWB握手信息后向定位终端发送确认信息，并根据UWB定位模式确定定位终端的位置。
需要说明的是，由于煤矿巷道或者隧道等环境，一般为狭长状态，巷道宽度以及高度相对较小，所以可以将煤矿巷道看作成一维线性空间，故本发明的定位终端与多个定位基站近似处于一条直线上。
本实施例中，步骤S3中，所述ZigBee定位模式采用TOF测距算法确定定位终端与定位基站中ZigBee主定位模块之间的距离d1以及定位终端与定位基站中ZigBee辅定位模块之间的距离d2，通过测量可以直接得到设置于ZigBee主定位模块的主天线与设置于ZigBee辅定位模块的辅天线之间的距离S，则结合上述3个距离值，在一维煤矿巷道场景下，可以计算得到定位终端的位置，进而实现了单个定位基站的定位模式；其中，所述主天线与辅天线之间平行设置，且垂直于煤矿巷道。
本实施例中，确定定位终端分别与ZigBee主定位模块和ZigBee辅定位模块之间的距离，具体包括：
S31.确定定位终端与ZigBee主定位模块的距离d1；
所述距离
Figure BDA0002503117520000071
其中，Tf为定位终端向ZigBee主定位模块发送数据的时刻；Tt为ZigBee主定位模块收到定位终端发送数据的时刻；Ts为ZigBee主定位模块向定位终端发送回复数据的时刻；Tr为定位终端收到ZigBee主定位模块发送回复数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度，本实施例中，C取值为光速；
S32.确定定位终端与ZigBee辅定位模块的距离d2；
所述距离
Figure BDA0002503117520000072
其中，T′f为定位终端向ZigBee辅定位模块发送数据的时刻；T′t为ZigBee辅定位模块收到定位终端发送数据的时刻；T′s为ZigBee辅定位模块向定位终端发送回复数据的时刻；T′r为定位终端收到ZigBee辅定位模块发送回复数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度，本实施例中，C取值为光速。
本实施例中，步骤S4中，所述UWB定位模式采用SDS-TWR测距算法确定定位终端与第一定位基站之间的距离d1′以及定位终端与第二定位基站之间的距离d2′，通过测量可以直接得到第一定位基站与第二定位基站之间的距离S′，则结合上述3个距离值，在一维煤矿巷道场景下，可以计算得到定位终端的位置。
本实施例中，确定定位终端分别与第一定位基站和第二定位基站之间的距离，具体包括：
S41.由第一定位基站确定定位终端与第一定位基站的距离d1′；
所述距离
Figure BDA0002503117520000073
其中，T1为定位终端向第一定位基站发送射频信号的时刻；T2为第一定位基站收到定位终端发送射频信号的时刻；T3为第一定位基站向定位终端发送回复射频信号的时刻；T4为定位终端收到第一定位基站发送回复射频信号的时刻；T5为定位终端再次向第一定位基站发送射频信号的时刻，本实施例中，T5时刻发送的射频信号包括T1、T4、T5时刻值；T6为第一定位基站再次收到定位终端发送射频信号的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度，本实施例中，C取值为光速。
S42.由第二定位基站确定定位终端与第二定位基站的距离d2′；
所述距离
Figure BDA0002503117520000081
其中，T7为定位终端向第二定位基站发送射频信号的时刻；T8为第二定位基站收到定位终端发送射频信号的时刻；T9为第二定位基站向定位终端发送回复射频信号的时刻；T10为定位终端收到第二定位基站发送回复射频信号的时刻；T11为定位终端再次向第二定位基站发送射频信号的时刻，本实施例中，T11时刻发送的射频信号包括T7、T10、T11时刻值；T12为第二定位基站再次收到定位终端发送射频信号的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度，本实施例中，C取值为光速。
本实施例中，步骤S4还包括：在确定进行UWB定位前，判断若干个定位终端向定位基站发送入网广播帧时，所述入网广播帧之间是否会发生碰撞，若是，则通过所述定位基站向所述若干个定位终端发送随机延迟发送响应数据的信号，使得所述若干个定位终端在指定的时隙向所述定位基站发送UWB测距信号，确保定位终端和定位基站之间的无线通讯是一对一的；若否，则表明定位终端与定位基站之间已经建立起了一对一的无线通讯连接，可以开始进行UWB方式测距，直至UWB测距成功；
