脚端智能穿戴设备及矿井下面积测量、开采越界判别方法与流程

本发明涉及空间测量，具体为一种脚端智能穿戴设备及矿井下面积测量、开采越界判别方法。

背景技术：

1、对于井下开采的矿山，矿山企业需经常测量矿房或采空区的面积和体积，以核准工作量、储量变动情况。目前，主要采用罗盘和皮尺测量，记录数值。回到井上之后，手动录入数据形成测量结果，一个矿房或采空区需要2个工作人员，耗费1天时间,测量效率较低。而且常规测量方法需要在井下做大量的控制测量工作，且在井下测定采空区、井巷等特征地物时，由于测量环境的限制，测量速度更慢、耗费人力更多。

2、目前，矿山井下采矿权的检查主要依靠全站仪测量等常规测量方法，测量采矿权的巷道、采空区等采掘工程，然后在井上与采矿权边界套合，检查有无越界、越层开采行为。常规测量方法需要在井下做大量的控制测量工作，且在井下测定采空区、井巷等特征地物时，由于测量环境的限制，速度更慢、耗费人力更多。经调查，完成一个中型井下开采矿山的检查测量，需要3个工作人员，耗费3～5天时间。

3、针对矿山井下空间测量中出现的以上技术问题，需要综合考虑如何提高测量精度和效率，同时降低人工量，是目前亟需解决的一项重要技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种脚端智能穿戴设备及矿井下面积测量、开采越界判别方法，测量人员或执法人员佩戴智能穿戴设备，可以对矿房面积进行快速测量，可以快速判断所在位置是否超出规定的开采边界范围。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种脚端智能穿戴设备，包括足部定位终端、手持无线通信设备，足部定位终端包括惯性测量单元imu、无线数传模块以及蓄电池，惯性测量单元imu包括加速度传感器、陀螺传感器，蓄电池为加速度传感器、陀螺传感器、无线数传模块供能，加速度传感器用于采集位移和高度数据，陀螺传感器用于采集方向和姿态数据，无线数传模块用于以无线通信方式与手持无线通信设备相连接；所述手持无线通信设备用于导入并显示矿图，接收并处理足部定位终端采集的定位数据。

4、作为本发明进一步优化的技术方案，所述手持无线通信设备包括手持智能终端和双向激光测距模块，双向激光测距模块用于实时测出测量人员与矿房或巷道截面的侧向距离以及测量人员与其顶方的距离，所述惯性测量单元imu、双向激光测距模块均通过蓝牙向手持智能终端传输实时采集的定位数据，手持智能终端根据初始坐标并通过ekf定位算法计算得到当前坐标，以完成面积测量工作或判断所在位置是否超出规定边界。

5、作为本发明进一步优化的技术方案，所述手持无线通信设备还支持接入其他传感器数据，以及导出测量结果和联网上传功能。

6、作为本发明进一步优化的技术方案，所述ekf定位算法的计算流程为：在测量人员在正常行走过程中，t0表示脚跟着地的时刻，tk表示脚尖离地的时刻，定义从脚跟着地到脚尖离地的静止时间段为tk-t0，则在静止时间段tk-t0内人脚部速度vk→0，角速度wk→0，由于所述惯性测量单元imu存在漂移现象，则在静止时间段tk-t0内其输出的人脚部速度和角速度均不为0，则得静止时间段tk-t0内的速度误差δvk和角速度误差δwk，将其分别作为卡尔曼滤波器的观测量并对姿态、加速度、位置误差进行估计，并将误差估计结果反馈，实现陀螺传感器对运动参数修正。

7、作为本发明进一步优化的技术方案，所述惯性测量单元imu采用零速修正算法对运动参数进行修正，具体计算过程为：

8、(1)将所述速度误差δvk作为卡尔曼滤波器的观测量，表达为mk＝vk-[0,0,0]＝δvk，[0,0,0]表示人脚部在静止时间段tk-t0内x、y和z轴方向上实际的运动速度构成的数列，mk为观测量，则与之对应的观测矩阵h表达为：h＝[03×3,03×3,03×3,i3×3,03×3]，i3×3为3×3的输入矩阵，03×3为3×3的输出矩阵；

9、(2)将所述角速度误差δwk同时作为卡尔曼滤波器的观测量，表达为mk＝[δwk,δvk]，则与之对应的观测矩阵h为：

10、(3)卡尔曼滤波器通过步骤(2)得到的观测矩阵对姿态、位置、加速度误差进行估计，设卡尔曼滤波的误差状态向量为：δxk|k表示误差状态向量，表示姿态角的估计误差，δwk表示角速度的估计误差，δrk表示位置的估计误差，δvk表示速度的估计误差，δxk|k表示加速度的估计误差，t表示t时刻；则观测模型表示为：zk＝hδxk|k+nk，即估算得测量人员的姿态、位置；其中zk表示观测模型，nk测量噪声。

