[实用新型]地下扫描卫星高精度跟踪定位装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种跟踪定位方法及装置，特别是一种地下扫描卫星高精度跟踪定位装置。

背景技术

目前随着我国煤矿开采深度逐渐增大和采掘条件越来越恶劣，使得对矿工的安全威胁也愈来愈大。因此，发展“地下无人采掘技术”是根本的解决方法，也是国内外煤炭行业共同追求的前沿技术。而如何提高采掘作业空间中采掘装备跟踪定位精度是地下无人采掘所面临的一个亟待解决的关键科学问题。

跟踪定位技术主要是针对于一个或多个空间物体的位置姿态进行实时测量。对于无GPS信号的煤矿井下移动目标的跟踪定位技术近年来也得到了一定的重视，其定位方法按照所使用传感器位置的不同主要可以划分为两大类：(l)基于外部传感器的定位方法（无线定位技术、红外线定位技术、超声波定位技术、计算机视觉定位技术等）；(2)基于自包含传感器的定位方法（加速度计、陀螺仪、里程计、磁罗盘等）。

无线定位技术是通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断被测物体的位置。无线定位技术的应用，主要包括：射频识别、蓝牙、超宽带、Wi-Fi和Zigbee等。①射频识别（RFID）技术是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到目标的识别和定位。但其作用距离短一般为几米；定位精度是20cm数量级。②超宽带（UWB）技术它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒级的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带的定位精度是15cm数量级，通常定位距离限定在20m左右。③蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，但对于地下复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性较差，受噪声信号干扰大。④Wi-Fi收发器都只能覆盖几十米以内的空间，定位精度完全依赖于Wi-Fi网络的部署情况，在Wi-Fi信号密集时，精度可达1米，且Wi-Fi信号很容易受到其他信号的干扰，从而影响其定位精度。⑤Zigbee技术是近年来新兴的短距离、低速率的无线网络技术，其性能介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于地下定位。目前，国内外所使用的无线定位技术仅在井下人员定位和跟踪方面有应用报道，从技术本质上说仅仅是一种考勤记录系统或者仅停留在粗略定位的层面上，完成大致位置确定，而非真正的、精确的跟踪定位。

红外线定位技术的原理是由红外线IR发射经过调制的红外射线，再由光学传感器接收这些红外射线，实现对目标的定位。但红外线定位技术定位精度不高，传输距离较短导致在地下环境中的定位效果很差，而且容易被荧光灯和地下其他灯光干扰，在精确定位上有一定的局限性。

超声波定位技术采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。由于超声波易受多径效应和井下复杂环境的影响，因而限制了它在煤矿井下的继续发展。

计算机视觉定位技术是指用摄影机和电脑代替人眼对目标进行识别、跟踪和采集，通过对采集的图片或视频进行处理以获得被测目标的位置和姿态数据。视觉定位技术虽然具有相对高的定位精度，但定位的距离短。这些限制了计算机视觉定位技术在煤矿井下的发展。

除了上述方法外，还有学者利用图像分析、磁场以及信标定位等方法进行研究。

基于自包含传感器的定位方法主要有加速度计、陀螺仪、里程计、磁罗盘等。

陀螺仪和加速度计是直接测量被测目标在运动方向上的角速度和线性加速度，通过对加速度和角速度进行积分运算，获得被测目标的位置和姿态数据。里程计是利用齿轮计数的原理得到被测目标行走齿轮的转数，转数乘以行走齿轮的周长得到设备行走的距离，从而确定设备在工作面的位置。磁罗盘是根据指南针原理制成的，利用地磁场固有的指向性测量目标的空间姿态角度，获得目标的姿态数据。

从已有研究成果来看，有关上述方面的研究尚存在如下问题：

(1)无线电跟踪定位技术是近年来研究的热门方向，但由于无线电波自身特性的限制导致其跟踪定位的精度都不高，无法满足“地下无人采掘”对采掘装备高精度跟踪定位的要求（达到亚厘米级）。

(2)红外线定位测量距离太近，超声波易受多径效应和井下复杂环境影响，计算机视觉的定位距离短且易受光照影响，另外他们也无法满足“地下无人采掘”对采掘装备高精度跟踪定位的要求。

影响使其误差不断增大（可达到米级），导致其无法满足“地下无人采掘”对采掘装备高精度跟踪定位的要求。另外，他们获取的仅是采掘装备位置和姿态的相对值而并非三维空间内的绝对值，不能作为采掘装备自动控制的依据。