基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法和系统与流程

1.本发明涉及地下巷道环境定位领域，更具体地说，涉及一种基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法和系统。


背景技术：

2.全球定位系统(global positioning system，gps)，是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息，其依赖于gps卫星信号的接收。因此目前在室外，可以依靠gps技术对车辆进行定位。然而在地下巷道环境，尤其是例如矿山的地下巷道环境中，由于没有gps信号，因此无法通过gps进行精确定位。目前地下巷道环境定位往往采用有源信标，依靠布置定位基站实现精确定位，因此涉及到电源线缆布置且投资规模很大，还容易受到地下巷道环境影响。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能够实现地下无网络环境中对车辆进行高精度定位的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法和系统。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法，包括：
5.s1、在地下巷道的一个侧壁上布置多个无源定位信标；
6.s2、在进行车辆定位之前，驾驶车辆通过所述地下巷道并采用设置在车辆上的摄像仪识别所述无源定位信标并精确定位每个所述无源定位信标的水平坐标；
7.s3、对在所述地下巷道中驾驶的车辆进行定位时，基于每个所述无源定位信标的水平坐标和所述车辆上的摄像仪当前识别的所述无源定位信标对所述车辆进行不同区段内的粗略定位；
8.s4、基于本安型惯性导航装置获取所述车辆的倾角和车辆速度，并基于所述倾角、所述车辆速度和所述粗略定位计算所述车辆的精确定位。
9.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法中，所述无源定位信标的布置间距为50到100米，所述无源定位信标的精度达到2毫米的图标。
10.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法中，在所述步骤s2中，沿着所述地下巷道的宽度方向上的中线驾驶所述车辆水平通过所述地下巷道，所述摄像仪为180度广角的防爆低照度摄像仪，当所述防爆低照度摄像仪正对所述无源定位信标时识别所述无源定位信标并精确定位所述无源定位信标的水平坐标，并基于所述水平坐标定位位于所述多个无源定位信标之间的区段。
11.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法中，在所述步骤s3中，将需要进行粗略定位的所述车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为k,n，其中k的取值范
围为ln-1《k《ln，n的取值为正整数，ln-1表示所述车辆的上的摄像仪最近识别到的第一无源定位信标的水平坐标，ln表示所述第一无源定位信标的下一无源定位信标的水平坐标，n的取值范围为-1/2a《n《1/2a，a表示所述地下巷道的宽度。
12.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法中，在所述步骤s4中，将需要进行精确定位的车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为rx和sx，基于以下公式计算所述水平坐标rx和所述纵坐标sx：
13.rx＝l
x-1
+v*t，sx＝tgθ*(lx-rx)
14.其中，θ表示所述倾角，v表示所述车辆速度，l
x-1
表示所述粗略定位中的所述第一无源定位信标的水平坐标，l
x
表示所述粗略定位中的所述下一无源定位信标的水平坐标，t表示车辆从所述第一无源定位信标行驶到当前位置所需的时间。
15.本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统，包括：在地下巷道的一个侧壁上布置的多个无源定位信标、设置有摄像仪的车辆、本安型惯性导航装置以及定位装置；
16.在进行车辆定位之前，驾驶车辆通过所述地下巷道，所述定位装置控制所述摄像仪识别所述无源定位信标并精确定位每个所述无源定位信标的水平坐标；
17.对在所述地下巷道中驾驶的车辆进行定位时，所述定位装置用于基于每个所述无源定位信标的水平坐标和所述车辆上的摄像仪当前识别的所述无源定位信标对所述车辆进行不同区段内的粗略定位；
