一种用于定位煤矿井下移动目标的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于矿井监控与通信领域，涉及一种用于定位煤矿井下移动目标的系统、以及一种用于定位煤矿井下移动目标的方法。
【背景技术】
[0002]我国煤矿井下地质条件非常复杂，矿井巷道长达几十千米，工作环境恶劣，作业地点分散，作业人员和设备流动性大。作业人员往往难以确定自己在煤矿井下的位置，特别是在事故发生时，更难以精确定位事故现场人员和流动设备；另外，由于煤矿井下流动设备众多，诸如各种运输、装载机车位置分散，管理起来十分不便。因此，假如能在煤矿井下建立作业人员和流动设备的精确定位系统，实现作业人员和流动设备在煤矿井下的位置查询、路径分析、导航等功能，可显著增强煤矿井下安全生产、抢险救灾的能力并可更加合理、高效地调配生产资源和管理生产。因此，研究煤矿井下移动目标的准确定位系统和方法，开发满足矿井实际需求的产品和系统成为目前矿山采掘行业迫切需要解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提出一种用于定位煤矿井下移动目标的系统，能够实现对煤矿井下移动目标的精确定位，利于提高煤矿企业的自动化管理水平。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0005]—种用于定位煤矿井下移动目标的系统，包括在各个移动目标上安装的移动节点、以及在巷道线路的各个交叉位置布置的锚点节点；在移动节点上配置有陀螺仪、加速度传感器、超声波传感器一、中央处理器和网络设备；陀螺仪用于检测所述移动目标的角位移；加速度传感器用于检测所述移动目标的线位移；中央处理器用于进行数据处理；网络设备用于实现所述移动节点与数据服务系统之间的通讯，进而对井下各个移动目标进行身份信息识别；在锚点节点上配置有与所述超声波传感器一匹配的超声波传感器二。
[0006]进一步，在巷道线路的每个交叉位置的锚点节点数量至少为三个。
[0007]此外，本发明还提出了一种用于定位煤矿井下移动目标的方法，其采用如下技术方案:
[0008]—种用于定位煤矿井下移动目标的方法，采用上述的一种用于定位煤矿井下移动目标的系统；该方法包括如下步骤:
[0009]a通过陀螺仪和加速度传感器获取移动目标的角位移数据和线位移数据，并结合煤矿井下巷道线路的位置信息，通过求解计算得到移动目标的相对位置数据；
[0010]b通过超声波传感器一与超声波传感器二得到移动目标在当前位置的绝对位置数据；
[0011]C对上述相对位置数据和绝对位置数据求和计算，得到移动目标在煤矿井下的位置信息。
[0012]进一步，步骤a中，移动目标的相对位置数据求解过程如下:
[0013]结合煤矿井下巷道线路的位置信息、角位移数据和线位移数据进行计算比对，确定移动目标的运动方向信息和位移信息，从而计算得到移动目标的相对位置数据。
[0014]进一步，步骤b中，基于超声波的Τ0Α方法得到移动目标在当前位置的绝对位置数据。
[0015]进一步，步骤b中，在进行绝对位置数据计算之前，
[0016]移动节点需要通过网络设备与数据服务系统进行通讯，完成井下各个移动目标身份信息识别，然后根据识别后的移动目标信息，进行移动目标的超声波定位计算。
[0017]本发明具有如下优点:
[0018]本发明根据煤矿巷道线路情况，仅需要在巷道线路的各个交叉位置布置锚点节点，并为煤矿井下移动目标分别配备移动节点，即可实现煤矿井下移动目标的准确定位；本发明系统投资小，定位精度远高于传统的区段定位系统。此外，本发明方法采用陀螺仪、加速度传感器进行移动目标角位移、线位移的测量，需要对运算过程中的误差进行控制，由于煤矿井下巷道线路区段划分，距离较短，移动节点相对位移数据误差较小；移动目标的绝对位置信息采用超声波定位，由于超声波传播的速度远小于无线电信号或其它电信号，因此，本发明方法采用基于超声波的Τ0Α移动目标绝对位置定位精度较高，满足实际精度要求。
【附图说明】
[0019]图1为本发明中移动节点的加速度传感器坐标系图。
[0020]图2为本发明中煤矿井下巷道移动节点和锚点节点的示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明:
[0022]—种用于定位煤矿井下移动目标的系统，包括在各个移动目标上安装的移动节点、以及在巷道线路的各个交叉位置布置的锚点节点。在移动节点上配置有陀螺仪、加速度传感器、超声波传感器一、中央处理器和网络设备。陀螺仪用于检测所述移动目标的角位移。加速度传感器用于检测所述移动目标的线位移。中央处理器用于进行数据处理。网络设备用于实现所述移动节点与数据服务系统之间的通讯，进而对井下各个移动目标进行身份信息识别；在锚点节点上配置有与所述超声波传感器一匹配的超声波传感器二，超声波传感器二在煤矿井下巷道中的安装位置确定，该位置信息可作为对移动节点进行绝对定位的依据。
[0023]优选地，在每处巷道交叉位置安装至少三个超声波传感器二，利用三点超声波Τ0Α定位方法，可以实现移动目标的准确定位。
[0024]此外，本发明还提出了一种用于定位煤矿井下移动目标的方法，采用上述的一种用于定位煤矿井下移动目标的系统。该方法包括如下步骤:
[0025]a基于陀螺仪、加速度传感器和巷道线路的相对定位算法
