一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于礦井監(jiān)控與通信領域，涉及一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)、以及一種用于定位煤礦井下移動目標的方法。
【背景技術】
[0002]我國煤礦井下地質(zhì)條件非常復雜，礦井巷道長達幾十千米，工作環(huán)境惡劣，作業(yè)地點分散，作業(yè)人員和設備流動性大。作業(yè)人員往往難以確定自己在煤礦井下的位置，特別是在事故發(fā)生時，更難以精確定位事故現(xiàn)場人員和流動設備；另外，由于煤礦井下流動設備眾多，諸如各種運輸、裝載機車位置分散，管理起來十分不便。因此，假如能在煤礦井下建立作業(yè)人員和流動設備的精確定位系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)人員和流動設備在煤礦井下的位置查詢、路徑分析、導航等功能，可顯著增強煤礦井下安全生產(chǎn)、搶險救災的能力并可更加合理、高效地調(diào)配生產(chǎn)資源和管理生產(chǎn)。因此，研究煤礦井下移動目標的準確定位系統(tǒng)和方法，開發(fā)滿足礦井實際需求的產(chǎn)品和系統(tǒng)成為目前礦山采掘行業(yè)迫切需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦井下移動目標的精確定位，利于提高煤礦企業(yè)的自動化管理水平。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0005]—種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)，包括在各個移動目標上安裝的移動節(jié)點、以及在巷道線路的各個交叉位置布置的錨點節(jié)點；在移動節(jié)點上配置有陀螺儀、加速度傳感器、超聲波傳感器一、中央處理器和網(wǎng)絡設備；陀螺儀用于檢測所述移動目標的角位移；加速度傳感器用于檢測所述移動目標的線位移；中央處理器用于進行數(shù)據(jù)處理；網(wǎng)絡設備用于實現(xiàn)所述移動節(jié)點與數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)之間的通訊，進而對井下各個移動目標進行身份信息識別；在錨點節(jié)點上配置有與所述超聲波傳感器一匹配的超聲波傳感器二。
[0006]進一步，在巷道線路的每個交叉位置的錨點節(jié)點數(shù)量至少為三個。
[0007]此外，本發(fā)明還提出了一種用于定位煤礦井下移動目標的方法，其采用如下技術方案:
[0008]—種用于定位煤礦井下移動目標的方法，采用上述的一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)；該方法包括如下步驟:
[0009]a通過陀螺儀和加速度傳感器獲取移動目標的角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)，并結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息，通過求解計算得到移動目標的相對位置數(shù)據(jù)；
[0010]b通過超聲波傳感器一與超聲波傳感器二得到移動目標在當前位置的絕對位置數(shù)據(jù)；
[0011]C對上述相對位置數(shù)據(jù)和絕對位置數(shù)據(jù)求和計算，得到移動目標在煤礦井下的位置信息。
[0012]進一步，步驟a中，移動目標的相對位置數(shù)據(jù)求解過程如下:
[0013]結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息、角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)進行計算比對，確定移動目標的運動方向信息和位移信息，從而計算得到移動目標的相對位置數(shù)據(jù)。
[0014]進一步，步驟b中，基于超聲波的Τ0Α方法得到移動目標在當前位置的絕對位置數(shù)據(jù)。
[0015]進一步，步驟b中，在進行絕對位置數(shù)據(jù)計算之前，
[0016]移動節(jié)點需要通過網(wǎng)絡設備與數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)進行通訊，完成井下各個移動目標身份信息識別，然后根據(jù)識別后的移動目標信息，進行移動目標的超聲波定位計算。
