基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统及定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统及定位方法，属于定位方法【技术领域】。包括具有收发线性调频信号的标签、在井下工作面区域及狭长巷道内间隔安装的多个锚节点，锚节点包括定位锚节点、中继锚节点、控制通信锚节点，将相近区域的多个锚节点划分为一个子网，实现本区域内的定位功能；本发明结构设计合理，能基于线性调频信号到达时间法实施测距，实现矿山井下的精准定位和实时显示，满足矿山井下的安全生产监控与救援要求。
【专利说明】基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统及定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统及定位方法，属于定 位方法【技术领域】。
【背景技术】
[0002]矿山井下精确定位并实时实现位置显示在保障矿山井下安全生产，紧急救援，保 护矿山职工人身安全方面具有很强的应用前景和需求，2011年3月21日，国家安全生产监 督管理总局、国家煤矿安全监察局联合下发了“关于印发《煤矿井下安全避险“六大系统”建 设完善基本规范(试行)》的通知”(安监总煤装[2011]33号)，对定位系统基本要求是:煤矿 企业必须按照《煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》(AQ1048—2007)的要求， 建设完善井下人员定位系统，应优先选择技术先进、性能稳定、定位精度高的产品，并做好 系统维护和升级改造工作，保障系统安全可靠运行。
[0003]目前矿山定位系统主要采用下述的两种方法:
一是基于无源射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)的定位方法。即入 井人员佩戴身份标签，当靠近安装在固定位置的读卡器时，读卡器发出电磁波，身份标签接 收此信号并转换成电流给本机充电,标签充电后开始工作并发出卡内存储的ID编码，读卡 器记录入井人员身份。见(I):胡平，骆俊，程小舟等.RFID技术在井下人员定位系统中的 应用研究[J].数字技术与应用，2012，(11):100-101 ;(2):侯大勇，周莉.基于RFID技术 在井下人员定位系统中的应用研究[J].煤矿机械，2013,34 (1):242-244 ; (3):钟建峰，鲁 光，刘金泉等.数字化矿山井下人员定位系统的设计[J].煤矿现代化，2013，(2):89-91。 RFID方法属于区域定位的范畴，只能确定人员进入了读卡器的覆盖区域，而不能确定精确 的距离，仅可以作为一般的考勤系统。
[0004]二是基于有源器件接收信号强度指示(Receive Signal Strength Indicator, RSSI)的定位方法。通过测量接收到的信号的强度，推算出移动节点到基站的距离。见(4): 胡长俊，李鑫.基于RSSI的井下定位技术研究[J].煤矿机械，2010，31 (10):71-73。该 作者在楼内走廊进行的模拟试验表明在小范围内定位误差为10m，而在其他位置误差较大； 在实际的矿井中由于巷道的不规则，误差将会更大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构设计合理， 能基于线性调频信号到达时间法实施测距，实现矿山井下的精准定位和实时显示，满足矿 山井下的安全生产监控与救援要求的矿山井下精确定位系统及定位方法。
[0006]一种基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统，其特殊之处在于包括有:
1)、入井人员随身携带的一个具有收发线性调频信号的标签8，标签8内设有入井人员 的ID编码及身份信息；
2)、在井下工作面区域及狭长巷道内间隔安装的多个锚节点，将相近区域的多个锚节点划分为一个子网，实现本区域内的定位功能；
锚节点包括定位锚节点、中继锚节点、控制通信锚节点；
所述控制通信锚节点布置在中心位置，中继锚节点布置在控制通信锚节点两侧对称位
置；
所述锚节点在工作面区域内按直线等距离布置成一排，划分为一个子网；
所述锚节点在狭长的巷道内按直线等距布置在巷道的一侧，划分成若干个子网；
所述标签8包括安装于壳体内部的单片机控制系统I 9以及与单片机控制系统I 9通 讯连接的LED显示器I 10、电源模块I ll、2.4GHz无线收发模块I 12、起呼救作用的按键 I 13 ；
所述2.4GHz无线收发模块I 12采用LFM信号；
所述控制通信锚节点包括安装于壳体内部的单片机控制系统II 14以及与单片机控制 系统II 14通讯连接的LED显示器II 15、电源模块II 16、2.4GHz无线收发模块II 17、用于向 通信主网传送信息的通信模块19 ；
