CN115278534A - 一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法，属于无线定位领域，包括以下步骤：S1：对读卡器进行分组，每组由一个主读卡器和一个从读卡器组成，负责一个区域的定位；S2：主读卡器每次上电后随机延时一段时间后与从读卡器进行TOF测距；S3：将多次测距距离通过滤波处理后作为主从读卡器的间距；S4：标识卡发起测距帧时，在信号覆盖范围内的所有区域都接收测距帧，并分别计算出标识卡在各个定位区域的定位坐标；S5：结合各个区域接收测距帧的信号强度，判断出标识卡定位于哪个区域内，以及在该区域内的具体位置，同时判断出标识卡是否进行漫游。

Description

一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法
技术领域
本发明属于无线定位领域，涉及一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法。
背景技术
数字化矿山已经成为未来煤矿发展的重要趋势，在智能化煤矿十大主要功能系统中，人员定位技术是基于先进的计算机技术、通讯技术、空间信息技术，以高科技理念为指导的实现煤矿现代化管理和安全生产的唯一道路。目前的人员定位系统一般采用RFID、WiFi、ZigBee等无线通信技术实现井下定位，由于测量距离短、稳定性差、易受环境干扰、定位精度低等原因，无法满足矿井的高精度定位要求。UWB信号在近年来备受关注，是因其具有厘米级定位精度、较强的穿透性、抗多径干扰能力强等特点，符合井下精确人员定位标准与要求。
煤矿井下精确人员定位通常采用TOF测距方式进行测距，TOF测距方式有较高的精度与较强的抗干扰能力，但是在测距方向识别以及定位区域漫游方面有着天然的劣势。随着煤矿井下无人驾驶技术的推行，对精确定位的刷新率也有了更高的要求，传统TOF测距方式已不能满足煤矿井下越来越高的应用需求，需要一种高精度、高刷新率，高并发量、快速漫游的定位方法来满足煤矿现场应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法，包括以下步骤：
S1：对读卡器进行分组，每组由一个主读卡器和一个从读卡器组成，负责一个区域的定位；
S2：主读卡器每次上电后随机延时一段时间后与从读卡器进行TOF测距；
S3：将多次测距距离通过滤波处理后作为主从读卡器的间距；
S4：标识卡发起测距帧时，在信号覆盖范围内的所有区域都接收测距帧，并分别计算出标识卡在各个定位区域的定位坐标；
S5：结合各个区域接收测距帧的信号强度，判断出标识卡定位于哪个区域内，以及在该区域内的具体位置，同时判断出标识卡是否进行漫游。
进一步，同一区域的主读卡器每隔一段时间发起同步帧，所述同步帧只有与之配对的从读卡器才能接收，同步帧发送间隔取值100ms～200ms，通过同步帧将该区域所有读卡器的UWB时钟进行同步，标识卡每随机间隔一段时间发起一次测距帧，区域的主从读卡器接收到测距帧后将测距帧接收时间戳、同步帧发送时间戳以及同步帧接收时间戳发送至中心站定位引擎进行标识卡定位坐标解算。
进一步，所述读卡器由主控MCU、UWB模块、PA模块、MAC&PHY模块、FLASH、DC/DC模块组成，所述主控MCU用于实现读卡器打卡功能以及与上位机中心站数据交互，所述MAC&PHY模块用于实现网络数据的交互；所述主控MCU控制UWB模块实现UWB收发功能，并通过外置PA模块实现UWB长距离数据传输，DC/DC模块对输入电源进行降压处理以适配读卡器供电需求，并通过RS485总线采集本安电源的电源信息，FLASH中存储有读卡器相关功能的配置信息。
