基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)及定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)及定位方法，屬于定位方法【技術(shù)領(lǐng)域】。包括具有收發(fā)線性調(diào)頻信號的標(biāo)簽、在井下工作面區(qū)域及狹長巷道內(nèi)間隔安裝的多個錨節(jié)點，錨節(jié)點包括定位錨節(jié)點、中繼錨節(jié)點、控制通信錨節(jié)點，將相近區(qū)域的多個錨節(jié)點劃分為一個子網(wǎng)，實現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)的定位功能；本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能基于線性調(diào)頻信號到達(dá)時間法實施測距，實現(xiàn)礦山井下的精準(zhǔn)定位和實時顯示，滿足礦山井下的安全生產(chǎn)監(jiān)控與救援要求。
【專利說明】基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)及定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)及定位方法，屬于定 位方法【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]礦山井下精確定位并實時實現(xiàn)位置顯示在保障礦山井下安全生產(chǎn)，緊急救援，保 護礦山職工人身安全方面具有很強的應(yīng)用前景和需求，2011年3月21日，國家安全生產(chǎn)監(jiān) 督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合下發(fā)了“關(guān)于印發(fā)《煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”建 設(shè)完善基本規(guī)范(試行)》的通知”(安監(jiān)總煤裝[2011]33號)，對定位系統(tǒng)基本要求是:煤礦 企業(yè)必須按照《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范》(AQ1048—2007)的要求， 建設(shè)完善井下人員定位系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先選擇技術(shù)先進、性能穩(wěn)定、定位精度高的產(chǎn)品，并做好 系統(tǒng)維護和升級改造工作，保障系統(tǒng)安全可靠運行。
[0003]目前礦山定位系統(tǒng)主要采用下述的兩種方法:
一是基于無源射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)的定位方法。即入 井人員佩戴身份標(biāo)簽，當(dāng)靠近安裝在固定位置的讀卡器時，讀卡器發(fā)出電磁波，身份標(biāo)簽接 收此信號并轉(zhuǎn)換成電流給本機充電,標(biāo)簽充電后開始工作并發(fā)出卡內(nèi)存儲的ID編碼，讀卡 器記錄入井人員身份。見(I):胡平，駱俊，程小舟等.RFID技術(shù)在井下人員定位系統(tǒng)中的 應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，(11):100-101 ;(2):侯大勇，周莉.基于RFID技術(shù) 在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].煤礦機械，2013,34 (1):242-244 ; (3):鐘建峰，魯 光，劉金泉等.數(shù)字化礦山井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦現(xiàn)代化，2013，(2):89-91。 RFID方法屬于區(qū)域定位的范疇，只能確定人員進入了讀卡器的覆蓋區(qū)域，而不能確定精確 的距離，僅可以作為一般的考勤系統(tǒng)。
