CN115604657B - 一种煤矿井下人员定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下人员定位方法，其包括：从煤矿井道口开始按照网络接通的顺序对所有UWB定位基站进行编号；定位监控中心接受到n条测试信号，每接收到一条测试信号均进行一次计时，得到n条测试信号对应的接收时刻；利用测试信号发送的时间差排除UWB定位基站的阻碍；利用井下人员身上携带的定位卡片与UWB定位基站之间交互、UWB定位基站与定位监控中心的信号交互，实现煤矿井下人员定位。本方案利用在煤矿井道内均匀布置的多个UWB定位基站，通过井下人员自身佩戴的定位卡片与UWB定位基站进行信息交互，确保信号反馈和发送的及时性和准确性。

Description

一种煤矿井下人员定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种煤矿井下人员定位方法。

背景技术

煤矿井下人员定位系统是煤矿安全生产重要保障，是大面积推广的矿山安全避险六大系统之一，在煤矿安全生产、事故应急救援和事故调查中发挥着重要作用。煤矿井下人员定位系统可对井下作业人员进行有效管理，及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，例如遏制超员生产、防止矿工误入危险区域、考勤管理等。一旦事故发生，可根据煤矿井下人员位置进行有效的救援，有效提高救援效率。

井下人员定位系统有多种通讯技术方案。超宽带（UWB）技术是采用极宽的频谱、极窄脉冲无线电信号进行通信和测距的定位技术，由于所采用的无线电波周期在纳秒级，所以时间分辨能力较高，可达到厘米级的距离分辨，精度较高，故采用UWB技术方案进行井下人员定位是一个较好的选择。现有技术中利用超宽带（UWB）技术实现煤矿井下人员定位的方法中具有如下缺点：

在理想环境情况下，基于UWB的煤矿井下人员定位系统定位精度比较理想，但是由于现场情况复杂，下列因素会导致较大的测距误差：

1.信号在传播过程中受到复杂环境影响，会发生反射从而产生多径效应。

2.非视距传播，虽然信号的视距传播是所有定位算法实现精准定位的基础，然而在实际应用环境下，要满足信号的视距传播通常是有困难的。

3.人体的遮挡

上述影响会导致UWB信号传输失败，或经过不同的路径到达定位基站天线的情况各异，使得第一个到达的信号分量不是直线传输到达的信号分量，从而导致较大的误差。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种定位精度高的煤矿井下人员定位方法。

为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种煤矿井下人员定位方法，其包括以下步骤：

S1：在煤矿井道内均匀布置n个UWB定位基站，并从煤矿井道口开始按照网络接通的顺序对所有UWB定位基站进行编号，得到煤矿井道内每个UWB定位基站的编号1、2、···、n；

S2：每个UWB定位基站同时向位于煤矿井道口的定位监控中心发送测试信号，定位监控中心接受到n条测试信号，每接收到一条测试信号均进行一次计时，得到n条测试信号对应的接收时刻，作为测试信号时间组（t₁、t₂、···、t_n），

，L为UWB定位基站与定位监控中心之间的距离，v为测试信号的速度；/>

S3：遍历测试信号时间组，计算相邻两个时刻的时长值Δt，得到相邻两个UWB定位基站之间信号传输所需的时长，组成时长数据组（Δt₂、Δt₃、···、Δt_n），其中，Δt_n=t_n-t_n-1；

S4：计算煤矿井道内相邻两个UWB定位基站之间信号传输所需的平均时长Δt_平均：

；

S5：计算时长数据组内每个时长值与平均时长Δt_平均的差值，得到相邻两个UWB定位基站之间信号传输时长的波动值Δt_波动：

Δt_波动=Δt_s-Δt_平均；

S6：将每个波动值Δt_波动s与波动允许阈值Δt_阈值进行比较，s为任意UWB定位基站的编号，s∈[1，n]：

若Δt_波动s＞Δt_阈值，则判定编号为s-1的UWB定位基站与编号为s的UWB定位基站之间出现遮挡物或信号传输受阻，工作人员根据编号s进行定位，在煤矿井道内对两个定位基站之间的遮挡物进行清理和信号传输受阻故障进行维修，再返回重复步骤S2；

若Δt_波动s≤Δt_阈值，则判定编号为s-1的UWB定位基站与编号为s的UWB定位基站之间可以进行正常信号传输；

S7：直到将UWB定位基站之间的遮挡物全部清理和信号传输受阻故障全部维修完成后，使各UWB定位基站之间可以进行正常信号传输，再进行组网，得到最新的时长数据组，并获取最新的时长数据组中的最大时长值Δt_max；

