地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置制造方法
【專利摘要】一種地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置，適用于地下掃描衛星高精度跟蹤定位。它包括激光發射器、分束鏡、全反射棱鏡、轉臺、角度編碼器、電機、時間同步信號發射器、定位裝置防爆外殼、激光信號接收器和工控機。基于GPS定位理念和激光掃描技術，每個地下掃描衛星時刻向周圍360度空間中發射兩扇帶有角度信息的激光掃描面,地下環境中的一個或多個移動的設備裝備的接收器接收激光信號，將接收器的空間角度信息傳送于工控機。通過確定移動裝置或人體的具體位置，并解算出地下移動設備運行速度。本實用新型掃描精度在百米范圍內可達到毫米級,完全滿足“地下無人采掘”對采掘裝備跟蹤定位精度的要求。
【專利說明】地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種跟蹤定位方法及裝置，特別是一種地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置。
【背景技術】
[0002]目前隨著我國煤礦開采深度逐漸增大和采掘條件越來越惡劣，使得對礦工的安全威脅也愈來愈大。因此，發展“地下無人采掘技術”是根本的解決方法，也是國內外煤炭行業共同追求的前沿技術。而如何提高采掘作業空間中采掘裝備跟蹤定位精度是地下無人采掘所面臨的一個亟待解決的關鍵科學問題。
[0003]跟蹤定位技術主要是針對于一個或多個空間物體的位置姿態進行實時測量。對于無GPS信號的煤礦井下移動目標的跟蹤定位技術近年來也得到了一定的重視，其定位方法按照所使用傳感器位置的不同主要可以劃分為兩大類:(I)基于外部傳感器的定位方法(無線定位技術、紅外線定位技術、超聲波定位技術、計算機視覺定位技術等)；(2)基于自包含傳感器的定位方法(加速度計、陀螺儀、里程計、磁羅盤等)。
[0004]無線定位技術是通過對無線電波的一些參數進行測量，根據特定的算法來判斷被測物體的位置。無線定位技術的應用，主要包括:射頻識別、藍牙、超寬帶、W1-Fi和Zigbee等。①射頻識別(RFID)技術是利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據以達到目標的識別和定位。但其作用距離短一般為幾米；定位精度是20cm數量級。②超寬帶(UWB)技術它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒級的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶的定位精度是15cm數量級，通常定位距離限定在20m左右。③藍牙技術是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，但對于地下復雜的空間環境，藍牙系統的穩定性較差，受噪聲信號干擾大。④W1-Fi收發器都只能覆蓋幾十米以內的空間，定位精度完全依賴于W1-Fi網絡的部署情況，在W1-Fi信號密集時，精度可達I米，且W1-Fi信號很容易受到其他信號的干擾，從而影響其定位精度。⑤Zigbee技術是近年來新興的短距離、低速率的無線網絡技術，其性能介于射頻識別和藍牙之間，也可以用于地下定位。目前，國內外所使用的無線定位技術僅在井下人員定位和跟蹤方面有應用報道，從技術本質上說僅僅是一種考勤記錄系統或者僅停留在粗略定位的層面上，完成大致位置確定，而非真正的、精確的跟蹤定位。
[0005]紅外線定位技術的原理是由紅外線IR發射經過調制的紅外射線，再由光學傳感器接收這些紅外射線，實現對目標的定位。但紅外線定位技術定位精度不高，傳輸距離較短導致在地下環境中的定位效果很差，而且容易被熒光燈和地下其他燈光干擾，在精確定位上有一定的局限性。
