专利名称：井下人员跟踪定位系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种人员跟踪定位系统及其方法，特别涉及一种井下 人员跟踪定位系统及其方法。
背景技术：
目前国内外井上定位现在有GPS全球定位系统，而在地面之下 GPS不能发挥其作用，它属于灰色地理信息系统的一部分，如何实现 井下人员的定位，这是一个世界性的问题，许多科学家、工程技术人 员为之努力。现在用于井下人员定位的产品，主要是区域定位，不能 达到相对精确的定位，当井下发生危险时，不利于人员搜救，为了实 现相对精确定位，需要设计一种井下人员跟踪定位系统来解决井下人 员的定位。发明内容本发明所要解决的问题是提供一种井下人员跟踪定位系统及其 方法，该系统实用于包括但不限于具有固定线路的地表道路、矿井下 的巷道、地下人防工程等地方，主要应用于人员、设备的跟踪定位和 安全管理。为了达到发明的上述目的，本系统包括计算机监控服务器、数据通信接口、分站、中继器、跟踪卡和天线，其特征是所述计算机 监控服务器、数据通信接口和分站为有线连接,所述分站、中继器和 跟踪卡相互之间为无线微波通讯方式，所述天线包括与分站连接的分 站天线、与中继器连接的中继器天线和与跟踪卡连接的跟踪卡天线。所述数据通信接口为有线电缆或光纤连接计算机监控服务器和 分站，实现两者间的远距离数据传输。所述分站包括接口单元、分站主处理单元、存储单元、分站微 波单元，所述接口单元和所述分站主处理单元电连接，所述分站主处 理单元和所述分站主处理单元与存储单元、分站微波单元分别电连 接，所述分站微波单元后连有分站天线。所述中继器包括中继器主处理单元、中继器微波单元、电源单 元，所述中继器主处理单元和中继器微波单元电连接，所述电源单元 和所述中继器主处理单元中继器微波单元分别连接，所述中继器微波 单元后连有中继器天线。所述跟踪卡包括计步跟踪模块，所述计步跟踪模块后连有微处 理器，所述微处理器上连有射频芯片、声光报警器和报警键，所述射 频芯片连有跟踪卡天线。所述分站和所述中继器可以采用射频、蓝牙等微波通讯技术。所述计步跟踪模块包含但不限于1 N(N〉l)个开关、计步器 五金件(摆锤、游丝等)、加速度传感器(如单轴、双轴、三轴) 或者其中部分器件。所述跟踪卡包括但不限于位于腰间、臀部、腿部或脚上，所述 跟踪卡安装的载体可以是腰带、矿灯关联设备、裤子、鞋子以及其它。 所述分站、中继器、跟踪卡和天线等在系统中有1 N (N>1)个。所述的一种井下人员跟踪定位系统的方法，所述方法包括以下一 些步骤1) 人行走时计步跟踪模块送出信号给微处理器，微处理器判定 信号为有用信号开始计数，计数达到预设的值，微处理器传给射频芯 片无线发射，所述射频芯片接收到分站发出的无线数据传给微处理 器，微处理器判断为呼叫指令时，打开声光报警器进行声光报警；微 处理器判断为校准指令时，修改累计数据，进行误差校正；报警键按 下，微处理器向射频芯片传输命令，射频芯片经过跟踪卡天线以无线 的方式把指令发射出去；2) 中继器在一定范围内转发分站和跟踪卡的通讯信息，中继器 微波单元接收到同频的无线数据传给中继器主处理单元，中继器主处 理单元经过分析为有效数据后重新打包传给中继器微波单元经过中 继器天线发射出去；3) 当携带有跟踪卡的人员或设备经过中继器时，中继器发出校 准指令，对跟踪卡的计步误差进行校正(如归零)；4) 分站主处理单元通过接口单元以有线的方式接收计算机监控 服务器经过数据通信接口发出的呼叫指令然后传给分站微波单元，通 过分站天线以无线的方式发送出去；通过分站天线和分站微波单元接收到数据传给分站主处理单元，主处理单元经过重新定义把接收到的 数据存于存储单元，分站收到计算机监控服务器经过数据通信接口的巡检指令时，上传存储数据；5) 携带有跟踪卡的人员或设备经过分站时，分站发出校准指令， 对跟踪卡的计步误差进行校正(如归零)；6) 数据通信接口连接计算机监控服务器和分站，实现两者间的 远距离数据传输；7) 计算机监控服务器采用后台运行电子地图，采用真实的三维 坐标来记录行进路线、各个分站的安装位置；行进路线采用三维坐标 确保人员在不同坡度的路线上行走时，其计步数值换算为实际三维距 离的准确性；而各个分站的安装位置采用三维坐标则保证了人员在行 走时，在其计步数值换算为实际三维距离后，结合分站的坐标数据， 实时计算出人员的较为精确的三维坐标。所述方法中还包括在所述系统的计算机监控服务器中建立专家 知识库，在专家知识库中，记录每个人员在不同路况下的步幅大小， 建立计步数据与实际距离之间的换算模型，并在所述系统使用过程 中，根据每个人员的时间序列计步数据和实际距离之间的关系，不断 地对换算模型进行修正。本发明具有以下优点系统安全、可靠、可维护性强。设备体积小，操作简单方便，具 有良好的防震、防水、防腐蚀性能。