18.所述本安型惯性导航装置用于获取所述车辆的倾角和车辆速度；
19.所述定位装置进一步用于基于所述粗略定位、所述倾角和所述车辆速度计算所述车辆的精确定位。
20.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统中，所述无源定位信标的布置间距为50到100米，所述无源定位信标的精度达到2毫米的图标。
21.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统中，沿着所述地下巷道的宽度方向上的中线驾驶所述车辆水平通过所述地下巷道，所述摄像仪为180度广角的防爆低照度摄像仪，当所述防爆低照度摄像仪正对所述无源定位信标时识别所述无源定位信标，所述定位装置进一步用于识别所述无源定位信标并精确定位所述无源定位信标的水平坐标，并基于所述水平坐标定位位于所述多个无源定位信标之间的区段。
22.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统中，所述定位装置包括粗略定位模块，用于将需要进行粗略定位的所述车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为k,n，其中k的取值范围为ln-1《k《ln，n的取值为正整数，ln-1表示所述车辆的上的摄像仪最近识别到的第一无源定位信标的水平坐标，ln表示所述第一无源定位信标的下一无源定位信标的水平坐标，n的取值范围为-1/2a《n《1/2a，a表示所述地下巷道的宽度。
23.在本发明所述的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统中，所述定位装置包括精确定位模块，所述精确定位模块将需要进行精确定位的车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为rx和sx，基于以下公式计算所述水平坐标rx和所述纵坐标sx：
24.rx＝l
x-1
+v*t，sx＝tgθ*(lx-rx)
25.其中，θ表示所述倾角，v表示所述车辆速度，l
x-1
表示所述粗略定位中的所述第一无源定位信标的水平坐标，l
x
表示所述粗略定位中的所述下一无源定位信标的水平坐标，t
表示车辆从所述第一无源定位信标行驶到当前位置所需的时间。
26.实施本发明的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法和系统，通过无源定位信标和定位模块，巧妙地对地下巷道进行区段划分，然后首先对车辆进行区段内的粗略定位，再基于区段坐标、车速和倾角之间的函数关系进行精确定位，可以在地下无网络环境中实现对车辆进行高精度定位而无需铺设电缆和布置基站，因此在保证高精度的同时实现了低成本。
附图说明
27.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
28.图1是本发明的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法的优选实施例的流程图；
29.图2示出了粗略定位车辆的原理示意图；
30.图3示出了精确定位车辆的第一原理示意图；
31.图4示出了精确定位车辆的第二原理示意图；
32.图5示出了本发明的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统的优选实施例的原理框图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.本发明涉及一种基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法，包括：在地下巷道的一个侧壁上布置多个无源定位信标；在进行车辆定位之前，驾驶车辆通过所述地下巷道并采用设置在车辆上的摄像仪识别所述无源定位信标并精确定位每个所述无源定位信标的水平坐标；在进行车辆定位时，基于每个所述无源定位信标的水平坐标对在所述地下巷道中驾驶的车辆进行不同区段内的粗略定位；基于本安型惯性导航获取所述车辆的倾角和车辆速度，并基于所述倾角、车辆速度和所述粗略定位计算所述车辆的精确定位。本发明通过无源定位信标和定位模块，巧妙地对地下巷道进行区段划分，然后首先对车辆进行区段内的粗略定位，再基于区段坐标、车速和倾角之间的函数关系进行精确定位，可以在地下无网络环境中实现对车辆进行高精度定位而无需铺设电缆和布置基站，因此在保证高精度的同时实现了低成本。
