基于超宽带与惯导分区间误差抑制的井下目标定位方法及系统

1.本发明涉及井下定位技术领域，具体地说，是涉及一种基于超宽带与惯导分区间误差抑制的井下目标定位方法及系统。


背景技术：

2.矿井下是一种特殊的工作环境，地质物理条件复杂。井下定位系统作为控制自动化的基础，是实现设备自动驾驶、资源调度、人员管控、防灾救灾的重要技术支撑，具有重大的科研及商用价值。
3.近年来超宽带技术成为定位技术研究热点，超宽带信号具有对信道衰落不敏感、发射功率谱低、抗干扰能力强等优点，并且具有较高的定位精度。目前超宽带常用定位技术有：基于信号到达角度定位方法(aoa)、基于信号到达时间定位方法(toa)及基于信号到达时间差定位方法(tdoa)等。
4.目前，已有一些基于超宽带技术的井下定位技术方案，在这些方案中，主要通过将矿井覆盖超宽带基站，当定位目标携带超宽带标签进入矿井环境中，即开始测量基站与标签相对位置实现定位，然后主机站上传测距及定位信息。但此种方案存在诸多问题：一方面，由于实现超宽带信号覆盖需布置大量超宽带节点，设施建设及维护费用高昂；另一方面，部分复杂矿井环境超宽带信号存在非视距传输，多径效应严重等问题，同时uwb定位边界处定位精度误差较大，很难取得良好的定位结果。
5.惯导定位系统无需借助本体设备外的信号即可实现自主定位，主要利用终端惯性传感器采集定位目标各项运动数据，如加速度传感器采集加速度信息、陀螺仪采集角速度信息等，通过航位推算法，得到目标推算位置。在矿井复杂环境中，惯导定位系统具有巨大使用前景。但单一惯导系统存在误差随时间积累长期精度较差，且需要经过初始对准等问题，很难得到广泛使用。
6.综上所述，在煤矿等复杂矿井环境急需一种具有技术可行性且经济可靠的融合定位方案，以解决现有技术方案中存在的相关缺陷。


技术实现要素：

7.本发明主要解决现有技术存在的缺陷，提出了一种基于超宽带与惯导分区间误差抑制的井下目标定位方法及系统，充分利用超宽带及惯导定位在复杂矿井环境中各自的优势，以解决超宽带受物理环境影响及惯导定位误差随时间积累等问题，能够在现实中得到良好的定位效果。
8.为了解决上述问题，本技术公开了一种分区间误差抑制的井下定位方法，包括：
9.将井下定位区域按照物理特征或定位需求划分为若干超宽带定位区间、过渡区间及惯导定位区间，并在导航坐标系下设置各区间相应的区域边界参数；
10.通过超宽带定位、惯导定位或融合定位方式获得目标定位坐标；
11.将定位坐标数据与划分好的定位区间进行比对，判断并确定定位坐标所属区域，根据目标所在区域选择下一时刻定位方式及误差抑制算法；
12.当目标位于超宽带定位区间，与至少三台基站进行双边双向测距，根据测距信息解算超宽带定位结果，将定位结果增量与加速度传感器，陀螺仪数据进行比对，获得加速度传感器及陀螺仪误差数据；传感器误差均方差计算公式为：
[0013][0014]
其中，σ
x
，σy，σg分别为加速度计x轴y轴与陀螺仪偏航角误差均方差，exi，eyi，egi分别为第i时刻采集到的加速度计x轴y轴与陀螺仪误差数据，分别为加速度计x轴y轴与陀螺仪偏航角累计误差均值，n为误差采样次数；
[0015]
可选地，传感器及陀螺仪误差数据采用遗忘策略，当目标进入超宽带定位区域采集到新的传感器误差数据后，遗忘删除旧惯性传感器误差数据，以保证误差数据时效性；
[0016]
当目标进入过渡区间时，根据超宽地定位信息获得惯导定位所需初始化数据，如初始速度、初始航向等信息；
[0017]
开始进行惯导定位后，将惯导定位结果与超宽带定位结果融合获得融合定位结果，抑制超宽带边界区域定位误差，增强区域边界定位精度；将惯导定位结果与超宽带定位结果融合的卡尔曼滤波方程为：
[0018][0019]