图l为本发明的系统框图。 图2为本发明分站内部功能单元框图。 图3为本发明中继器内部功能单元框图。 图4为本发明跟踪卡内部功能单元框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。图l为本发明的系统框图，包括计算机监控服务器l、数据通信 接口 2、分站3、中继器4、跟踪卡5和天线。计算机监控服务器1 的后台运行电子地图，电子地图包括三维坐标地理信息和其它属性信息。对于地表应用，电子地图为大比例尺的测量专题图形；对于地下 应用，电子地图为大比例尺的巷道或坑道测量专题图形；对矿山，如 煤矿的应用而言，电子地图为大比例尺的采掘工程平面图。所述电子 地图采用真实的三维坐标来记录行进路线、各个分站3的安装位置。 行进路线采用三维坐标确保人员在不同坡度的路线上行走时，其计步 数值换算为实际三维距离的准确性。而各个分站的安装位置采用三维 坐标则保证了人员在行走时，在其计步数值换算为实际三维距离后， 能够结合分站的坐标数据，实时计算出人员的较为精确的三维坐标。 建立专家知识库，记录每个人员在不同路况，即坡度、路面材质等下 的步幅大小，建立计步数值与实际距离之间的换算模型。并在系统使 用过程中，根据每个人员的计步数值和实际距离之间的关系，不断地 对换算模型进行修正，达到换算模型自训练、自学习并最终接近真实 情况的目的。所述计算机监控服务器1中的软件系统根据每个人步行的规律 较为精确地计算他所在位置的三维地理坐标(X,Y,Z):X=x0+(w1+w2+.. .+wn)*cos(beta)*cos(alf) Y=y0+(w1+w2+.. .+wn)*cos(beta)*sin(alf) Z二Zo+(Wi+W2十...+wn)*sin(beta)这里的w,、 w2、 ...、 Wn是表示第n步的步长，步长由人的基本 步长、迈步的加速度值、道路或巷道的坡度等参数精确换算得到；beta 是道路或巷道的坡度；alf是道路或巷道的平面投影与X轴的夹角； (xo,yo,z())是分站或中继器的精确地理坐标。所述计算机监控服务器1、数据通信接口 2和分站3为有线光纤 或电缆连接，所述分站3、中继器4和跟踪卡5之间为无线微波通讯 方式。计算机监控服务器1和数据通信接口 2工作于地面，分站3和 中继器4安装在井下，跟踪卡5佩戴位置包括但不限于位于腰间、臀 部、腿部或脚上，安装的载体可以是矿工的腰带、矿灯关联设备、裤 子、鞋子以及其它。计算机监控服务器1经过数据通信接口 2向分站 3发送指令和接收数据。数据通信接口 2连接计算机监控服务器1和 分站3实现两者间的远距离数据传输。分站3 —方面接收计算机监控 服务器下发的指令、上传存储数据；另一方面校正(如归零)跟踪卡 5的位置数据、获取实时数据。中继器4转发分站3和跟踪卡5的通 讯信息，校正跟踪卡5的计步误差。跟踪卡5接收分站3或中继器4下发信息、上传计步采集数据。根据应用需求，在道路或巷道的某一位置布设分站3或中继器4, 并在电子地图上标注这些设施的位置，当人行走到分站3或中继器4 所在位置时，跟踪卡4中的计步器数值校正(如归零)，即准备开始 计步，随后计步器记录人相对于分站3或中继器4步行的步数，并按 设置的数据传送方式把步数传到分站3或中继器4，进而上传到计算 机监控服务器1的数据库或数据文件中，这里的数据传输方式可以是 按规定的时间间隔传输(如几秒)，也可以按固定的累计步数传输。 如果跟踪卡5中包含加速度传感器(例如，加速度传感器值可用于判 断迈步的力度)，那么人每走一步所记录的加速度数值可与步数一起 上传到计算机监控服务器1，以供系统根据相关算法或专家库模型对 步长进行精确校正。图2为本发明分站内部功能单元框图，分站3由分站主处理单元 32、存储单元33、接口单元31、分站微波单元34、分站天线构成。 