所述2.4GHz无线收发模块II 17采用LFM信号；
所述一个子网中包括七个锚节点，分别为起定位作用的第一定位锚节点1、用于扩大 子网物理作用范围的第一中继锚节点2、第二定位锚节点3、用于处理本子网内的标签入网 申请及用于将本子网定位信息向通信主网传送的控制通信锚节点4、第三定位锚节点5、 第二中继锚节点6、第三定位锚节点7，上述锚节点依次间隔排列，相邻锚节点间的距离为 50-100 米。
[0007]上述基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统的定位方法，其特殊之处在于包 括如下步骤:
1)、入井人员随身携带一个具有收发线性调频信号的标签8，标签8内设有入井人员的 ID编码及身份信息；
2)、在井下工作面区域及狭长巷道内间隔安装多个锚节点，将相近区域的多个锚节点 划分为一个子网，实现本区域内的定位功能，锚节点包括定位锚节点、中继锚节点、控制通 信锚节点；
所述控制通信锚节点布置在中心位置，中继锚节点布置在控制通信锚节点两侧对称位
置；
所述锚节点在工作面区域内按直线等距离布置成一排，划分为一个子网；
所述锚节点在狭长的巷道内按直线等距布置在巷道的一侧，划分成若干个子网；
所述标签8包括安装于壳体内部的单片机控制系统I 9以及与单片机控制系统I 9通 讯连接的LED显示器I 10、电源模块I 11、2.4GHz无线收发模块I 12、起呼救作用的按键 I 13 ；
所述控制通信锚节点包括安装于壳体内部的单片机控制系统II 14以及与单片机控制 系统II 14通讯连接的LED显示器II 15、电源模块II 16、2.4GHz无线收发模块II 17、用于向 通信主网传送信息的通信模块19 ；
所述一个子网中包括七个锚节点，分别为起定位作用的第一定位锚节点1、用于扩大 子网物理作用范围的第一中继锚节点2、第二定位锚节点3、用于处理本子网内的标签入网 申请及用于将本子网定位信息向通信主网传送的控制通信锚节点4、第三定位锚节点5、第二中继锚节点6、第三定位锚节点7，上述锚节点依次间隔排列，相邻锚节点间的距离为 50-100 米；
3)、当标签8进入子网范围内，标签8向控制通信锚节点发出入网请求，控制通信锚节点收到标签8的请求，发出批准信息，标签8收到控制通信锚节点的回复，入网完成；
所述步骤3)中，若控制通信锚节点由于距离原因收不到标签8发出的入网信息，则通过中继锚节点将此信息转发给控制通信锚节点；
4)、控制通信锚节点对子网内第i个标签8发出测距命令，第i个标签8收到测距命令，依次对子网内各个锚节点实施测距操作，测距完成后，将测距结果发送至控制通信锚节点，控制通信锚节点收到第i个标签8发出的测距信息，计算出该标签的坐标，发送至通信主网，控制通信锚节点对下一个标签8发出测距命令，重复上述步骤；
为了避免各个标签8突发测距方式造成的冲突，所述控制通信锚节点每隔 300ms-500ms发出测距命令或同步信号；
标签8与控制通信锚节点的时钟同步；标签8在所述控制通信锚节点发出命令之前自动进入接收状态，若未收到相应命令，重新进入待机状态；若收到命令，处理完成后重新进入待机状态；
所述控制通信锚节采用最小乘法计算标签的坐标，七个锚节点的子网，各个锚节点的坐标满足下列方程:
【权利要求】
1.基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统，特征在于包括有:1)、入井人员随身携带的一个具有收发线性调频信号的标签(8)，标签(8)内设有入井人员的ID编码及身份信息；2)、在井下工作面区域及狭长巷道内间隔安装的多个锚节点，将相近区域的多个锚节点划分为一个子网，实现本区域内的定位功能；锚节点包括定位锚节点、中继锚节点、控制通信锚节点。
2.按照权利要求1所述的基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统，其特征在于所述控制通信锚节点布置在中心位置，中继锚节点布置在控制通信锚节点两侧对称位置；所述锚节点在工作面区域内按直线等距离布置成一排，划分为一个子网；所述锚节点在狭长的巷道内按直线等距布置在巷道的一侧，划分成若干个子网。
3.按照权利要求1或2所述的基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统，其特征在于所述标签(8)包括安装于壳体内部的单片机控制系统I (9)以及与单片机控制系统I(9)通讯连接的LED显示器I (10)、电源模块I (ll)、2.4GHz无线收发模块I (12)、起呼救作用的按键I (13);所述控制通信锚节点包括安装于壳体内部的单片机控制系统II (14)以及与单片机控制系统II (14)通讯连接的LED显示器II (15)、电源模块II (16),2.4GHz无线收发模块II (17 )、用于向通信主网传送信息的通信模块(19)。
