專利名稱：井下作業人員超聲波定位系統及其定位方法
技術領域：
本發明涉及礦井安全監控領域，更具體地說尤其是一種對于井下作業人員進行準確定位的系統和方法。
背景技術：
礦井的井下工作環境復雜，礦井巷道縱橫綿延數十千米，井下人員作業流動性大，具體人數、具體位置時刻發生變化，地面調度很難知道井下人員的具體分布情況，不利于安全監督和動態調度，對作業人員的下井時間、行蹤也很難考核。一旦井下發生火災、水災、瓦斯、煤塵爆炸等事故，由于不能精確定位事故前人員的位置和分布，導致不能使用大型機械設備進行救援工作，常因此延誤救援的最佳時間，造成無法彌補的損失。如果能夠精確定位事故發生前井下人員的位置，則能夠大大加快救援速度，把損失降低到最低限度。
目前，井下定位采用的方法主要有兩種，一種是專利文獻CN1570663A公布的采用電子身份識別卡(RFID)的方式，由間隔一定距離安裝在巷道內的基站通過射頻電波對作業人員身上攜帶的電子身份識別卡裝置進行詢問，電子身份識別卡裝置發射帶有作業人員身份信息的應答信號實現定位，這種裝置的定位精度由基站間隔距離決定，定位精度只能達到幾十米量級。
另一種方法是專利文獻CN1694569A公布的射頻信號強度計算方式，移動接點和基站之間進行射頻信號的雙向通訊，基站通過對攜帶于工作人員身上的移動節點發出的射頻信號強度進行計算得出工作人員和基站之間的距離，并結合基站本身的位置信息實現定位，這種裝置的定位精度決定于基站接收到的射頻信號強度，由于電磁波在巷道內存在多次反射和繞射等情況導致移動節點接收到的信號強度和基站間距離不成線性和統計關系從而帶來很大的誤差，這種方式的定位精度誤差達到15米以上，對于救援工作只能提供有限的幫助，距離實用還有一定的差距。
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種可以用于事故救援、井下人員調度、監控、考勤等井下作業人員超聲波定位系統及其定位方法。利用超聲波定位和無線通訊，在以數百米為間隔放置超聲發射基站的實際應用環境中達到優于±1米的定位精度。并且減小基站間隔距離則定位精度還能得到進一步提高。
本發明解決技術問題所采用的技術方案是
本發明井下作業人員超聲波定位系統，包括嵌入安全帽的移動終端(1)、設置在巷道中的基站(2)和以有線網絡進行連接的管理中心(3)，其特征是所述嵌入安全帽的移動終端(1)以射頻通訊模塊(13)和天線(14)接收來自基站(2)的射頻觸發信號，分別傳送給多通道超聲波脈沖接收模塊(12)、數字信號處理模塊(19)以及主控制單元(17)，以所述射頻觸發信號控制多通道超聲波脈沖接收模塊(12)的時間窗打開和計時器開始計時；以超聲波接收換能器(11)接收來自基站(2)的以表征對應基站編號的m序列調制的超聲波脈沖序列信號，以不同的m序列作為各基站唯一的基站編號，所述m序列調制的超聲波脈沖序列信號傳送給多通道超聲波脈沖接收模塊(12)進行處理和模數變換后以數字信號傳送給數字信號處理模塊(19)，在所述數字信號處理模塊(19)中解調出所述m序列并同時產生計時值，所述主控制單元(17)將所述m序列和計時值以及ID卡(16)讀出數據共同傳送給射頻通訊模塊(13)，并通過天線(14)發射；所述基站(2)一路通過網絡接口(21)與管理中心(3)交換設置參數和定位數據，另一路通過網絡接口(21)連接主控制器(23)，由所述主控制器(23)控制射頻通訊模塊(22)和天線(27)發射觸發信號，并同時控制m序列調制模塊(28)輸出m序列調制信號至超聲波脈沖發射模塊(26)；各基站(2)在巷道沿線上位于巷道的頂部進行安置，通過網絡連接至管理中心(3)，基站(2)沿巷道的前后方向發射兩種不同載波頻率的超聲波脈沖序列。
本發明系統的結構特點也在于所述超聲波接收換能器(11)共有五組，分別嵌于安全帽的前后左右和頂部位置，各自接收來自不同方向上超聲信號，并在隨后的多通道超聲波脈沖接收模塊(12)中分別得到處理。