分站主处理单元32通过接口单元31以有线的方式经过数据通信接口 2接收计算机监控服务器1发出的呼叫指令然后传给分站微波单元34 通过分站天线以无线的方式发送出去。通过分站天线6和分站微波单 元34接收到数据传给分站主处理单元32，分站主处理单元32经过 重新定义把接收到的数据存于存储单元33，分站3经过数据通信接 口 2收到计算机监控服务器1的巡检指令时，上传存储数据。携带有 跟踪卡5的人员或设备经过分站3时，分站3发出校准指令，对跟踪 卡5的计步误差进行校正(如归零)。图3为本发明中继器内部功能单元框图，中继器4包括中继 器主处理单元41、中继器微波单元42和电源单元43，中继器4在一 定范围内转发分站3和跟踪卡5的通讯信息。中继器微波单元42接 收到同频的无线数据传给中继器主处理单元41，中继器主处理单元 41经过分析为有效数据后重新打包传给中继器微波单元42经过中继 器天线7发射出去。电源单元43为中继器主处理单元和中继器微波 单元提供工作能源。携带有跟踪卡5的人员或设备经过中继器4时， 中继器4发出校准指令，对跟踪卡5的计步误差进行校正(如归零)。图4为本发明跟踪卡内部功能单元框图，主要由计步跟踪模块 51、微处理器52、射频芯片53、声光报警器54和报警键55等组成， 微处理器52上连有计步跟踪模块51、声光报警器54、射频芯片53和报警键55包括但不限于火灾、水灾、瓦斯、煤尘、救护等键，射 频芯片53连有跟踪卡天线8。人行走计步跟踪模块送出信号给微处理器52，微处理器52判定 信号为有用信号开始计数，计数达到预设的值，微处理器52传给射 频芯片53无线发射。射频芯片53接收到分站3发出的无线数据传给 微处理器52，微处理器52判断为呼叫指令时，打开声光报警器54 进行声光报警；微处理器52判断为校准指令时，修改累计数据，进 行误差校正(如归零)；报警键55按下，微处理器52向射频芯片53 传输命令，射频芯片53经过跟踪卡天线8以无线的方式把指令发射 出去。计步跟踪模块51中的1 N (N〉1)个开关、计步器五金件(摆 锤、游丝等)、加速度传感器或者其中部分器件用于采样人行走中的 动作。跟踪卡5佩戴位置包括但不限于位于腰间、臀部、腿部或脚上， 安装的载体可以是矿工的腰带、矿灯关联设备、裤子、鞋子以及其它。 跟踪卡5可与井下其它通讯系统包括但不限于井下小灵通、井下手 机、蓝牙、WI-FI、 WIMAX、 WAPI及井下以太工业网等系统兼容使 用。
权利要求
1、一种井下人员跟踪定位系统，所述系统包括计算机监控服务器(1)、数据通信接口(2)、分站(3)、中继器(4)、跟踪卡(5)和天线，其特征是所述计算机监控服务器(1)、数据通信接口(2)和分站(3)为有线连接，所述分站(3)、中继器(4)和跟踪卡(5)相互之间为无线微波通讯方式，所述天线包括与分站(3)连接的分站天线(6)、与中继器连接的中继器天线(7)和与跟踪卡连接的跟踪卡天线(8)。
2 、根据权利要求书1所述的一种井下人员跟踪定位系统，其 特征是所述数据通信接口 (2)是有线连接计算机监控服务器(1) 和分站(3)。
3、 根据权利要求书1所述的一种井下人员跟踪定位系统，其特 征是所述分站(3)包括接口单元(31)、分站主处理单元(32)、 存储单元(33)、分站微波单元(34)，所述接口单元(31)和所述分 站主处理单元(32)电连接，所述分站主处理单元(32)和所述分站 主处理单元(32)与存储单元(33)、分站微波单元(34)分别电连接， 所述分站微波单元(34)后连有分站天线(6)。
4、 根据权利要求书1所述的一种井下人员跟踪定位系统，其特 征是所述中继器(4)包括中继器主处理单元(41)、中继器微波单 元(42)和电源单元(43)，所述中继器主处理单元(41)和中继器 微波单元(42)电连接，所述电源单元(43)和所述中继器主处理单 元(41)、中继器微波单元(42)分别连接，所述中继器微波单元(42) 后连有中继器天线(7)。
5、 根据权利要求书1所述的一种井下人员跟踪定位系统，其特 征是所述跟踪卡(5)包括计步跟踪模块(51)、所述计步跟踪模块(51)后连有微处理器(52)，所述微处理器(52)上连有射频芯片 (53)、声光报警器(54)和报警键(55)，所述射频芯片(53)连有 跟踪卡天线(8)。
6、 根据权利要求书1所述的一种井下人员跟踪定位系统，其特 征是所述分站(3)采用射频、蓝牙微波通讯技术；所述中继器(4) 采用射频、蓝牙微波通讯技术；所述跟踪卡(5)采用射频、计步和 加速度传感器技术。
