专利名称：井下作业人员超声波定位系统及其定位方法
技术领域：
本发明涉及矿井安全监控领域，更具体地说尤其是一种对于井下作业人员进行准确定位的系统和方法。
背景技术：
矿井的井下工作环境复杂，矿井巷道纵横绵延数十千米，井下人员作业流动性大，具体人数、具体位置时刻发生变化，地面调度很难知道井下人员的具体分布情况，不利于安全监督和动态调度，对作业人员的下井时间、行踪也很难考核。一旦井下发生火灾、水灾、瓦斯、煤尘爆炸等事故，由于不能精确定位事故前人员的位置和分布，导致不能使用大型机械设备进行救援工作，常因此延误救援的最佳时间，造成无法弥补的损失。如果能够精确定位事故发生前井下人员的位置，则能够大大加快救援速度，把损失降低到最低限度。
目前，井下定位采用的方法主要有两种，一种是专利文献CN1570663A公布的采用电子身份识别卡(RFID)的方式，由间隔一定距离安装在巷道内的基站通过射频电波对作业人员身上携带的电子身份识别卡装置进行询问，电子身份识别卡装置发射带有作业人员身份信息的应答信号实现定位，这种装置的定位精度由基站间隔距离决定，定位精度只能达到几十米量级。
另一种方法是专利文献CN1694569A公布的射频信号强度计算方式，移动接点和基站之间进行射频信号的双向通讯，基站通过对携带于工作人员身上的移动节点发出的射频信号强度进行计算得出工作人员和基站之间的距离，并结合基站本身的位置信息实现定位，这种装置的定位精度决定于基站接收到的射频信号强度，由于电磁波在巷道内存在多次反射和绕射等情况导致移动节点接收到的信号强度和基站间距离不成线性和统计关系从而带来很大的误差，这种方式的定位精度误差达到15米以上，对于救援工作只能提供有限的帮助，距离实用还有一定的差距。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可以用于事故救援、井下人员调度、监控、考勤等井下作业人员超声波定位系统及其定位方法。利用超声波定位和无线通讯，在以数百米为间隔放置超声发射基站的实际应用环境中达到优于±1米的定位精度。并且减小基站间隔距离则定位精度还能得到进一步提高。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是
本发明井下作业人员超声波定位系统，包括嵌入安全帽的移动终端(1)、设置在巷道中的基站(2)和以有线网络进行连接的管理中心(3)，其特征是所述嵌入安全帽的移动终端(1)以射频通讯模块(13)和天线(14)接收来自基站(2)的射频触发信号，分别传送给多通道超声波脉冲接收模块(12)、数字信号处理模块(19)以及主控制单元(17)，以所述射频触发信号控制多通道超声波脉冲接收模块(12)的时间窗打开和计时器开始计时；以超声波接收换能器(11)接收来自基站(2)的以表征对应基站编号的m序列调制的超声波脉冲序列信号，以不同的m序列作为各基站唯一的基站编号，所述m序列调制的超声波脉冲序列信号传送给多通道超声波脉冲接收模块(12)进行处理和模数变换后以数字信号传送给数字信号处理模块(19)，在所述数字信号处理模块(19)中解调出所述m序列并同时产生计时值，所述主控制单元(17)将所述m序列和计时值以及ID卡(16)读出数据共同传送给射频通讯模块(13)，并通过天线(14)发射；所述基站(2)一路通过网络接口(21)与管理中心(3)交换设置参数和定位数据，另一路通过网络接口(21)连接主控制器(23)，由所述主控制器(23)控制射频通讯模块(22)和天线(27)发射触发信号，并同时控制m序列调制模块(28)输出m序列调制信号至超声波脉冲发射模块(26)；各基站(2)在巷道沿线上位于巷道的顶部进行安置，通过网络连接至管理中心(3)，基站(2)沿巷道的前后方向发射两种不同载波频率的超声波脉冲序列。
本发明系统的结构特点也在于所述超声波接收换能器(11)共有五组，分别嵌于安全帽的前后左右和顶部位置，各自接收来自不同方向上超声信号，并在随后的多通道超声波脉冲接收模块(12)中分别得到处理。
