本實用新型涉及一種基于超寬帶的煤礦井下精準定位系統(tǒng)，屬于定位技術(shù)與安全預(yù)警領(lǐng)域，尤其用于煤礦井下作業(yè)。
背景技術(shù)：
：煤礦是我國經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)的重要能源支持，在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。目前，煤礦的開采工作主要是由人工完成的，各種人為失誤或自然環(huán)境所造成的礦井重大災(zāi)害及傷亡事故時有發(fā)生，對礦井下工作人員的人身安全造成了極大的威脅。當(dāng)?shù)V難發(fā)生后，由于無法確定礦工在井下的具體位置，對井下生還人員的搜救工作變得十分困難。此外，隨著煤礦開采深度不斷延伸，高瓦斯和瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量越來越多，煤礦安全生產(chǎn)難度越來越大。對瓦斯的檢測是防治瓦斯爆炸和瓦斯突出預(yù)警的重要參數(shù)。因此，對井下安全進行監(jiān)控，對井下工作人員的實時工作地點信息的采集，以及對井下人員有效的組織管理顯得十分重要，是安全生產(chǎn)和災(zāi)后救援的重要依據(jù)。目前用于井下的定位方法主要是RFID技術(shù)實現(xiàn)主要巷道的考勤定位，該技術(shù)主要實現(xiàn)了考勤功能，但無法做到精確定位。另外，還有基于WiFi、ZigBee技術(shù)的無線定位方式。但是，這些定位方法或系統(tǒng)存在諸多問題：信號穿透能力弱，易受干擾，多徑嚴重，更重要的是這些方法定位精度較差。一旦煤礦井下發(fā)生災(zāi)變，勢必會給救援工作帶來極大的困難。超寬帶(Ultrawide-band，UWB)技術(shù)擁有極寬電磁頻譜，在穿透能力、精細分辨、精確測距、抗多徑和抗干擾等方面具有獨特的優(yōu)勢，其系統(tǒng)實現(xiàn)具有低復(fù)雜度、低功耗、低成本的潛力，非常適合在煤礦井下使用。在中國專利文獻CN202600134U中公開了一種煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，包括遠程監(jiān)視層和現(xiàn)場監(jiān)控層，所述遠程監(jiān)視層包括瀏覽器服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器，地面監(jiān)控終端，交換機；所述現(xiàn)場監(jiān)控層包括目標(biāo)節(jié)點，參考節(jié)點，網(wǎng)關(guān)和基站；數(shù)據(jù)服務(wù)器和地面監(jiān)控終端通過交換機與基站構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)，并通過Internet網(wǎng)絡(luò)將實時定位數(shù)據(jù)傳送給瀏覽器服務(wù)器；目標(biāo)節(jié)點，參考節(jié)點，網(wǎng)關(guān)和基站構(gòu) 成超寬帶無線定位網(wǎng)絡(luò)；基站通過光纖或總線掛接在交換機上；目標(biāo)節(jié)點由井下作業(yè)人員或者機械裝置攜帶；所述數(shù)據(jù)服務(wù)器，接收并存儲目標(biāo)節(jié)點位置數(shù)據(jù)；所述地面監(jiān)控終端，記錄參考節(jié)點部署位置信息，根據(jù)接收到的距離測量值，進行NLOS鑒別，并根據(jù)NLOS鑒別結(jié)果和參考節(jié)點的部署位置及巷道分布，計算目標(biāo)節(jié)點的精確位置，并將位置信息再發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器及瀏覽器服務(wù)器；所述交換機和基站，負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)定位信息；所述網(wǎng)關(guān)負責(zé)完成超寬帶無線定位信息的轉(zhuǎn)發(fā)和配置信息的傳送；所述參考節(jié)點，放置在網(wǎng)關(guān)設(shè)備無線信號覆蓋范圍內(nèi)，提供一個包含自己位置坐標(biāo)和RSSI值的信息包給目標(biāo)節(jié)點，完成傳輸超寬帶信號到達時間的計算；所述目標(biāo)節(jié)點，與井下人員的身份對應(yīng)，完成參考節(jié)點的選取；所述的系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備全部是本質(zhì)安全型設(shè)備。