35.图1是本发明的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位方法的优选实施例的流程图。如图1所示，在步骤s1中，在地下巷道的一个侧壁上布置多个无源定位信标。在本发明的一个优选实施例中，无源定位信标是指无需接入电源的定位标志或者图标，比如绘制在地下巷道的一个侧壁上的色块。在本发明的一个优选实施例中，在布置完无源定位信标之后，可以在地图上标志其准确位置。相邻两个无源定位信标之间的距离优选相等，并介于50到100米，所述无源定位信标的精度优选达到2毫米。
36.在步骤s2中，在进行车辆定位之前，驾驶车辆通过所述地下巷道并采用设置在车辆上的摄像仪识别所述无源定位信标并精确定位每个所述无源定位信标的水平坐标。
37.图2示出了粗略定位车辆的原理示意图。如图2所示，在地下巷道20的一个侧壁上布置多个无源定位信标1、2、3
…
m。相邻两个无源定位信标之间的距离为100米。地下巷道20的宽度为a。m为正整数，a为地下巷道20的实际宽度值，可以根据实际测量获得。在进行车辆定位之前，沿着所述地下巷道10的宽度方向上的中线驾驶所述车辆10水平通过地下巷道20。车辆10上设置180度广角的防爆低照度摄像仪11。例如，当车辆10沿着所述地下巷道10的宽度方向上的中线水平行驶到所述防爆低照度摄像仪11正对所述无源定位信标1时识别到所述无源定位信标1，由于此时为第一个识别到无源定位信标，可以将车辆此时的位置坐标定义成(0，0)，即此时l1位点的坐标为(0，0)。那么可以确定此时无源定位信标1的水平坐标同样为0。而当车辆继续行驶，例如到达l2位点，这时车辆10上的所述防爆低照度摄像仪11正对所述无源定位信标2，因此识别到所述无源定位信标2。由于已知相邻两个无源定位信标之间的距离为100米，因此l2位点的坐标为(100，0)，那么同样可以确定此时无源定位信标2的水平坐标同样为100。依次类推，车辆10正对无源定位信标m(即位于lm点)时，lm点的坐标为(m00，0)。无源定位信标m的水平坐标同样为m00。这样，我们可以基于前述水平坐标定位位于所述多个无源定位信标之间的区段，即如图2所示的l1-l2区段，l2-l3区段，
…
lm-1-lm区段。
38.在步骤s3中，对在所述地下巷道中驾驶的车辆进行定位时，基于每个所述无源定位信标的水平坐标和所述车辆上的摄像仪当前识别的所述无源定位信标对所述车辆进行不同区段内的粗略定位。在本发明的优选实施例中，将需要进行粗略定位的所述车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为k,n，其中k的取值范围为ln-1《k《ln，n的取值为正整数，ln-1表示所述车辆的上的摄像仪最近识别到的第一无源定位信标的水平坐标，ln表示所述第一无源定位信标的下一无源定位信标的水平坐标，n的取值范围为-1/2a《n《1/2a，a表示所述地下巷道的宽度。
39.参照图2，假设需要进行定位的车辆行驶到某个位置，该位置的水平坐标和纵坐标分别设置为k,n。由于地下巷道20的宽度为a，以其总线为零点坐标，因此车辆的纵坐标必然位于-1/2a《n《1/2a的范围内。而基于车辆10在地下巷道中行驶时，必然依次经过无源定位信标1、2、3
…
m，而如前所述，在其经过每个无源定位信标1、2、3
…
m时，所述防爆低照度摄像仪11会正对所述无源定位信标1、2、3
…
m，从而获得车辆依次经过的所述无源定位信标的水平坐标。如图2所示，车辆10刚刚行驶经过无源定位信标2，而无源定位信标2的下一无源定位信标为无源定位信标3，而无源定位信标2和无源定位信标3的水平坐标分别为200和300，因此k的取值位于200和300之间。因此，我们在步骤s3中，可以非常简单的获得车辆的粗略定位，即水平坐标在200-300之间，而纵坐标在-1/2a《n《1/2a之间。
40.在步骤s4中，基于本安型惯性导航装置获取所述车辆的倾角和车辆速度，并基于所述倾角、车辆速度和所述粗略定位计算所述车辆的精确定位。
41.惯性导航装置是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据，可以确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，同时也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。不同于其他类型的导航系统，惯性导航系统是完全自主的，它既不向外部发射信号，也不从外部接收信号。惯性导航系统必须精确地知道在导航起始时运载体的位置，惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化。本质安全型(本安型)是电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜
在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。
42.因此，本发明的本安型惯性导航装置是指能够通过陀螺仪和加速度计获得车辆的倾角和加速度，并且能够限制其内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平的惯性导航装置，其非常适合于地下巷道环境，尤其是充满易燃易爆气体或物质的地下巷道环境。
43.在所述步骤s4中，将需要进行精确定位的车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为rx和sx，基于以下公式计算所述水平坐标rx和所述纵坐标分别设置为sx：
44.rx＝l
x-1
+v*t，sx＝tgθ*(lx-rx)
45.其中，θ表示所述倾角，v表示所述车辆速度，l
x-1
表示所述粗略定位中的所述第一无源定位信标的水平坐标，l
x
表示所述粗略定位中的所述下一无源定位信标的水平坐标，t表示车辆从所述第一无源定位信标行驶到当前位置所需的时间。
46.当车辆在地下巷道20中水平行驶时，那么本安型惯性导航装置获取所述车辆的倾角将为0，即车辆的纵坐标将不发生变化，一直为0。而车辆的水平坐标可以通过rx＝l
x-1
+v*t来计算。v表示所述车辆速度，l
x-1
表示所述粗略定位中的所述第一无源定位信标的水平坐标，l
x
表示所述粗略定位中的所述下一无源定位信标的水平坐标，t表示车辆从所述第一无源定位信标行驶到当前位置所需的时间。
47.图3示出了精确定位车辆的第一原理示意图。由于车辆的起点q1的坐标为(0，0)，沿着地下巷道20水平行驶到q2点，倾角θ＝0，因此车辆驾驶到q2时的坐标为(rx，sx)，基于sx＝tgθ*(lx-rx)＝tg0*(lx-rx)＝0。而同时rx＝l
x-1
+v*t。如图3所示，车辆粗略定位为位于无源定位信标2和无源定位信标3之间，因此lx-1取值无源定位信标2的水平坐标200，而t为车辆从无源定位信标2的l2位点行驶到q2点的时间，通过v*t就可以计算出l2到q2之间的距离，将其与l2的水平坐标200相加，就可以精确的获得车辆的当前坐标，即q2点的坐标，完成车辆的精确定位。在本发明的一个优选实施例中，如果车辆是匀速运行的，可以采用车辆速度进行计算，如果车辆不是匀速运行的，还可以采用车辆速度和加速度计算该距离。
48.当车辆在地下巷道20中出现拐弯或者偏转行驶时，那么本安型惯性导航装置获取的所述车辆的倾角将不为0，即车辆的纵坐标将发生变化，下面以图4进行说明。
49.如图4所示，车辆从起点q1出发，沿着地下巷道20行驶到q2点，q2的坐标为(rx，sx)。在此过程中，可以看到车辆发生转向，即本安型惯性导航装置检测到倾角θ。在图4所示的优选实施例中，车辆粗略定位为位于无源定位信标x-1和无源定位信标x之间，因此lx-1取值无源定位信标2的水平坐标(x-1)00，而t为车辆从无源定位信标x-1的lx-1位点行驶到q2点的时间，通过v*t就可以计算出lx-1到q2之间的距离，将其与lx-1的水平坐标(x-1)00相加，就可以精确的获得车辆的当前水平坐标，即rx＝l
x-1
+v*t，可以获得q2点的水平坐标rx。在此v为在车辆在水平方向上的速度分量，可以通过本安型惯性导航装置的加速度传感器获得的在水平分量上的加速度获得，也可以通过设置在本安型惯性导航装置中的速度检测装置获得。进一步地，参见图4可知，基于三角函数可知tgθ＝sx/(lx-rx)。因此，sx＝tgθ*(lx-rx)。所以根据求得的q2的水平坐标和lx点的坐标(即x00)之差，以及本安型惯性导航装置检测的倾角θ，就可以算出q2点的纵坐标sx。
50.因此本发明通过无源定位信标和定位模块，巧妙地对地下巷道进行区段划分，然后首先对车辆进行区段内的粗略定位，再基于区段坐标、车速和倾角之间的函数关系进行
精确定位，可以在地下无网络环境中实现对车辆进行高精度定位而无需铺设电缆和布置基站，因此在保证高精度的同时实现了低成本。
51.图5示出了本发明的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统的优选实施例的原理框图。如图5所示，所述基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统，包括：在地下巷道20的一个侧壁上布置多个无源定位信标1、2、3
…