[0006]超聲波定位技術采用反射式測距法，即發射超聲波并接收由被測物產生的回波，根據回波與發射波的時間差計算出待測距離。由于超聲波易受多徑效應和井下復雜環境的影響，因而限制了它在煤礦井下的繼續發展。
[0007]計算機視覺定位技術是指用攝影機和電腦代替人眼對目標進行識別、跟蹤和采集，通過對采集的圖片或視頻進行處理以獲得被測目標的位置和姿態數據。視覺定位技術雖然具有相對高的定位精度，但定位的距離短。這些限制了計算機視覺定位技術在煤礦井下的發展。
[0008]除了上述方法外，還有學者利用圖像分析、磁場以及信標定位等方法進行研究。
[0009]基于自包含傳感器的定位方法主要有加速度計、陀螺儀、里程計、磁羅盤等。
[0010]陀螺儀和加速度計是直接測量被測目標在運動方向上的角速度和線性加速度，通過對加速度和角速度進行積分運算，獲得被測目標的位置和姿態數據。里程計是利用齒輪計數的原理得到被測目標行走齒輪的轉數，轉數乘以行走齒輪的周長得到設備行走的距離，從而確定設備在工作面的位置。磁羅盤是根據指南針原理制成的，利用地磁場固有的指向性測量目標的空間姿態角度，獲得目標的姿態數據。
[0011]從已有研究成果來看，有關上述方面的研究尚存在如下問題:
[0012](I)無線電跟蹤定位技術是近年來研究的熱門方向，但由于無線電波自身特性的限制導致其跟蹤定位的精度都不高，無法滿足“地下無人采掘”對采掘裝備高精度跟蹤定位的要求(達到亞厘米級)。
[0013](2)紅外線定位測量距離太近，超聲波易受多徑效應和井下復雜環境影響，計算機視覺的定位距離短且易受光照影響，另外他們也無法滿足“地下無人采掘”對采掘裝備高精度跟蹤定位的要求。
[0014]影響使其誤差不斷增大(可達到米級)，導致其無法滿足“地下無人采掘”對采掘裝備高精度跟蹤定位的要求。另外，他們獲取的僅是采掘裝備位置和姿態的相對值而并非三維空間內的絕對值，不能作為采掘裝備自動控制的依據。
[0015]從以上分析可知上述方法雖然可以實現對井下移動目標的跟蹤定位，但其在采掘作業空間中跟蹤定位的精度都不高(十幾厘米甚至幾米)，無法滿足“地下無人采掘”對采掘裝備聞精度跟蹤定位的要求。
實用新型內容
[0016]本實用新型的目的是克服已有技術中的不足之處，提供一種結構簡單、使用方便、精度高、不易受干擾的地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置。
[0017]為實現上述目的，本實用新型的地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置，包括地下掃描衛星、地面控制系統、激光信號接收器、無線交換機；激光信號接收器安裝在移動裝置或者人體上；地下掃描衛星為多個，間隔安裝在地下工作面液壓支架的上部，工作時呈360度發射激光信號；無線交換機設在地下工作空間壁面順槽內，地下掃描衛星的輸出端通過光纜傳輸網絡與地面控制系統的輸入端連接，激光信息號接收器與地面控制系統通過無線交換機連接。
[0018]所述的地下掃描衛星包括全反射棱鏡、激光發射器、分束鏡、角度編碼器、電機、轉臺和地面控制系統；激光發射器位于分束鏡的上部，在分束鏡的下部連接有全反射棱鏡，全反射棱鏡安裝在轉臺上，轉臺軸與電機的軸連接，在轉臺與電機之間連接有角度編碼器。
[0019]有益效果:由于采用了上述方案，本實用新型地下掃描衛星在地下工作空間中利用地下掃描衛星開展對作業設備精確跟蹤定位。地下掃描衛星工作，360度發射激光信號，安裝在裝置或人員上的接收器接收到激光信號，通過安裝在裝置上的無線交換機把空間角度信息傳送給安裝在壁面的無線交換機。利用有限網絡，井上控制中心接收到有效信號。通過預置于工控機中的自適應快速跟蹤定位算法，解算出裝置或人員的空間位置。在裝置上安裝多個激光信號接收器，可以利用算法計算出裝置的工作角度。管理者可隨時在井上控制中心觀看電腦上的井下裝置或人員的活動情況。以精密測試工程為基礎的動態測量技術，具有高速、高精度、高分辨率和全天候特點，其掃描精度在百米范圍內可達到毫米級。地下掃描衛星系統上述方法具有更高的定位精度，滿足“地下無人采掘”對采掘裝備跟蹤定位精度的要求。裝置實用，安全可靠，操作方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1地下掃描衛星系統精確定位的基本原理圖。