进一步，主读卡器上电随机延时后通过TOF测距技术中的DS-TWR测距方法测量出主从读卡器间的间距S，然后主读卡器每间隔一段时间就会发起测距时间同步帧，同步帧发送间隔取值100ms～200ms之间，令SYNC1和SYNC2为相邻的两条时间同步帧，主读卡器每发送一条时间同步帧就记录发送时间戳，从读卡器每接收到一条时间同步帧也记录接收时间戳，T1A、T1B为主读卡器时间同步帧的发送时间戳，T2A、T2B为从读卡器的接收时间戳，当在两条时间同步帧中间有标识卡发出测距帧时，主从读卡器分别记录下测距帧的接收时间戳；
ΔT12＝(T2C-T2A)+T12-(T1C-T1A) (1)
主读卡器与从读卡器的时间同步系数为：
(T1B-T1A)＝k(T2B-T2A) (2)
时间同步后：
ΔD12＝ΔT12*c＝((T2C-T2A)*k-(T1C-T1A))*c+S (3)
式中：ΔT12表示Tag传播到主读卡器和从读卡器的时间差；ΔD12表示Tag传播到主读卡器和从读卡器的距离差；T12表示SYNC1从主读卡器传播到从读卡器的时间；S表示主读卡器与从读卡器之间的距离；T1A表示SYNC1从主读卡器发送时刻时间戳；T1B表示SYNC2从主读卡器发送时刻时间戳；T1C表示主读卡器接收Tag时刻时间戳；T2A表示从读卡器接收SYNC1时刻时间戳；T2B表示从读卡器接收SYNC2时刻时间戳；T2C表示从读卡器接收Tag时刻时间戳；c表示光速；k表示主读卡器r与从读卡器时钟同步系数。
本发明的有益效果在于：
1、现场定位精度高：采用双读卡器TDOA进行定位可确保定位精度小于30cm；
2、现场定位并发量高：采用双读卡器TDOA进行定位，标识卡只需发送一次测距帧就可以实现精确定位；
3、现场定位稳定性高：将读卡器进行定位区域分组，进行定位区域漫游无需入网切换等操作。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为双读卡器TDOA定位流程图；
图2为读卡器分组管理图；
图3为双读卡器TDOA测距图；
图4为标识卡定位漫游图；
图5为读卡器硬件框图；
图6为双读卡器TDOA测距流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法，在煤矿井下采用双读卡器进行TDOA定位需要事先对读卡器进行分组，每组由一个主读卡器和一个从读卡器组成，一个读卡器可以是一个分组的主读卡器也可以是多个分组的主读卡器，每组读卡器负责一块区域的定位，主读卡器每次上电后随机延时一段时间后与从读卡器进行TOF测距，将多次测距距离通过滤波处理后作为两个读卡器间的间距，如图2所示，区域1由读卡器1和读卡器2组成，读卡器1作为该区域的主读卡器，区域2由读卡器2和读卡器3组成，在该区域内读卡器2作为主读卡器，所以读卡器2既作为区域1的从读卡器也作为区域2的主读卡器。上电后读卡器1和读卡器2随机延时后分别测量出两个区域读卡器间的间距S1和S2，上电随机延时后进行测距是为了防止多个主读卡器同时上电导致测距冲突，S1和S2可用于双读卡器TDOA测距计算中。
如图3所示，同一区域的主读卡器每隔一段时间就会发起同步帧，该同步帧只有与之配对的从读卡器才会接收，同步帧发送间隔通常取值100ms～200ms之间，通过同步帧可将该区域所有读卡器的UWB时钟进行同步，标识卡每隔一段时间就会发起一次测距帧，每次间隔时间需随机，可减少多标识卡测距时发生冲突概率。区域的主从读卡器接收到测距帧后会将测距帧接收时间戳、同步帧发送时间戳以及同步帧接收时间戳发送至中心站定位引擎进行标识卡定位坐标解算，标识卡只需发送一次测距帧就可以实现精确定位。
标识卡发起测距帧时在信号覆盖范围内的读卡器都将接收到测距帧，如图4所示区域1和区域2都接收到了测距帧，那么区域1和区域2将分别计算出标识卡的定位坐标，区域1计算出标识卡坐标位于区域1范围内，区域2计算出标识卡坐标位于两个区域交界处，那么再结合两个区域接收到测距帧的信号强度强弱，可判断出标识卡定位于区域1。当标识卡向区域2移动并进入区域2定位区域时，同理可判断出标识卡定位坐标位于区域2，从而实现标识卡漫游。
