一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統及方法，主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服務器和相應的數據庫構成；井下部分主要包括移動終端，電子標簽，無線AP，所述移動終端要由定位模塊，處理模塊，WiFi模塊，電源部分組成，其中定位模塊主要由WiFi模塊，陀螺儀數據采集處理模塊組成。本發明引入陀螺儀，采用陀螺儀與WiFi相結合的定位技術，能得到很高的定位精度；另外本發明中的一體化無線AP可直接通過光纜或者網線連接，形成一套有線路由，把移動終端傳來的數據、語音、視頻圖像等信息通過各分站間形成的有線路由傳到地面調度中心，進而實現井下多種綜合業務信息的傳輸。
【專利說明】一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于煤礦井下無線精確定位【技術領域】，涉及一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統及方法。
【背景技術】
[0002]人員定位系統是井下安全避險六大系統的子系統，有助于煤礦復雜環境下作業人員的協同管理和調度，對煤炭安全生產意義重大；當礦難發生時，救援人員可根據井下人員定位信息，迅速了解井下人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率，最大限度地減少災害損失。
[0003]目前，國內外專家已提出把諸如超聲波、紅外、藍牙、WiF1、射頻識別(RFID)、超寬帶(UWB)、ZigBee、輔助GPS等無線通信技術應用到實際定位。其中，針對室內無線定位的特殊要求，出現了光跟蹤技術、超聲波定位技術、藍牙技術、RFID技術等典型室內無線定位技術，其對應的定位精度可達幾厘米。
[0004]與地面、室內情況不同，井下作業和井下環境具有特殊性。井下巷道生產作業地點分散、人員流動性大、工作環境惡劣；無線傳輸環境具有“有限空間、多介質、密集多徑”等特點。當無線信號在彎曲巷道和采掘工作面環境中傳輸時，根據巷道尺寸、周圍障礙物特點，信號傳輸特性具有多變性，若仍采用基于無線信號強度對移動目標進行定位，會引起較大的定位誤差，從而導致定位不準確，這也是目前井下人員定位系統定位精度不高的主要原因。
[0005]目前，井下巷道內的電磁信號的傳輸模型及其對無線定位影響的研究至今還不完善，無法對無線定位精度的提升提供理論上的指導和支持。因此，常用的無線定位技術在面對礦井復雜工作環境情況下，要能夠達到實時而準確的定位，還有很多關鍵技術問題需要解決。
[0006]針對煤礦井下特殊的工作環境，國內外所應用的RFID技術、ZigBee技術、WiFi技術等井下定位技術的不足之處主要體現為幾個方面:
[0007]定位精度不準確，特別是在彎曲巷道、采掘工作面(時變)等場景，定位可靠性和有效性很差，存在嚴重的漏檢、錯檢問題，而且難以解決；
[0008]現有使用的定位系統多數為區域定位，隨著信息化礦井建設的推進，迫使區域定位技術向精確定位技術升級；
[0009]通信、人員定位子系統各成體系，沒有統一的無線端技術方案、接入站點部署等網絡平臺，系統重復建設，致使資源浪費且效率低下，與工業信息化和礦山物聯網發展方向相背離。
[0010]經查詢中國知識產權網一中外專利數據庫服務平臺，查到無線定位技術相關研究的發明專利229項，實用新型專利108項，外觀設計4項。但是，這些專利主要是針對地面環境的，其中與井下定位相關的專利有86項；而用于煤礦井下的高精度無線定位相關研究的則只有發明專利2項，實用新型專利2項，主要包括:
