CN114353782A - 一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法、井下定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Baseline‑RFMDR井下定位方法、井下定位装置，包括获取井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角，基于井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角获取井下人员的第一定位；获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据，基于地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位；获取井下人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向，基于行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位；对第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位。本方法通过第一定位、第二定位和第三定位三个定位结果进行抗差融合解算，获取精准定位，定位精度高，对井下供电和通讯系统依赖性小，更适用于复杂的矿井环境。

Description

一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法、井下定位装置

技术领域

本发明属于矿井安全监控领域，特别涉及一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法、井下定位装置。

背景技术

井下定位是实现井下安全生产和监督管理的基础保障。目前井下普遍安装的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，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。其定位过程依赖于井下供电和通讯系统，一旦井下出现供电或信号不稳定的情况，定位装置就不能正常工作，无法满足突发状况下的应急定位和救援定位的要求。

同时现有的井下定位方法大多基于一种信号进行定位，如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，其主要是基于磁特征的井下地磁定位方法研究，但是地磁定位技术容易受到铁等金属的影响，难以适应复杂的矿井环境，定位精度偏差较大。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法、井下定位装置，通过第一定位、第二定位和第三定位三个定位结果进行抗差融合解算，获取精准定位，定位精度高，对井下供电和通讯系统依赖性小，更适用于复杂的矿井环境。

本发明实施例的第一方面提供了一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法，所述方法包括：

获取井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角，基于所述井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角获取井下人员的第一定位；

获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据，基于所述地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位；

获取井下人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向，基于所述行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位；

对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位。

作为上述方案的进一步优化，所述第一定位的具体获取步骤包括：

在矿井巷道的侧壁上等距设置有多组基线标签，所述每组基线标签对称设置在矿井巷道的两侧侧壁上；

获取井下人员所在区域多组基线标签中的标签信号，所述标签信号包括标签坐标、标签信号发射角度；

选取所述标签信号发射角度的最大的一组基线标签作为主基线标签，基于所述主基线标签获取次基线标签；

基于所述主基线标签和次基线标签，分别计算井下人员的位置坐标，将计算得到的相同位置坐标作为第一定位。

作为上述方案的进一步优化，所述获取次基线标签包括：获取与主基线标签相邻的两组基线标签的标签信号发射角度，选取所述与主基线标签相邻的两组基线标签中标签信号发射角度最大的一组基线标签作为次基线标签。

作为上述方案的进一步优化，所述行走平均步长、行走步数、行走方向基于井下人员行走的线速度和方向加速度进行推算。

作为上述方案的进一步优化，其特征在于，所述对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算的具体过程包括：

基于第一定位、第二定位和第三定位构造精准定位的最优值函数，所述最优值函数的计算公式如下：

基于第一定位、第二定位和第三定位的最优值，采用抗差估计解算精准定位，具体计算公式如下：

st.(x_p,y_p)＝min(|V₁|+|V₂|+|V₃|) (2)

其中，(x_p,y_p)表示精准定位，(x₁,y₁)表示第一定位，(x₂,y₂)表示第二定位，(x₃,y₃)表示第三定位，V₁表示第一定位的最优值，V₂表示第二定位的最优值，V₃表示第三定位的最优值。

本发明实施例的第二方面提供了一种基于Baseline-RFMDR井下定位装置，所述装置包括：

定位模块，用于获取井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角，基于所述井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角获取井下人员的第一定位；

获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据，基于所述地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位；获取井下人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向，基于所述行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位；

定位解算模块，用于对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位。

作为上述方案的进一步优化，所述定位模块包括：

标签读取单元，用于获取基线标签中的标签信号；

地磁数据获取单元，用于获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据；

位姿获取单元，用于获取井下人员行走的线速度和方向加速度；

数据预处理单元，用于对标签读取单元、地磁数据获取单元和地磁数据获取单元获取的数据进行滤波预处理；

定位单元，用于基于滤波后的数据计算井下人员的第一定位、第二定位、第三定位。

作为上述方案的进一步优化，所述装置还包括：

环境检测模块，用于检测井下人员所处矿井区域的环境数据；

预警模块，用于基于井下人员所处矿井区域的环境数据进行声光报警；

通信模块，所述通信模块包括蓝牙通信单元和电磁波通信单元，所述蓝牙通信单元用于与以太网中继站进行通信，所述电磁波通信单元用于按照预设频率发射电磁信号。

作为上述方案的进一步优化，所述装置还包括：

最优路径规划模块，包括路径规划单元和显示单元，

所述路径规划单元用于基于矿井地图、井下人员的精准定位和环境数据规划井下人员的最优路径；

所述显示单元用于显示矿井地图、井下人员的精准定位和环境数据规划和所述最优路径。

本发明实施例的第三方面一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条程序代码，所述至少一条程序代码由处理器加载并执行以实现如上述的一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法。