本發明井下超聲波定位系統的定位方法的特點是管理中心(3)通過網絡設定基站參數，控制每個基站通過射頻無線通訊信道同時發射一個脈沖觸發信號，并同時發射一個與所在基站的基站編號相對應的m序列調制的超聲波脈沖序列，移動終端(1)記錄其在收到射頻觸發信號和收到超聲波脈沖序列信號之間的時間間隔，根據已知的超聲波傳播速度和記錄的時間間隔計算得出移動終端(1)和對應基站(2)之間的距離；沿巷道前后設置的基站(2)在其前后方向上分別發射不同頻率載波的超聲脈沖序列；移動終端(1)根據接收到的超聲脈沖序列的載波頻率判斷信號源方向；由移動終端(1)將有關距離和方向的數據信息和對應的基站編號附加移動終端本身的ID編號身份信息通過射頻無線通訊信道發送至基站(2)，各個基站(2)將收到的移動終端(1)的位置信息通過連接基站的網絡發送給管理中心(3)，管理中心(3)根據位置信息進行統計記錄并在巷道示意圖上動態顯示出每個作業人員的位置。
本發明方法的特點也在于所述各基站同時發射脈沖觸發信號和同時發射超聲波脈沖序列是在管理中心的控制下按設定的周期自動、重復地進行。
與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明利用超聲波定位和無線通訊，由于采用了m序列調制的超聲脈沖序列和沿巷道的前后方向發射兩種不同載波頻率的超聲波脈沖序列的超聲波發射方式，使移動終端能夠得到一個以上不同基站間的精確距離和位置方向數據，在以數百米為間隔放置超聲發射基站的實際應用環境中能夠達到優于±1米的定位精度。
2、本發明可以在進一步減小基站間隔距離之后，除了使接收到的超聲脈沖信噪比提高從而提高計時精度外，還將使移動終端收到更多不同基站的超聲脈沖信號，這樣定位精度還能得到進一步提高。
3、針對超聲波信號傳播具有較強的指向性，本發明通過在移動終端上設置不同位置上的多個超聲波接收換能器，從而能夠更為有效地接收來自不同方向上的超聲脈沖信號，提高工作可靠性。
4、本發明方法由于采用自動測量和按設定周期重復觸發的高頻率重復測量方式使得到的定位數據具有很高的實時性和定位精度，可以廣泛用于事故救援、井下人員調度、監控、考勤等井下作業人員的超聲定位。
圖1為本發明系統結構示意圖。
圖2為本發明系統中嵌入安全帽的超聲波接收換能器布置示意圖。
圖3為本發明的移動終端結構示意和各點輸出信號圖。
圖4為本發明基站結構示意圖。
圖5是本發明基站發射超聲波脈沖m序列調制示意圖。
圖6是本發明基站工作流程圖。
圖7是本發明的移動終端定位流程圖。
以下通過具體實施方式
對本發明作進一步描述
具體實施例方式參見圖1，本實施例中系統由嵌入安全帽的移動終端1、基站2和有線連接的網絡管理中心3組成。基站和移動終端之間采用無線射頻信道通訊，基站通過有線網絡連接起來，網絡管理中心由計算機、網絡設備以及運行于該環境的上的管理軟件構成。網絡管理中心可以與基站之間交換定位信息數據，可以對基站進行參數設置和定時對準，設定網絡上所有各基站每間隔一定的時間同時通過射頻信道發射觸發脈沖，在發射觸發脈沖的同時基站通過超聲波發射模塊沿巷道的前后方向發射由表征基站唯一身份的m序列調制的頻率分別為fR和fF的脈沖序列。由于射頻信號在空氣中的傳播速度(約3×108M/s)遠遠大于超聲波傳播速度(約340M/s)移動終端將先收到觸發信號，移動終端收到觸發信號后即啟動一個計時器開始計時，在收到超聲波脈沖后停止該計時器，通過已知的超聲波傳播速度和計時結果，移動終端可以精確計算出和基站之間的距離，多通道超聲脈沖接收模塊12接收到一個以上基站發來的超聲脈沖信號則能夠更精確的得到移動終端的定位結果，移動終端將計算出的定位數據附加移動終端從插入的ID卡上讀取的工作人員個人身份信息ID編號通過射頻無線通訊信道發給基站，然后各個基站將收到的移動終端的位置信息通過連接基站的有線網絡發給管理中心，管理中心的管理軟件根據位置信息進行統計記錄并在巷道示意圖上動態顯示出每個作業人員的位置。
圖2是超聲波接收換能器在安全帽上嵌入安裝示意圖。由于超聲波傳播具有較強的指向性，為了有效接收超聲脈沖信號，設計了特殊的接收換能器布置方式包括頂部接收換能器11A、前方接收換能器11D、后方接收換能器11B、左側接收換能器11E，和右側接收換能器11C，用于有效接收來自頂部和前、后、左、右五個方向上的超聲信號。每個接收換能器的接收頻率范圍都覆蓋fR和fF兩個頻點。
