一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统及方法，主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服务器和相应的数据库构成；井下部分主要包括移动终端，电子标签，无线AP，所述移动终端要由定位模块，处理模块，WiFi模块，电源部分组成，其中定位模块主要由WiFi模块，陀螺仪数据采集处理模块组成。本发明引入陀螺仪，采用陀螺仪与WiFi相结合的定位技术，能得到很高的定位精度；另外本发明中的一体化无线AP可直接通过光缆或者网线连接，形成一套有线路由，把移动终端传来的数据、语音、视频图像等信息通过各分站间形成的有线路由传到地面调度中心，进而实现井下多种综合业务信息的传输。
【专利说明】一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿井下无线精确定位【技术领域】，涉及一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统及方法。
【背景技术】
[0002]人员定位系统是井下安全避险六大系统的子系统，有助于煤矿复杂环境下作业人员的协同管理和调度，对煤炭安全生产意义重大；当矿难发生时，救援人员可根据井下人员定位信息，迅速了解井下人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率，最大限度地减少灾害损失。
[0003]目前，国内外专家已提出把诸如超声波、红外、蓝牙、WiF1、射频识别(RFID)、超宽带(UWB)、ZigBee、辅助GPS等无线通信技术应用到实际定位。其中，针对室内无线定位的特殊要求，出现了光跟踪技术、超声波定位技术、蓝牙技术、RFID技术等典型室内无线定位技术，其对应的定位精度可达几厘米。
[0004]与地面、室内情况不同，井下作业和井下环境具有特殊性。井下巷道生产作业地点分散、人员流动性大、工作环境恶劣；无线传输环境具有“有限空间、多介质、密集多径”等特点。当无线信号在弯曲巷道和采掘工作面环境中传输时，根据巷道尺寸、周围障碍物特点，信号传输特性具有多变性，若仍采用基于无线信号强度对移动目标进行定位，会引起较大的定位误差，从而导致定位不准确，这也是目前井下人员定位系统定位精度不高的主要原因。
[0005]目前，井下巷道内的电磁信号的传输模型及其对无线定位影响的研究至今还不完善，无法对无线定位精度的提升提供理论上的指导和支持。因此，常用的无线定位技术在面对矿井复杂工作环境情况下，要能够达到实时而准确的定位，还有很多关键技术问题需要解决。
[0006]针对煤矿井下特殊的工作环境，国内外所应用的RFID技术、ZigBee技术、WiFi技术等井下定位技术的不足之处主要体现为几个方面:
[0007]定位精度不准确，特别是在弯曲巷道、采掘工作面(时变)等场景，定位可靠性和有效性很差，存在严重的漏检、错检问题，而且难以解决；
[0008]现有使用的定位系统多数为区域定位，随着信息化矿井建设的推进，迫使区域定位技术向精确定位技术升级；
[0009]通信、人员定位子系统各成体系，没有统一的无线端技术方案、接入站点部署等网络平台，系统重复建设，致使资源浪费且效率低下，与工业信息化和矿山物联网发展方向相背离。
[0010]经查询中国知识产权网一中外专利数据库服务平台，查到无线定位技术相关研究的发明专利229项，实用新型专利108项，外观设计4项。但是，这些专利主要是针对地面环境的，其中与井下定位相关的专利有86项；而用于煤矿井下的高精度无线定位相关研究的则只有发明专利2项，实用新型专利2项，主要包括:
[0011]蓝牙井下无线定位系统(CN200710078442.8);蓝牙井下无线定位基站(CN200720124162.1);基于认知的井下无线定位方法(CN200810046191.X)种基于WiFi的煤矿井下无线定位系统(CN201320076493.8)，提供了一种基于WiFi的煤矿井下无线定位系统，其基本结构包括地面无线定位系统和井下无线定位系统，地面无线定位系统包括中心交换机、定位服务器、DHCP服务器和管理服务器，其中定位服务器、DHCP服务器和管理服务器均与中心交换机连接，井下无线定位系统包括矿用网络交换机、无线接入点和矿用本安WiFi电话，其中，矿用本安WiFi电话通过无线接入点与矿用网络交换机连接，矿用网络交换机通过井下工业以太网与地面无线定位系统连接；该专利没有明确井下定位精度问题及井下多种综合业务信息的传输问题。与以上已有的专利相比，本发明引入陀螺仪，采用陀螺仪与WiFi相结合的定位技术，能得到很高的定位精度；另外本发明中的一体化无线AP可直接通过光缆或者网线连接，形成一套有线路由，把移动终端传来的数据、语音、视频图像等信息通过各分站间形成的有线路由传到地面调度中心，进而实现井下多种综合业务信息的传输。
[0012]综上所述，无线定位技术的相关研究非常活跃，已有各类专利400多项。但是，这些专利主要是针对地面环境的，而针对煤矿井下环境的研究及成果则较少。而本专利着重解决井下人员及移动设备的高精度定位问题。