本发明的一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法、井下定位装置，具备如下有益效果：

1、本发明基于井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角获取井下人员的第一定位，基于地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位，基于行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位，然后三个定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位，相比于现有技术其定位精度更高，同时通过三个定位进行抗差融合解算，可以最大程度减小单个定位误差对最终定位结果的影响，抗干扰能力强，更适用于矿井复杂的环境。

2、本发明的一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法、井下定位装置可让井下人员进行主动式定位，并检测井下环境数据，进行预警和规划最优路径，在发生突发情况时可以协助井下人员自救，同时在井下人员被困时，定位装置会向外发送电磁波，请求久远，该通信不依赖于井下通讯和井下供电，更适用于紧急环境，安全性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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他的附图。

图1是本发明一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法的流程图；

图2是本发明井下人员与主基线标签的位置示意图；

图3是本发明井下人员与次基线标签的位置示意图；

图4是本发明一种基于Baseline-RFMDR井下定位装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明实施例提供了一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法，上述方法包括：

获取井下人员与矿井巷道基线之间的夹角，基于所述井下人员与矿井巷道基线之间的夹角获取井下人员的第一定位；

获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据，基于所述地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位；

获取井下人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向，基于所述行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位；

对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位。

参考图1，在本实施例中首先通过三种方法获取井下人员的定义，第一种是在矿井巷道两侧设置基线标签，通过基线标签与井下人员的位置获取井下人员的第一定位，通过该方法获取定位对于井下供电和井下通信的依赖较小，定位精确度取决于基线标签密度，需要预设基线标签。第二种是通过矿井的地磁数据进行地磁匹配，获取矿井人员的第二定位，通过该方法进行定位不存在累积误差，定位精度高，但是容易受到其他磁场干扰，抗误差能力弱。第三种是通过获取人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位，通过该方法可以获得井下人员较多的信息，可以获得井下人员较为精准的定位，但是其累积误差较大。因此本发明在获取三种定位后，通过对三种定位进行抗差融合解算，获取的最终的精准定位，融合了三种定位方法的优点，同时通过抗差估计减小了单个定位误差对定位结果的影响，定位结果更加准确，该定位方法更加适用于矿井复杂的环境。

基于上述方法，上述第一定位的具体获取步骤包括：

在矿井巷道的侧壁上等距设置有多组基线标签，所述每组基线标签对称设置在矿井巷道的两侧侧壁上；

获取井下人员所在区域多组基线标签中的标签信号，所述标签信号包括标签坐标、标签信号发射角度；

选取所述标签信号发射角度的最大的一组基线标签作为主基线标签，基于所述主基线标签获取次基线标签；

基于所述主基线标签和次基线标签，分别计算井下人员的位置坐标，将计算得到的相同位置坐标作为第一定位。

参考图2，在本实施例中，通过基线标签获取井下人员的第一定位。具体的是，在矿井巷道的侧壁上等距设置有多组基线标签，每组基线标签对称设置在矿井巷道的两侧侧壁上，每组标签的连线即为定位基线L，其中基线标签优选为RFID标签，然后井下人员通过井下定位装置获取基线标签中标签坐标、标签信号发射角度，其中标签信号发射角度即为井下人员与矿井巷道基线之间的夹角，然后根据标签坐标、标签信号发射角度可以计算出井下人员的坐标，计算公式如下：

其中，(x_p1,y_p1)是井下人员的第一定位坐标，(x_d1,y_d1)和(x_d2,y_d2)是标签1和标签2的坐标。

进一步，由于井下人员可能会同时收到多个标签信号，因此需要对标签信号进行筛选，在本申请中基于就近原则进行筛选，具体的是由几何关系可知，标签信号发射角度越大，井下人员距离基线标签越近，所以选择标签信号发射角度的最大的一组基线标签作为主基线标签。由式(3)可以知，仅基于主基线标签可以得到两个位置坐标，如图2中的W1和W2，因此为了确定井下人员的位置后需要选取两组基线标签，分别为主基线标签和与其相邻的次基线标签，通过两组标签可以得到四个坐标，其中两个相同的坐标即为井下人员的第一定位。

基于上述方法，上述获取次基线标签包括：获取与主基线标签相邻的两组基线标签的标签信号发射角度，选取所述与主基线标签相邻的两组基线标签中标签信号发射角度最大的一组基线标签作为次基线标签。

需要说明的是，参考图3，假设标签1和标签2为主基线标签，则与其相邻的基线标签有两组分别是标签3、标签4和标签5、标签6，在本申请中选取距离井下人员最近的相邻基线标签作为次基线标签，该选取方法可以减小标签信号传输过程中的失真率，提高标签信号的准确性。由于井下人员位置未知，因此在本实施例中，通过标签信号发射角度来判断井下人员与基线标签的距离，由几何关系可知，标签信号发射角度越大，井下人员距离基线标签越近。