读卡器由主控MCU、UWB模块、PA模块、MAC&PHY模块、FLASH、DC/DC模块、实时时钟RTC模块、看门狗模块等部件组成。主控MCU采用超低功耗待机的MCU，负责读卡器打卡功能实现以及与上位机中心站数据交互功能实现，且采用了MAC&PHY功能集成模块实现网络数据的交互，降低MCU的网络负担。主控MCU控制UWB模块实现UWB收发功能，并通过外置PA芯片实现UWB长距离数据传输，DC/DC模块对输入电源进行降压处理以适配读卡器供电需求，对读卡器供电起到保护作用，并通过RS485总线采集本安电源的电源信息，FLASH中存储有读卡器相关功能的配置信息，上电后将读取配置信息对读卡器进行参数配置，所述实时时钟RTC模块用于为主控MCU模块提供时间基准；所述看门狗模块用于对主控MCU模块进行监控复位。硬件框图如图5所示。
主读卡器上电随机延时后通过TOF测距技术中的DS-TWR测距方法测量出主从读卡器间的间距S，然后主读卡器每间隔一段时间就会发起测距时间同步帧，同步帧发送间隔通常取值100ms～200ms之间，如图6所示，SYNC1和SYNC2为相邻的两条时间同步帧，主读卡器每发送一条时间同步帧就会记录发送时间戳，从读卡器每接收到一条时间同步帧也会记录接收时间戳，所以T1A、T1B为主读卡器时间同步帧的发送时间戳，T2A、T2B为从读卡器的接收时间戳，当在两条时间同步帧中间有标识卡发出测距帧时，主从读卡器将分别记录下测距帧的接收时间戳，下图中的T1C和T2C分别为主从读卡器的测距帧接收时间戳。
可以得出下列公式。
ΔT12＝(T2C-T2A)+T12-(T1C-T1A) (1)
上述公式1是建立在MasterAnchor和SlaveAnchor两个读卡器UWB信号部分时钟是完全同步的，现实应用中时钟不可能同步，需要进行读卡器间时钟同步，这里将SlaveAnchor时钟同步到MasterAnchor时钟，从图5可知MasterAnchor发送SYNC1和SYNC2之间的间隔时间应该与SlaveAnchor接收SYNC1和SYNC2之间的间隔时间相等，因此可以得到MasterAnchor与SlaveAnchor的时间同步系数，公式如下。
(T1B-T1A)＝k(T2B-T2A) (2)
将公式1进行时间同步后公式如下：
ΔD12＝ΔT12*c＝((T2C-T2A)*k-(T1C-T1A))*c+S (3)
式中：ΔT12---Tag传播到MasterAnchor和SlaveAnchor的时间差；
ΔD12---Tag传播到MasterAnchor和SlaveAnchor的距离差；
T12---SYNC1从MasterAnchor传播到SlaveAnchor的时间；
S---MasterAnchor与SlaveAnchor之间的距离；
T1A---SYNC1从MasterAnchor发送时刻时间戳；
T1B---SYNC2从MasterAnchor发送时刻时间戳；
T1C---MasterAnchor接收Tag时刻时间戳；
T2A---SlaveAnchor接收SYNC1时刻时间戳；
T2B---SlaveAnchor接收SYNC2时刻时间戳；
T2C---SlaveAnchor接收Tag时刻时间戳；
c---光速；
k---MasterAnchor与SlaveAnchor时钟同步系数。
MasterAnchor在上电时已经通过TOF测量出MasterAnchor与SlaveAnchor之间的距离S，Tag位于两个读卡器之间，距离两个读卡器的距离和为S，ΔD12为Tag到达两个读卡器的距离差，从而可以分别求解出Tag距离两个读卡器的距离，实现双读卡器TDOA测距功能。