[0017]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0018]本發(fā)明根據(jù)煤礦巷道線路情況，僅需要在巷道線路的各個交叉位置布置錨點節(jié)點，并為煤礦井下移動目標分別配備移動節(jié)點，即可實現(xiàn)煤礦井下移動目標的準確定位；本發(fā)明系統(tǒng)投資小，定位精度遠高于傳統(tǒng)的區(qū)段定位系統(tǒng)。此外，本發(fā)明方法采用陀螺儀、加速度傳感器進行移動目標角位移、線位移的測量，需要對運算過程中的誤差進行控制，由于煤礦井下巷道線路區(qū)段劃分，距離較短，移動節(jié)點相對位移數(shù)據(jù)誤差較?。灰苿幽繕说慕^對位置信息采用超聲波定位，由于超聲波傳播的速度遠小于無線電信號或其它電信號，因此，本發(fā)明方法采用基于超聲波的Τ0Α移動目標絕對位置定位精度較高，滿足實際精度要求。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明中移動節(jié)點的加速度傳感器坐標系圖。
[0020]圖2為本發(fā)明中煤礦井下巷道移動節(jié)點和錨點節(jié)點的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明:
[0022]—種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)，包括在各個移動目標上安裝的移動節(jié)點、以及在巷道線路的各個交叉位置布置的錨點節(jié)點。在移動節(jié)點上配置有陀螺儀、加速度傳感器、超聲波傳感器一、中央處理器和網(wǎng)絡設備。陀螺儀用于檢測所述移動目標的角位移。加速度傳感器用于檢測所述移動目標的線位移。中央處理器用于進行數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡設備用于實現(xiàn)所述移動節(jié)點與數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)之間的通訊，進而對井下各個移動目標進行身份信息識別；在錨點節(jié)點上配置有與所述超聲波傳感器一匹配的超聲波傳感器二，超聲波傳感器二在煤礦井下巷道中的安裝位置確定，該位置信息可作為對移動節(jié)點進行絕對定位的依據(jù)。
[0023]優(yōu)選地，在每處巷道交叉位置安裝至少三個超聲波傳感器二，利用三點超聲波Τ0Α定位方法，可以實現(xiàn)移動目標的準確定位。
[0024]此外，本發(fā)明還提出了一種用于定位煤礦井下移動目標的方法，采用上述的一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)。該方法包括如下步驟:
[0025]a基于陀螺儀、加速度傳感器和巷道線路的相對定位算法
[0026]移動節(jié)點內(nèi)部加速度坐標系如圖1所示。在移動節(jié)點坐標系的三個坐標軸上，通過陀螺儀、加速度傳感器檢測出移動節(jié)點在三個坐標軸上的角加速度和加速度，進而通過計算確定移動節(jié)點在對應時間段內(nèi)的姿態(tài)變化，以及在該時間段內(nèi)移動節(jié)點相對位移的大小和方向。移動節(jié)點的姿態(tài)變化和相對位移是相對于移動節(jié)點位置變化前的加速度傳感器坐標系計算得到的，要求得移動節(jié)點實際的位置信息必須要確定移動節(jié)點在發(fā)生移動前的位置信息。
[0027]如圖2所示，當移動節(jié)點在巷道中開始運動時，移動節(jié)點上配置的陀螺儀、加速度傳感器無法判定移動目標在各個方向上的實際角位移和線位移；為了將移動目標加速度坐標系與實際巷道線路坐標系建立對應關系，采用根據(jù)移動目標速度，確定一定時間段內(nèi)移動目標的移動位移(該位移距離大于兩倍巷道寬度)，從而確定了移動目標在加速度坐標系某方向上的移動位移與巷道線路方向上移動位移的對應關系，建立了巷道線路坐標系與移動目標加速度坐標系的關系，實現(xiàn)了對移動目標在巷道線路內(nèi)的相對位移量的檢測。
[0028]b基于超聲波傳感器的精確定位算法
[0029]安裝移動節(jié)點的移動目標在煤礦井下巷道線路中運動時，待移動目標移動到錨點節(jié)點時，移動節(jié)點上配置的超聲波發(fā)生器一發(fā)出超聲波，被配置在錨點節(jié)點上的超聲波傳感器二捕捉，基于超聲波的Τ0Α方法確定出移動目標相對于錨點節(jié)點的距離信息；由于錨點節(jié)點坐標是固定不變的，通過錨點節(jié)點位置數(shù)據(jù)信息與移動節(jié)點相對于錨點節(jié)點的距離數(shù)據(jù)進行幾何求解計算可以求得移動目標在該位置的準確位置數(shù)據(jù)。
[0030]如圖2所示，在煤礦井下井口、巷道交叉位置都安裝有一定數(shù)量的位置確定的錨點節(jié)點，因此，在這些位置都能夠?qū)崿F(xiàn)準確求得移動目標的絕對位置信息。需要說明的是，在進行絕對位置數(shù)據(jù)計算之前，移動節(jié)點需要通過網(wǎng)絡設備與數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)的通訊，完成井下各移動目標身份信息識別，然后根據(jù)識別后的移動目標信息，進行移動目標的超聲波定位計算。
