一种矿井移动目标跟踪与定位方法与流程

本发明属于移动通信技术领域的煤矿井下定位技术，具体涉及一种多天线射频识别与视频定位融合的矿井移动目标跟踪与定位方法。

背景技术：

煤矿井下移动目标跟踪与定位在遏制超定员生产、防止人员进入危险区域、事故应急救援、及时发现未按时升井人员、领导下井带班管理、特种作业人员管理、井下作业人员考勤、持证上岗管理等方面发挥着重要作用。

由于煤矿井下无线传输衰减大，gps信号不能覆盖煤矿井下巷道。目前煤矿井下人员位置监测系统主要采用rfid技术，少数系统采用漏泄电缆、wifi、zigbee等技术。现有的rfid定位技术，射频信号容易受井下恶劣环境的影响，定位准确度较低，测距范围有限。虽然研究者们提出了一些提高定位精度的方法，但是这些方法的定位精度受定位环境中参考标签的布置密度影响较大，定位效果总体不好。尤其是，在矿井巷道环境，对井下移动目标识别时，阅读器周围往往存在多个标签，存在信号之间互相干扰和产生冲突问题，难以进行准确识别和精确定位。

应用ccd图像传感器实现图像目标定位，是采用帧间差分法、背景差分法、边缘提取法等方法对目标进行检测，然后通过标定结果计算出目标在实验环境中的位置。由于其具有定位精度高、抗干扰能力强、可远距离获取目标图像等特点，被广泛用于工业非接触测距中，而且随着ccd测量技术在其他工业应用成果的不断推广，其在煤矿井下移动目标定位的应用得到也越来越多的重视。但将基于ccd的图像目标定位应用于井下存在以下技术难点：视频数据传输、处理量大，实时性受到影响；单一监控区域有限，目标被遮挡将导致无法检测。

技术实现要素：

本发明主要解决上述现有技术所存在的问题，提出了一种多天线射频识别(mimo-rfid)定位与ccd视频定位相融合的移动目标跟踪与定位方法。

本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明首先利用多天线射频识别定位方法对目标进行身份识别并获取其当前位置坐标信息，利用此信息指导图像传感器开启或休眠，应用背景差分法对视频监控图像检测目标并进行多视角融合实现较精确定位，最后通过加权融合获得移动目标位置。具体包括以下步骤：

步骤一，移动目标探测：开启井下巷道用于移动目标探测的多天线射频识别装置，使其始终保持开启状态；多天线射频识别装置探测井下巷道是否存在移动目标，若探测到目标，则多天线射频识别装置根据移动目标的id编号对其进行识别，并采用基于rssi的三角定位算法获取目标的当前位置坐标信息(xrfid，yrfid)；

步骤二，图像传感器激活与定位：当多天线射频识别装置探测到移动目标进入视频监控区域后，激活该区域的图像传感器，图像传感器跟踪并捕获移动目标当前位置信息(xccdi，yccdi)i＝1，2；当移动目标离开视频监控区域后，使该区域图像传感器进入休眠状态；

步骤三，数据融合：用于将多天线射频识别装置所获取的移动目标位置信息与图像传感器跟踪与定位的移动目标位置信息进行融合，包括以下子步骤，

3.1)一级融合：根据所述图像传感器所捕获的移动目标位置信息(xccdi，yccdi)i＝1，2，采用多视角协作数据融合对移动目标进行定位；

若移动目标在视频监控区域被两个图像传感器跟踪并捕获其当前位置信息，则一级融合后的定位结果，采用以下公式计算：

其中，α是一级数据融合权值；

若移动目标在视频监控区域仅被一个图像传感器跟踪并捕获到其当前位置信息，则该图像传感器的定位结果即为一级融合定位结果：

(xccd，yccd)＝(xccdi，yccdi)，i＝1，2；

3.2)二级融合：根据视频定位所得一级融合数据，与步骤一所述多天线射频识别所获得的位置信息进行二级融合，二级融合后的定位结果采用以下公式计算：

(x，y)＝β(xrfid，yrfid)+(1-β)(xccd，yccd)

其中，β是二级数据融合的权值；

步骤四，若图像传感器未监控到移动目标而无法感知其位置信息时，则采用所述多天线射频识别装置进行识别定位，定位结果为：

(x，y)＝(xrfid，yrfid)

作为本发明的一种优选方案，所述的一级融合为多视角协作数据融合，其融合权值α计算公式为：

其中，d1、d2分别为图像传感器1(ccd1)和图像传感器2(ccd2)测得的移动目标与镜头中心在巷道底板投影点的距离；

所述的二级融合权值β计算公式为：

其中，和分别为多天线射频识别定位和视频定位的测量方差；

所述多天线射频识别装置采用随机数的树分裂防碰撞算法，用于解决井下多个标签同时向多天线射频识别装置发送信号时产生的相互干扰和冲突问题，从而实现对移动目标进行唯一识别。其实现方法是：当多个标签发生识别冲突时，标签内的随机数生成器产生一个随机数0或1，据此随机数，冲突标签分为2个子集l和r，其中l为随机数为0的标签集合，r为随机数为1的标签集合，在下一发送时隙，只有属于子集l的标签将被发送，若仍有冲突，子集l继续分裂，并递归重复上述过程，直到唯一标签被正确识别。