[0004]二是基于有源器件接收信號強度指示(Receive Signal Strength Indicator, RSSI)的定位方法。通過測量接收到的信號的強度，推算出移動節(jié)點到基站的距離。見(4): 胡長俊，李鑫.基于RSSI的井下定位技術(shù)研究[J].煤礦機械，2010，31 (10):71-73。該 作者在樓內(nèi)走廊進行的模擬試驗表明在小范圍內(nèi)定位誤差為10m，而在其他位置誤差較大； 在實際的礦井中由于巷道的不規(guī)則，誤差將會更大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計合理， 能基于線性調(diào)頻信號到達(dá)時間法實施測距，實現(xiàn)礦山井下的精準(zhǔn)定位和實時顯示，滿足礦 山井下的安全生產(chǎn)監(jiān)控與救援要求的礦山井下精確定位系統(tǒng)及定位方法。
[0006]一種基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)，其特殊之處在于包括有:
1)、入井人員隨身攜帶的一個具有收發(fā)線性調(diào)頻信號的標(biāo)簽8，標(biāo)簽8內(nèi)設(shè)有入井人員 的ID編碼及身份信息；
2)、在井下工作面區(qū)域及狹長巷道內(nèi)間隔安裝的多個錨節(jié)點，將相近區(qū)域的多個錨節(jié)點劃分為一個子網(wǎng)，實現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)的定位功能；
錨節(jié)點包括定位錨節(jié)點、中繼錨節(jié)點、控制通信錨節(jié)點；
所述控制通信錨節(jié)點布置在中心位置，中繼錨節(jié)點布置在控制通信錨節(jié)點兩側(cè)對稱位
置；
所述錨節(jié)點在工作面區(qū)域內(nèi)按直線等距離布置成一排，劃分為一個子網(wǎng)；
所述錨節(jié)點在狹長的巷道內(nèi)按直線等距布置在巷道的一側(cè)，劃分成若干個子網(wǎng)；
所述標(biāo)簽8包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)I 9以及與單片機控制系統(tǒng)I 9通 訊連接的LED顯示器I 10、電源模塊I ll、2.4GHz無線收發(fā)模塊I 12、起呼救作用的按鍵 I 13 ；
所述2.4GHz無線收發(fā)模塊I 12采用LFM信號；
所述控制通信錨節(jié)點包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)II 14以及與單片機控制 系統(tǒng)II 14通訊連接的LED顯示器II 15、電源模塊II 16、2.4GHz無線收發(fā)模塊II 17、用于向 通信主網(wǎng)傳送信息的通信模塊19 ；
所述2.4GHz無線收發(fā)模塊II 17采用LFM信號；
所述一個子網(wǎng)中包括七個錨節(jié)點，分別為起定位作用的第一定位錨節(jié)點1、用于擴大 子網(wǎng)物理作用范圍的第一中繼錨節(jié)點2、第二定位錨節(jié)點3、用于處理本子網(wǎng)內(nèi)的標(biāo)簽入網(wǎng) 申請及用于將本子網(wǎng)定位信息向通信主網(wǎng)傳送的控制通信錨節(jié)點4、第三定位錨節(jié)點5、 第二中繼錨節(jié)點6、第三定位錨節(jié)點7，上述錨節(jié)點依次間隔排列，相鄰錨節(jié)點間的距離為 50-100 米。
[0007]上述基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)的定位方法，其特殊之處在于包 括如下步驟:
1)、入井人員隨身攜帶一個具有收發(fā)線性調(diào)頻信號的標(biāo)簽8，標(biāo)簽8內(nèi)設(shè)有入井人員的 ID編碼及身份信息；
2)、在井下工作面區(qū)域及狹長巷道內(nèi)間隔安裝多個錨節(jié)點，將相近區(qū)域的多個錨節(jié)點 劃分為一個子網(wǎng)，實現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)的定位功能，錨節(jié)點包括定位錨節(jié)點、中繼錨節(jié)點、控制通 信錨節(jié)點；
所述控制通信錨節(jié)點布置在中心位置，中繼錨節(jié)點布置在控制通信錨節(jié)點兩側(cè)對稱位
置；
所述錨節(jié)點在工作面區(qū)域內(nèi)按直線等距離布置成一排，劃分為一個子網(wǎng)；
所述錨節(jié)點在狹長的巷道內(nèi)按直線等距布置在巷道的一側(cè)，劃分成若干個子網(wǎng)；