【发明内容】
[0013]为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统及方法，在针对矿井复杂的工程环境，研究开发无线WiFi技术与陀螺仪技术相结合的精确定位系统，适应一体化基站平台建设的趋势，为煤矿的信息化建设提供支持。其技术方案如下:
[0014]一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统，主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服务器和相应的数据库构成；井下部分主要包括移动终端，电子标签，无线AP，所述移动终端由井下人员携带，由定位模块，处理模块，WiFi模块和电源部分组成，其中，定位模块的功能:定位模块中的WiFi模块的功能为采集输出定位信息，采用串行通信方式定时输出到处理模块。陀螺仪数据采集处理模块的功能为:把所测量的相对惯性空间的三个转角速度和三个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并计算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态等信息，然后输出到处理模块。处理模块的功能是:处理模块采用ARM处理系统，处理模块连接移动终端和WiFi模块，处理模块接收到WiFi定位信息和陀螺仪数据信息，采用卡尔曼滤波算法对信息进行处理校正，判断信息是否可用，然后将定位结果输出至WiFi模块。WiFi模块的功能=WiFi模块根据通信协议接收处理模块输出的定位信息，并将定位结果输出到WiFi接入点AP。电源部分的功能是为各模块供电，保证他们的正常工作，移动终端的数据通过井下AP传输到井上，WiFi接入点AP固定在井下的通道壁上，利用光纤与总控制器连接，总控制器将收到的数据进行打包整理通过以太网传送到地面监控计算机，当人员经过电子标签时，电子标签进入读卡器的发射天线工作区，读卡器和WiFi模块负责周期性的读取和传送电子标签信息，并传送到相应的数据库中，地面计算机接收到来自WiFi接入点AP的信号，从数据库中读出该读卡器的相关采集信息，实现对人员信息的采集记录、分析处理，使管理人员能及时准确的查询各种信息，特别是当发生事故时，及时了解人员的分布情况，为营救工作提供了便利。
[0015]优选地，为实现一体化无线AP之间的无缝漫游，采用多个网关组成一个分级结构，每个网关负责多个无线AP，当在同一个网关的各个AP之间漫游时，由该网关控制信息传送；当需要与不同网关的无线AP之间漫游时，则令网关从更高级别的网关中获取业务信
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[0016]进一步优选，所述一体化无线AP直接通过光缆或者网线连接，形成一套有线路由，把WiFi移动终端传来的数据、语音、视频图像等信息通过各分站间形成的有线路由传到地面调度中心，移动终端具备电子显示、语音、定位等功能，并实时地将接收到的井下数据信息和周边环境信息传递到分站，同时在脱网模式下能够实现终端间自组网通信。
[0017]一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位方法，包括以下步骤:矿工所携带的移动终端依据所采集到的信息判断WiFi信号是否较强，若信号较强则依据WiFi信号来确定井下人员和设备位置，经过处理模块处理后通过WiFi模块将定位数据传到AP，然后发送到井上服务器进行分析识别，从而实现井下人员和设备的精确定位。若WiFi信号较弱，则用陀螺仪定位，根据读取的数字信息标识码确定井下人员及移动设备的地理位置信息，并根据定位目标的移动角度变化精确定位其移动距离、速度与轨迹。然后，通过集成在移动终端上的WiFi模块将获取的定位信息发送给与井下以太网相连的接入点AP，并将信息传送给井上的定位服务器进行分析识别，从而实现井下人员及移动设备的精确定位。
[0018]本发明的有益效果:本发明与地面、室内情况不同，井下作业和井下环境具有特殊性。井下巷道生产作业地点分散、人员流动性大、工作环境恶劣；无线传输环境具有“有限空间、多介质、密集多径”等特点。当无线信号在弯曲巷道和采掘工作面环境中传输时，根据巷道尺寸、周围障碍物特点，信号传输特性具有多变性，若仍采用基于无线信号强度对移动目标进行定位，会引起较大的定位误差，从而导致定位不准确，这也是目前井下人员定位系统定位精度不高的主要原因。
[0019]目前，井下巷道内的电磁信号的传输模型及其对无线定位影响的研究至今还不完善，无法对无线定位精度的提升提供理论上的指导和支持。因此，常用的无线定位技术在面对矿井复杂工作环境情况下，要能够达到实时而准确的定位，还有很多关键技术问题需要解决。
[0020]针对煤矿井下特殊的工作环境，国内外所应用的RFID技术、ZigBee技术、WiFi技术等井下定位技术的不足之处主要体现为几个方面:
[0021]定位精度不准确，特别是在弯曲巷道、采掘工作面(时变)等场景，定位可靠性和有效性很差，存在严重的漏检、错检问题，而且难以解决；
[0022]现有使用的定位系统多数为区域定位，随着信息化矿井建设的推进，迫使区域定位技术向精确定位技术升级；通信、人员定位子系统各成体系，没有统一的无线端技术方案、接入站点部署等网络平台，系统重复建设，致使资源浪费且效率低下，与工业信息化和矿山物联网发展方向相背离。
[0023]本发明引入陀螺仪，采用陀螺仪与WiFi相结合的定位技术，能得到很高的定位精度；另外本发明中的一体化无线AP可直接通过光缆或者网线连接，形成一套有线路由，把移动终端传来的数据、语音、视频图像等信息通过各分站间形成的有线路由传到地面调度中心，进而实现井下多种综合业务信息的传输。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为基于无线WiFi与陀螺仪的无线精确定位技术原理图；
[0025]图2为移动终端硬件组成框图；
[0026]图3为基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位方法流程图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0028]现有的井下人员定位系统与无线通信传输系统之间是独立的子系统体系，本发明的提出旨在针对矿井复杂的工程环境，研究开发无线WiFi技术与陀螺仪技术相结合的精确定位系统，适应一体化基站平台建设的趋势，为煤矿的信息化建设提供支持。系统结构如图1所示:主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服务器和相应的数据库软构成；井下部分主要包括移动终端，电子标签，无线AP等。
[0029]为实现一体化无线AP之间的无缝漫游，可采用多个网关组成一个分级结构，每个网关负责多个无线AP，当在同一个网关的各个AP之间漫游时，由该网关控制信息传送；当需要与不同网关的无线AP之间漫游时，则令网关从更高级别的网关中获取业务信息。一体化无线AP可直接通过光缆或者网线连接，形成一套有线路由，把移动终端传来的数据、语音、视频图像等信息通过各分站间形成的有线路由传到地面调度中心。
[0030]移动终端是本发明的核心部分，主要由定位模块，处理模块，WiFi模块，电源部分组成，其中定位模块主要由WiFi模块，陀螺仪数据采集处理模块组成，如图2所示:
[0031 ] 处理模块采用ARM处理系统，处理模块连接移动终端和WiFi模块，定位模块中的WiFi模块的功能为采集输出定位信息，采用串行通信方式定时输出到处理模块。陀螺仪数据采集处理模块的功能为:把所测量的相对惯性空间的三个转角速度和三个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并计算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态等信息，然后输出到处理模块。处理模块接收到WiFi定位信息和陀螺仪数据信息，对信息进行处理校正，判断信息是否可用，然后将定位结果输出至WiFi模块。
[0032]WiFi模块根据通信协议接收处理模块输出的定位信息，并将定位结果输出到WiFi接入点AP。WiFi接入点AP可以固定在井下的通道壁上，利用光纤与总控制器连接，总控制器将收到的数据进行打包整理通过以太网传送到地面监控计算机。当人员经过电子标签时，电子标签进入读卡器的发射天线工作区，读卡器和WiFi模块负责周期性的读取和传送电子标签信息，并传送到相应的数据库中。
[0033]地面计算机接收到来自WiFi接入点AP的信号，从数据库中读出该读卡器的相关采集信息，实现对人员信息的采集记录、分析处理，使管理人员能及时准确的查询各种信息，特别是当发生事故时，可及时了解人员的准确分布情况。
[0034]定位系统将煤矿井下的地理位置主要是基于无线WiFi并依据定位精度的需求在井下巷道进行标识的布防，并将这些地理位置资料存储在井上定位服务器中，其对应的定位原理如图1所示。
[0035]如图3所示，矿工所携带的移动终端依据所采集到的信息判断WiFi信号是否较强，若信号较强则依据WiFi信号来确定井下人员和设备位置，将定位数据传到AP，然后发送到井上服务器进行分析识别，从而实现井下人员和设备的精确定位。若WiFi信号较弱，则用陀螺仪定位，根据读取的数字信息标识码确定井下人员及移动设备的地理位置信息，并根据定位目标的移动角度变化精确定位其移动距离、速度与轨迹。然后，通过集成在移动终端上的WiFi模块将获取的定位信息发送给与井下以太网相连的接入点AP，并将信息传送给井上的定位服务器进行分析识别，从而实现井下人员及移动设备的精确定位。
[0036]其中井上定位服务器由服务器和相应的数据库构成，负责整个定位系统的管理与控制，从而实现对井下人员及相应的设备进行实时监控。WiFi接入点AP可以固定在井下的通道壁上，利用光纤与总控制器连接，总控制器将收到的数据进行打包整理通过以太网传送到地面监控计算机。当人员经过电子标签时，电子标签进入读卡器的发射天线工作区，读卡器和WiFi模块负责周期性的读取和传送电子标签信息，并传送到相应的数据库中。地面计算机接收到来自WiFi接入点AP的信号，从数据库中读出该读卡器的相关采集信息，实现对人员信息的采集记录、分析处理，使管理人员能及时准确的查询各种信息，特别是当发生事故时，可及时了解人员的分布情况，为营救工作提供了便利。