所述矿井移动目标携带或装载具有id编号的有源电子标签，用于所述多天线射频识别装置对移动目标进行感知探测与快速识别。

本发明进一步公开了一种多天线射频识别装置，应用于所述的矿井移动目标跟踪与定位方法，该装置由天线模块、微处理器单元、收发机、通信接口、存储单元和电源模块组成，用于井下巷道的目标识别与定位；其中所述天线模块为2×2mimo天线。

所述多天线射频识别装置为本质安全型防爆设备。

所述图像传感器具有无线接收功能与多天线射频识别装置进行无线通信，并被配置成具有本安型防爆功能的智能摄像装置。

所述矿井移动目标包括井下行人、机车和井下机器人等移动作业人员和设备。

本发明的有益效果在于：

采用mimo天线能够有效增加射频识别装置的覆盖范围，同时可以提高信道的容量和可靠性；利用多天线射频识别定位信息指导图像传感器的开启或休眠，可有效减少井下图像传感器的系统功耗、节省网络和计算资源；同时，该方法融合了多天线射频识别的快速定位及视频图像准确定位的优点，可有效提高煤矿井下移动目标跟踪定位的实时性与准确度。

附图说明

图1为矿井移动目标跟踪与定位流程图；

图2为多天线射频识别定位示意图；

图3为ccd视频多视角融合定位示意图；

图4为ccd视频定位原理图；

图5为多天线射频识别装置结构框图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

参照图1，为矿井移动目标跟踪与定位流程图。首先利用多天线射频识别装置对目标进行身份识别并获取其当前位置坐标信息，然后利用此信息指导图像传感器开启或休眠，应用背景差分法对视频监控图像检测目标并进行多视角融合实现较精确定位，最后通过加权融合算法融合两种定位结果，得到移动目标位置信息。图像传感器具有天线模块和无线接口功能，用于接收多天线射频识别装置发出的通信指令。具体实现步骤如下：

步骤1，移动目标探测：开启井下巷道用于移动目标探测的多天线射频识别装置，使其始终保持开启状态；多天线射频识别装置探测井下巷道是否存在移动目标，若探测到目标，则多天线射频识别装置根据移动目标的id编号对其进行识别，并采用基于rssi的三角定位算法获取目标的当前位置坐标信息(xrfid，yrfid)。在系统工作时，多天线射频识别装置可能会对多个随机标签同时识别，当多个标签同时向多天线射频识别装置传送信号时，信号之间互相干扰，就产生了信号识别冲突问题。为了能够准确识别标签，采用随机数的树分裂防碰撞算法来解决冲突问题。具体方法是：当多个标签陷入信号识别冲突时，冲突标签内的随机数生成器便产生一个随机数0或1，根据这个随机数，冲突子集分为2个子集l(随机数为0的标签集合)和r(随机数为1的标签集合)。在下一次发送时隙，属于子集l的标签将发送，若仍有冲突，子集l继续分裂，这个过程递归重复，直到所有标签被正确识别；

步骤2，图像传感器激活与定位：当多天线射频识别装置探测到移动目标进入视频监控区域后，发射一个激活图像传感器的指令，休眠的图像传感器接收到该指令后，转为激活状态，跟踪并捕获移动目标当前位置信息(xccdi，yccdi)i＝1，2；当移动目标离开视频监控区域后，发射一个休眠图像传感器的指令，该区域图像传感器接收到指令后，进入休眠状态；

步骤3，数据融合：用于将多天线射频识别装置所获取的移动目标位置信息与图像传感器跟踪与定位的移动目标位置信息进行融合，包括以下子步骤，

3.1)一级融合：根据所述图像传感器所捕获的移动目标位置信息(xccdi，yccdi)，i＝1，2，采用多视角协作数据融合对移动目标进行定位；

若移动目标处于区域2(详见图3)，且同时被两个图像传感器跟踪并捕获到移动目标当前位置信息，则一级融合后的定位结果为：

其中，α是一级数据融合权值，按以下公式计算：

其中，d1、d2分别为图像传感器1和图像传感器2测得的移动目标与镜头中心在巷道底板投影点的距离。

若移动目标处于区域1或区域3(详见图3)，或者移动目标处于区域2时仅被一个图像传感器跟踪并捕获到其当前位置信息，则该图像传感器的定位结果即为一级融合定位结果：

(xccd，yccd)＝(xccdi，yccdi)，i＝1，2

3.2)二级融合：根据视频定位所得一级融合数据，与步骤1所述多天线射频识别所获得的位置信息进行二级融合，以提高测量的准确性。二级融合后的定位结果为：

(x，y)＝β(xrfid，yrfid)+(1-β)(xccd，yccd)