本发明井下超声波定位系统的定位方法的特点是管理中心(3)通过网络设定基站参数，控制每个基站通过射频无线通讯信道同时发射一个脉冲触发信号，并同时发射一个与所在基站的基站编号相对应的m序列调制的超声波脉冲序列，移动终端(1)记录其在收到射频触发信号和收到超声波脉冲序列信号之间的时间间隔，根据已知的超声波传播速度和记录的时间间隔计算得出移动终端(1)和对应基站(2)之间的距离；沿巷道前后设置的基站(2)在其前后方向上分别发射不同频率载波的超声脉冲序列；移动终端(1)根据接收到的超声脉冲序列的载波频率判断信号源方向；由移动终端(1)将有关距离和方向的数据信息和对应的基站编号附加移动终端本身的ID编号身份信息通过射频无线通讯信道发送至基站(2)，各个基站(2)将收到的移动终端(1)的位置信息通过连接基站的网络发送给管理中心(3)，管理中心(3)根据位置信息进行统计记录并在巷道示意图上动态显示出每个作业人员的位置。
本发明方法的特点也在于所述各基站同时发射脉冲触发信号和同时发射超声波脉冲序列是在管理中心的控制下按设定的周期自动、重复地进行。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明利用超声波定位和无线通讯，由于采用了m序列调制的超声脉冲序列和沿巷道的前后方向发射两种不同载波频率的超声波脉冲序列的超声波发射方式，使移动终端能够得到一个以上不同基站间的精确距离和位置方向数据，在以数百米为间隔放置超声发射基站的实际应用环境中能够达到优于±1米的定位精度。
2、本发明可以在进一步减小基站间隔距离之后，除了使接收到的超声脉冲信噪比提高从而提高计时精度外，还将使移动终端收到更多不同基站的超声脉冲信号，这样定位精度还能得到进一步提高。
3、针对超声波信号传播具有较强的指向性，本发明通过在移动终端上设置不同位置上的多个超声波接收换能器，从而能够更为有效地接收来自不同方向上的超声脉冲信号，提高工作可靠性。
4、本发明方法由于采用自动测量和按设定周期重复触发的高频率重复测量方式使得到的定位数据具有很高的实时性和定位精度，可以广泛用于事故救援、井下人员调度、监控、考勤等井下作业人员的超声定位。
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明系统中嵌入安全帽的超声波接收换能器布置示意图。
图3为本发明的移动终端结构示意和各点输出信号图。
图4为本发明基站结构示意图。
图5是本发明基站发射超声波脉冲m序列调制示意图。
图6是本发明基站工作流程图。
图7是本发明的移动终端定位流程图。
以下通过具体实施方式
对本发明作进一步描述
具体实施例方式参见图1，本实施例中系统由嵌入安全帽的移动终端1、基站2和有线连接的网络管理中心3组成。基站和移动终端之间采用无线射频信道通讯，基站通过有线网络连接起来，网络管理中心由计算机、网络设备以及运行于该环境的上的管理软件构成。网络管理中心可以与基站之间交换定位信息数据，可以对基站进行参数设置和定时对准，设定网络上所有各基站每间隔一定的时间同时通过射频信道发射触发脉冲，在发射触发脉冲的同时基站通过超声波发射模块沿巷道的前后方向发射由表征基站唯一身份的m序列调制的频率分别为fR和fF的脉冲序列。由于射频信号在空气中的传播速度(约3×108M/s)远远大于超声波传播速度(约340M/s)移动终端将先收到触发信号，移动终端收到触发信号后即启动一个计时器开始计时，在收到超声波脉冲后停止该计时器，通过已知的超声波传播速度和计时结果，移动终端可以精确计算出和基站之间的距离，多通道超声脉冲接收模块12接收到一个以上基站发来的超声脉冲信号则能够更精确的得到移动终端的定位结果，移动终端将计算出的定位数据附加移动终端从插入的ID卡上读取的工作人员个人身份信息ID编号通过射频无线通讯信道发给基站，然后各个基站将收到的移动终端的位置信息通过连接基站的有线网络发给管理中心，管理中心的管理软件根据位置信息进行统计记录并在巷道示意图上动态显示出每个作业人员的位置。
图2是超声波接收换能器在安全帽上嵌入安装示意图。由于超声波传播具有较强的指向性，为了有效接收超声脉冲信号，设计了特殊的接收换能器布置方式包括顶部接收换能器11A、前方接收换能器11D、后方接收换能器11B、左侧接收换能器11E，和右侧接收换能器11C，用于有效接收来自顶部和前、后、左、右五个方向上的超声信号。每个接收换能器的接收频率范围都覆盖fR和fF两个频点。