但是上述公開的方案在精度比較差，且結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，實際操作難度大。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型要解決的問題是提供一種結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，操作方便的基于超寬帶的煤礦井下精準定位系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用方案是：該基于超寬帶的煤礦井下精準定位系統(tǒng)，包括有硬件層、網(wǎng)絡(luò)通信層以及用戶應(yīng)用層，所述硬件層包括超寬帶定位標(biāo)簽以及超寬帶定位基站，所述超寬帶定位標(biāo)簽用于周期性不間斷的發(fā)送超寬帶信號；超寬帶定位基站用于捕獲、解析超寬帶信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給所述定位引擎；所述網(wǎng)絡(luò)通信層包括網(wǎng)絡(luò)交換機，用于超寬帶定位基站與定位引擎之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸；所述用戶應(yīng)用層具有顯示裝置。其中，用戶應(yīng)用層是與客戶交互的平臺，為客戶直觀的顯示井下人員的位置信息、人員管理以及可根據(jù)客戶的需求制定相應(yīng)的功能；上述技術(shù)方案結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，操作方便，利用超寬帶定位基站用于捕獲、解析超寬帶信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給所述定位引擎，定位精準，確定礦工在井下的具體位置，對井下生還人員的搜救工作變得更容易。進一步的改進在于，所述超寬帶定位標(biāo)簽還集成有瓦斯傳感器。超寬帶定位標(biāo)簽除了周期性不間斷發(fā)送超寬帶信號之外，還集成瓦斯傳感器。超寬帶標(biāo)簽佩戴在井下人員身上，不僅能夠獲得井下人員的位置信息，而且能夠?qū)崟r監(jiān)測局部甲烷氣體的濃度。當(dāng)監(jiān)測到甲烷氣體的濃度超標(biāo)時，能夠發(fā)出 警報，提醒井下人員以及通知井上監(jiān)管人員及時做出響應(yīng)，如通風(fēng)，緊急撤離等。將瓦斯傳感器集成在超寬帶定位標(biāo)簽上，能夠從傳統(tǒng)被動式的監(jiān)測轉(zhuǎn)為主動式的實時監(jiān)測，并能夠及時發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域瓦斯的濃度，方便監(jiān)管者更加及時的發(fā)現(xiàn)問題，迅速做出決策，預(yù)防事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)的安全。進一步的改進在于，所述硬件層包括有若干個超寬帶定位基站，并將超寬帶定位基站部署在煤礦井下；多個超寬帶定位基站更有利于定位井下礦工位置。進一步的改進在于，所述超寬帶定位標(biāo)簽設(shè)置有用于緊固的腰帶，且所述瓦斯傳感器設(shè)置在所述超寬帶定位標(biāo)簽的底部。對于井下的礦工而言，超寬帶定位標(biāo)簽是其生命的一道保護線，而礦工在井下操作又面臨現(xiàn)實的工作情況，設(shè)置用于緊固的腰帶，便于礦工攜帶，且不易丟失和損壞；其次，根據(jù)井下作業(yè)的經(jīng)驗，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)設(shè)備的表面經(jīng)常會被刮花碰壞，將瓦斯傳感器設(shè)置在所述超寬帶定位標(biāo)簽的底部，使得瓦斯傳感器不易被磕碰弄壞又能快速的檢測，及時發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域瓦斯的濃度。進一步的改進在于，所述超寬帶定位標(biāo)簽的內(nèi)側(cè)面是弧形的。內(nèi)側(cè)面是弧形的主要是便于超寬帶定位標(biāo)簽與佩戴者腰部貼合，提高佩戴舒適度。進一步的改進在于，所述用戶應(yīng)用層還包括有監(jiān)控終端，所述顯示裝置屬于所述監(jiān)控終端的一部分。進一步的改進在于，所述超寬帶定位基站的上端面呈圓弧形，所述超寬帶定位基站的下端面是平面設(shè)置的。