[0011]藍牙井下無線定位系統(CN200710078442.8);藍牙井下無線定位基站(CN200720124162.1);基于認知的井下無線定位方法(CN200810046191.X)種基于WiFi的煤礦井下無線定位系統(CN201320076493.8)，提供了一種基于WiFi的煤礦井下無線定位系統，其基本結構包括地面無線定位系統和井下無線定位系統，地面無線定位系統包括中心交換機、定位服務器、DHCP服務器和管理服務器，其中定位服務器、DHCP服務器和管理服務器均與中心交換機連接，井下無線定位系統包括礦用網絡交換機、無線接入點和礦用本安WiFi電話，其中，礦用本安WiFi電話通過無線接入點與礦用網絡交換機連接，礦用網絡交換機通過井下工業以太網與地面無線定位系統連接；該專利沒有明確井下定位精度問題及井下多種綜合業務信息的傳輸問題。與以上已有的專利相比，本發明引入陀螺儀，采用陀螺儀與WiFi相結合的定位技術，能得到很高的定位精度；另外本發明中的一體化無線AP可直接通過光纜或者網線連接，形成一套有線路由，把移動終端傳來的數據、語音、視頻圖像等信息通過各分站間形成的有線路由傳到地面調度中心，進而實現井下多種綜合業務信息的傳輸。
[0012]綜上所述，無線定位技術的相關研究非常活躍，已有各類專利400多項。但是，這些專利主要是針對地面環境的，而針對煤礦井下環境的研究及成果則較少。而本專利著重解決井下人員及移動設備的高精度定位問題。
【發明內容】
[0013]為了克服現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統及方法，在針對礦井復雜的工程環境，研究開發無線WiFi技術與陀螺儀技術相結合的精確定位系統，適應一體化基站平臺建設的趨勢，為煤礦的信息化建設提供支持。其技術方案如下:
[0014]一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統，主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服務器和相應的數據庫構成；井下部分主要包括移動終端，電子標簽，無線AP，所述移動終端由井下人員攜帶，由定位模塊，處理模塊，WiFi模塊和電源部分組成，其中，定位模塊的功能:定位模塊中的WiFi模塊的功能為采集輸出定位信息，采用串行通信方式定時輸出到處理模塊。陀螺儀數據采集處理模塊的功能為:把所測量的相對慣性空間的三個轉角速度和三個線加速度沿定位儀坐標系的分量，經過坐標變換，把加速度信息轉化為沿導航坐標系的加速度，并計算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態等信息，然后輸出到處理模塊。處理模塊的功能是:處理模塊采用ARM處理系統，處理模塊連接移動終端和WiFi模塊，處理模塊接收到WiFi定位信息和陀螺儀數據信息，采用卡爾曼濾波算法對信息進行處理校正，判斷信息是否可用，然后將定位結果輸出至WiFi模塊。WiFi模塊的功能=WiFi模塊根據通信協議接收處理模塊輸出的定位信息，并將定位結果輸出到WiFi接入點AP。電源部分的功能是為各模塊供電，保證他們的正常工作，移動終端的數據通過井下AP傳輸到井上，WiFi接入點AP固定在井下的通道壁上，利用光纖與總控制器連接，總控制器將收到的數據進行打包整理通過以太網傳送到地面監控計算機，當人員經過電子標簽時，電子標簽進入讀卡器的發射天線工作區，讀卡器和WiFi模塊負責周期性的讀取和傳送電子標簽信息，并傳送到相應的數據庫中，地面計算機接收到來自WiFi接入點AP的信號，從數據庫中讀出該讀卡器的相關采集信息，實現對人員信息的采集記錄、分析處理，使管理人員能及時準確的查詢各種信息，特別是當發生事故時，及時了解人員的分布情況，為營救工作提供了便利。
[0015]優選地，為實現一體化無線AP之間的無縫漫游，采用多個網關組成一個分級結構，每個網關負責多個無線AP，當在同一個網關的各個AP之間漫游時，由該網關控制信息傳送；當需要與不同網關的無線AP之間漫游時，則令網關從更高級別的網關中獲取業務信
肩、O
[0016]進一步優選，所述一體化無線AP直接通過光纜或者網線連接，形成一套有線路由，把WiFi移動終端傳來的數據、語音、視頻圖像等信息通過各分站間形成的有線路由傳到地面調度中心，移動終端具備電子顯示、語音、定位等功能，并實時地將接收到的井下數據信息和周邊環境信息傳遞到分站，同時在脫網模式下能夠實現終端間自組網通信。