所述標(biāo)簽8包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)I 9以及與單片機控制系統(tǒng)I 9通 訊連接的LED顯示器I 10、電源模塊I 11、2.4GHz無線收發(fā)模塊I 12、起呼救作用的按鍵 I 13 ；
所述控制通信錨節(jié)點包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)II 14以及與單片機控制 系統(tǒng)II 14通訊連接的LED顯示器II 15、電源模塊II 16、2.4GHz無線收發(fā)模塊II 17、用于向 通信主網(wǎng)傳送信息的通信模塊19 ；
所述一個子網(wǎng)中包括七個錨節(jié)點，分別為起定位作用的第一定位錨節(jié)點1、用于擴大 子網(wǎng)物理作用范圍的第一中繼錨節(jié)點2、第二定位錨節(jié)點3、用于處理本子網(wǎng)內(nèi)的標(biāo)簽入網(wǎng) 申請及用于將本子網(wǎng)定位信息向通信主網(wǎng)傳送的控制通信錨節(jié)點4、第三定位錨節(jié)點5、第二中繼錨節(jié)點6、第三定位錨節(jié)點7，上述錨節(jié)點依次間隔排列，相鄰錨節(jié)點間的距離為 50-100 米；
3)、當(dāng)標(biāo)簽8進入子網(wǎng)范圍內(nèi)，標(biāo)簽8向控制通信錨節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)請求，控制通信錨節(jié)點收到標(biāo)簽8的請求，發(fā)出批準(zhǔn)信息，標(biāo)簽8收到控制通信錨節(jié)點的回復(fù)，入網(wǎng)完成；
所述步驟3)中，若控制通信錨節(jié)點由于距離原因收不到標(biāo)簽8發(fā)出的入網(wǎng)信息，則通過中繼錨節(jié)點將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給控制通信錨節(jié)點；
4)、控制通信錨節(jié)點對子網(wǎng)內(nèi)第i個標(biāo)簽8發(fā)出測距命令，第i個標(biāo)簽8收到測距命令，依次對子網(wǎng)內(nèi)各個錨節(jié)點實施測距操作，測距完成后，將測距結(jié)果發(fā)送至控制通信錨節(jié)點，控制通信錨節(jié)點收到第i個標(biāo)簽8發(fā)出的測距信息，計算出該標(biāo)簽的坐標(biāo)，發(fā)送至通信主網(wǎng)，控制通信錨節(jié)點對下一個標(biāo)簽8發(fā)出測距命令，重復(fù)上述步驟；
為了避免各個標(biāo)簽8突發(fā)測距方式造成的沖突，所述控制通信錨節(jié)點每隔 300ms-500ms發(fā)出測距命令或同步信號；
標(biāo)簽8與控制通信錨節(jié)點的時鐘同步；標(biāo)簽8在所述控制通信錨節(jié)點發(fā)出命令之前自動進入接收狀態(tài)，若未收到相應(yīng)命令，重新進入待機狀態(tài)；若收到命令，處理完成后重新進入待機狀態(tài)；
所述控制通信錨節(jié)采用最小乘法計算標(biāo)簽的坐標(biāo)，七個錨節(jié)點的子網(wǎng)，各個錨節(jié)點的坐標(biāo)滿足下列方程:
【權(quán)利要求】
1.基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)，特征在于包括有:1)、入井人員隨身攜帶的一個具有收發(fā)線性調(diào)頻信號的標(biāo)簽(8)，標(biāo)簽(8)內(nèi)設(shè)有入井人員的ID編碼及身份信息；2)、在井下工作面區(qū)域及狹長巷道內(nèi)間隔安裝的多個錨節(jié)點，將相近區(qū)域的多個錨節(jié)點劃分為一個子網(wǎng)，實現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)的定位功能；錨節(jié)點包括定位錨節(jié)點、中繼錨節(jié)點、控制通信錨節(jié)點。