上端面設(shè)置呈圓弧形主要作用在于降低外力對基站的打擊力，尤其是在井下操作，碎石較多的情況下，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置顯得尤為重要；下端面設(shè)置成平面，主要是使得基站底部受力平穩(wěn)，提供基站運行的可靠性。本實用新型的基于超寬帶的煤礦井下精準定位系統(tǒng)，其主要的工作原理為：在煤礦井下部署若干個超寬帶定位基站(并已知自身的位置信息)，為下井的工作人員配備超寬帶定位標(biāo)簽。超寬帶定位標(biāo)簽周期性不間斷的向外發(fā)送超寬帶信號，井下的超寬帶定位基站捕獲該超寬帶信號，并記錄保存接收超寬帶信號的時間戳信息，然后各個基站將各自的時間戳信息轉(zhuǎn)發(fā)給井上的定位引擎。定位引擎這些時間戳信息，采用基于時間到達差(TDOA)方法，建立關(guān)于井下工作人員位置坐標(biāo)與超寬帶定位基站之間的非線性關(guān)系，從而解算出井下人員的位置信 息。由于超寬帶信號具有極強的時間分辨率，進而能夠獲得更高的定位精度。進一步，隨著井下工作人員的移動，集成在超寬帶定位標(biāo)簽內(nèi)的瓦斯傳感器能夠不斷檢測井下人員所處位置的甲烷濃度。當(dāng)監(jiān)測到甲烷氣體的濃度超標(biāo)時，能夠發(fā)出警報，提醒井下人員及時撤離，以及通知井上監(jiān)管人員及時做出響應(yīng)，如通風(fēng)等。井上監(jiān)管人員不僅能夠?qū)崟r獲得井下人員的位置信息，還能夠獲知其所處位置的甲烷濃度，更加保證井下工作人員生產(chǎn)的安全，及時預(yù)防危險事故的發(fā)生，降低人員傷亡情況。所述的一種基于超寬帶的煤礦井下精準定位系統(tǒng)，其定位方法為：由于煤礦井下的特殊環(huán)境，巷道的幾何形狀的約束，定位基站不能在一個平面空間內(nèi)隨機部署，只能沿巷道方向部署。另外，定位標(biāo)簽采用單向發(fā)送的方式，因此采用基于到達時間差(TDOA)的定位方法，不需要定位標(biāo)簽與定位之間嚴格的時鐘同步，降低了定位標(biāo)簽的復(fù)雜程度以及能夠節(jié)約定位標(biāo)簽的能量。(1)計算時間差的方法為：超寬帶定位基站m在tm,i時刻收到超寬帶定位標(biāo)簽在ttag,i在發(fā)送的信號，超寬帶定位基站n在tn,j時刻收到超寬帶定位標(biāo)簽在ttag,i在發(fā)送的信號，則有：超寬帶定位標(biāo)簽到達超寬帶定位基站m的時間為：tm,i-ttag,i；超寬帶定位標(biāo)簽到達超寬帶定位基站n的時間為：tn,j-ttag,i；那么，超寬帶定位標(biāo)簽到達定位基站m和定位基站n的時間差(TDOA)為：Δt＝(tm,i-ttag,i)-(tn,j-ttag,i)＝tm,i-tn,j(2)解算超寬帶定位標(biāo)簽位置坐標(biāo)的方法為：超寬帶定位標(biāo)簽到定位基站m和定位基站n之間的距差值為：c×Δt=c×(tm,i-tn,j)=(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2-(xj-x)2+(yj-y)2+(zj-z)2]]>其中，(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)分別為定位基站i和定位基站j的固定坐標(biāo)，(x,y,z)為超寬帶定位標(biāo)簽的未知坐標(biāo)，通過至少三個TDOA距差值可以解算出超寬帶定位標(biāo)簽的未知坐標(biāo)(x,y,z)。本實用新型產(chǎn)生的有益效果為：本實用新型利用極窄脈沖超寬帶信號和TDOA等定位技術(shù)相結(jié)合進行定位，有高可靠性、高精度等特點，并且超寬帶定位設(shè)備的發(fā)射功率比較小，屬于本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備。本實用新型將瓦斯傳感器集成在超寬帶定位標(biāo)簽內(nèi)，能夠?qū)崟r主動的檢查井下工作人員所處位置的甲烷濃度，及時發(fā)現(xiàn)危險情況。井上監(jiān)管人員不僅能夠?qū)崟r獲得井下人員的位置信息，還能夠獲知其所處位置的甲烷濃度，更加保證井下工作人員生產(chǎn)的安全，及時預(yù)防危險事故的發(fā)生，降低人員傷亡情況。附圖說明圖1基于超寬帶的煤礦井下精準定位系統(tǒng)組成框圖；圖2是圖1中超寬帶定位基站的側(cè)視圖；其中：1-定位引擎；2-超寬帶定位標(biāo)簽；3-超寬帶定位基站；4-網(wǎng)絡(luò)交換機；5-用戶應(yīng)用層。具體實施方式下面結(jié)合附圖1和實施例進行詳細的介紹，但本實用新型的保護范圍并不限于此。