[0017]一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位方法，包括以下步驟:礦工所攜帶的移動終端依據所采集到的信息判斷WiFi信號是否較強，若信號較強則依據WiFi信號來確定井下人員和設備位置，經過處理模塊處理后通過WiFi模塊將定位數據傳到AP，然后發送到井上服務器進行分析識別，從而實現井下人員和設備的精確定位。若WiFi信號較弱，則用陀螺儀定位，根據讀取的數字信息標識碼確定井下人員及移動設備的地理位置信息，并根據定位目標的移動角度變化精確定位其移動距離、速度與軌跡。然后，通過集成在移動終端上的WiFi模塊將獲取的定位信息發送給與井下以太網相連的接入點AP，并將信息傳送給井上的定位服務器進行分析識別，從而實現井下人員及移動設備的精確定位。
[0018]本發明的有益效果:本發明與地面、室內情況不同，井下作業和井下環境具有特殊性。井下巷道生產作業地點分散、人員流動性大、工作環境惡劣；無線傳輸環境具有“有限空間、多介質、密集多徑”等特點。當無線信號在彎曲巷道和采掘工作面環境中傳輸時，根據巷道尺寸、周圍障礙物特點，信號傳輸特性具有多變性，若仍采用基于無線信號強度對移動目標進行定位，會引起較大的定位誤差，從而導致定位不準確，這也是目前井下人員定位系統定位精度不高的主要原因。
[0019]目前，井下巷道內的電磁信號的傳輸模型及其對無線定位影響的研究至今還不完善，無法對無線定位精度的提升提供理論上的指導和支持。因此，常用的無線定位技術在面對礦井復雜工作環境情況下，要能夠達到實時而準確的定位，還有很多關鍵技術問題需要解決。
[0020]針對煤礦井下特殊的工作環境，國內外所應用的RFID技術、ZigBee技術、WiFi技術等井下定位技術的不足之處主要體現為幾個方面:
[0021]定位精度不準確，特別是在彎曲巷道、采掘工作面(時變)等場景，定位可靠性和有效性很差，存在嚴重的漏檢、錯檢問題，而且難以解決；
[0022]現有使用的定位系統多數為區域定位，隨著信息化礦井建設的推進，迫使區域定位技術向精確定位技術升級；通信、人員定位子系統各成體系，沒有統一的無線端技術方案、接入站點部署等網絡平臺，系統重復建設，致使資源浪費且效率低下，與工業信息化和礦山物聯網發展方向相背離。
[0023]本發明引入陀螺儀，采用陀螺儀與WiFi相結合的定位技術，能得到很高的定位精度；另外本發明中的一體化無線AP可直接通過光纜或者網線連接，形成一套有線路由，把移動終端傳來的數據、語音、視頻圖像等信息通過各分站間形成的有線路由傳到地面調度中心，進而實現井下多種綜合業務信息的傳輸。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為基于無線WiFi與陀螺儀的無線精確定位技術原理圖；
[0025]圖2為移動終端硬件組成框圖；
[0026]圖3為基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位方法流程圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。
[0028]現有的井下人員定位系統與無線通信傳輸系統之間是獨立的子系統體系，本發明的提出旨在針對礦井復雜的工程環境，研究開發無線WiFi技術與陀螺儀技術相結合的精確定位系統，適應一體化基站平臺建設的趨勢，為煤礦的信息化建設提供支持。系統結構如圖1所示:主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服務器和相應的數據庫軟構成；井下部分主要包括移動終端，電子標簽，無線AP等。
[0029]為實現一體化無線AP之間的無縫漫游，可采用多個網關組成一個分級結構，每個網關負責多個無線AP，當在同一個網關的各個AP之間漫游時，由該網關控制信息傳送；當需要與不同網關的無線AP之間漫游時，則令網關從更高級別的網關中獲取業務信息。一體化無線AP可直接通過光纜或者網線連接，形成一套有線路由，把移動終端傳來的數據、語音、視頻圖像等信息通過各分站間形成的有線路由傳到地面調度中心。