基于上述方法，上述行走平均步长、行走步数、行走方向基于井下人员行走的线速度和方向加速度进行推算。

需要说明的是，平均步长、行走步数、行走方向可以通过井下人员行走的线速度和方向加速度进行推算，其中井下人员行走的线速度和方向加速度可通过姿态传感器的加速度计和角速度计进行测量。

基于上述方法，上述对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算的具体过程包括：

基于第一定位、第二定位和第三定位构造精准定位的最优值函数，所述最优值函数的计算公式如下：

基于第一定位、第二定位和第三定位的最优值，采用抗差估计解算精准定位，具体计算公式如下：

st.(x_p,y_p)＝min(|V₁|+|V₂|+|V₃|) (2)

其中，(x_p,y_p)表示精准定位，(x₁,y₁)表示第一定位，(x₂,y₂)表示第二定位，(x₃,y₃)表示第三定位，V₁表示第一定位的最优值，V₁表示第二定位的最优值，V₃表示第三定位的最优值。

在本实施例中，通过对第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算得到最终的精准定位。具体的是首先设定所需要实现的目标，获取井下人员的精准定位，然后构建每种定位方式的最优值函数，如公式(1)，计算得到每种定位方式的最优值V₁、V₁、V₃，最后按照公式(2)对三个最优值进行抗差估计求解，得到最优的精准定位。

通过该方法实时对三种定位进行融合解算，可以保证每次的定位结果均是最优的精准定位，保证了定位结果的准确性，同时融合了三种定位结果，提高了本定位方法的抗干扰能力，适用性更强。

本申请实施例提供的一种基于Baseline-RFMDR井下定位装置，上述装置包括：

定位模块，用于获取井下人员与矿井巷道基线之间的夹角，基于所述井下人员与矿井巷道基线之间的夹角获取井下人员的第一定位；获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据，基于所述地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位；获取井下人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向，基于所述行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位；

定位解算模块，用于对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位。

需要说明的是：本实施例提供的一种基于Baseline-RFMDR井下定位装置在进行定位时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将一种基于Baseline-RFMDR井下定位装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

基于上述装置，上述定位模块包括：

标签读取单元，用于获取基线标签中的标签信号；

地磁数据获取单元，用于获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据；

位姿获取单元，用于获取井下人员行走的线速度和方向加速度；

数据预处理单元，用于对标签读取单元、地磁数据获取单元和地磁数据获取单元获取的数据进行滤波预处理；

定位单元，用于基于滤波后的数据计算井下人员的第一定位、第二定位、第三定位。

参考图4，在本实施例中，定位模块用于获取第一定位、第二定位、第三定位。具体的是标签读取单元优选为RFID阅读器和摆动接受天线传感器，标签信号中的标签坐标和标签信号发射角度，地磁数据获取单元优选为磁传感器，用于获取井下人员通过路径上的地磁值，位姿获取单元优选为位姿传感器，位姿传感器通过加速度计和角速度计测量井下人员行走过程中的线速度和方向加速度。

进一步的标签读取单元、地磁数据获取单元和位姿获取单元通过数据预处理单元与定位单元相互连接，其中数据预处理单元优选为数字滤波器，经过数字滤波器预处理后的数据进入定位单元计算得出井下人员的第一定位、第二定位、第三定位。

需要说明的是，由于位姿传感器、摆动接受天线传感器受到装置的整体影响较大，因此本实施例中的井下定位装置优选为一种智能安全帽。

基于上述装置，上述装置还包括：

环境检测模块，用于检测井下人员所处矿井区域的环境数据；

预警模块，用于基于井下人员所处矿井区域的环境数据进行声光报警；

通信模块，所述通信模块包括蓝牙通信单元和电磁波通信单元，所述蓝牙通信单元用于与以太网中继站进行通信，所述电磁波通信单元用于按照预设频率发射电磁信号。

基于上述装置，上述装置还包括：

最优路径规划模块，包括路径规划单元和显示单元，

所述路径规划单元用于基于矿井地图、井下人员的精准定位和环境数据规划井下人员的最优路径；

所述显示单元用于显示矿井地图、井下人员的精准定位和环境数据规划和所述最优路径。

参考图4，需要说明的是，环境检测模块包括气体传感器、温度传感器、湿度传感器，预警模块包括LED报警器和蜂鸣器，环境检测模块和预警模块均与最优路径规划模块相互连接，环境检测模块获取矿井中的环境温度、湿度和气体成分等数据，传输至最优路径规划模块进行分析，若分析结果存在危险，则最优路径规划模块会启动预警模块进行预警，并将环境检测模块获取的矿井中环境温度、湿度和气体成分等数据结合精准定位和矿井地图传输至路径规划单元，规划出井下人员的最优避险线路，并通过显示单元进行显示，协助井下人员进行避险。