11、第二方面，本发明还提供一种基于脚端智能穿戴设备的矿井下面积测量方法，包括以下步骤：

12、(1)在手持无线通信设备上导入待测矿房或巷道区域矿图，在待测矿房或巷道附近选取两个控制点，以对惯性测量单元imu的漂移现象进行测量校正；

13、(2)将手持无线通信设备与足部定位终端进行通信连接并初始化，初始化过程中保持手持无线通信设备处于静止状态；

14、(3)测量人员实地从第一个控制点行走至第二个控制点进行标记点对齐，手持无线通信设备显示从初始化后到当前的行走轨迹，再行走至待测矿房或巷道的起点；

15、(4)测量人员开始面积测量，绕矿房行走一周回到起点或沿巷道一侧或者中间行走至终点，行走过程中手持无线通信设备的矿图上显示测量人员的行走轨迹、已行走距离以及当前坐标，最终计算得出矿房或巷道的面积。

16、作为本发明进一步优化的技术方案，所述矿房或巷道面积是利用所述脚端智能穿戴设备测量得出的矿房或巷道形状轨迹减去对应的侧向距离，即得到实际的矿房或巷道面积，该矿房或巷道面积再乘以人员高度与其上顶方距离之和，即可得到实际的矿房或巷道体积。

17、作为本发明进一步优化的技术方案，所述矿图上显示的行走轨迹的形成过程为：所述惯性测量单元i mu采集的加速度结合零速修正算法计算测量人员的脚步起落，并通过加速度二次积分计算出测量人员脚步起落之间的位移距离；再采用惯性测量单元i mu中的陀螺传感器计算脚步的位移方向，最后与位移距离相结合后估算出测量人员位移的相对坐标以及行走轨迹。

18、第三方面，本发明还提供一种基于脚端智能穿戴设备的开采越界判别方法，包括以下步骤：

19、(1)在手持无线通信设备上导入待测采矿区矿图，在待测采矿区附近选取两个控制点，以对惯性测量单元i mu的漂移现象进行测量校正；

20、(2)将手持无线通信设备与足部定位终端进行通信连接并初始化，初始化过程中保持手持无线通信设备处于静止状态；

21、(3)测量人员实地从第一个控制点行走至第二个控制点进行标记点对齐，手持无线通信设备则形成从初始化后到当前的行走轨迹；

22、(4)开始越界检测，测量人员向采矿区矿图边界方向行走，当人员越过采矿区边界时，则手持无线通信设备发出警报声并提示越界距离，则结束越界检测并保存测量数据。

23、作为本发明进一步优化的技术方案，所述手持无线通信设备根据已知两个以上控制点坐标，通过ekf定位算法推算得出测量人员每一步的实时坐标，并结合已知的矿图边界的坐标数据，以判断测量人员所在位置是否超出规定的开采边界。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

25、1、本发明脚端智能穿戴设备由手持无线通信设备和足部定位终端组成。足部定位终端体积较小可穿戴于测量人员的脚部，其中蓄电池供能并穿戴于测量人员的足部。加速度传感器主要用于计算位移和高度，陀螺传感器主要用于计算方向和姿态。无线数传模块将数据发送给手持智能终端，手持智能终端可以导入并显示矿图，并接收足部定位终端的传感器数据，通过ekf定位算法根据初始坐标计算得到当前坐标，完成面积测量工作。因此，测量人员或执法人员佩戴智能穿戴设备，可以对矿房面积进行快速测量，可以快速判断所在位置是否超出规定的开采边界范围。

26、2、本发明矿井下面积测量方法利用惯性定位技术，测量人员通过佩戴该设备绕着不规则的矿房行走一圈或沿着巷道行走可以直接测量出该矿房和巷道的面积，然后根据矿房和巷道的高度，计算得到体积大小。在测量人员脚端的鞋垫内设置惯性测量单元i mu用于测量人员的惯性定位，将手持智能终端以及双向激光测距模块集成的手持无线通信设备。惯性测量单元i mu、双向激光测距模块均通过蓝牙向手持智能终端传输实时采集的数据，利用双向激光测距模块实时测出测量人员与矿房截面的侧向距离以及测量人员距离巷道顶方的距离，测量得出的矿房形状轨迹减去对应的侧向距离即可得到实际的矿房面积，该面积再乘以测量人员高度加上顶方距离即可得到矿房或巷道实际的体积。

27、3、本发明开采越界判别方法通过穿戴该设备的测量人员在巷道中行走，根据已知两个以上控制点坐标，利用惯性定位技术计算人员的位移距离以及方向，推算出未知点的坐标，从而依据已有地图判断所在位置是否超出规定的边界范围。测量人员脚端鞋垫内集成惯性测量单元i mu用于测量人员的惯性定位，该惯性测量单元i mu通过蓝牙向智能手机终端传输实时采集的数据，智能手机终端根据已知两个以上控制点坐标，通过ekf定位算法推算出人员每一步的实时坐标。结合已知地图边界坐标数据，从而判断所在位置是否超出规定的边界。