[0026]移动节点内部加速度坐标系如图1所示。在移动节点坐标系的三个坐标轴上，通过陀螺仪、加速度传感器检测出移动节点在三个坐标轴上的角加速度和加速度，进而通过计算确定移动节点在对应时间段内的姿态变化，以及在该时间段内移动节点相对位移的大小和方向。移动节点的姿态变化和相对位移是相对于移动节点位置变化前的加速度传感器坐标系计算得到的，要求得移动节点实际的位置信息必须要确定移动节点在发生移动前的位置信息。
[0027]如图2所示，当移动节点在巷道中开始运动时，移动节点上配置的陀螺仪、加速度传感器无法判定移动目标在各个方向上的实际角位移和线位移；为了将移动目标加速度坐标系与实际巷道线路坐标系建立对应关系，采用根据移动目标速度，确定一定时间段内移动目标的移动位移(该位移距离大于两倍巷道宽度)，从而确定了移动目标在加速度坐标系某方向上的移动位移与巷道线路方向上移动位移的对应关系，建立了巷道线路坐标系与移动目标加速度坐标系的关系，实现了对移动目标在巷道线路内的相对位移量的检测。
[0028]b基于超声波传感器的精确定位算法
[0029]安装移动节点的移动目标在煤矿井下巷道线路中运动时，待移动目标移动到锚点节点时，移动节点上配置的超声波发生器一发出超声波，被配置在锚点节点上的超声波传感器二捕捉，基于超声波的Τ0Α方法确定出移动目标相对于锚点节点的距离信息；由于锚点节点坐标是固定不变的，通过锚点节点位置数据信息与移动节点相对于锚点节点的距离数据进行几何求解计算可以求得移动目标在该位置的准确位置数据。
[0030]如图2所示，在煤矿井下井口、巷道交叉位置都安装有一定数量的位置确定的锚点节点，因此，在这些位置都能够实现准确求得移动目标的绝对位置信息。需要说明的是，在进行绝对位置数据计算之前，移动节点需要通过网络设备与数据服务系统的通讯，完成井下各移动目标身份信息识别，然后根据识别后的移动目标信息，进行移动目标的超声波定位计算。
[0031]c基于多信息融合的煤矿井下定位算法
[0032]将上述步骤a和步骤b得到的准确相对位置数据和绝对位置数据进行求和计算，可以得到移动目标在煤矿井下的准确位置信息。
[0033]当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
【主权项】
1.一种用于定位煤矿井下移动目标的系统，其特征在于，包括在各个移动目标上安装的移动节点、以及在巷道线路的各个交叉位置布置的锚点节点；在移动节点上配置有陀螺仪、加速度传感器、超声波传感器一、中央处理器和网络设备；陀螺仪用于检测所述移动目标的角位移；加速度传感器用于检测所述移动目标的线位移；中央处理器用于进行数据处理；网络设备用于实现所述移动节点与数据服务系统之间的通讯，进而对井下各个移动目标进行身份信息识别；在锚点节点上配置有与所述超声波传感器一匹配的超声波传感器--ο2.根据权利要求1所述的一种用于定位煤矿井下移动目标的系统，其特征在于，在巷道线路的每个交叉位置的锚点节点数量至少为三个。3.一种用于定位煤矿井下移动目标的方法，采用如权利要求1或2所述的一种用于定位煤矿井下移动目标的系统，其特征在于，包括如下步骤: a通过陀螺仪和加速度传感器获取移动目标的角位移数据和线位移数据，并结合煤矿井下巷道线路的位置信息，通过求解计算得到移动目标的相对位置数据； b利用超声波传感器一与超声波传感器二得到移动目标在当前位置的绝对位置数据； c对上述相对位置数据和绝对位置数据求和计算，得到移动目标在煤矿井下的位置信息。4.根据权利要求3所述的一种用于定位煤矿井下移动目标的方法，其特征在于，所述步骤a中，移动目标的相对位置数据求解过程如下: 结合煤矿井下巷道线路的位置信息、角位移数据和线位移数据进行计算比对，确定移动目标的运动方向信息和位移信息，从而计算得到移动目标的相对位置数据。5.根据权利要求3所述的一种用于定位煤矿井下移动目标的方法，其特征在于，所述步骤b中，基于超声波的T0A方法得到移动目标在当前位置的绝对位置数据。6.根据权利要求3所述的一种用于定位煤矿井下移动目标的方法，其特征在于，所述步骤b中，在进行绝对位置数据计算之前， 移动节点需要通过网络设备与数据服务系统进行通讯，完成井下各个移动目标身份信息识别，然后根据识别后的移动目标信息，进行移动目标的超声波定位计算。
【专利摘要】本发明公开了一种用于定位煤矿井下移动目标的系统及方法。本发明系统根据煤矿巷道线路情况，仅需要在巷道线路的各个交叉位置布置锚点节点，并为煤矿井下移动目标分别配备移动节点，即可实现煤矿井下移动目标的准确定位；本发明系统投资小，定位精度远高于传统的区段定位系统。本发明方法采用陀螺仪、加速度传感器进行移动目标角位移、线位移的测量，需要对运算过程中的误差进行控制，由于煤矿井下巷道线路区段划分，距离较短，移动节点相对位移数据误差较小；移动目标的绝对位置信息采用超声波定位，由于超声波传播的速度远小于无线电信号或其它电信号，因此，本发明方法采用基于超声波的TOA移动目标绝对位置定位精度较高，满足实际精度要求。
【IPC分类】G01S5/18
【公开号】CN105353348
【申请号】CN201510666112
【发明人】高峰, 仲惟燕, 刘蕾, 冯冠一, 张涌
【申请人】山东科技大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年10月15日