[0021]圖2地下掃描衛星結構簡圖。
[0022]圖中:1、地下掃描衛星；2、地面控制系統；3、全反射棱鏡；4、激光發射器；5、分束鏡；6、角度編碼器；7、電機；8、轉臺；9、激光信號接收器；10、無線交換機；11、液壓支架；12、順槽；13、采煤機；14、光纜傳輸網絡。
【具體實施方式】
[0023]下面結構附圖對本實用新型的一個實施例作進一步的描述:
[0024]如圖1所示，本實用新型的地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置，主要由地下掃描衛星1、地面控制系統2、激光信號接收器9、無線交換機10構成；激光信號接收器9安裝在移動裝置或者人體上同，圖中所示為安裝在采煤機13上；地下掃描衛星I為多個，間隔安裝在地下工作面液壓支架11的上部，工作時呈360度發射激光信號；無線交換機10設在地下工作空間壁面順槽12內，地下掃描衛星I的輸出端通過光纜傳輸網絡14與地面控制系統2的輸入端連接，激光信息號接收器9與地面控制系2統通過無線交換機10連接。基于GPS定位理念和激光掃描技術，每個地下掃描衛星時刻向周圍360度空間中發射兩扇帶有角度信息的激光掃描面，地下環境中的一個或多個移動的設備裝備的接收器接收激光信號，將接收器的空間角度信息傳送于工控機。
[0025]如圖2所示，所述的地下掃描衛星I包括全反射棱鏡3、激光發射器4、分束鏡5、角度編碼器6、電機7、轉臺8和地面控制系統2 ;激光發射器4位于分束鏡5的上部，在分束鏡5的下部連接有全反射棱鏡3，全反射棱鏡3安裝在轉臺8上，轉臺8軸與電機7的軸連接，在轉臺8與電機7之間連接有角度編碼器6。
[0026]工作時地下掃描衛星以特定的角速度旋轉，并向周圍360度空間內發射兩扇帶有角度信息的激光掃描面和時間同步信號。當被測目標(激光信號接收器9)接收到激光掃描信號后，根據地下掃描衛星I激光掃描面的夾角和角速度、激光脈沖到達時間差、頻閃信號與激光信號時間差等信息來確定被測目標與地下掃描衛星I之間的空間角度信息。
【權利要求】
1.一種地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置，其特征在于:它包括地下掃描衛星(I)、地面控制系統(2)、激光信號接收器(9)、無線交換機(10);激光信號接收器(9)安裝在移動裝置或者人體上；地下掃描衛星(I)為多個，間隔安裝在地下工作面液壓支架(11)的上部，工作時呈360度發射激光信號；無線交換機(10)設在地下工作空間壁面順槽(12)內，地下掃描衛星(I)的輸出端通過光纜傳輸網絡(14)與地面控制系統(2)的輸入端連接，激光信息號接收器(9 )與地面控制系(2 )統通過無線交換機(10 )連接。
2.根據權利要求1所述的地下掃描衛星高精度跟蹤定位裝置，其特征是:所述的地下掃描衛星(I)包括全反射棱鏡(3)、激光發射器(4)、分束鏡(5)、角度編碼器(6)、電機(7)、轉臺(8)和地面控制系統(2);激光發射器(4)位于分束鏡(5)的上部，在分束鏡(5)的下部連接有全反射棱鏡(3 )，全反射棱鏡(3 )安裝在轉臺(8 )上，轉臺(8 )軸與電機(7 )的軸連接，在轉臺(8)與電機(7)之間連接有角度編碼器(6)。
【文檔編號】E21F17/18GK203673062SQ201420021870
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】劉萬里, 楊濱海, 李曉陽, 趙勇濤, 王世博 申請人:中國礦業大學