專利名稱：一種實現(xiàn)井下礦定位導航的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線電通信、定位、測距領域，具體說利用無線電通訊技術、電子技術、計算機應用技術實現(xiàn)井下礦人員及移動設備高精度定位導航的裝置。
背景技術：
近年來，煤礦和非煤礦山井下礦在生產過程中事故時有發(fā)生，事故發(fā)生時知道井下人員的具體位置可以為救援工作提供有利條件。國家及國家安全管理部門對井下礦安全生產非常重視，推出了 “井下礦六大系統(tǒng)”的建設標準。
無線電定位技術包括GPS/北斗/格洛納斯/伽利略等常規(guī)衛(wèi)星定位方式，RFID、ZIGEBEE、WIF1、UWB、NFC等短距離無線定位方式。衛(wèi)星定位方式需要衛(wèi)星可見，在井下礦山無法使用，RFID、ZIGEBEE、WIF1、UffB, NFC等短距離無線定位方式目前在井下礦山應用較多的無線電定位技術為RFID、ZIGBEE和WIFI，UWB和NFC都處于研制階段。目前，短距離無線定位的原理多采用RSS1、T0A、TD0A和AOA等方式，TOA和TDOA需要時間精確同步和輔助設施，AOA天線技術較為復雜，低成本易實現(xiàn)的為RSSI原理或RFID方式，二者處于區(qū)域定位技術水平，定位精度不高。RFID存在漏讀現(xiàn)象；利用RSSI原理的定位方式，因無線信號的傳播特性會出現(xiàn)被定位目標在一個區(qū)域內跳動的情況，使其定位精度不高。
另外，井下人員定位設備、無線語音通信設備、照明設備、急救設備等多處于分立狀態(tài)，井下工作人員在作業(yè)期間，身上掛滿各種各樣設備，造成其負重作業(yè)，限制其靈活性。發(fā)明內容
針對現(xiàn)有無線定位技術水平，本著低成本易實現(xiàn)原則，為了減少井下礦作業(yè)人員負重，本發(fā)明提供一種高精度定位的方法及裝置，該裝置為智能頭盔。
智能頭盔主體由外殼、屏蔽層、內殼、帽檐、低功耗LED照明燈組構成，內殼采用具有緩沖性能的材料構成，屏蔽層起到防止電磁輻射作用，達到國家防輻射標準；低功耗LED照明燈組內裝嵌入式微型攝像頭和無線定位通信單元，在智能頭盔帽檐處安裝OLED顯示屏和耳麥，顯示屏采用折疊結構安裝，耳麥采用抽拉式線軸固定在智能頭盔帽檐內，整個頭盔由便攜式礦用可充電電池供電。
無線定位通信單元由無線單片機、加速度傳感器、射頻卡單元、語音解壓縮芯片、視頻編解碼芯片構成，單片機內部封裝路由協(xié)議、H.373、H.264協(xié)議和高精度定位算法。被定位目標包括井下作業(yè)人員和設備，佩戴智能頭盔的人員或安裝含有智能頭盔所集成部件的設備在井下礦作業(yè)時，人員或設備在智能無線定位通信基站覆蓋范圍內移動?？捎芍悄軣o線定位通信基站布設時設定的真實坐標劃定的虛擬區(qū)段，確定被定位目標處于哪個區(qū)域內。無線定位通信單元利用接收到的該區(qū)域內兩個端點的智能無線定位通訊基站的信號強度信息確定被定位目標的走向；再利用高精度加速度傳感器采集的X、Y、Z三軸的分量對運動時間進行雙重積分運算計算被定位目標到智能無線定位通訊基站的距離，同時智能無線定位通訊基站在厘米級的距離內識別智能頭盔射頻卡信息后將其真實坐標值發(fā)送給智能頭盔，智能頭盔的無線定位通信單元接收該基站坐標后作為運動起始點坐標，用于校正加速度傳感器帶來的累積誤差，得到被定位目標的位置坐標，實現(xiàn)高精度定位；當被定位目標不做運動時，最后定位運算結果可作為利用場強信息進行定位運算結果的修正值來確定被定位目標當前所處位置。
綜合運算的定位結果再通過無線定位通信單元的無線通信部分經(jīng)智能無線定位通信基站和環(huán)網(wǎng)設備傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。智能頭盔的無線定位通信單元的核心處理器采用路由算法，具有自身設備信息傳輸和路由功能。
本發(fā)明的有益效果:解決了無線信號跳動對定位精度的影響，減輕了井下作業(yè)人員的負重，可實現(xiàn)高精度無線定位和短距離無線通訊，實現(xiàn)井下作業(yè)人員的考勤、運動方向等信息識別和無線傳感器數(shù)據(jù)采集。除在井下礦山應用外，稍加改動還可應用在體育項目、機車駕駛的防碰撞等方面。在井下鐵礦環(huán)境下實際測試，單獨利用無線信號場強信息(RSSI)計算定位結果，定位精度10米左右；綜合利用加速度傳感器、射頻識別和信號場強信息計算定位結果，定位精度3米以內。