m，设置有摄像仪11的车辆10、本安型惯性导航装置12以及定位装置13。所述本安型惯性导航装置12以及定位装置13同样安装在所述车辆10上并且与所述摄像仪11通信连接。如前所述，在进行车辆定位之前，驾驶车辆通过所述地下巷道，所述定位装置13控制所述摄像仪11识别所述无源定位信标并精确定位每个所述无源定位信标的水平坐标。如前所述，对在所述地下巷道中驾驶的车辆进行定位时，所述定位装置13用于基于每个所述无源定位信标的水平坐标和所述车辆10上的摄像仪11当前识别的所述无源定位信标对所述车辆10进行不同区段内的粗略定位。所述本安型惯性导航装置12用于获取所述车辆的倾角和车辆速度。所述定位装置13进一步用于基于所述粗略定位、所述倾角和所述车辆速度计算所述车辆的精确定位。所述无源定位信标的布置间距为50到100米，所述无源定位信标的精度达到2毫米的图标。
52.在本发明的一个优选实施例中，沿着所述地下巷道的宽度方向上的中线驾驶所述车辆10水平通过所述地下巷道，所述摄像仪11为180度广角的防爆低照度摄像仪。当所述防爆低照度摄像仪正对所述无源定位信标时识别所述无源定位信标，所述定位装置13进一步用于识别所述无源定位信标并精确定位所述无源定位信标的水平坐标，并基于所述水平坐标定位位于所述多个无源定位信标之间的区段。
53.在本发明的优选实施例中，所述定位装置13进一步用于包括粗略定位模块和精确定位模块。所述粗略定位模用于将需要进行粗略定位的所述车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为k,n，其中k的取值范围为ln-1《k《ln，n的取值为正整数，ln-1表示所述车辆的上的摄像仪最近识别到的第一无源定位信标的水平坐标，ln表示所述第一无源定位信标的下一无源定位信标的水平坐标，n的取值范围为-1/2a《n《1/2a，a表示所述地下巷道的宽度。所述精确定位模块将需要进行精确定位的车辆的水平坐标和纵坐标分别设置为rx和sx，基于以下公式计算所述水平坐标rx和所述纵坐标sx：
54.rx＝l
x-1
+v*t，sx＝tgθ*(lx-rx)
55.其中，θ表示所述倾角，v表示所述车辆速度，l
x-1
表示所述粗略定位中的所述第一无源定位信标的水平坐标，l
x
表示所述粗略定位中的所述下一无源定位信标的水平坐标，t表示车辆从所述第一无源定位信标行驶到当前位置所需的时间。
56.本领域技术人员知悉，所述定位装置13可以采用任何适合的电路，软件和模块来实现。在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。本领域技术人员可以根据图1-4所示的任何适合的优选实施例，构造图5所示的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统。
57.另外，如本领域技术人员所理解的，本文的原理可以反映在计算机可读存储介质上的计算机程序产品中，该可读存储介质预装有计算机可读程序代码。任何有形的、非暂时性的计算机可读存储介质皆可被使用，包括磁存储设备(硬盘、软盘等)、光学存储设备(cd至rom、dvd、blu ray盘等)、闪存和/或诸如此类。这些计算机程序指令可被加载到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备上以形成机器，使得这些在计算机上或其他可
编程数据处理装置上执行的指令可以生成实现指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可以指示计算机或其他可编程数据处理设备以特定的方式运行，这样存储在计算机可读存储器中的指令就可以形成一件制造品，包括实现指定功能的实现装置。计算机程序指令也可以加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，从而在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生一个计算机实现的进程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令可以提供用于实现指定功能的步骤。
58.实施本发明的基于本安型惯性导航的地下巷道环境定位系统，通过无源定位信标和定位模块，巧妙地对地下巷道进行区段划分，然后首先对车辆进行区段内的粗略定位，再基于区段坐标、车速和倾角之间的函数关系进行精确定位，可以在地下无网络环境中实现对车辆进行高精度定位而无需铺设电缆和布置基站，因此在保证高精度的同时实现了低成本。
59.虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
60.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。