其中x
it
，y
it
，xu，yu分别为惯导定位结算处的x轴y轴信息与超宽带定位解算出的x轴y轴信息，qi为惯性传感器量测误差协方差矩阵，采用超宽带定位区间采集到的惯性传感器误差，ru为超宽带定位协方差矩阵，a为惯导定位状态转移矩阵，h为状态转换矩阵，和分别为先验估计位置与后验估计位置，p
k-1
和pk分别表示k-1时刻和k时刻的后验估计协方差，为先验估计协方差，kk为滤波增益矩阵；
[0020]
当目标脱离过度区域进入惯导定位区间时，关闭超宽带定位，采用单一惯导定位方式，并使用超宽带定位区间采集到的误差数据修正惯导定位结果，提升惯导定位精度；单一惯导定位误差抑制采用卡尔曼滤波，滤波公式为：
[0021][0022]
其中x
it-1
，y
it-1
分别为x轴y轴在t-1时刻的位置信息，q为惯导定位估计误差矩阵，r为惯性传感器量测误差协方差矩阵，采用超宽带定位区间采集到的惯性传感器误差，zk为惯导解算位置，a为惯导定位状态转移矩阵，h为状态转换矩阵，a
t
为t时刻惯性传感器数据，δt为惯性传感器采样间隔，和分别为先验估计位置与后验估计位置，p
k-1
和pk分别表示k-1时刻和k时刻的后验估计协方差，为先验估计协方差，kk为滤波增益矩阵；
[0023]
当目标定位信息重新进入过渡区间后，重新开启超宽带定位模式进行融合定位。过渡区域的建立，既满足了惯导定位的初始化需要，同时在不同物理环境交界处进行数据融合，有助于在定位边缘具有复杂定位环境的情况下抑制定位误差，增强边界定位精度。
[0024]
依据上述方法本技术公开了一种井下定位系统，系统采用以下技术方案：
[0025]
系统由井上设备与井下设备组成，两部分通过工业环网进行数据传输，其中井上设备包括地面监控终端、定位服务器、交换机组成，井下设备包括定位基站、移动终端、工业网络交换机；井下设备与井上设备通过工业光纤环网连接。定位服务器是一台计算机或者服务器，或为多台服务器组成的服务器集群，提供定位信息解析、定位信息回传、定位数据查询等服务；网络交换机用于连接定位服务器与定位基站；移动终端安装在待定位目标上，目标可以为井下设备、车辆及人员，用于目标身份识别及定位信息获取；定位基站分布在井下巷道不同区域，能满足在超宽带定位区域的定位要求，并能确保所定位范围无线信号覆盖。这些定位基站通过工业交换机接入工业光纤环网。同时定位区域根据井下环境特点划分为超宽带定位区间，惯导定位区间及过渡区间。
[0026]
所述地面监控终端是计算机或者监控面板，及其他可以显示定位信息的面板，用于显示设备定位信息及速度信息等；
[0027]
所述定位服务器是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机集群，定位服务器用于处理定位数据，控制定位方式，利用数据库存储定位数据，并实现数据的查询与转发。
[0028]
所述基站包含基站终端、ttl串口、超宽带基站、工业环网接口、无线通信基站、电源模块构成；其中：
[0029]
所述基站终端用于将超宽带定位信息上传至定位服务器，并能够进行位置信息查询与展示；
[0030]
所述超宽带基站用于测量与标签之间的距离数据，并估算定位目标位置信息；
[0031]
所述工业环网接口用于传输上下行通信信号；
[0032]
所述无线通信模块用于为井下移动终端提供无线通信接口；
[0033]
所述电源模块为终端、超宽带基站、无线通信基站提供能量。
[0034]
所述移动终端包含微型计算机、ttl串口、惯性模块、超宽带定位标签、无线通信模块、电源模块；其中：
[0035]
所述微型计算机用于采集传感器数据并通过无线通信模块上传至定位服务器；
[0036]
