地磁與rfid 射頻結(jié)合的井下定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法。步驟是：巷道安裝RFID射頻識(shí)別卡、人工磁標(biāo)，井下人員定位裝置中組裝信息采集器、地磁傳感器；繪制井下巷道圖、井下地磁分布圖、巷道射頻識(shí)別卡分布圖；井下人員隨身攜帶井下定位裝置；巷道內(nèi)RFID射頻識(shí)別卡發(fā)送帶有編號(hào)的無線信號(hào)，井下定位裝置接收無線信號(hào)，記錄并判斷該無線信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行位置匹配粗計(jì)算，并顯示井下人員當(dāng)前位置；井下天然地磁場(chǎng)和人工磁標(biāo)疊加形成井下磁場(chǎng)，井下定位裝置的地磁傳感器接收磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，記錄并進(jìn)行位置匹配精計(jì)算，同時(shí)顯示井下人員當(dāng)前精確位置。本發(fā)明在井下發(fā)生供電中止或信號(hào)中斷情況下，可完成井下人員定位導(dǎo)航，且定位精度高。
【專利說明】地磁與RF ID射頻結(jié)合的井下定位方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及井下定位技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法。
【背景技術(shù)】
[0003]井下定位和緊急避險(xiǎn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)井下安全生產(chǎn)和監(jiān)督管理的關(guān)鍵保障，當(dāng)?shù)V井出現(xiàn)危險(xiǎn)事故時(shí)，井下人員或參與救援人員需要借助定位技術(shù)來準(zhǔn)確、快速地掌握當(dāng)前所處的準(zhǔn)確位置，獲取周圍避險(xiǎn)設(shè)置的分布信息，分析自己逃生或救援的最優(yōu)路徑，躲避災(zāi)害影響范圍，從而保證避險(xiǎn)或救援過程的生命安全。
[0004]現(xiàn)有的井下定位方法的原理是:井下工作人員身上安裝射頻定位卡或無線定位終端，井下巷道不同位置安裝射頻信息采集器或無線定位基站。攜帶有識(shí)別卡或無線定位終端的人員在經(jīng)過井下放置的讀卡器或無線定位基站時(shí)，相應(yīng)接收裝置就可以讀取到井下人員位置信息，然后通過數(shù)據(jù)傳輸線把信息輸送到監(jiān)控終端。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)井下不同區(qū)域的人員運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，使管理人員及時(shí)了解井下人員的分布、數(shù)量及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0005]采用上述井下定位技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸和定位識(shí)別是井下人員的被動(dòng)式定位。在井下正常生產(chǎn)狀態(tài)下，礦井監(jiān)控設(shè)備可以監(jiān)測(cè)到井下人員位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，但是井下人員無法實(shí)時(shí)獲取自己所處空間坐標(biāo)，分析避險(xiǎn)或救援最優(yōu)路徑，無法實(shí)現(xiàn)按需求的定位導(dǎo)航。這種井下定位技術(shù)完全依賴于網(wǎng)絡(luò)電源的發(fā)射與接收，一旦井下受災(zāi)害，發(fā)生供電中止或信號(hào)中斷情況，將無法完成井下人員的定位，無法實(shí)現(xiàn)避險(xiǎn)或救援過程中的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。這種現(xiàn)有定位方法精度依賴于巷道射頻信息采集器安裝間隔，計(jì)算出的井下人員位置不準(zhǔn)確，定位精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中井下人員定位的不足，而提供一種地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，該井下定位方法能夠提高井下定位精度，解決井下發(fā)生災(zāi)害后，在無電、無網(wǎng)絡(luò)情況下井下人員逃生定位導(dǎo)航和救援人員定位搜救的難題。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是:
一種地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，包括以下步驟:
步驟1:在巷道特定位置安裝RFID射頻識(shí)別卡、人工磁標(biāo)，井下人員攜帶定位裝置，在定位裝置中組裝射頻采集器、地磁測(cè)量傳感器；
步驟2:繪制井下巷道地形分布圖、井下地磁分布圖、巷道射頻識(shí)別卡分布圖；
步驟3:井下人員攜帶的定位裝置嵌入井下定位的應(yīng)用程序；
步驟4:巷道內(nèi)RFID射頻識(shí)別卡發(fā)送帶有編號(hào)的無線信號(hào)，井下人員攜帶定位裝置中的信息采集器接收無線信號(hào)，記錄并判斷該無線信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行位置匹配粗計(jì)算，在定位裝置的顯示屏顯示井下人員當(dāng)前位置；
步驟5:井下天然地磁場(chǎng)和人工磁體疊加形成井下磁場(chǎng)，井下人員攜帶定位裝置的地磁測(cè)量傳感器接收磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，記錄并進(jìn)行位置匹配精計(jì)算，在定位裝置的顯示屏顯示井下人員當(dāng)前精確位置。
[0008]采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:
(I)本發(fā)明是在井下天然地磁場(chǎng)基礎(chǔ)上，增加人工磁標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無源、自主的井下人員的定位，可以有效彌補(bǔ)目前井下緊急情況下無法定位的不足，實(shí)現(xiàn)井下無電、無網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)急避險(xiǎn)和救援導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)突發(fā)應(yīng)急情況下的人員定位導(dǎo)航功能。
[0009](2)本發(fā)明利用地磁與RFID射頻兩種信號(hào)組合定位，使得井下人員或移動(dòng)物體的定位實(shí)效性強(qiáng)，提高了井下定位精度。
[0010]作為優(yōu)選，本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案是:
步驟I中，在巷道主要節(jié)點(diǎn)、拐點(diǎn)與特征點(diǎn)處安裝射頻發(fā)射裝置，每個(gè)射頻發(fā)射裝置安裝一個(gè)RFID射頻識(shí)別卡，RFID射頻識(shí)別卡的位置信息保存在的射頻識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中。
[0011]步驟I中，每條巷道中每隔5米至30米布置人工磁標(biāo)，每個(gè)人工磁標(biāo)的編號(hào)和磁場(chǎng)特征信息保存于井下地磁分布數(shù)據(jù)庫(kù)中。
[0012]步驟I中，定位裝置中還安裝有射頻識(shí)別卡分布數(shù)據(jù)庫(kù)和井下地磁分布數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0013]步驟2中，井下巷道地形分布圖的圖層包含巷道長(zhǎng)度、坡度、連接方式。
[0014]步驟2中，井下地磁分布圖的圖層包含人工磁標(biāo)空間位置、編碼、磁場(chǎng)特征信息。
[0015]步驟2中，巷道射頻識(shí)別卡分布圖的圖層包含射頻識(shí)別卡發(fā)射裝置的位置、編碼信息。
[0016]步驟3中，井下定位的應(yīng)用程序包含有射頻信號(hào)采集與匹配模塊、地磁測(cè)量與匹配模塊、井下定位分析與顯示模塊。
[0017]步驟4中，巷道內(nèi)的RFID射頻識(shí)別卡每隔0.5秒至I秒發(fā)送一次含有該RFID射頻識(shí)別卡編號(hào)的無線信號(hào)。
[0018]步驟5中，地磁測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量井下巷道的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)人員連續(xù)行走2米至5米時(shí)，地磁測(cè)量傳感器生成一個(gè)地磁特征序列，構(gòu)成井下人員行走路線地磁實(shí)時(shí)向量；井下定位的應(yīng)用程序根據(jù)行走路線地磁實(shí)時(shí)向量，進(jìn)行數(shù)字地圖匹配與分析，顯示井下人員當(dāng)前所在地的精確空間坐標(biāo)。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的定位示意圖；