圖3是移動終端結構示意和各點輸出信號圖。其內部電路包括多通道超聲波脈沖接收模塊12、射頻通訊模塊13、天線14、數字信號處理模塊19、主控制單元17、ID卡16以及電源15。移動終端上電啟動后，主控制單元17讀取插入式ID卡16中的井下工作人員個人信息，射頻通訊模塊13接收并解調到從天線14饋來的發射觸發脈沖信號18，觸發脈沖信號18打開多通道超聲波脈沖接收模塊12內的模擬開關時間窗接收超聲波脈沖信號，同時啟動數字信號處理模塊19內部的計時器丌始工作，多通道超聲波脈沖接收模塊12將收到的超聲波脈沖信號進行模一數轉換并將采集數據傳送給數字信號處理模塊19，數字信號處理模塊19根據采集數據進行一系列數字信號處理計算，解調出m序列，每解調出一組m序列保存一個計時值，在模擬開關時間窗結束前收到不同基站發來的一組以上m序列并保存計時值，數字信號處理模塊19根據多個計時值結合巷道內超聲波傳播數學模型進行矩陣計算得出在基站間的位置定位數據，數字信號處理模塊19將位置定位數據傳遞給主控制單元17，主控制單元17將定位數據和ID數據打包通過射頻通訊模塊13和基站之間的射頻通訊鏈路發送給基站。
圖4是基站結構示意圖。基站布置于巷道沿線上，由網絡接口21、射頻通訊模塊27和天線27、主控制器23、m序列調制模塊28、超聲波脈沖發射模塊26以及電源24組成。網絡接口21負責和網絡管理中心通訊，交換定位數據信息和基站設置信息，根據基站設置數據，主控制器23每間隔一定時間通過射頻通訊模塊22和天線27發射一個射頻觸發脈沖，同時通過超聲波脈沖發射模塊26發射m序列調制的超聲波脈沖序列，沿著巷道前后的兩個方向上發射的超聲波脈沖序列頻率不同分別為fR和fF，m序列調制出代表基站唯一編號的超聲波脈沖序列，fR和fF用來區分傳播的方向。移動終端由此來判斷收到的是哪一個基站發出的超聲波脈沖序列，該基站在自己的前方還是后方。
圖5是基站發射超聲波脈沖m序列調制示意圖。網絡上每個基站設置一個唯一的編號，該編號和二進制的m序列對應，每個基站由一個唯一的m序列編碼，超聲波發射時，根據m序列編碼進行調制，本實施例中，當前序列為高電平“1”時，發射超聲波，為低電平“0”時，不發射超聲波，調制序列激勵超聲波發射換能器發射出如圖中所示的m序列調制的超聲波脈沖序列。該超聲波脈沖序列被移動終端接收，用于移動終端識別發射基站。
圖6是基站工作流程圖。基站布置于巷道沿線上，通過有線網絡連接，管理中心可以對基站進行編號和設置發射時間間隔等參數，基站將接收到的移動終端發來的定位數據轉發給管理中心。基站的工作步驟如下步驟S6-1基站上電完成自啟動和網絡配置過程，建立和管理中心的通訊鏈路以及和移動終端的射頻通訊鏈路；步驟S6-2設置基站參數，包括發射時間間隔和m序列。
步驟S6-3通過射頻通訊模塊發射觸發信號，同時發射超聲波脈沖序列。
步驟S6-4接收來自移動終端通過射頻通訊模塊發來的數據，該數據包內容包括移動終端和基站間的距離和方向信息數據、對應基站m序列，以及移動終端的ID數據。
步驟S6-5基站將各個移動終端發來的數據轉發給監控中心。監控中心根據基站布置施工時的安裝位置測繪數據計算出各個移動終端的位置，實現定位。
圖7移動終端定位流程圖。移動終端根據先后收到的射頻觸發脈沖和超聲波脈沖序列之間的時間間隔計算和對應發射基站間的距離，將計算結果和自身的ID信息數據通過和基站間的射頻通訊信道發給基站。其步驟為步驟S7-1移動終端開機，對移動終端各個模塊進行初始化設置，設置超聲脈沖接收模塊的AGC控制數據，初始化射頻通訊模塊。
步驟S7-2移動終端的主控制單元讀取插入移動終端的ID卡數據，此ID數據為井下工作人員的個人身份信息。
步驟S7-3移動終端的射頻通訊模塊收到觸發脈沖信號，此時啟動計時器開始計時。
步驟S7-4移動終端的多通道超聲波脈沖接收模塊接收到超聲脈沖序列，此時保存計時值，在收到一個以上的超聲序列后停止該計時器并保存收到每個超聲脈沖序列時的計時值。
步驟S7-5對應于每個收到的超聲脈沖序列的計時值，解調出相應m序列。
步驟S7-6根據計時值和數學模型進行矩陣運算得出移動終端和相應基站間的距離，進一步進行計算得出定位數據。
步驟S7-7將計算出的定位數據和ID數據打包成一定格式的數據包。
步驟S7-8將數據包通過射頻通訊模塊發射出去，該數據包將被基站接收到。