[0031]c基于多信息融合的煤礦井下定位算法
[0032]將上述步驟a和步驟b得到的準確相對位置數(shù)據(jù)和絕對位置數(shù)據(jù)進行求和計算，可以得到移動目標在煤礦井下的準確位置信息。
[0033]當然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實施例，應當說明的是，任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質(zhì)范圍之內(nèi)，理應受到本發(fā)明的保護。
【主權項】
1.一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)，其特征在于，包括在各個移動目標上安裝的移動節(jié)點、以及在巷道線路的各個交叉位置布置的錨點節(jié)點；在移動節(jié)點上配置有陀螺儀、加速度傳感器、超聲波傳感器一、中央處理器和網(wǎng)絡設備；陀螺儀用于檢測所述移動目標的角位移；加速度傳感器用于檢測所述移動目標的線位移；中央處理器用于進行數(shù)據(jù)處理；網(wǎng)絡設備用于實現(xiàn)所述移動節(jié)點與數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)之間的通訊，進而對井下各個移動目標進行身份信息識別；在錨點節(jié)點上配置有與所述超聲波傳感器一匹配的超聲波傳感器--ο2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)，其特征在于，在巷道線路的每個交叉位置的錨點節(jié)點數(shù)量至少為三個。3.一種用于定位煤礦井下移動目標的方法，采用如權利要求1或2所述的一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)，其特征在于，包括如下步驟: a通過陀螺儀和加速度傳感器獲取移動目標的角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)，并結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息，通過求解計算得到移動目標的相對位置數(shù)據(jù)； b利用超聲波傳感器一與超聲波傳感器二得到移動目標在當前位置的絕對位置數(shù)據(jù)； c對上述相對位置數(shù)據(jù)和絕對位置數(shù)據(jù)求和計算，得到移動目標在煤礦井下的位置信息。4.根據(jù)權利要求3所述的一種用于定位煤礦井下移動目標的方法，其特征在于，所述步驟a中，移動目標的相對位置數(shù)據(jù)求解過程如下: 結(jié)合煤礦井下巷道線路的位置信息、角位移數(shù)據(jù)和線位移數(shù)據(jù)進行計算比對，確定移動目標的運動方向信息和位移信息，從而計算得到移動目標的相對位置數(shù)據(jù)。5.根據(jù)權利要求3所述的一種用于定位煤礦井下移動目標的方法，其特征在于，所述步驟b中，基于超聲波的T0A方法得到移動目標在當前位置的絕對位置數(shù)據(jù)。6.根據(jù)權利要求3所述的一種用于定位煤礦井下移動目標的方法，其特征在于，所述步驟b中，在進行絕對位置數(shù)據(jù)計算之前， 移動節(jié)點需要通過網(wǎng)絡設備與數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)進行通訊，完成井下各個移動目標身份信息識別，然后根據(jù)識別后的移動目標信息，進行移動目標的超聲波定位計算。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于定位煤礦井下移動目標的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明系統(tǒng)根據(jù)煤礦巷道線路情況，僅需要在巷道線路的各個交叉位置布置錨點節(jié)點，并為煤礦井下移動目標分別配備移動節(jié)點，即可實現(xiàn)煤礦井下移動目標的準確定位；本發(fā)明系統(tǒng)投資小，定位精度遠高于傳統(tǒng)的區(qū)段定位系統(tǒng)。本發(fā)明方法采用陀螺儀、加速度傳感器進行移動目標角位移、線位移的測量，需要對運算過程中的誤差進行控制，由于煤礦井下巷道線路區(qū)段劃分，距離較短，移動節(jié)點相對位移數(shù)據(jù)誤差較小；移動目標的絕對位置信息采用超聲波定位，由于超聲波傳播的速度遠小于無線電信號或其它電信號，因此，本發(fā)明方法采用基于超聲波的TOA移動目標絕對位置定位精度較高，滿足實際精度要求。
【IPC分類】G01S5/18
【公開號】CN105353348
【申請?zhí)枴緾N201510666112
【發(fā)明人】高峰, 仲惟燕, 劉蕾, 馮冠一, 張涌
【申請人】山東科技大學
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月15日