图3是移动终端结构示意和各点输出信号图。其内部电路包括多通道超声波脉冲接收模块12、射频通讯模块13、天线14、数字信号处理模块19、主控制单元17、ID卡16以及电源15。移动终端上电启动后，主控制单元17读取插入式ID卡16中的井下工作人员个人信息，射频通讯模块13接收并解调到从天线14馈来的发射触发脉冲信号18，触发脉冲信号18打开多通道超声波脉冲接收模块12内的模拟开关时间窗接收超声波脉冲信号，同时启动数字信号处理模块19内部的计时器丌始工作，多通道超声波脉冲接收模块12将收到的超声波脉冲信号进行模一数转换并将采集数据传送给数字信号处理模块19，数字信号处理模块19根据采集数据进行一系列数字信号处理计算，解调出m序列，每解调出一组m序列保存一个计时值，在模拟开关时间窗结束前收到不同基站发来的一组以上m序列并保存计时值，数字信号处理模块19根据多个计时值结合巷道内超声波传播数学模型进行矩阵计算得出在基站间的位置定位数据，数字信号处理模块19将位置定位数据传递给主控制单元17，主控制单元17将定位数据和ID数据打包通过射频通讯模块13和基站之间的射频通讯链路发送给基站。
图4是基站结构示意图。基站布置于巷道沿线上，由网络接口21、射频通讯模块27和天线27、主控制器23、m序列调制模块28、超声波脉冲发射模块26以及电源24组成。网络接口21负责和网络管理中心通讯，交换定位数据信息和基站设置信息，根据基站设置数据，主控制器23每间隔一定时间通过射频通讯模块22和天线27发射一个射频触发脉冲，同时通过超声波脉冲发射模块26发射m序列调制的超声波脉冲序列，沿着巷道前后的两个方向上发射的超声波脉冲序列频率不同分别为fR和fF，m序列调制出代表基站唯一编号的超声波脉冲序列，fR和fF用来区分传播的方向。移动终端由此来判断收到的是哪一个基站发出的超声波脉冲序列，该基站在自己的前方还是后方。
图5是基站发射超声波脉冲m序列调制示意图。网络上每个基站设置一个唯一的编号，该编号和二进制的m序列对应，每个基站由一个唯一的m序列编码，超声波发射时，根据m序列编码进行调制，本实施例中，当前序列为高电平“1”时，发射超声波，为低电平“0”时，不发射超声波，调制序列激励超声波发射换能器发射出如图中所示的m序列调制的超声波脉冲序列。该超声波脉冲序列被移动终端接收，用于移动终端识别发射基站。
图6是基站工作流程图。基站布置于巷道沿线上，通过有线网络连接，管理中心可以对基站进行编号和设置发射时间间隔等参数，基站将接收到的移动终端发来的定位数据转发给管理中心。基站的工作步骤如下步骤S6-1基站上电完成自启动和网络配置过程，建立和管理中心的通讯链路以及和移动终端的射频通讯链路；步骤S6-2设置基站参数，包括发射时间间隔和m序列。
步骤S6-3通过射频通讯模块发射触发信号，同时发射超声波脉冲序列。
步骤S6-4接收来自移动终端通过射频通讯模块发来的数据，该数据包内容包括移动终端和基站间的距离和方向信息数据、对应基站m序列，以及移动终端的ID数据。
步骤S6-5基站将各个移动终端发来的数据转发给监控中心。监控中心根据基站布置施工时的安装位置测绘数据计算出各个移动终端的位置，实现定位。
图7移动终端定位流程图。移动终端根据先后收到的射频触发脉冲和超声波脉冲序列之间的时间间隔计算和对应发射基站间的距离，将计算结果和自身的ID信息数据通过和基站间的射频通讯信道发给基站。其步骤为步骤S7-1移动终端开机，对移动终端各个模块进行初始化设置，设置超声脉冲接收模块的AGC控制数据，初始化射频通讯模块。
步骤S7-2移动终端的主控制单元读取插入移动终端的ID卡数据，此ID数据为井下工作人员的个人身份信息。
步骤S7-3移动终端的射频通讯模块收到触发脉冲信号，此时启动计时器开始计时。
步骤S7-4移动终端的多通道超声波脉冲接收模块接收到超声脉冲序列，此时保存计时值，在收到一个以上的超声序列后停止该计时器并保存收到每个超声脉冲序列时的计时值。
步骤S7-5对应于每个收到的超声脉冲序列的计时值，解调出相应m序列。
步骤S7-6根据计时值和数学模型进行矩阵运算得出移动终端和相应基站间的距离，进一步进行计算得出定位数据。
步骤S7-7将计算出的定位数据和ID数据打包成一定格式的数据包。