本實用新型，一種基于超寬帶的煤礦井下精準定位系統(tǒng)包括硬件層、網(wǎng)絡(luò)通信層、定位引擎1以及用戶應(yīng)用層5。如圖1所示，虛線顯示的底面，其中硬件層包括三個以上的超寬帶定位基站3以及超寬帶定位標(biāo)簽2，每個定位基站3固定位置，并能夠獲得基站3的準確位置坐標(biāo)信息，網(wǎng)絡(luò)通信層包括網(wǎng)絡(luò)交換機4，主要用于超寬帶定位基站3與定位引擎1之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，定位引擎1放置在井上，主要用于解算井下人員的位置信息，用戶應(yīng)用5是與客戶交互的平臺，為客戶直觀的顯示井下人員的位置信息、人員管理以及可根據(jù)客戶的需求制定相應(yīng)的功能。在本實施例中，所述超寬帶定位標(biāo)簽2還集成有瓦斯傳感器，用于檢測甲烷的濃度，如圖1所示，礦工隨身攜帶超寬帶定位標(biāo)簽2；所述硬件層包括有若干個超寬帶定位基站3，并將超寬帶定位基站3部署在煤礦井下；所述超寬帶定位標(biāo)簽2設(shè)置有用于緊固的腰帶，且所述瓦斯傳感器設(shè)置在所述超寬帶定位標(biāo)簽2的底部；所述超寬帶定位標(biāo)簽2的內(nèi)側(cè)面是弧形的；所述用戶應(yīng)用層5還包括有監(jiān)控終端，所述顯示裝置屬于所述監(jiān)控終端的一部分；如圖2所示，所述超寬帶定位基站3的上端面呈圓弧形，所述超寬帶定位基站3的下端面是平面設(shè)置的。本實用新型實現(xiàn)精準定位的方法如下：步驟一：井下工作人員每人配備不同ID編號的超寬帶定位標(biāo)簽，并將工作人員的信息與相應(yīng)的ID編號一同輸入數(shù)據(jù)庫中。在煤礦井下，超寬帶定位標(biāo)簽周期性的不間斷向外發(fā)送超寬帶脈沖。其附近的超寬帶定位基站不斷捕獲該超寬帶信號，并各自記錄保存接收超寬帶信號的時間戳信息。步驟二：各個基站將各自的時間戳信息通過煤礦井下網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給井上的定位引擎。步驟三：定位引擎這些時間戳信息，采用基于時間到達差(TDOA)方法，建立關(guān)于井下工作人員位置坐標(biāo)與定位基站之間的非線性關(guān)系，進一步解算出超寬帶定位標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，達到定位的目的，計算方法如下：(1)計算時間差的方法為：超寬帶定位基站m在tm,i時刻收到超寬帶定位標(biāo)簽在ttag,i在發(fā)送的信號，超寬帶定位基站n在tn,j時刻收到超寬帶定位標(biāo)簽在ttag,i在發(fā)送的信號，則有：超寬帶定位標(biāo)簽到達超寬帶定位基站m的時間為：tm,i-ttag,i；超寬帶定位標(biāo)簽到達超寬帶定位基站n的時間為：tn,j-ttag,i；那么，超寬帶定位標(biāo)簽到達定位基站m和定位基站n的時間差(TDOA)為：Δt＝(tm,i-ttag,i)-(tn,j-ttag,i)＝tm,i-tn,j(2)解算超寬帶定位標(biāo)簽位置坐標(biāo)的方法為：超寬帶定位標(biāo)簽到定位基站m和定位基站n之間的距差值為：c×Δt=c×(tm,i-tn,j)=(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2-(xj-x)2+(yj-y)2+(zj-z)2]]>其中，(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)分別為定位基站i和定位基站j的固定坐標(biāo)，(x,y,z)為超寬帶定位標(biāo)簽的未知坐標(biāo)，通過至少三個TDOA距差值可以解算出超寬帶定位標(biāo)簽的未知坐標(biāo)(x,y,z)。隨著井下工作人員的移動，集成在超寬帶定位標(biāo)簽內(nèi)的瓦斯傳感器能夠不斷檢測井下人員所處位置的甲烷濃度。當(dāng)監(jiān)測到甲烷氣體的濃度超標(biāo)時，能夠發(fā)出警報，提醒井下人員及時撤離，以及通知井上監(jiān)管人員及時做出響應(yīng)，如通風(fēng)等。 井上監(jiān)管人員不僅能夠?qū)崟r獲得井下人員的位置信息，還能夠獲知其所處位置的甲烷濃度，更加保證井下工作人員生產(chǎn)的安全，及時預(yù)防危險事故的發(fā)生，降低人員傷亡情況。以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型；凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3