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)，其特征在于所述控制通信錨節(jié)點布置在中心位置，中繼錨節(jié)點布置在控制通信錨節(jié)點兩側(cè)對稱位置；所述錨節(jié)點在工作面區(qū)域內(nèi)按直線等距離布置成一排，劃分為一個子網(wǎng)；所述錨節(jié)點在狹長的巷道內(nèi)按直線等距布置在巷道的一側(cè)，劃分成若干個子網(wǎng)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo)簽(8)包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)I (9)以及與單片機控制系統(tǒng)I(9)通訊連接的LED顯示器I (10)、電源模塊I (ll)、2.4GHz無線收發(fā)模塊I (12)、起呼救作用的按鍵I (13);所述控制通信錨節(jié)點包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)II (14)以及與單片機控制系統(tǒng)II (14)通訊連接的LED顯示器II (15)、電源模塊II (16),2.4GHz無線收發(fā)模塊II (17 )、用于向通信主網(wǎng)傳送信息的通信模塊(19)。
4.按照權(quán)利要求1所述的`基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位系統(tǒng)，其特征在于所述一個子網(wǎng)中包括七個錨節(jié)點，分別為起定位作用的第一定位錨節(jié)點(I)、用于擴大子網(wǎng)物理作用范圍的第一中繼錨節(jié)點(2)、第二定位錨節(jié)點(3)、用于處理本子網(wǎng)內(nèi)的標(biāo)簽入網(wǎng)申請及用于將本子網(wǎng)定位信息向通信主網(wǎng)傳送的控制通信錨節(jié)點(4)、第三定位錨節(jié)點(5)、 第二中繼錨節(jié)點(6)、第三定位錨節(jié)點(7)，上述錨節(jié)點依次間隔排列，相鄰錨節(jié)點間的距離為50-100米。
5.基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位方法，其特征在于包括如下步驟:1)、入井人員隨身攜帶一個具有收發(fā)線性調(diào)頻信號的標(biāo)簽(8)，標(biāo)簽(8)內(nèi)設(shè)有入井人員的ID編碼及身份信息；2)、在井下工作面區(qū)域及狹長巷道內(nèi)間隔安裝多個錨節(jié)點，將相近區(qū)域的多個錨節(jié)點劃分為一個子網(wǎng)，實現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)的定位功能，錨節(jié)點包括定位錨節(jié)點、中繼錨節(jié)點、控制通信錨節(jié)點；3)、當(dāng)標(biāo)簽(8)進入子網(wǎng)范圍內(nèi)，標(biāo)簽(8)向控制通信錨節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)請求，控制通信錨節(jié)點收到標(biāo)簽(8)的請求，發(fā)出批準(zhǔn)信息，標(biāo)簽(8)收到控制通信錨節(jié)點的回復(fù)，入網(wǎng)完成；4)、控制通信錨節(jié)點對子網(wǎng)內(nèi)第i個標(biāo)簽(8)發(fā)出測距命令，第i個標(biāo)簽(8)收到測距命令，依次對子網(wǎng)內(nèi)各個錨節(jié)點實施測距操作，測距完成后，將測距結(jié)果發(fā)送至控制通信錨節(jié)點，控制通信錨節(jié)點收到第i個標(biāo)簽(8)發(fā)出的測距信息，計算出該標(biāo)簽的坐標(biāo)，發(fā)送至通信主網(wǎng)，控制通信錨節(jié)點對下一個標(biāo)簽(8)發(fā)出測距命令，重復(fù)上述步驟；5)當(dāng)標(biāo)簽(8)離開了當(dāng)前子網(wǎng)的作用區(qū)域后，標(biāo)簽(8)不能收到當(dāng)前子網(wǎng)的控制通信錨節(jié)點的命令，不能對控制通信錨節(jié)點的命令做出響應(yīng)，控制通信錨節(jié)點在連續(xù)三次收不到同一標(biāo)簽(8)的響應(yīng)后，認(rèn)為該標(biāo)簽(8)已經(jīng)離開了當(dāng)前子網(wǎng)，控制通信錨節(jié)點將標(biāo)簽(8)的ID刪除，標(biāo)簽(8)重新發(fā)送入網(wǎng)申請，加入到就近的子網(wǎng)中；6)、通信主網(wǎng)將標(biāo)簽坐標(biāo)信息發(fā)送至監(jiān)控終端，標(biāo)簽坐標(biāo)信息記錄于監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)庫中，并將坐標(biāo)信息以圖形方式顯示在顯示器上，從而使井上人員能直觀的看到井下人員的分布情況及活動軌跡；7)、事故狀態(tài)下，井下人員按下標(biāo)簽(8)上的按鍵I(13)，標(biāo)簽(8)周期性的發(fā)出自己的身份信息，搜救人員通過臨時控制節(jié)點搜尋呼救信號，進行救援工作。