S8：利用最大时长值Δt_max与平均时长Δt_平均计算定位时可能出现的最大误差范围S：

；

S9：井下人员身上携带的定位卡片向UWB定位基站发送定位信息，并记录发送定位信息的时刻a₁，所有煤矿井道内的UWB定位基站均接收到定位信息，等待b时长后，每个UWB定位基站均发送回馈信号给定位卡片和定位监控中心；

S10：定位卡片记录收到前两个回馈信号的时刻a₂和a₃后，停止回馈信号的接收，该两个回馈信号为距离井下人员最近的两个UWB定位基站发出，同时定位卡片发送回馈确认信号；

S11：根据UWB定位基站接收到回馈确认信号的时刻来确认距离井下人员最近的两个UWB定位基站，并关闭其余UWB定位基站；

S12：定位监控中心再次向所有UWB定位基站发送请求确认信号，此时只有距离井下人员最近的两个UWB定位基站处于打开状态，能收到请求确认信号，并向定位监控中心发送确认信号；

S13：定位监控中心根据接收的确认信号确定距离井下人员最近的两个UWB定位基站的编号x₁和x₂；

S14：分别计算信号在井下人员与两个UWB定位基站之间传输的时长t_x1、t_x2：

S15：根据时长t_x1、t_x2计算井下人员分别距离两个UWB定位基站之间的距离L_x1、L_x2：

S16：比较距离L_x1、L_x2之间的大小：

若L_x1＞L_x2，则井下人员距离编号x₁的UWB定位基站更近，工作人员以编号x₁的UWB定位基站为中心、（L_x1+S）为半径的区域寻找井下人员；

若L_x1＜L_x2，则井下人员距离编号x₂的UWB定位基站更近，工作人员以编号x₂的UWB定位基站为中心、（L_x2+S）为半径的区域寻找井下人员；

若L_x1=L_x2，则井下人员位于编号x₁和x₂的两个UWB定位基站的中心位置，工作人员以编号x₁和x₂的两个UWB定位基站的中心位置为中心、S为半径的区域寻找井下人员。

进一步地，步骤S11包括：

S111：根据定位卡片记录收到前两个回馈信号的时刻a₂和a₃计算信号在定位卡片与最近的两个UWB定位基站之间传输的时长t_x1、t_x2：

S112：将在（t_x1+a₂）时刻和（t_x2+a₃）时刻接收到回馈确认信号的两个UWB定位基站作为距离井下人员最近的两个UWB定位基站，其余时刻接收到回馈确认信号的UWB定位基站则自动关闭。

本发明的有益效果为：本方案利用在煤矿井道内均匀布置的多个UWB定位基站，通过井下人员自身佩戴的定位卡片与UWB定位基站进行信息交互，无需与外部的定位监控中心进行信息交互，采用了监听式测距方案时，定位卡片只是负责接收UWB定位基站的信息，并参与发送过程，与自身天线特性无关，这样可以从原理上避免由于天线特性差异导致的测距偏差，并且数据的稳定性和一致性更好。同时在多个UWB定位基站进行组网之前，先对每个UWB定位基站之间信息交互进行测试，确保每个UWB定位基站都能与定位监控中心进行正常的交互，确保信号反馈和发送的及时性和准确性。

本发明采用监听式的方法，利用信号发送时间的长短来筛选相邻的UWB定位基站的距离，并通过定位监控中心与UWB定位基站之间的信号传输时间节点获取两台UWB定位基站的位置，测距完成以后获取井下人员距离最近UWB定位基站的范围，从而能够给出准确的结果。在井下人员定位的过程中，同时与两侧最近的UWB定位基站进行定位，确保因为一侧UWB定位基站故障，另一侧UWB定位基站可以正常接收，缩小定位范围。

附图说明

图1为煤矿井下人员定位方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本方案煤矿井下人员定位方法包括以下步骤：

S1：在煤矿井道内均匀布置n个UWB定位基站，并从煤矿井道口开始按照网络接通的顺序对所有UWB定位基站进行编号，得到煤矿井道内每个UWB定位基站的编号1、2、···、n，煤矿井道一般是长条状，从煤矿井道口往煤矿井道内部对所有UWB定位基站进行编号；

S2：每个UWB定位基站同时向位于煤矿井道口的定位监控中心发送测试信号，定位监控中心接受到n条测试信号，每接收到一条测试信号均进行一次计时，得到n条测试信号对应的接收时刻，作为测试信号时间组（t₁、t₂、···、t_n），

，L为UWB定位基站与定位监控中心之间的距离，v为测试信号的速度；

S3：遍历测试信号时间组，计算相邻两个时刻的时长值Δt，得到相邻两个UWB定位基站之间信号传输所需的时长，组成时长数据组（Δt₂、Δt₃、···、Δt_n），其中，Δt_n=t_n-t_n-1；