[0030]移動終端是本發明的核心部分，主要由定位模塊，處理模塊，WiFi模塊，電源部分組成，其中定位模塊主要由WiFi模塊，陀螺儀數據采集處理模塊組成，如圖2所示:
[0031 ] 處理模塊采用ARM處理系統，處理模塊連接移動終端和WiFi模塊，定位模塊中的WiFi模塊的功能為采集輸出定位信息，采用串行通信方式定時輸出到處理模塊。陀螺儀數據采集處理模塊的功能為:把所測量的相對慣性空間的三個轉角速度和三個線加速度沿定位儀坐標系的分量，經過坐標變換，把加速度信息轉化為沿導航坐標系的加速度，并計算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態等信息，然后輸出到處理模塊。處理模塊接收到WiFi定位信息和陀螺儀數據信息，對信息進行處理校正，判斷信息是否可用，然后將定位結果輸出至WiFi模塊。
[0032]WiFi模塊根據通信協議接收處理模塊輸出的定位信息，并將定位結果輸出到WiFi接入點AP。WiFi接入點AP可以固定在井下的通道壁上，利用光纖與總控制器連接，總控制器將收到的數據進行打包整理通過以太網傳送到地面監控計算機。當人員經過電子標簽時，電子標簽進入讀卡器的發射天線工作區，讀卡器和WiFi模塊負責周期性的讀取和傳送電子標簽信息，并傳送到相應的數據庫中。
[0033]地面計算機接收到來自WiFi接入點AP的信號，從數據庫中讀出該讀卡器的相關采集信息，實現對人員信息的采集記錄、分析處理，使管理人員能及時準確的查詢各種信息，特別是當發生事故時，可及時了解人員的準確分布情況。
[0034]定位系統將煤礦井下的地理位置主要是基于無線WiFi并依據定位精度的需求在井下巷道進行標識的布防，并將這些地理位置資料存儲在井上定位服務器中，其對應的定位原理如圖1所示。
[0035]如圖3所示，礦工所攜帶的移動終端依據所采集到的信息判斷WiFi信號是否較強，若信號較強則依據WiFi信號來確定井下人員和設備位置，將定位數據傳到AP，然后發送到井上服務器進行分析識別，從而實現井下人員和設備的精確定位。若WiFi信號較弱，則用陀螺儀定位，根據讀取的數字信息標識碼確定井下人員及移動設備的地理位置信息，并根據定位目標的移動角度變化精確定位其移動距離、速度與軌跡。然后，通過集成在移動終端上的WiFi模塊將獲取的定位信息發送給與井下以太網相連的接入點AP，并將信息傳送給井上的定位服務器進行分析識別，從而實現井下人員及移動設備的精確定位。
[0036]其中井上定位服務器由服務器和相應的數據庫構成，負責整個定位系統的管理與控制，從而實現對井下人員及相應的設備進行實時監控。WiFi接入點AP可以固定在井下的通道壁上，利用光纖與總控制器連接，總控制器將收到的數據進行打包整理通過以太網傳送到地面監控計算機。當人員經過電子標簽時，電子標簽進入讀卡器的發射天線工作區，讀卡器和WiFi模塊負責周期性的讀取和傳送電子標簽信息，并傳送到相應的數據庫中。地面計算機接收到來自WiFi接入點AP的信號，從數據庫中讀出該讀卡器的相關采集信息，實現對人員信息的采集記錄、分析處理，使管理人員能及時準確的查詢各種信息，特別是當發生事故時，可及時了解人員的分布情況，為營救工作提供了便利。
[0037]為實現一體化無線AP之間的無縫漫游，可采用多個網關組成一個分級結構，每個網關負責多個無線AP，當在同一個網關的各個AP之間漫游時，由該網關控制信息傳送；當需要與不同網關的無線AP之間漫游時，則令網關從更高級別的網關中獲取業務信息。
[0038]一體化無線AP可直接通過光纜或者網線連接，形成一套有線路由，把WiFi移動終端傳來的數據、語音、視頻圖像等信息通過各分站間形成的有線路由傳到地面調度中心。移動終端具備電子顯示、語音、定位等功能，并可以實時地將接收到的井下數據信息和周邊環境信息傳遞到分站，同時在脫網模式下能夠實現終端間自組網通信。