圖1是本發(fā)明的智能頭盔組成圖2是本發(fā)明的井下定位導航及信息采集系統(tǒng)示意圖3是本發(fā)明的無線定位通信單元示意圖；具體實施方式
本發(fā)明所實現(xiàn)的信息采集、定位、導航和語音通信功能主要由智能頭盔17和智能無線定位通信基站18實現(xiàn)。整套井下定位導航及信息采集系統(tǒng)如圖2所示，由智能頭盔17、智能無線定位通信基站18、環(huán)網(wǎng)設備19和地面監(jiān)控中心15構成。智能頭盔17與智能無線定位通信基站18通過無線信號通信，智能無線定位通信基站18通過環(huán)網(wǎng)設備19與地面監(jiān)控中心15構成有線局域網(wǎng)。
系統(tǒng)實施時，首先在井下巷道內按照智能頭盔的通信距離布置智能無線定位通訊基站，安放基站的位置利用測繪設備測量出該點三維坐標并存儲于該位置的智能無線定位通信基站內，作為智能頭盔定位運算的校正值。智能無線定位通訊基站通過光纖環(huán)網(wǎng)或CAN總線/485總線等環(huán)網(wǎng)設備19接入地面控制中心的局域網(wǎng)，構成井下定位導航及信息采集系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡。根據(jù)基站的布設形成巷道內初步區(qū)間定位的網(wǎng)格，被定位目標在定位網(wǎng)格內移動，智能頭盔內部的無線定位通信單元計算得到的高精度被定位目標三維坐標值，通過無線方式發(fā)送到智能無線定位通信基站18，再通過環(huán)網(wǎng)設備19以有線通信方式匯聚到地面監(jiān)控中心15，在監(jiān)控中心的監(jiān)視計算機的二維/三維地圖上實時顯示被定位目標的位置及運動軌跡。
智能頭盔17這個裝置在定位系統(tǒng)中起到至關重要作用，集成高亮度LED燈組1、無線定位通信單元3、顯示單元、語音通信和視頻采集單元。用高亮度LED燈組等代替現(xiàn)有礦燈，具有低功耗、長壽命優(yōu)點，同時可以為視頻采集單元提供足夠的照度；實現(xiàn)照明、視頻采集、無線通訊、定位、雙向語音通信和信息顯示功能，整個智能頭盔17由便攜式礦用可充電電池16供電，如圖1所示。圖1中I為低功耗LED照明燈組，其內裝有嵌入式微型攝像頭2和無線定位通信單元3，其組成示意如圖3所示，無線定位通信單元3可以嵌入到LED燈組I內，也可以放于智能頭盔17的外殼4內、內殼5外，內殼5由具有緩沖材料構成，外敷絕緣屏蔽層6，防止電磁輻射，達到國家防輻射標準。OLED顯示屏7安裝在智能頭盔帽檐8處，采用可折疊結構安裝，通過嵌入智能頭盔帽檐8內的軟排線與無線單片機10相連。耳麥9采用抽拉式線軸固定在智能頭盔帽檐8內，通過音頻線與無線定位通信單元3連接。
無線定位通信單元3由無線單片機10、加速度傳感器11、射頻卡單元12等構成。無線單片機10的IO接口與加速度傳感器11、語音解壓縮芯片13、視頻編解碼芯片14相連接，語音解壓縮芯片13與耳麥9軟連接；視頻編解碼芯片14與微型攝像頭2軟連接。無線單片機10內部封裝路由協(xié)議、H.373、H.264協(xié)議和高精度定位算法，實現(xiàn)語音/視頻的編解碼、定位解算和路由轉發(fā)功能。視頻、語音、定位信息通過無線單片機10采集運算、壓縮打包處理后通過無線方式發(fā)送到智能無線定位通訊基站18，再經(jīng)與智能無線定位通信基站18相連的環(huán)網(wǎng)設備19上傳到地面監(jiān)控中心15，定位信息在地面監(jiān)控中心15的監(jiān)視計算機上的二維/三維地圖上實時顯示，實現(xiàn)被定位目標的監(jiān)控和運動軌跡回放。地面監(jiān)控中心15的調度信息，報警信息、逃生路線通過環(huán)網(wǎng)設備19再經(jīng)智能無線定位通訊基站18發(fā)送到智能頭盔17內的無線單片機10，由無線單片機10經(jīng)數(shù)據(jù)線送到顯示屏上7顯示，被定位目標可以根據(jù)顯示屏7上顯示的信息或路線圖指示作業(yè)或逃生，實現(xiàn)導航功能；也可通過環(huán)網(wǎng)設備19再經(jīng)智能無線定位通訊基站18、智能頭盔內的無線單片機10及與其相連接的耳麥9實現(xiàn)與被定位目標的雙向語音通信。