步骤S7-8将数据包通过射频通讯模块发射出去，该数据包将被基站接收到。
步骤S7-9判断是否由关机请求，若是则关机，结束工作，否则循环进入下次触发等待。
权利要求
1.井下作业人员超声波定位系统，包括嵌入安全帽的移动终端(1)、设置在巷道中的基站(2)和以有线网络进行连接的管理中心(3)，其特征是所述嵌入安全帽的移动终端(1)以射频通讯模块(13)和天线(14)接收来自基站(2)的射频触发信号，分别传送给多通道超声波脉冲接收模块(12)、数字信号处理模块(19)以及主控制单元(17)，以所述射频触发信号控制多通道超声波脉冲接收模块(12)的时间窗打开和计时器开始计时；以超声波接收换能器(11)接收来自基站(2)的以表征对应基站编号的m序列调制的超声波脉冲序列信号，所述m序列和基站编号一一对应，所述m序列调制的超声波脉冲序列信号传送给多通道超声波脉冲接收模块(12)进行处理和模数变换后以数字信号传送给数字信号处理模块(19)，在所述数字信号处理模块(19)中解调出所述m序列并同时产生计时值，所述主控制单元(17)将所述m序列和计时值以及ID卡(16)读出数据共同传送给射频通讯模块(13)，并通过天线(14)发射；所述基站(2)一路通过网络接口(21)与管理中心(3)交换设置参数和定位数据，另一路通过网络接口(21)连接主控制器(23)，由所述主控制器(23)控制射频通讯模块(22)和天线(27)发射触发信号，并同时控制m序列调制模块(28)输出m序列调制信号至超声波脉冲发射模块(26)；各基站(2)在巷道沿线上位于巷道的顶部进行安置，通过网络连接至管理中心(3)，基站(2)沿巷道的前后方向发射两种不同载波频率的超声波脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是所述超声波接收换能器(11)共有五组，分别嵌于安全帽的前后左右和顶部位置上，各自接收来自不同方向上超声信号，并在随后的多通道超声波脉冲接收模块(12)中分别得到处理。
3.一种基于权利要求2所述井下超声波定位系统的定位方法，其特征是管理中心(3)通过网络设定基站参数，控制每个基站通过射频无线通讯信道同时发射一个脉冲触发信号，并同时发射一个与所在基站的基站编号相对应的m序列调制的超声波脉冲序列，移动终端(1)记录其在收到射频触发信号和收到超声波脉冲序列信号之间的时间间隔，根据已知的超声波传播速度和记录的时间间隔计算得出移动终端(1)和对应基站(2)之间的距离；沿巷道前后设置的基站(2)在其前后方向上分别发射不同频率载波的超声脉冲序列；移动终端(1)根据接收到的超声脉冲序列的载波频率判断信号源方向；由移动终端(1)将有关距离和方向的数据信息和对应的基站编号附加移动终端本身的ID编号身份信息通过射频无线通讯信道发送至基站(2)，各个基站(2)将收到的移动终端(1)的位置信息通过连接基站的网络发送给管理中心(3)，管理中心(3)根据位置信息进行统计记录并在巷道示意图上动态显示出每个作业人员的位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述各基站同时发射脉冲触发信号和同时发射超声波脉冲序列是在管理中心的控制下按设定的周期自动、重复地进行。
全文摘要
井下作业人员超声波定位系统及其定位方法，包括嵌入安全帽的移动终端、巷道中的基站和网络连接的管理中心，管理中心通过网络设定基站参数，基站每隔一段时间通过射频无线通讯信道发射一个脉冲触发信号，并同时发射一个超声波脉冲序列，移动终端记录其收到触发信号时和收到超声波脉冲信号之间的时间间隔，根据已知的超声波传播速度和所记录的时间间隔计算得出移动终端和基站之间的距离；根据不同的载波频率判断信号源方向，移动终端将距离、方向和对应的基站编号，及其本身身份信息通过射频无线通讯信道发送至基站，并由基站传送给管理中心，在管理中心动态显示作业人员位置。本发明定位精度高，可广泛用于事故救援、井下人员调度、监控、考勤等井下作业人员的超声定位。
文档编号G01S1/76GK1924604SQ20061008629
公开日2007年3月7日 申请日期2006年8月30日 优先权日2006年8月30日
发明者顾宇, 周康源, 哈章 申请人:合肥伟图信息技术有限公司