7、 根据权利要求书1或5或6之一所述的一种井下人员跟踪定位系统，其特征是所述跟踪卡(5)包括但不限于位于人的腰间、 臀部、腿部或脚上，安装在所述跟踪卡(5)的载体为腰带、矿灯关 联设备、裤子或鞋子。
8、根据权利要求书1 7之一所述的一种井下人员跟踪定位系 统的方法，所述方法包括以下一些步骤 1) 人行走时跟踪卡(5)开始计数；计数数据通过跟踪卡天线(8) 发送出去； 2) 中继器(4)将跟踪卡(5)的计数通过中继器天线(7)无线 的方式传给分站(3)的分站天线(6); 3) 分站(3)将所记数据进行误差修正后经过数据通信接口 (2)传给计算机监控服务器(1)。
9、根据权利要求书8所述的一种井下人员跟踪定位系统的方法， 所述方法包括以下一些步骤 1) 人行走时计步跟踪模块(51)送出信号给微处理器(52)，微 处理器(52)判定信号为有用信号开始计数，计数达到预设的值，如设 定的累加步数或时间，微处理器(52)传给射频芯片(53)无线发射， 所述射频芯片(53)接收到分站(3)发出的无线数据传给微处理器 (52)，微处理器(52)判断为呼叫指令时，打开声光报警器(54)进行 声光报警；微处理器(52)判断为校准指令时，修改累计数据，进行误 差校正；报警键(55)按下，微处理器(52)向射频芯片(53)传输 命令，射频芯片(53)经过跟踪卡天线(8)以无线的方式把指令发 射出去； 2) 中继器(4)在一定范围内转发分站和跟踪卡的通讯信息，中 继器微波单元(42)接收到同频的无线数据传给中继器主处理单元 (41)，中继器主处理单元(41)经过分析为有效数据后重新打包传 给中继器微波单元(42)经过中继器天线(7)发射出去； 3) 当携带有跟踪卡(5)的人员或设备经过中继器(4)时，中 继器(4)发出校准指令，对跟踪卡(5)的计步误差进行校正； 4) 分站主处理单元(32)通过接口单元(31)以有线的方式接 收计算机监控服务器(O经过数据通信接口 (2)发出的呼叫指令然 后传给分站微波单元(34)，通过分站天线(6)以无线的方式发送出 去；通过分站天线(6)和分站微波单元(34)接收到数据传给分站主 处理单元(32)，分站主处理单元(32)经过重新定义把接收到的数据存于存储单元(33)，分站(3)收到计算机监控服务器(1)经过 数据通信接口 (2)的巡检指令时，上传存储数据；5) 携带有跟踪卡(5)的人员或设备经过分站(3)时，分站(3) 发出校准指令，如归零，对跟踪卡(5)的计步误差进行校正；6) 数据通信接口 (2)连接计算机监控服务器(1)和分站(3)， 实现远距离数据传输；7) 计算机监控服务器(1)采用后台运行电子地图，采用真实的 三维坐标来记录行进路线、各个分站(3)的安装位置；行进路线采 用三维坐标确保人员在不同坡度的路线上行走时，其计步数值换算为 实际三维距离的准确性；而各个分站的安装位置采用三维坐标则保证 了人员在行走时，在其计步数值换算为实际三维距离后，结合分站(3) 的坐标数据，实时计算出人员的较为精确的三维坐标。
10、根据权利要求书9所述的一种井下人员跟踪定位系统的方 法，所述方法中还包括在所述系统的计算机监控服务器(1)中建 立专家知识库，在专家知识库中，记录每个人员在不同路况下的步幅 大小，建立计步数值与实际距离之间的换算模型，并在所述系统使用 过程中，根据每个人员的时间序列计步数值和实际距离之间的关系， 不断地对换算模型进行修正。
全文摘要
本发明公开了一种井下人员跟踪定位系统及其方法，所述系统包括计算机监控服务器(1)、数据通信接口(2)、分站(3)、中继器(4)、跟踪卡(5)和天线，其特征是所述计算机监控服务器(1)、数据通信接口(2)和分站(3)为有线连接，所述分站(3)、中继器(4)和跟踪卡(5)为微波通讯方式，所述天线为无线通信的一部分。该系统实用于具有固定线路的地表道路、矿井下的巷道、地下人防工程等地方，主要应用于人员以及设备的跟踪定位和安全管理。
文档编号G01S13/74GK101236252SQ200710198458
公开日2008年8月6日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者毛善君, 兵 郭 申请人:北京龙软科技发展有限公司;北京大学