所述惯性模块包含三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴地磁传感，用于提供；
[0037]
所述超宽带标签用于识别定位目标身份，并与超宽带基站进行位置计算；
[0038]
所述无线通信模块用于建立上下行通信线路；
[0039]
所述电源模块为微型计算机、惯性模块、超宽带标签、无线通信模块提供能量。
[0040]
所述矿井移动目标包括井下作业人员，单轨吊，电机车，井下机器人；
[0041]
所述系统井下设备为本质安全型防爆装置，符合井下使用技术规范。
[0042]
本发明的有益效果在于：
[0043]
本发明提供的一种基于超宽带与惯导分区间误差抑制的井下目标定位方法及系统，采用超宽带定位技术与惯导定位技术分区间融合的方式，当目标位于超宽带定位区间时采用超宽带定位技术目标位置并计算惯性传感器误差信息；目标位于过渡区间启用惯导定位并与超宽带定位数据进行数据融合获得最优位置，既完成了惯导系统初始化，又能够抑制超宽带边界定位误差；在惯导定位区间使用超宽带定位区间的误差数据对惯导定位进行误差抑制，控制惯导定位数据发散。在不同区间发挥各定位方式优势并与进行各区间匹配的误差抑制任务，进而保证了定位系统在各区域均能取得良好的定位结果。在大大降低定位实施成本的同时，做到了误差抑制数据的更新，较好的提高了定位的精度。
附图说明
[0044]
为了更清晰地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本技术领域的技术人员而言，可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1是本发明系统组成图。
[0046]
图2是本发明定位方式切换流程图。
[0047]
图3是本发明定位基站结构示意图。
[0048]
图4是本发明移动终端结构示意图。
[0049]
图5是本发明惯性传感器模组结构示意图。
具体实施方式
[0050]
本发明主要针对在井下人员定位方面现有技术方案的缺陷，精度、成本限制等方面的缺点，提出一种基于超宽带与惯导分区间误差抑制的井下目标定位方法及系统。该方法具有成本较低，精度较高，适应复杂环境等特点。为使本发明技术方案的内容与优势更加清楚明了，下面将结合本发明中的附图，对本发明实例中的技术方案进行完整的描述。
[0051]
图1是本发明的系统组成框图。
[0052]
如图1所示，系统由井上设备与井下设备组成，其中井上设备包括地面监控终端11、定位服务器 12、交换机组成13，井下设备包括定位基站14、移动终端15、工业网络交换机16；井下设备与井上设备通过工业光纤环网连接并进行数据传输。
[0053]
定位服务器12是一台计算机或者服务器，或为多台服务器组成的服务器集群，提供定位信息解析、定位信息回传、定位数据查询等服务；网络交换机13用于连接定位服务器12与工业光纤环网；移动终端15安装在待定位目标上，目标可以为井下设备、车辆及人员，用于目标身份识别及定位信息获取；定位基站14分布在井下巷道不同区域，能满足在超宽带定位区域的定位要求，并能确保所定位范围无线信号覆盖。这些定位基站通过工业交换机16接入工业光纤环网。同时定位区域根据井下环境特点划分为超宽带定位区间17，惯导定位区间18及过渡区间19。
[0054]
根据矿井环境划分不同定位区间，如空间较大且长宽比合适，有利于超宽带精确定位的区域设置为超宽带定位区间17或需要进行惯导误差控制的区域设置超宽带定位区间17；长隧道等超宽带定位易发生多径效应，隧道长宽比过高uwb难以解算定位坐标的区域设置为惯导定位区间18，并在两区间交汇处设置合理的过渡区间19。过渡区域19的建立，既满足了惯导定位的初始化需要，同时在不同物理环境交界处进行数据融合，有助于在定位边缘具有复杂定位环境的情况下抑制定位误差，增强定位边界定位精度。