进一步的在常规情况下，井下定位装置会通过通信模块中的蓝牙通信单元与矿井中的以太网中继站进行通信，当遇到突发情况，导致矿井断电或者通信阻隔是，通信模块的电磁波通信单元会被启动，并按照一定的频率向外发送电磁波，搜救人员可以通过接收该电磁波确定井下人员的位置，对井下人员进行搜救。

本实施例的定位装置可以让井下人员主动式进行定位，并且定位结果更加准确，同时还可以在井下人员遇到突发情况时进行预警和协助避险，实用性更强。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，上述存储介质中存储有至少一条程序代码，所述至少一条程序代码由处理器加载并执行以实现上述的一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法。

可以理解，存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。本发明实施例中的存储器能够存储数据以支持装置的操作。这些数据的示例包括：用于在装置上操作的任何计算机程序，如操作系统和应用程序。其中，操作系统包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序可以包含各种应用程序。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法，其特征在于，所述方法包括：

获取井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角，基于所述井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角获取井下人员的第一定位；

获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据，基于所述地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位；

获取井下人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向，基于所述行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位；

对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一定位的具体获取步骤包括：

在矿井巷道的侧壁上等距设置有多组基线标签，所述每组基线标签对称设置在矿井巷道的两侧侧壁上；

获取井下人员所在区域多组基线标签中的标签信号，所述标签信号包括标签坐标、标签信号发射角度；

选取所述标签信号发射角度的最大的一组基线标签作为主基线标签，基于所述主基线标签获取次基线标签；

基于所述主基线标签和次基线标签，分别计算井下人员的位置坐标，将计算得到的相同位置坐标作为第一定位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取次基线标签包括：获取与主基线标签相邻的两组基线标签的标签信号发射角度，选取所述与主基线标签相邻的两组基线标签中标签信号发射角度最大的一组基线标签作为次基线标签。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行走平均步长、行走步数、行走方向基于井下人员行走的线速度和方向加速度进行推算。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算的具体过程包括：

基于第一定位、第二定位和第三定位构造精准定位的最优值函数，所述最优值函数的计算公式如下：

基于第一定位、第二定位和第三定位的最优值，采用抗差估计解算精准定位，具体计算公式如下：

st.(x_p,y_p)＝min(|V|₁+|V|₂+|V|₃) (2)

其中，(x_p,y_p)表示精准定位，(x₁,y₁)表示第一定位，(x₂,y₂)表示第二定位，(x₃,y₃)表示第三定位，V₁表示第一定位的最优值，V₂表示第二定位的最优值，V₃表示第三定位的最优值。

6.一种基于Baseline-RFMDR井下定位装置，其特征在于，所述装置包括：

定位模块，用于获取井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角，基于所述井下人员与矿井巷道基线标签之间的夹角获取井下人员的第一定位；

获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据，基于所述地磁数据进行地磁匹配，获取井下人员的第二定位；获取井下人员在矿井中的行走平均步长、行走步数、行走方向，基于所述行走平均步长、行走步数、行走方向获取井下人员的第三定位；

定位解算模块，用于对所述第一定位、第二定位和第三定位进行融合解算，得到井下人员的精准定位。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述定位模块包括：

标签读取单元，用于获取基线标签中的标签信号；

地磁数据获取单元，用于获取井下人员在矿井中行走通过路径的地磁数据；

位姿获取单元，用于获取井下人员行走的线速度和方向加速度；

数据预处理单元，用于对标签读取单元、地磁数据获取单元和地磁数据获取单元获取的数据进行滤波预处理；

定位单元，用于基于滤波后的数据计算井下人员的第一定位、第二定位、第三定位。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

环境检测模块，用于检测井下人员所处矿井区域的环境数据；

预警模块，用于基于井下人员所处矿井区域的环境数据进行声光报警；

通信模块，所述通信模块包括蓝牙通信单元和电磁波通信单元，所述蓝牙通信单元用于与以太网中继站进行通信，所述电磁波通信单元用于按照预设频率发射电磁信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

最优路径规划模块，包括路径规划单元和显示单元，

所述路径规划单元用于基于矿井地图、井下人员的精准定位和环境数据规划井下人员的最优路径；

所述显示单元用于显示矿井地图、井下人员的精准定位和环境数据规划和所述最优路径。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条程序代码，所述至少一条程序代码由处理器加载并执行以实现如权利要求1至5中任一项权利要求所述的一种基于Baseline-RFMDR井下定位方法。

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