其中，β是二级数据融合的权值，按以下公式计算：

其中，和分别为多天线射频识别定位和视频定位的测量方差。多天线射频识别定位的测量方差可以通过n次测量一个处于探测范围内的固定目标的位置，得到其位置坐标信息(xi，yi)，i＝1，2…n，将其转换为距离然后对di，i＝1，2…n求方差得到。同理可求得视频定位的方差；

步骤4，若图像传感器未监控到移动目标而无法感知其位置信息时，则采用所述多天线射频识别装置进行识别定位，定位结果为：

(x，y)＝(xrfid，yrfid)

所述矿井移动目标携带或装载具有id编号的有源电子标签，用于所述多天线射频识别装置对移动目标进行探测与识别。

参照图2，为多天线射频识别定位示意图。其中，矿井移动目标跟踪与定位方法根据需要在井下巷道人员出入井口、采掘工作面等重点区域出入口、拐弯巷道盲区等限制区域放置一定数量的多天线射频识别装置。这些多天线射频识别装置通过数据总线与地面的监控主机连接，当接受到无线标签信息时，数据总线将无线标签内的信息传输给地面主机，由主机对信息进行定位、汇总。通常情况下，在各个巷道口设置多天线射频识别装置，然后根据多天线射频识别装置的覆盖范围在巷道内布置一定的该装置以确保整个巷道被覆盖。当移动目标进入井下巷道区域时，多天线射频识别装置会探测到移动目标携带的电子标签，并采用基于rssi的三角定位算法获取移动目标的当前位置坐标信息(xrfid，yrfid)。

参照图3，ccd视频多视角融合定位示意图。多传感器射频识别装置对图像传感器的具体控制过程如下：

在多天线射频识别装置未探测到移动目标时，所有图像传感器均处于休眠状态。根据多天线射频识别装置的移动目标位置(xrfid，yrfid)和已知的图像传感器设备位置与图像传感器有效监测范围，当移动目标进入区域1时，可以确定目标进入ccd1的监控区域，此时唤醒ccd1进行图像采集与处理。

当移动目标进入区域2时，可以确定目标同时处于ccd1和ccd2的监控区域，此时唤醒ccd2与ccd1同时对移动目标进行图像采集与处理；

当移动目标进入区域3时，目标已经离开ccd1的监控区域，此时，对ccd1进行休眠。

参照图4，ccd视频定位原理图。其定位原理描述如下：

ccd设备采用小孔成像模型来描述三维场景投影到ccd的二维像平面(ccd光敏矩阵表面)上的透视变换；其中，f、a、h分别为ccd的有效焦距、俯仰角度和安装高度(镜头中心到地面的高度)，光轴与像平面的交点作为像平面坐标系的原点，一般取为(0，0)；(x，y)为目标最低点p在像平面上的投影坐标。

使用ccd获取视频，通过标定能计算出目标位置相对ccd视轴的偏角，由于ccd摄像头的高度已知，根据几何关系可以得到点p与镜头中心在地面投影点q的距离。ccd测得的人员与q点的距离d为：

由于ccd位置信息已知，据此可以获得移动目标位置(xccd，yccd)。

参照图5，为多天线射频识别装置结构框图。该装置由天线模块、微处理器单元、收发机、通信接口、存储单元和电源模块组成，用于井下巷道的目标识别与定位。其中，天线模块为2×2mimo天线；微处理器单元是实现多天线射频识别装置和电子标签之间通信协议的部件，可以同时完成接收数据信号的译码和数据纠错等功能；收发机包括发射器和接收机两个部分，发射器发送电磁波信号，接收机负责接收标签返回的数据信号，并传送给微处理器单元，收发机同天线模块相连；通信接口为所述装置和外部实体提供通信指令，通过控制器传输数据和接收指令并做出响应；存储单元用于存储装置的配置参数和阅读标签的列表；电源模块为整个装置提供电能。所述多天线射频识别装置为本质安全型防爆设备。

本发明采用mimo天线能够有效增加射频识别装置的覆盖范围，同时可以提高信道的容量和可靠性；利用多天线射频识别定位信息指导多ccd图像传感器的开启或休眠，可有效减少井下ccd图像传感器的工作能耗；同时，该方法融合了多天线射频识别的快速定位及ccd视频准确定位的优点，可有效提高煤矿井下移动目标跟踪定位的实时性与准确度。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明所涉及各方法步骤，除作为一种移动目标跟踪与定位方法应用于煤矿井下环境外，通过适当集成或改进后也适用于非金属和金属矿井的移动目标监控、视频跟踪、模式识别或移动定位，这样本发明不限制除移动跟踪与定位之外的移动监控和目标识别等通信技术领域。

以上内容是本发明结合具体的优选实施例方式对本发明所做的进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在不脱离本发明设计思路的前提下，可以轻易想到的变法或代替，都均应认为属于本发明的保护范围之内。