[0039]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，本發明的保護范圍不限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統，其特征在于，主要包括地面部分和井下部分，其中地面部分主要由服務器和相應的數據庫構成；井下部分主要包括移動終端，電子標簽，無線AP，所述移動終端由井下人員攜帶，由定位模塊，處理模塊，WiFi模塊和電源部分組成，其中，定位模塊的功能:定位模塊中的WiFi模塊的功能為采集輸出定位信息，采用串行通信方式定時輸出到處理模塊；陀螺儀數據采集處理模塊的功能為:把所測量的相對慣性空間的三個轉角速度和三個線加速度沿定位儀坐標系的分量，經過坐標變換，把加速度信息轉化為沿導航坐標系的加速度，并計算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態等信息，然后輸出到處理模塊；處理模塊的功能是:處理模塊采用ARM處理系統，處理模塊連接移動終端和WiFi模塊，處理模塊接收到WiFi定位信息和陀螺儀數據信息，采用卡爾曼濾波算法對信息進行處理校正，判斷信息是否可用，然后將定位結果輸出至WiFi模塊；WiFi模塊的功能:WiFi模塊根據通信協議接收處理模塊輸出的定位信息，并將定位結果輸出到WiFi接入點AP ;電源部分的功能是為各模塊供電，保證他們的正常工作，移動終端的數據通過井下AP傳輸到井上，WiFi接入點AP固定在井下的通道壁上，利用光纖與總控制器連接，總控制器將收到的數據進行打包整理通過以太網傳送到地面監控計算機，當人員經過電子標簽時，電子標簽進入讀卡器的發射天線工作區，讀卡器和WiFi模塊負責周期性的讀取和傳送電子標簽信息，并傳送到相應的數據庫中，地面計算機接收到來自WiFi接入點AP的信號，從數據庫中讀出該讀卡器的相關采集信息，實現對人員信息的采集記錄、分析處理，使管理人員能及時準確的查詢各種信息，特別是當發生事故時，及時了解人員的分布情況，為營救工作提供了便利。
2.根據權利要求1所述的基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統，其特征在于，采用多個網關組成一個分級結構，每個網關負責多個無線AP，當在同一個網關的各個AP之間漫游時，由該網關控制信息傳送；當需要與不同網關的無線AP之間漫游時，則令網關從更高級別的網關中獲取業務信息。
3.根據權利要求2所述的基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位系統，其特征在于，所述一體化無線AP直接通過光纜或者網線連接，形成一套有線路由，把WiFi移動終端傳來的數據、語音、視頻圖像等信息通過各分站間形成的有線路由傳到地面調度中心，移動終端具備電子顯示、語音、定位的功能，并實時地將接收到的井下數據信息和周邊環境信息傳遞到分站，同時在脫網模式下能夠實現終端間自組網通信。
4.一種基于無線WiFi與陀螺儀相結合的井下無線精確定位方法，其特征在于，包括以下步驟:礦工所攜帶的移動終端依據所采集到的信息判斷WiFi信號是否較強，若信號較強則依據WiFi信號來確定井下人員和設備位置，經過處理模塊處理后通過WiFi模塊將定位數據傳到AP，然后發送到井上服務器進行分析識別，從而實現井下人員和設備的精確定位；若WiFi信號較弱，則用陀螺儀定位，根據讀取的數字信息標識碼確定井下人員及移動設備的地理位置信息，并根據定位目標的移動角度變化精確定位其移動距離、速度與軌跡；然后，通過集成在移動終端上的WiFi模塊將獲取的定位信息發送給與井下以太網相連的接入點AP，并將信息傳送給井上的定位服務器進行分析識別，從而實現井下人員及移動設備的精確定位。
【文檔編號】H04W4/04GK103957508SQ201410185266
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年5月4日
【發明者】宋金玲, 韓峰, 陳治國, 李世銀 申請人:中國礦業大學