一种煤矿井下人员便携式组合定位、监测装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种定位及监测装置，具体是一种煤矿井下人员便携式组合定位、监测装置及其方法，属于矿用监控技术领域。
【背景技术】
[0002]随着我国经济体质改革的不断深入，现代化进程不断加快，国家对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强，大中型煤矿和众多乡镇煤矿均已大量装备了煤矿安全监控系统，有效遏制了重大瓦斯爆炸事故的发生。但是由于缺乏对井下人员位置信息的监控，目前还普遍存在入井人员管理困难，井上人员难以及时准确掌握井下人员的分布和作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息，严重地制约了抢险救灾的效率，失去最宝贵的抢救时机。安全生产的核心是人的安全。因此，煤矿对利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况等急需解决。
[0003]由于长期以来煤矿企业特别是小煤矿的安全投入明显不足，煤矿企业安全装备严重缺乏，安全管理手段极其落后，如何保证煤矿的安全生产已成为煤炭行业的重要问题。煤矿安全最重要的是保证矿工生命的安全，煤矿安全管理最重要的也是对矿工安全的管理，其中对矿工在井下的工作位置进行准确监测是保证矿工安全的基本前提。
[0004]现如今矿井人员定位跟踪系统主要是以标识卡为基本数据采集单位，完成对下井者地理信息和工作信息的采集、存储、处理、显示和打印，主要由标识卡、读卡器、人员检测分站、通信接口、服务器以及打印机组成。然而由于读卡器识别效率低下，并且需要矿工经过读卡器才能够进行有效识别，并且受庞大的服务站布置、费用昂贵等因素，制约其使用的有效性和普遍性。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿井下人员便携式组合定位、监测装置及其方法，能降低监测成本，提高位置监测精度，同时可监测井下人员实时的姿态情况及胸腔活动情况。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:该种煤矿井下人员便携式组合定位及监测装置，包括惯性测量单元MU1#、惯性测量单元頂U2#、惯性测量单元頂U3#、蓝牙接收转发模块、WiFi测量传感器和便携式背包，惯性测量单元IMU1#通过腿部绑带固定在人体腿部，惯性测量单元IMU2#和便携式背包通过固定背带分别固定在人体胸腔部和人体背部，所述惯性测量单元MU3#、蓝牙接收转发模块和WiFi测量传感器设置在便携式背包内；惯性测量单元頂U1#、惯性测量单元MU2#和惯性测量单元頂U3#分别通过各自的蓝牙发送模块与蓝牙接收转发模块无线通讯，蓝牙接收转发模块与WiFi测量传感器电连接。
[0007]进一步，所述惯性测量单元为MEMS惯性测量器。
[0008]一种煤矿井下人员组合定位及监测的方法，其具体步骤为:
[0009]A、井下巷道布设:在井下巷道内均匀布设多个WiFi基站，各个WiFi基站之间通过屏蔽网线与工作面网关连接，工作面网关通过光纤与矿井监控中心通讯，最后标定各个WiFi基站的井下位置并将位置信息存储在矿井监控中心；
[0010]B、矿井监控中心参考数据预设:在地面上试验人员穿上便携式组合定位及监测装置，进行奔跑、行走、站立、蹲坐及平躺的运动，惯性测量单元MU1#、惯性测量单元頂U2#和惯性测量单元IMU3#分别测量各种姿态下的加速度值及角速度值，通过多人次测量取平均值得出人体正常奔跑、行走、站立、蹲坐及平躺运动时各个惯性测量单元得出的加速度平均参考值及角速度平均参考值，进而建立数据匹配模型，另外根据WiFi指纹定位原理利用WIFI测量传感器进行井下坏境下的WIFI信号测量标定，进而得出指纹定位数据库；
[0011]C、组合定位及监测装置的安装:将便携式组合定位及监测装置穿在井下人员身上，标定其开启装置时的起始位置然后井下人员开始在井下巷道内工作；
[0012]D、数据采集及传输:惯性测量单元IMU1#、惯性测量单元IMU2#和惯性测量单元頂U3#会将各自测量的加速度及角速度数据通过蓝牙发送模块发送给蓝牙接收转发模块，蓝牙接收转发模块将检测数据经WiFi测量传感器无线发送给WiFi基站，并通过工作面网关最后传给矿井监控中心，同时WiFi测量传感器实时测量布设在井下巷道内各个WIFI基站发射的WIFI信号强度，将测量得到的WiFi信号强度信息经WiFi基站传递给矿井监控中心；