6.按照權(quán)利要求5所述的基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位方法，其特征在于步驟2)中所述控制通信錨節(jié)點布置在中心位置，中繼錨節(jié)點布置在控制通信錨節(jié)點兩側(cè)對稱位置，定位錨節(jié)點布置在兩端最外側(cè)；步驟2)中所述錨節(jié)點在工作面區(qū)域內(nèi)按直線等距離布置成一排，劃分為一個子網(wǎng)；步驟2)中所述錨節(jié)點在狹長的巷道內(nèi)按直線等距布置在巷道的一側(cè)，劃分成若干個子網(wǎng)。
7.按照權(quán)利要求5所述的基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位方法，其特征在于所述標(biāo)簽(8)包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)I (9)以及與單片機控制系統(tǒng)(9)通訊連接的LED顯示器I (10)、電源模塊I (ll)、2.4GHz無線收發(fā)模塊I (12)、起呼救作用的按鍵I (13)；控制通信錨節(jié)點包括安裝于殼體內(nèi)部的單片機控制系統(tǒng)II (14)以及與單片機控制系統(tǒng)II (14)通訊連接的LED顯示器II (15)、電源模塊II (16)、2.4GHz無線收發(fā)模塊II (17)、 用于向通信主網(wǎng)傳送信息的通信模塊(19 )。
8.按照權(quán)利要求5所述的基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位方法，其特征在于所述子網(wǎng)中包括七個錨節(jié)點，分別為起定位作用的第一定位錨節(jié)點(I)、用于擴大子 網(wǎng)物理作用范圍的第一中繼錨節(jié)點(2)、第二定位錨節(jié)點(3)、用于處理本子網(wǎng)內(nèi)的標(biāo)簽入網(wǎng)申請及用于將本子網(wǎng)定位信息向通信主網(wǎng)傳送的控制通信錨節(jié)點(4)、第三定位錨節(jié)點(5)、第二中繼錨節(jié)點(6)、第三定位錨節(jié)點(7)，上述錨節(jié)點依次間隔排列，相鄰錨節(jié)點間的距離為 50-100 米。
9.按照權(quán)利要求5所述的基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位方法，其特征在于所述步驟3)中，若控制通信錨節(jié)點由于距離原因收不到標(biāo)簽(8)發(fā)出的入網(wǎng)信息，則通過中繼錨節(jié)點將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給控制通信錨節(jié)點。
10.按照權(quán)利要求5所述的基于線性調(diào)頻信號的礦山井下精確定位方法，其特征在于所述控制通信錨節(jié)點每隔300ms-500ms發(fā)出測距命令或同步信號，標(biāo)簽(8)收到命令后才實施測距，標(biāo)簽(8)與控制通信錨節(jié)點的時鐘同步，標(biāo)簽(8)在所述控制通信錨節(jié)點發(fā)出命令之前自動進入接收狀態(tài)，若未收到相應(yīng)命令，重新進入待機狀態(tài)；若收到命令,處理完成后重新進入待機狀態(tài)；所述控制通信錨節(jié)點采用最小乘法計算標(biāo)簽的坐標(biāo)，七個錨節(jié)點的子網(wǎng)，各個錨節(jié)點的坐標(biāo)滿足下列方程:
【文檔編號】G06K17/00GK103605109SQ201310630875
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】魏書田, 張巖, 魏廣芬, 張守祥, 丁昕苗, 高群 申請人:山東工商學(xué)院