[0055]
在超宽带定位区间17选择合适位置布置超宽带定位基站14，并建立整体定位坐标系,确定各超宽带基站在整体坐标系下的坐标(xi,yi)。
[0056]
在定位场地入口处设置超宽带定位区间17，当目标坐标处于超宽带定位区间17时，标签与多个超宽带基站进行双边双向测距，获得时间间隔t
p
，其中t
round1
、 t
round2
分别为基站与标签通信中第一二次信息发送时间戳，t
reply1
、t
reply2
分别为第一二次信息回复时间戳。并列出测距方程组根据标签与各基站的距离信息得到距离方程，其中可用于定位的基站个数为n，xu、yu为需解算的目标位置，d表示测量到的目标与基站之间的额距离，下标i代表定位基站序号。
[0057][0058]
解算方程后得到位置信息(xu,yu)，定位信息通过工业环网发送至地面定位服务器12，同时发送的还有加速度传感器和陀螺仪数据，用于将超宽带增量数据与惯性传感器数据比对，估算各传感器误差。误差均方差计算公式为：
[0059][0060]
其中，σ
x
，σy，σg分别为加速度计x轴y轴与陀螺仪偏航角误差均方差，exi，eyi，egi分别为第i时刻采集到的加速度计x轴y轴与陀螺仪误差数据，分别为加速度计x轴y轴与陀螺仪偏航角累计误差均值，n为误差采样次数；
[0061]
定位服务器12将定位存储信息，并依据定位区间划分信息判断下一步定位指令，
通过工业环网及无线网络将指令与定位信息发送至移动终端15。
[0062]
当定位服务器12判断目标坐标进入过渡区间19时，发送指令控制移动终端15切换至过渡模式，移动终端15将惯性传感器数据上传定位服务器12，定位服务器12根据超宽带定位信息进行惯导定位初始化，在得到超宽带定位两点信息后计算速度并计算航向角并计算航向角其中x
t
、y
t
分别为在t次采样时定位目标在x轴与y轴上的坐标，下标t代表采样次数。定位服务器12获得移动终端加速度传感器51与陀螺仪数据52，加速度传感器51数据用于计算位置增量α＝[α
x
,αy]，α
x
，αy分别为惯性坐标系下加速度各分量，陀螺仪52计算航向角增量δθ，最终计算航向角为θ
t
＝θ
t-1
+δθ。计算传感器坐标系与定位坐标系转换矩阵将传感器增量信息通过坐标系转换矩阵转换至定位坐标系增量，得到定位坐标系加速度αn。
[0063][0064]
与原位置信息(x
it-1
,y
it-1
)计算后得到新的定位坐标(x
it
,y
it
)及更新后的目标移动速度(v
xt
,v
yt
), 其中采样时间间隔为δt。
[0065][0066][0067]
并依据超宽带定位信息对惯导定位数据进行校准与误差估计，经卡尔曼滤波进行数据融合后形成目标估计定位信息。将惯导解算后的数据作为卡尔曼滤波的预测数据得到先验估计值；超宽带定位结果(xu,yu)作为观测值计算后验估计；并根据提前设定的超宽带误差及惯导误差信息q、r、其中q为惯导定位误差协方差矩阵、r为uwb定位误差协方差矩阵、为初始系数参与卡尔曼滤波。滤波步骤如下：
[0068][0069]
其中x
it
，y
it
，xu，yu分别为惯导定位结算处的x轴y轴信息与超宽带定位解算出的x轴y轴信息，qi为惯性传感器量测误差协方差矩阵，采用超宽带定位区间采集到的惯性传感器误差，ru为超宽带定位协方差矩阵，a为惯导定位状态转移矩阵，h为状态转换矩阵，和分别为先验估计位置与后验估计位置，p
k-1
和pk分别表示k-1时刻和k时刻的后验估计协方差，为先验估计协方差，kk为滤波增益矩阵；
[0070]