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 (4)

1.一种煤矿井下双读卡器精确人员定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对读卡器进行分组，每组由一个主读卡器和一个从读卡器组成，负责一个区域的定位；
S2：主读卡器每次上电后随机延时一段时间后与从读卡器进行TOF测距；
S3：将多次测距距离通过滤波处理后作为主从读卡器的间距；
S4：标识卡发起测距帧时，在信号覆盖范围内的所有区域都接收测距帧，并分别计算出标识卡在各个定位区域的定位坐标；
S5：结合各个区域接收测距帧的信号强度，判断出标识卡定位于哪个区域内，以及在该区域内的具体位置，同时判断出标识卡是否进行漫游。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下双读卡器精确人员定位方法，其特征在于：同一区域的主读卡器每隔一段时间发起同步帧，所述同步帧只有与之配对的从读卡器才能接收，同步帧发送间隔取值100ms～200ms，通过同步帧将该区域所有读卡器的UWB时钟进行同步，标识卡每随机间隔一段时间发起一次测距帧，区域的主从读卡器接收到测距帧后将测距帧接收时间戳、同步帧发送时间戳以及同步帧接收时间戳发送至中心站定位引擎进行标识卡定位坐标解算。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下双读卡器精确人员定位方法，其特征在于：所述读卡器由主控MCU、UWB模块、PA模块、MAC&PHY模块、FLASH、DC/DC模块组成，所述主控MCU用于实现读卡器打卡功能以及与上位机中心站数据交互，所述MAC&PHY模块用于实现网络数据的交互；所述主控MCU控制UWB模块实现UWB收发功能，并通过外置PA模块实现UWB长距离数据传输，DC/DC模块对输入电源进行降压处理以适配读卡器供电需求，并通过RS485总线采集本安电源的电源信息，FLASH中存储有读卡器相关功能的配置信息。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下双读卡器精确人员定位方法，其特征在于：主读卡器上电随机延时后通过TOF测距技术中的DS-TWR测距方法测量出主从读卡器间的间距S，然后主读卡器每间隔一段时间就会发起测距时间同步帧，同步帧发送间隔取值100ms～200ms之间，令SYNC1和SYNC2为相邻的两条时间同步帧，主读卡器每发送一条时间同步帧就记录发送时间戳，从读卡器每接收到一条时间同步帧也记录接收时间戳，T1A、T1B为主读卡器时间同步帧的发送时间戳，T2A、T2B为从读卡器的接收时间戳，当在两条时间同步帧中间有标识卡发出测距帧时，主从读卡器分别记录下测距帧的接收时间戳；
ΔT12＝(T2C-T2A)+T12-(T1C-T1A) (1)
主读卡器与从读卡器的时间同步系数为：
(T1B-T1A)＝k(T2B-T2A) (2)
时间同步后：
ΔD12＝ΔT12*c＝((T2C-T2A)*k-(T1C-T1A))*c+S (3)
式中：ΔT12表示Tag传播到主读卡器和从读卡器的时间差；ΔD12表示Tag传播到主读卡器和从读卡器的距离差；T12表示SYNC1从主读卡器传播到从读卡器的时间；S表示主读卡器与从读卡器之间的距离；T1A表示SYNC1从主读卡器发送时刻时间戳；T1B表示SYNC2从主读卡器发送时刻时间戳；T1C表示主读卡器接收Tag时刻时间戳；T2A表示从读卡器接收SYNC1时刻时间戳；T2B表示从读卡器接收SYNC2时刻时间戳；T2C表示从读卡器接收Tag时刻时间戳；c表示光速；k表示主读卡器r与从读卡器时钟同步系数。
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