圖中標(biāo)記:S1-第一位置射頻發(fā)射裝置，S2-第二位置射頻發(fā)射裝置，S3-第三位置射頻發(fā)射裝置，S4-第四位置射頻發(fā)射裝置，S1-第i位置射頻發(fā)射裝置(i=5,6,---9)，M1-1號(hào)人工磁體肩2-2號(hào)人工磁體肩3-3號(hào)人工磁體肩丨-第丨號(hào)人工磁體(丨=4，5，"_8)，？01-井下人員。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但實(shí)施例不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。
[0021 ]參見圖1，一種地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，按下述步驟進(jìn)行: 步驟1:在巷道特定位置安裝RFID射頻識(shí)別卡、人工磁標(biāo)，井下人員攜帶定位裝置，在定位裝置中組裝射頻采集器、地磁測(cè)量傳感器，具體為:
①在一條巷道兩個(gè)端點(diǎn)、巷道拐點(diǎn)處安裝射頻發(fā)射裝置，每個(gè)射頻發(fā)射裝置內(nèi)部安裝一個(gè)RFID射頻識(shí)別卡，RFID射頻識(shí)別卡發(fā)射數(shù)據(jù)為射頻識(shí)別卡編號(hào)，巷道內(nèi)的RFID射頻識(shí)別卡信息保存在射頻識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中，此數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)為射頻識(shí)別卡編號(hào)、點(diǎn)空間位置X坐標(biāo)、點(diǎn)空間位置Y坐標(biāo)、點(diǎn)標(biāo)高；
②每條巷道中部每隔5米至30米布置人工磁標(biāo)，每個(gè)人工磁標(biāo)有單獨(dú)的磁標(biāo)編號(hào)。磁標(biāo)安放前，應(yīng)完成測(cè)量人工磁標(biāo)的磁場(chǎng)特征標(biāo)定測(cè)量，并把人工磁體編號(hào)、磁場(chǎng)特征、磁體安裝的空間信息即點(diǎn)X坐標(biāo)、點(diǎn)Y坐標(biāo)信息保存于井下地磁分布數(shù)據(jù)庫(kù)中；
③井下人員攜帶定位裝置為小型電子平板接收集成裝置，裝置嵌入了射頻信號(hào)采集器電子元件和地磁測(cè)量傳感器電子元件。
[0022]步驟2:運(yùn)用數(shù)字繪圖平臺(tái)繪制井下巷道地形分布圖、井下地磁分布圖、巷道射頻識(shí)別卡分布圖等，將生成分布圖層轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入井下定位的應(yīng)用程序的基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)庫(kù)中；
井下巷道地形分布圖的圖層包含巷道長(zhǎng)度、坡度、連接方式；
井下地磁分布圖的圖層包含人工磁標(biāo)空間位置、編碼、磁場(chǎng)特征信息；
巷道射頻識(shí)別卡分布圖的圖層包含射頻識(shí)別卡發(fā)射裝置的位置、編碼信息。
[0023]步驟3:井下人員攜帶定位裝置安裝井下定位的應(yīng)用程序，是通過編程語(yǔ)言開發(fā)的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位應(yīng)用程序，應(yīng)用程序包含有射頻信號(hào)采集與匹配模塊、地磁測(cè)量與匹配模塊、井下定位分析與顯示模塊，應(yīng)用程序可以自動(dòng)采集無線信號(hào)、地磁實(shí)時(shí)向量，完成井下人員動(dòng)態(tài)定位匹配計(jì)算與顯示;具體為:
①射頻信號(hào)采集與匹配模塊功能是:井下人員隨身攜帶定位裝備的射頻采集器，自動(dòng)采集無線信號(hào)后生成數(shù)組，導(dǎo)入井下巷道射頻發(fā)射裝置分布屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行相關(guān)點(diǎn)檢索運(yùn)算；
②地磁測(cè)量與匹配模塊功能是:井下人員隨身攜帶定位裝備的地磁測(cè)量傳感器，自動(dòng)探測(cè)行走路線磁場(chǎng)，生成地磁實(shí)時(shí)向量，導(dǎo)入井下巷道磁場(chǎng)分布屬性數(shù)據(jù)，進(jìn)行定位匹配運(yùn)算；
③井下定位分析與顯示模塊功能是:將兩種定位方式運(yùn)算出的定位信息在井下基準(zhǔn)圖上可視化顯示，在井下人員隨身攜帶定位裝備的顯示屏上顯示井下基準(zhǔn)圖，并動(dòng)態(tài)顯示人員行走路線及空間位置。
[0024]步驟4:利用射頻信號(hào)對(duì)井下人員完成定位，定位精度一般為10米至50米之間，具體為:
①巷道RFID射頻識(shí)別卡每隔0.5秒至I秒自動(dòng)發(fā)送帶有其編號(hào)的無線信號(hào)，井下人員POl攜帶定位裝置行走在巷道中；