最终得到融合定位估计坐标服务器12存储数据并判断目标所在定位区间，将定位数据信息及定位方式控制指令回传至移动终端15。
[0071]
当判断目标进入惯导定位区间18时，定位服务器12发送指令控制终端切换至惯导定位模式，关闭超宽带定位方式，将加速度传感器51、陀螺仪52、地磁传感器53数据通过无线通信模块45经环网发送至地面定位服务器12，根据加速度传感器51与陀螺仪信息52与上一时刻定位信息计算目前位置信息，得到目标位置信息，并根据历史惯性传感器误差数据,更新卡尔曼滤波参数，并将计算结果回传至移动终端15。惯导定位卡尔曼滤波公式如下：
[0072][0073]
其中x
it-1
，y
it-1
分别为x轴y轴在t-1时刻的位置信息，q为惯导定位估计误差矩阵，r为惯性传感器量测误差协方差矩阵，采用超宽带定位区间采集到的惯性传感器误差，zk为惯导解算位置，a为惯导定位状态转移矩阵，h为状态转换矩阵，a
t
为t时刻惯性传感器数据，δt为惯性传感器采样间隔，和分别为先验估计位置与后验估计位置，p
k-1
和pk分别表示k-1时刻和k时刻的后验估计协方差，为先验估计协方差，kk为滤波增益矩阵；
[0074]
当目标重新进入过渡区间19时发送指令开启超宽带定位，超宽带定位重新参与定位融合滤波，惯导定位误差得到修正。
[0075]
图2是本发明定位方式切换流程框图。
[0076]
当目标进入超宽带定位区间17时通过超宽带对目标进行精确定位，判断目标定位数据，并计算惯性传感器误差数据，当目标进入缓冲区19时启动惯导定位，并根据超宽带定位信息对惯导定位进行初始化设置，惯导定位与超宽带定位同时运行，经数据融合方法生成定位数据，当目标离开缓冲区进入惯导区域18时，关闭超宽带定位转换为纯惯导定位，利用超宽带定位区域采集的惯性传感器数据进行误差抑制。当目标重新进入缓冲区间时开启超宽带精确定位，并与惯导定位同时运行进行数据融合定位。
[0077]
图3是定位基站结构示意图。
[0078]
如图3所示，定位基站由终端31、ttl串口32、超宽带基站33、工业环网接口34、无线通信基站35、电源模块构成36。其中，基站终端31用于定位信息传输，定位结果查询；超宽带基站33用于测量各基站与标签之间的距离并解算位置信息；工业环网接口34连接工业环网交换机与本基站，为本基站提供上下行通信信号；无线通信基站35用于为移动终端提供无线通信接口；ttl串口32用于传输各定位传感器信号数据；电源模块用于为本基站提供所需能量。
[0079]
图4是移动终端结构示意图。
[0080]
如图4所示，图中描述的是移动终端示意图，移动终端由微型计算机41、ttl串口42、惯性模块 43、超宽带定位标签44、无线通信模块45、电源模块46构成。其中超宽带定位标签44用于与超宽带基站通信，以获得精确位置信息，超宽带标签44编号用于区分不同定
位目标；惯性模块43用于测量定位目标加速度与角速度信息，用于推算定位目标的位置信息；微型计算机41用于采集传输传感器数据，并显示定位结果；无线通信模块45用于传输上下行通信信号，为移动终端提供无线通信接口，传输包括但不限于惯性传感器解算数据，设备位置信息；电源模块46为设备提供电能；ttl串口 42用于传输各定位传感器信号数据；电源模块用于为本移动终端提供所需能量。
[0081]
参照图5，为惯性传感器模组结构示意图，包含九轴加速度传感器芯片51，九轴陀螺仪芯片52，九轴磁场传感器芯片53及嵌入式单片机54。
[0082]
以上所述仅作为本发明较有代表的例子，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明展示的技术范围内，可轻易想到的更改与变化，所做的任何替换、修改等，均应认定属于本发明的保护范围之内。