[0037]为实现一体化无线AP之间的无缝漫游，可采用多个网关组成一个分级结构，每个网关负责多个无线AP，当在同一个网关的各个AP之间漫游时，由该网关控制信息传送；当需要与不同网关的无线AP之间漫游时，则令网关从更高级别的网关中获取业务信息。
[0038]一体化无线AP可直接通过光缆或者网线连接，形成一套有线路由，把WiFi移动终端传来的数据、语音、视频图像等信息通过各分站间形成的有线路由传到地面调度中心。移动终端具备电子显示、语音、定位等功能，并可以实时地将接收到的井下数据信息和周边环境信息传递到分站，同时在脱网模式下能够实现终端间自组网通信。
[0039]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统，其特征在于，主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服务器和相应的数据库构成；井下部分主要包括移动终端，电子标签，无线AP，所述移动终端由井下人员携带，由定位模块，处理模块，WiFi模块和电源部分组成，其中，定位模块的功能:定位模块中的WiFi模块的功能为采集输出定位信息，采用串行通信方式定时输出到处理模块；陀螺仪数据采集处理模块的功能为:把所测量的相对惯性空间的三个转角速度和三个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并计算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态等信息，然后输出到处理模块；处理模块的功能是:处理模块采用ARM处理系统，处理模块连接移动终端和WiFi模块，处理模块接收到WiFi定位信息和陀螺仪数据信息，采用卡尔曼滤波算法对信息进行处理校正，判断信息是否可用，然后将定位结果输出至WiFi模块；WiFi模块的功能:WiFi模块根据通信协议接收处理模块输出的定位信息，并将定位结果输出到WiFi接入点AP ;电源部分的功能是为各模块供电，保证他们的正常工作，移动终端的数据通过井下AP传输到井上，WiFi接入点AP固定在井下的通道壁上，利用光纤与总控制器连接，总控制器将收到的数据进行打包整理通过以太网传送到地面监控计算机，当人员经过电子标签时，电子标签进入读卡器的发射天线工作区，读卡器和WiFi模块负责周期性的读取和传送电子标签信息，并传送到相应的数据库中，地面计算机接收到来自WiFi接入点AP的信号，从数据库中读出该读卡器的相关采集信息，实现对人员信息的采集记录、分析处理，使管理人员能及时准确的查询各种信息，特别是当发生事故时，及时了解人员的分布情况，为营救工作提供了便利。
2.根据权利要求1所述的基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统，其特征在于，采用多个网关组成一个分级结构，每个网关负责多个无线AP，当在同一个网关的各个AP之间漫游时，由该网关控制信息传送；当需要与不同网关的无线AP之间漫游时，则令网关从更高级别的网关中获取业务信息。
3.根据权利要求2所述的基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位系统，其特征在于，所述一体化无线AP直接通过光缆或者网线连接，形成一套有线路由，把WiFi移动终端传来的数据、语音、视频图像等信息通过各分站间形成的有线路由传到地面调度中心，移动终端具备电子显示、语音、定位的功能，并实时地将接收到的井下数据信息和周边环境信息传递到分站，同时在脱网模式下能够实现终端间自组网通信。
4.一种基于无线WiFi与陀螺仪相结合的井下无线精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤:矿工所携带的移动终端依据所采集到的信息判断WiFi信号是否较强，若信号较强则依据WiFi信号来确定井下人员和设备位置，经过处理模块处理后通过WiFi模块将定位数据传到AP，然后发送到井上服务器进行分析识别，从而实现井下人员和设备的精确定位；若WiFi信号较弱，则用陀螺仪定位，根据读取的数字信息标识码确定井下人员及移动设备的地理位置信息，并根据定位目标的移动角度变化精确定位其移动距离、速度与轨迹；然后，通过集成在移动终端上的WiFi模块将获取的定位信息发送给与井下以太网相连的接入点AP，并将信息传送给井上的定位服务器进行分析识别，从而实现井下人员及移动设备的精确定位。
【文档编号】H04W4/04GK103957508SQ201410185266
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】宋金玲, 韩峰, 陈治国, 李世银 申请人:中国矿业大学