[0013]E、惯性测量单元数据分析及井下人员姿态确定:监控中心对惯性测量单元頂U1#、惯性测量单元頂U2#及惯性测量单元頂U3#检测得到的数据与预设参考值进行比对分析，
[0014]对惯性测量单元IMU1#的数据分析后可判断出井下人员的奔跑、行走、站立、蹲坐及平躺的运动状态，同时利用腿部交替运动以及间歇性运动的特性，对惯性测量单元IMU1#在姿态解算后得出的井下人员相对起始位置所行进的距离，进而得出井下人员实时位置并可利用腿部接触地面时速度为零的特性来进行零速校正；
[0015]对惯性测量单元MU2#的加速度数据分析后能够调整惯性测量单元IMU1#在运动过程中的步态检测判断，从而调整惯性测量单元IMU1#解算得出的行进距离，另外由于惯性测量单元IMU2#设置在胸腔处可实时得出井下人员胸腔活动的情况，进而在井下人员遭受危险或处于昏迷状态时判断是否还有呼吸的生命体征，为救援人员提供足够的参考信息，争取合理的救援时间；
[0016]对惯性测量单元MU3#的加速度数据分析后经姿态解算以及位置解算可实时获得井下人员的位姿参数，并且配合惯性测量单元頂U1#测量得到的姿态信息进行井下人员蹲、坐以及平躺的静止姿态的判断，还能对惯性测量单元MU2#在胸腔呼吸运动测量过程中提供必要的参考校正信息，避免因为身体的运动影响胸腔呼吸运动的测量精度；
[0017]对三个惯性测量单元与参考数据比对分析后解算得到的位置信息进行组合，得出惯性测量单元的井下位置信息；
[0018]F、对WiFi测量传感器测得的WiFi信号强度进行分析:采用WiFi指纹定位原理对WiFi测量传感器测得的各个WiFi基站信号强度值与之前建立的WiFi指纹定位数据库进行比对后与标定的各个WiFi基站的位置信息进行网格划分法位置解算，进而得出WiFi测量传感器的井下位置；
[0019]G、井下人员位置综合确定:将WiFi测量传感器得出的井下位置与惯性测量单元得出的井下位置相互矫正，利用联邦卡尔曼滤波算法对頂U/WiFi组合定位的数据进行融合滤波，最终得出井下人员精确地井下位置。
[0020]与现有技术相比，本发明采用惯性测量单元頂U与WiFi指纹定位相结合的方式，惯性测量单元IMU具有数据测量频率高，数据全面等优点，能够实时提供运动载体的姿态、位置、速度以及加速度等信息，并且不需要借助外部设备，是一款自主定位系统，能够很好的应用于封闭环境下矿井人员的位置监测;通过惯性测量单元IMU监测的各个加速度值及角速度值能快速的得出井下人员奔跑、行走、站立、蹲坐及平躺的运动状态，同时在静止时根据胸腔活动情况得出人员的呼吸情况;另外利用WiFi指纹定位技术且考虑到WiFi信号本身也是一个快速传输数据的一个良好载体，因此利用WiFi指纹定位技术并借助与惯性测量单元IMU定位装置联合进行煤矿井下人员的定位与状态监测。
【附图说明】
[0021]图1是本发明中组合定位及监测装置的安装示意图；
[0022]图2是本发明的电原理框图；
[0023]图3是本发明程序运行及执行流程图。
[0024]图中:1、惯性测量单元頂U2#，2、固定背带，3、腿部绑带，4、惯性测量单元頂U1#，5、蓝牙接收转发模块，6、惯性测量单元頂U3#，7、便携式背包，8、WIFI测量传感器。
【具体实施方式】
[0025]下面将对本发明作进一步说明。
[0026]如图1所示，该种煤矿井下人员便携式组合定位及监测装置，包括惯性测量单元頂Ul#4、惯性测量单元頂U2#l、惯性测量单元頂U3#6、蓝牙接收转发模块5、WiFi测量传感器8和便携式背包7，惯性测量单元IMUlM通过腿部绑带3固定在人体腿部，惯性测量单元頂U2#l和便携式背包7通过固定背带2分别固定在人体胸腔部和人体背部，所述惯性测量单元IMU3#6、蓝牙接收转发模块5和WiFi测量传感器8设置在便携式背包7内；惯性测量单元頂Ul#4、惯性测量单元頂U2#l和惯性测量单元頂U3#6分别通过各自的蓝牙发送模块与蓝牙接收转发模块5无线通讯，蓝牙接收转发模块5与WiFi测量传感器8电连接。
[0027]进一步，所述惯性测量单元为MEMS惯性测量器。
[0028]如图2和图3所示，该种煤矿井下人员组合定位及监测的方法的具体步骤为:
[0029]A、井下巷道布设:在井下巷道内均匀布设多个WiFi基站，各个WiFi基站之间通过屏蔽网线与工作面网关连接，工