S4：计算煤矿井道内相邻两个UWB定位基站之间信号传输所需的平均时长Δt_平均：

；

S5：计算时长数据组内每个时长值与平均时长Δt_平均的差值，得到相邻两个UWB定位基站之间信号传输时长的波动值Δt_波动：

Δt_波动=Δt_s-Δt_平均；

S6：将每个波动值Δt_波动s与波动允许阈值Δt_阈值进行比较，s为任意UWB定位基站的编号，s∈[1，n]：

若Δt_波动s＞Δt_阈值，则判定编号为s-1的UWB定位基站与编号为s的UWB定位基站之间出现遮挡物或信号传输受阻，工作人员根据编号s进行定位，在煤矿井道内对两个定位基站之间的遮挡物进行清理和信号传输受阻故障进行维修，再返回重复步骤S2；

若Δt_波动s≤Δt_阈值，则判定编号为s-1的UWB定位基站与编号为s的UWB定位基站之间可以进行正常信号传输；

S7：直到将UWB定位基站之间的遮挡物全部清理和信号传输受阻故障全部维修完成后，使各UWB定位基站之间可以进行正常信号传输，再进行组网，得到最新的时长数据组，并获取最新的时长数据组中的最大时长值Δt_max；

S8：利用最大时长值Δt_max与平均时长Δt_平均计算定位时可能出现的最大误差范围S：

；

S9：井下人员身上携带的定位卡片向UWB定位基站发送定位信息，并记录发送定位信息的时刻a₁，所有煤矿井道内的UWB定位基站均接收到定位信息，等待b时长后，每个UWB定位基站均发送回馈信号给定位卡片和定位监控中心；

S10：定位卡片记录收到前两个回馈信号的时刻a₂和a₃后，停止回馈信号的接收，该两个回馈信号为距离井下人员最近的两个UWB定位基站发出，同时定位卡片发送回馈确认信号；

S11：根据UWB定位基站接收到回馈确认信号的时刻来确认距离井下人员最近的两个UWB定位基站，并关闭其余UWB定位基站；具体包括：

S111：根据定位卡片记录收到前两个回馈信号的时刻a₂和a₃计算信号在定位卡片与最近的两个UWB定位基站之间传输的时长t_x1、t_x2：

S112：将在（t_x1+a₂）时刻和（t_x2+a₃）时刻接收到回馈确认信号的两个UWB定位基站作为距离井下人员最近的两个UWB定位基站，其余时刻接收到回馈确认信号的UWB定位基站则自动关闭。

S12：定位监控中心再次向所有UWB定位基站发送请求确认信号，此时只有距离井下人员最近的两个UWB定位基站处于打开状态，能收到请求确认信号，并向定位监控中心发送确认信号；

S13：定位监控中心根据接收的确认信号确定距离井下人员最近的两个UWB定位基站的编号x₁和x₂；

S14：分别计算信号在井下人员与两个UWB定位基站之间传输的时长t_x1、t_x2：

S15：根据时长t_x1、t_x2计算井下人员分别距离两个UWB定位基站之间的距离L_x1、L_x2：

S16：比较距离L_x1、L_x2之间的大小：

若L_x1＞L_x2，则井下人员距离编号x₁的UWB定位基站更近，工作人员以编号x₁的UWB定位基站为中心、（L_x1+S）为半径的区域寻找井下人员；

若L_x1＜L_x2，则井下人员距离编号x₂的UWB定位基站更近，工作人员以编号x₂的UWB定位基站为中心、（L_x2+S）为半径的区域寻找井下人员；

若L_x1=L_x2，则井下人员位于编号x₁和x₂的两个UWB定位基站的中心位置，工作人员以编号x₁和x₂的两个UWB定位基站的中心位置为中心、S为半径的区域寻找井下人员。

本方案利用在煤矿井道内均匀布置的多个UWB定位基站，通过井下人员自身佩戴的定位卡片与UWB定位基站进行信息交互，无需与外部的定位监控中心进行信息交互，采用了监听式测距方案时，定位卡片只是负责接收UWB定位基站的信息，并参与发送过程，与自身天线特性无关，这样可以从原理上避免由于天线特性差异导致的测距偏差，并且数据的稳定性和一致性更好。同时在多个UWB定位基站进行组网之前，先对每个UWB定位基站之间信息交互进行测试，确保每个UWB定位基站都能与定位监控中心进行正常的交互，确保信号反馈和发送的及时性和准确性。

本发明采用监听式的方法，利用信号发送时间的长短来筛选相邻的UWB定位基站的距离，并通过定位监控中心与UWB定位基站之间的信号传输时间节点获取两台UWB定位基站的位置，测距完成以后获取井下人员距离最近UWB定位基站的范围，从而能够给出准确的结果。