步驟S7-9判斷是否由關機請求，若是則關機，結束工作，否則循環進入下次觸發等待。
權利要求
1.井下作業人員超聲波定位系統，包括嵌入安全帽的移動終端(1)、設置在巷道中的基站(2)和以有線網絡進行連接的管理中心(3)，其特征是所述嵌入安全帽的移動終端(1)以射頻通訊模塊(13)和天線(14)接收來自基站(2)的射頻觸發信號，分別傳送給多通道超聲波脈沖接收模塊(12)、數字信號處理模塊(19)以及主控制單元(17)，以所述射頻觸發信號控制多通道超聲波脈沖接收模塊(12)的時間窗打開和計時器開始計時；以超聲波接收換能器(11)接收來自基站(2)的以表征對應基站編號的m序列調制的超聲波脈沖序列信號，所述m序列和基站編號一一對應，所述m序列調制的超聲波脈沖序列信號傳送給多通道超聲波脈沖接收模塊(12)進行處理和模數變換后以數字信號傳送給數字信號處理模塊(19)，在所述數字信號處理模塊(19)中解調出所述m序列并同時產生計時值，所述主控制單元(17)將所述m序列和計時值以及ID卡(16)讀出數據共同傳送給射頻通訊模塊(13)，并通過天線(14)發射；所述基站(2)一路通過網絡接口(21)與管理中心(3)交換設置參數和定位數據，另一路通過網絡接口(21)連接主控制器(23)，由所述主控制器(23)控制射頻通訊模塊(22)和天線(27)發射觸發信號，并同時控制m序列調制模塊(28)輸出m序列調制信號至超聲波脈沖發射模塊(26)；各基站(2)在巷道沿線上位于巷道的頂部進行安置，通過網絡連接至管理中心(3)，基站(2)沿巷道的前后方向發射兩種不同載波頻率的超聲波脈沖序列。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征是所述超聲波接收換能器(11)共有五組，分別嵌于安全帽的前后左右和頂部位置上，各自接收來自不同方向上超聲信號，并在隨后的多通道超聲波脈沖接收模塊(12)中分別得到處理。
3.一種基于權利要求2所述井下超聲波定位系統的定位方法，其特征是管理中心(3)通過網絡設定基站參數，控制每個基站通過射頻無線通訊信道同時發射一個脈沖觸發信號，并同時發射一個與所在基站的基站編號相對應的m序列調制的超聲波脈沖序列，移動終端(1)記錄其在收到射頻觸發信號和收到超聲波脈沖序列信號之間的時間間隔，根據已知的超聲波傳播速度和記錄的時間間隔計算得出移動終端(1)和對應基站(2)之間的距離；沿巷道前后設置的基站(2)在其前后方向上分別發射不同頻率載波的超聲脈沖序列；移動終端(1)根據接收到的超聲脈沖序列的載波頻率判斷信號源方向；由移動終端(1)將有關距離和方向的數據信息和對應的基站編號附加移動終端本身的ID編號身份信息通過射頻無線通訊信道發送至基站(2)，各個基站(2)將收到的移動終端(1)的位置信息通過連接基站的網絡發送給管理中心(3)，管理中心(3)根據位置信息進行統計記錄并在巷道示意圖上動態顯示出每個作業人員的位置。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征是所述各基站同時發射脈沖觸發信號和同時發射超聲波脈沖序列是在管理中心的控制下按設定的周期自動、重復地進行。
全文摘要
井下作業人員超聲波定位系統及其定位方法，包括嵌入安全帽的移動終端、巷道中的基站和網絡連接的管理中心，管理中心通過網絡設定基站參數，基站每隔一段時間通過射頻無線通訊信道發射一個脈沖觸發信號，并同時發射一個超聲波脈沖序列，移動終端記錄其收到觸發信號時和收到超聲波脈沖信號之間的時間間隔，根據已知的超聲波傳播速度和所記錄的時間間隔計算得出移動終端和基站之間的距離；根據不同的載波頻率判斷信號源方向，移動終端將距離、方向和對應的基站編號，及其本身身份信息通過射頻無線通訊信道發送至基站，并由基站傳送給管理中心，在管理中心動態顯示作業人員位置。本發明定位精度高，可廣泛用于事故救援、井下人員調度、監控、考勤等井下作業人員的超聲定位。
文檔編號G01S1/76GK1924604SQ20061008629
公開日2007年3月7日 申請日期2006年8月30日 優先權日2006年8月30日
發明者顧宇, 周康源, 哈章 申請人:合肥偉圖信息技術有限公司