權利要求
1.一種實現(xiàn)井下礦高精度定位導航的方法及裝置，其特征是由智能頭盔及其無線集成的無線定位通信單元(3)、OLED顯示屏(7)和封裝于無線定位通信單元(3)內的高精度定位算法實現(xiàn)。
2.根據(jù)權利要求1所述的高精度定位算法，其特征是在根據(jù)(18)智能無線定位通信基站布設坐標劃定的虛擬區(qū)段，確定被定位目標處于哪個區(qū)域內，無線定位通信單元(3)利用接收到的該區(qū)域內兩個端點的(18)智能無線定位通訊基站的信號強度信息確定被定位目標的走向；再利用高精度加速度傳感器(11)采集的X、Y、Z三軸的分量對運動時間進行雙重積分運算計算被定位目標到智能無線定位通訊基站(18)的距離，同時結合智能無線定位通訊基站(18)識別智能頭盔(17)內的射頻卡(12)信息后發(fā)送給智能頭盔(17)的真實坐標值，校正加速度傳感器(11)帶來的累積誤差，得到被定位目標的位置坐標，實現(xiàn)高精度定位；當被定位目標不做運動時，最后定位運算結果可作為利用場強信息進行定位運算結果的修正值來確定被定位目標當前所處位置。
3.根據(jù)權利要求1所述的智能頭盔，其特征是集成LED照明燈組(1)，其內嵌嵌入式微型攝像頭(2)和無線定位通信單元(3)，嵌入式微型攝像頭(2)通過數(shù)據(jù)線與無線定位通信單元(3)上的視頻編解碼芯片(14)相連接；智能頭盔主體由外殼(4)、內殼(5)、帽檐(8)構成，內殼(5)由具有緩沖性能的材料構成，外敷絕緣屏蔽層(6)，防止電磁輻射，達到國家防輻射標準；0LED顯示屏(7)安裝在智能頭盔帽檐(8)處，采用折疊結構安裝，通過嵌入智能頭盔帽檐(8)內的軟排線與無線定位通信單元(3)上的無線單片機(10)相連，耳麥(9)采用抽拉式線軸固定在智能頭盔帽檐(8)內，通過音頻線與無線定位通信單元(3)上的語音解壓縮芯片(13)連接，整個頭盔由便攜式礦用可充電電池(16)供電。
4.根據(jù)權利要求3所述的無線定位通信單元，其特征是其由無線單片機(10)、加速度傳感器(11)、射頻卡單元(12)、語音解壓縮芯片(13)、視頻編解碼芯片(14)構成，無線單片機(10)的IO接口與加速度傳感器(11)、語音解壓縮芯片(13)、視頻編解碼芯片(14)相連接，無線單片機(10)內部封裝路由協(xié)議、H.373、H.264協(xié)議和高精度定位算法，視頻、語音、定位信息通過無線單片機(10)采集、運算、壓縮處理后通過無線方式發(fā)送到(18)智能無線定位通訊基站，再經(jīng)與(18)智能無線定位通信基站相連的(19)環(huán)網(wǎng)設備上傳到地面監(jiān)控中心(15);地面監(jiān)控中心(15)也可通過(19)環(huán)網(wǎng)設備、(18)智能無線定位通信基站這條鏈路將調度信息、報警信息、逃生路線發(fā)送到(17)智能頭盔的(7)顯示屏上，為被定位目標實現(xiàn)作業(yè)或逃生導航。
全文摘要
本次公開的一種實現(xiàn)井下礦高精度定位導航的方法及裝置，涉及無線電通信、定位、測距領域，可實現(xiàn)井下礦人員及移動設備高精度定位導航。利用無線通信場強信息判斷被定位目標的運動方向，利用加速度傳感器對時間的雙重積分測算被定位目標與智能無線定位通信基站的距離，并利用近距離射頻識別卡判別后通過無線定位通信單元接收智能無線定位通訊基站發(fā)送的坐標值，校正加速度傳感器的累積誤差，實現(xiàn)高精度定位，實現(xiàn)該定位方法的裝置為智能頭盔。智能頭盔集成了無線定位通信單元，低功耗LED燈組，嵌入式微型攝像頭，OLED顯示屏和耳麥，通過智能無線定位通訊基站和環(huán)網(wǎng)設備與地面監(jiān)控中心的交互，實現(xiàn)視頻采集、傳輸，雙向語音通信、定位導航等功能。
文檔編號E21F17/18GK103188604SQ20111045585
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權日2011年12月31日
發(fā)明者石國峰, 黃金英, 何文超, 常微, 樵永鋒, 呂濤, 張海波 申請人:丹東東方測控技術有限公司