在井下人员定位的过程中，同时与两侧最近的UWB定位基站进行定位，确保因为一侧UWB定位基站故障，另一侧UWB定位基站可以正常接收，缩小定位范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于 本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本 发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的 所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种煤矿井下人员定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在煤矿井道内均匀布置n个UWB定位基站，并从煤矿井道口开始按照网络接通的顺序对所有UWB定位基站进行编号，得到煤矿井道内每个UWB定位基站的编号1、2、···、n；

S2：每个UWB定位基站同时向位于煤矿井道口的定位监控中心发送测试信号，定位监控中心接受到n条测试信号，每接收到一条测试信号均进行一次计时，得到n条测试信号对应的接收时刻，作为测试信号时间组(t₁、t₂、···、t_n)，

L为UWB定位基站与定位监控中心之间的距离，v为测试信号的速度；

S3：遍历测试信号时间组，计算相邻两个时刻的时长值Δt，得到相邻两个UWB定位基站之间信号传输所需的时长，组成时长数据组(Δt₂、Δt₃、···、Δt_n)，其中，Δt_n＝t_n-t_n-1；

S4：计算煤矿井道内相邻两个UWB定位基站之间信号传输所需的平均时长Δt_平均：

S5：计算时长数据组内每个时长值与平均时长Δt_平均的差值，得到相邻两个UWB定位基站之间信号传输时长的波动值Δt_波动：

Δt_波动＝Δt_s-Δt_平均；

S6：将每个波动值Δt_波动s与波动允许阈值Δt_阈值进行比较，s为任意UWB定位基站的编号，s∈[1，n]：

若Δt_波动s＞Δt_阈值，则判定编号为s-1的UWB定位基站与编号为s的UWB定位基站之间出现遮挡物或信号传输受阻，工作人员根据编号s进行定位，在煤矿井道内对两个定位基站之间的遮挡物进行清理和信号传输受阻故障进行维修，再返回重复步骤S2；

若Δt_波动s≤Δt_阈值，则判定编号为s-1的UWB定位基站与编号为s的UWB定位基站之间可以进行正常信号传输；

S7：直到将UWB定位基站之间的遮挡物全部清理和信号传输受阻故障全部维修完成后，使各UWB定位基站之间可以进行正常信号传输，再进行组网，得到最新的时长数据组，并获取最新的时长数据组中的最大时长值Δt_max；

S8：利用最大时长值Δt_max与平均时长Δt_平均计算定位时可能出现的最大误差范围S：S＝(Δt_max-Δt_平均)·V；

S9：井下人员身上携带的定位卡片向UWB定位基站发送定位信息，并记录发送定位信息的时刻a₁，所有煤矿井道内的UWB定位基站均接收到定位信息，等待b时长后，每个UWB定位基站均发送回馈信号给定位卡片和定位监控中心；

S10：定位卡片记录收到前两个回馈信号的时刻a₂和a₃后，停止回馈信号的接收，该两个回馈信号为距离井下人员最近的两个UWB定位基站发出，同时定位卡片发送回馈确认信号；

S11：根据UWB定位基站接收到回馈确认信号的时刻来确认距离井下人员最近的两个UWB定位基站，并关闭其余UWB定位基站；

所述步骤S11包括：

S111：根据定位卡片记录收到前两个回馈信号的时刻a₂和a₃计算信号在定位卡片与最近的两个UWB定位基站之间传输的时长t_x1、t_x2：

S112：将在(t_x1+a₂)时刻和(t_x2+a₃)时刻接收到回馈确认信号的两个UWB定位基站作为距离井下人员最近的两个UWB定位基站，其余时刻接收到回馈确认信号的UWB定位基站则自动关闭；

S12：定位监控中心再次向所有UWB定位基站发送请求确认信号，此时只有距离井下人员最近的两个UWB定位基站处于打开状态，能收到请求确认信号，并向定位监控中心发送确认信号；

S13：定位监控中心根据接收的确认信号确定距离井下人员最近的两个UWB定位基站的编号x₁和x₂；

S14：分别计算信号在井下人员与两个UWB定位基站之间传输的时长t_x1、t_x2：

S15：根据时长t_x1、t_x2计算井下人员分别距离两个UWB定位基站之间的距离L_x1、L_x2：

L_x1＝t_x1·V

L_x2＝t_x2·V

S16：比较距离L_x1、L_x2之间的大小：

若L_x1＜L_x2，则井下人员距离编号x₁的UWB定位基站更近，工作人员以编号x₁的UWB定位基站为中心、(L_x1+S)为半径的区域寻找井下人员；

若L_x1＞L_x2，则井下人员距离编号x₂的UWB定位基站更近，工作人员以编号x₂的UWB定位基站为中心、(L_x2+S)为半径的区域寻找井下人员；

若L_x1＝L_x2，则井下人员位于编号x₁和x₂的两个UWB定位基站的中心位置，工作人员以编号x₁和x₂的两个UWB定位基站的中心位置为中心、S为半径的区域寻找井下人员。

Images