[发明专利]一种实现井下矿定位导航的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线电通信、定位、测距领域，具体说利用无线电通讯技术、电子技术、计算机应用技术实现井下矿人员及移动设备高精度定位导航的装置。

背景技术

近年来，煤矿和非煤矿山井下矿在生产过程中事故时有发生，事故发生时知道井下人员的具体位置可以为救援工作提供有利条件。国家及国家安全管理部门对井下矿安全生产非常重视，推出了“井下矿六大系统”的建设标准。

无线电定位技术包括GPS/北斗/格洛纳斯/伽利略等常规卫星定位方式，RFID、ZIGEBEE、WIFI、UWB、NFC等短距离无线定位方式。卫星定位方式需要卫星可见，在井下矿山无法使用，RFID、ZIGEBEE、WIFI、UWB、NFC等短距离无线定位方式目前在井下矿山应用较多的无线电定位技术为RFID、ZIGBEE和WIFI，UWB和NFC都处于研制阶段。目前，短距离无线定位的原理多采用RSSI、TOA、TDOA和AOA等方式，TOA和TDOA需要时间精确同步和辅助设施，AOA天线技术较为复杂，低成本易实现的为RSSI原理或RFID方式，二者处于区域定位技术水平，定位精度不高。RFID存在漏读现象；利用RSSI原理的定位方式，因无线信号的传播特性会出现被定位目标在一个区域内跳动的情况，使其定位精度不高。

另外，井下人员定位设备、无线语音通信设备、照明设备、急救设备等多处于分立状态，井下工作人员在作业期间，身上挂满各种各样设备，造成其负重作业，限制其灵活性。

发明内容

针对现有无线定位技术水平，本着低成本易实现原则，为了减少井下矿作业人员负重，本发明提供一种高精度定位的方法及装置，该装置为智能头盔。

智能头盔主体由外壳、屏蔽层、内壳、帽檐、低功耗LED照明灯组构成，内壳采用具有缓冲性能的材料构成，屏蔽层起到防止电磁辐射作用，达到国家防辐射标准；低功耗LED照明灯组内装嵌入式微型摄像头和无线定位通信单元，在智能头盔帽檐处安装OLED显示屏和耳麦，显示屏采用折叠结构安装，耳麦采用抽拉式线轴固定在智能头盔帽檐内，整个头盔由便携式矿用可充电电池供电。

无线定位通信单元由无线单片机、加速度传感器、射频卡单元、语音解压缩芯片、视频编解码芯片构成，单片机内部封装路由协议、H.373、H.264协议和高精度定位算法。被定位目标包括井下作业人员和设备，佩戴智能头盔的人员或安装含有智能头盔所集成部件的设备在井下矿作业时，人员或设备在智能无线定位通信基站覆盖范围内移动。可由智能无线定位通信基站布设时设定的真实坐标划定的虚拟区段，确定被定位目标处于哪个区域内。无线定位通信单元利用接收到的该区域内两个端点的智能无线定位通讯基站的信号强度信息确定被定位目标的走向；再利用高精度加速度传感器采集的X、Y、Z三轴的分量对运动时间进行双重积分运算计算被定位目标到智能无线定位通讯基站的距离，同时智能无线定位通讯基站在厘米级的距离内识别智能头盔射频卡信息后将其真实坐标值发送给智能头盔，智能头盔的无线定位通信单元接收该基站坐标后作为运动起始点坐标，用于校正加速度传感器带来的累积误差，得到被定位目标的位置坐标，实现高精度定位；当被定位目标不做运动时，最后定位运算结果可作为利用场强信息进行定位运算结果的修正值来确定被定位目标当前所处位置。

综合运算的定位结果再通过无线定位通信单元的无线通信部分经智能无线定位通信基站和环网设备传输到地面监控中心。智能头盔的无线定位通信单元的核心处理器采用路由算法，具有自身设备信息传输和路由功能。

本发明的有益效果：解决了无线信号跳动对定位精度的影响，减轻了井下作业人员的负重，可实现高精度无线定位和短距离无线通讯，实现井下作业人员的考勤、运动方向等信息识别和无线传感器数据采集。除在井下矿山应用外，稍加改动还可应用在体育项目、机车驾驶的防碰撞等方面。在井下铁矿环境下实际测试，单独利用无线信号场强信息(RSSI)计算定位结果，定位精度10米左右；综合利用加速度传感器、射频识别和信号场强信息计算定位结果，定位精度3米以内。

附图说明

图1是本发明的智能头盔组成图；

图2是本发明的井下定位导航及信息采集系统示意图；

图3是本发明的无线定位通信单元示意图；

具体实施方式