上述测距成功后，定位终端依据与定位基站的距离进行定位终端方位的判断，从而完成定位处理。在定位终端的休眠阶段，当定位完成后，定位终端进入掉电模式，等待定时器定时唤醒进行下一轮定位。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种煤矿井下精确定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.定位终端向定位基站发送RFID握手信息，定位基站判断是否接收到RFID握手信息，若是，则进入步骤S2，若否，则进入步骤S3；
S2.定位基站向定位终端发送确认信息，定位终端收到确认信息后向定位基站发送定位信息，定位基站判断是否收到定位信息，若是，则定位终端在定位基站的测量范围内，若否，则定位终端不在定位基站的测量范围内；
S3.定位基站向定位终端发送广播信号，定位终端收到广播信号后向定位基站发送ZigBee定位测距请求信号，定位基站判断是否收到ZigBee定位测距请求信号，若是，则根据ZigBee定位模式确定定位终端的位置，若否，则进入步骤S4；
S4.定位终端向定位基站发送UWB握手信息，定位基站收到UWB握手信息后向定位终端发送确认信息，并根据UWB定位模式确定定位终端的位置。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：步骤S3中，所述ZigBee定位模式采用TOF测距算法确定定位终端分别与ZigBee第一定位模块和ZigBee第二定位模块之间的距离，并根据所述距离计算得到定位终端的位置。
3.根据权利要求2所述的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：确定定位终端分别与ZigBee第一定位模块和ZigBee第二定位模块之间的距离，具体包括：
S31.确定定位终端与ZigBee第一定位模块的距离d1；
所述距离
Figure FDA0002503117510000011
其中，Tf为定位终端向ZigBee第一定位模块发送数据的时刻；Tt为ZigBee第一定位模块收到定位终端发送数据的时刻；Ts为ZigBee第一定位模块向定位终端发送回复数据的时刻；Tr为定位终端收到ZigBee第一定位模块发送回复数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度；
S32.确定定位终端与ZigBee第二定位模块的距离d2；
所述距离
Figure FDA0002503117510000012
其中，T′f为定位终端向ZigBee第二定位模块发送数据的时刻；T′t为ZigBee第二定位模块收到定位终端发送数据的时刻；T′s为ZigBee第二定位模块向定位终端发送回复数据的时刻；T′r为定位终端收到ZigBee第二定位模块发送回复数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：步骤S4中，所述UWB定位模式采用SDS-TWR测距算法确定定位终端分别与第一定位基站和第二定位基站之间的距离，并根据所述距离计算得到定位终端的位置。
5.根据权利要求4所述的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：确定定位终端分别与第一定位基站和第二定位基站之间的距离，具体包括：
S41.确定定位终端与第一定位基站的距离d1′；
所述距离
Figure FDA0002503117510000021
其中，T1为定位终端向第一定位基站发送数据的时刻；T2为第一定位基站收到定位终端发送数据的时刻；T3为第一定位基站向定位终端发送回复数据的时刻；T4为定位终端收到第一定位基站发送回复数据的时刻；T5为定位终端再次向第一定位基站发送数据的时刻；T6为第一定位基站再次收到定位终端发送数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度；
S42.确定定位终端与第二定位基站的距离d2′；
所述距离
Figure FDA0002503117510000022
其中，T7为定位终端向第二定位基站发送数据的时刻；T8为第二定位基站收到定位终端发送数据的时刻；T9为第二定位基站向定位终端发送回复数据的时刻；T10为定位终端收到第二定位基站发送回复数据的时刻；T11为定位终端再次向第二定位基站发送数据的时刻；T12为第二定位基站再次收到定位终端发送数据的时刻；C为电磁波在介质中的传播速度。
6.根据权利要求1所述的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：步骤S4还包括：在进行UWB定位前，判断若干个定位终端向定位基站发送入网广播帧时，所述入网广播帧之间是否会发生碰撞，若是，则设定若干个定位终端随机延迟发送入网广播帧，若否，则开始UWB定位。
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