4.按照权利要求1所述的`基于线性调频信号的矿山井下精确定位系统，其特征在于所述一个子网中包括七个锚节点，分别为起定位作用的第一定位锚节点(I)、用于扩大子网物理作用范围的第一中继锚节点(2)、第二定位锚节点(3)、用于处理本子网内的标签入网申请及用于将本子网定位信息向通信主网传送的控制通信锚节点(4)、第三定位锚节点(5)、 第二中继锚节点(6)、第三定位锚节点(7)，上述锚节点依次间隔排列，相邻锚节点间的距离为50-100米。
5.基于线性调频信号的矿山井下精确定位方法，其特征在于包括如下步骤:1)、入井人员随身携带一个具有收发线性调频信号的标签(8)，标签(8)内设有入井人员的ID编码及身份信息；2)、在井下工作面区域及狭长巷道内间隔安装多个锚节点，将相近区域的多个锚节点划分为一个子网，实现本区域内的定位功能，锚节点包括定位锚节点、中继锚节点、控制通信锚节点；3)、当标签(8)进入子网范围内，标签(8)向控制通信锚节点发出入网请求，控制通信锚节点收到标签(8)的请求，发出批准信息，标签(8)收到控制通信锚节点的回复，入网完成；4)、控制通信锚节点对子网内第i个标签(8)发出测距命令，第i个标签(8)收到测距命令，依次对子网内各个锚节点实施测距操作，测距完成后，将测距结果发送至控制通信锚节点，控制通信锚节点收到第i个标签(8)发出的测距信息，计算出该标签的坐标，发送至通信主网，控制通信锚节点对下一个标签(8)发出测距命令，重复上述步骤；5)当标签(8)离开了当前子网的作用区域后，标签(8)不能收到当前子网的控制通信锚节点的命令，不能对控制通信锚节点的命令做出响应，控制通信锚节点在连续三次收不到同一标签(8)的响应后，认为该标签(8)已经离开了当前子网，控制通信锚节点将标签(8)的ID删除，标签(8)重新发送入网申请，加入到就近的子网中；6)、通信主网将标签坐标信息发送至监控终端，标签坐标信息记录于监控终端的数据库中，并将坐标信息以图形方式显示在显示器上，从而使井上人员能直观的看到井下人员的分布情况及活动轨迹；7)、事故状态下，井下人员按下标签(8)上的按键I(13)，标签(8)周期性的发出自己的身份信息，搜救人员通过临时控制节点搜寻呼救信号，进行救援工作。
6.按照权利要求5所述的基于线性调频信号的矿山井下精确定位方法，其特征在于步骤2)中所述控制通信锚节点布置在中心位置，中继锚节点布置在控制通信锚节点两侧对称位置，定位锚节点布置在两端最外侧；步骤2)中所述锚节点在工作面区域内按直线等距离布置成一排，划分为一个子网；步骤2)中所述锚节点在狭长的巷道内按直线等距布置在巷道的一侧，划分成若干个子网。
7.按照权利要求5所述的基于线性调频信号的矿山井下精确定位方法，其特征在于所述标签(8)包括安装于壳体内部的单片机控制系统I (9)以及与单片机控制系统(9)通讯连接的LED显示器I (10)、电源模块I (ll)、2.4GHz无线收发模块I (12)、起呼救作用的按键I (13)；控制通信锚节点包括安装于壳体内部的单片机控制系统II (14)以及与单片机控制系统II (14)通讯连接的LED显示器II (15)、电源模块II (16)、2.4GHz无线收发模块II (17)、 用于向通信主网传送信息的通信模块(19 )。
8.按照权利要求5所述的基于线性调频信号的矿山井下精确定位方法，其特征在于所述子网中包括七个锚节点，分别为起定位作用的第一定位锚节点(I)、用于扩大子 网物理作用范围的第一中继锚节点(2)、第二定位锚节点(3)、用于处理本子网内的标签入网申请及用于将本子网定位信息向通信主网传送的控制通信锚节点(4)、第三定位锚节点(5)、第二中继锚节点(6)、第三定位锚节点(7)，上述锚节点依次间隔排列，相邻锚节点间的距离为 50-100 米。
9.按照权利要求5所述的基于线性调频信号的矿山井下精确定位方法，其特征在于所述步骤3)中，若控制通信锚节点由于距离原因收不到标签(8)发出的入网信息，则通过中继锚节点将此信息转发给控制通信锚节点。
10.按照权利要求5所述的基于线性调频信号的矿山井下精确定位方法，其特征在于所述控制通信锚节点每隔300ms-500ms发出测距命令或同步信号，标签(8)收到命令后才实施测距，标签(8)与控制通信锚节点的时钟同步，标签(8)在所述控制通信锚节点发出命令之前自动进入接收状态，若未收到相应命令，重新进入待机状态；若收到命令,处理完成后重新进入待机状态；所述控制通信锚节点采用最小乘法计算标签的坐标，七个锚节点的子网，各个锚节点的坐标满足下列方程:
【文档编号】G06K17/00GK103605109SQ201310630875
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】魏书田, 张岩, 魏广芬, 张守祥, 丁昕苗, 高群 申请人:山东工商学院