②井下人員POl攜帶定位裝置射頻采集器可接收到若干個(gè)射頻識(shí)別卡無線信號(hào)，POl定位裝置記錄并對(duì)比若干個(gè)無線信號(hào)信號(hào)強(qiáng)度，認(rèn)為此次輸入信號(hào)強(qiáng)度最大的編號(hào)SI為為井下人員POl最近點(diǎn)；
③設(shè)定SI編號(hào)為檢索關(guān)鍵字段，進(jìn)行射頻識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)匹配運(yùn)算，輸出SI編號(hào)點(diǎn)空間位置的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和標(biāo)高，在定位裝置顯示屏上的井下巷道分布電子地圖上SI點(diǎn)附近顯示井下人員POl圖標(biāo)。
[0025]步驟5:利用地磁信號(hào)的井下人員定位為精確定位，定位精度一般為I米至2米之間，具體為:
①巷道中安裝的人工磁標(biāo)與地球天然磁場(chǎng)疊加，共同形成井下磁場(chǎng)，井下人員POl攜帶定位裝置中的地磁傳感器可以連續(xù)感應(yīng)并接收行走過程中井下磁場(chǎng)強(qiáng)度；
②井下人員POl連續(xù)行走2米至5米左右，隨身攜帶定位裝置地磁傳感器可以獲得一個(gè)地磁分布的特征序列，可以轉(zhuǎn)換為井下人員POl行走路線地磁實(shí)時(shí)向量；
③設(shè)地磁實(shí)時(shí)向量為數(shù)字向量匹配計(jì)算特征向量，導(dǎo)入井下地磁分布基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成進(jìn)行數(shù)字匹配與分析，計(jì)算出井下人員POl當(dāng)時(shí)行走所處精確空間坐標(biāo)，在定位裝置顯示屏上的井下巷道分布電子地圖上顯示井下人員POl圖標(biāo)。
[0026]本實(shí)施例上述人員定位模式，具體為:
(I)當(dāng)井下安全生產(chǎn)狀態(tài)良好時(shí)，RFID射頻定位與地磁定位兩種工作模式同時(shí)開啟，同時(shí)參與定位解算;RFID射頻定位粗略位置，可以作為地磁定位的匹配計(jì)算初始向量，參與匹配過程，提高軟件解算的效率和精度。
[0027](2)當(dāng)井下發(fā)生災(zāi)害，無法提供電磁信號(hào)發(fā)射時(shí)，地磁定位模式單獨(dú)運(yùn)行;根據(jù)測(cè)量地磁向量序列，進(jìn)行匹配解算，對(duì)井下人員空間位置進(jìn)行定位，并為井下人員避險(xiǎn)提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航服務(wù)。
[0028]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，盡管參照優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專利作了詳細(xì)說明，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，但不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:在巷道特定位置安裝RFID射頻識(shí)別卡、人工磁標(biāo)，井下人員攜帶定位裝置，在定位裝置中組裝射頻采集器、地磁測(cè)量傳感器； 步驟2:繪制井下巷道地形分布圖、井下地磁分布圖、巷道射頻識(shí)別卡分布圖； 步驟3:井下人員攜帶的定位裝置嵌入井下定位的應(yīng)用程序； 步驟4:巷道內(nèi)RFID射頻識(shí)別卡發(fā)送帶有編號(hào)的無線信號(hào)，井下人員攜帶定位裝置中的信息采集器接收無線信號(hào)，記錄并判斷該無線信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行位置匹配粗計(jì)算，在定位裝置的顯示屏顯示井下人員當(dāng)前位置； 步驟5:井下天然地磁場(chǎng)和人工磁體疊加形成井下磁場(chǎng)，井下人員攜帶定位裝置的地磁測(cè)量傳感器接收磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，記錄并進(jìn)行位置匹配精計(jì)算，在定位裝置的顯示屏顯示井下人員當(dāng)前精確位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟I中，在巷道主要節(jié)點(diǎn)、拐點(diǎn)與特征點(diǎn)處安裝射頻發(fā)射裝置，每個(gè)射頻發(fā)射裝置安裝一個(gè)RFID射頻識(shí)別卡，RFID射頻識(shí)別卡的位置信息保存在的射頻識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟I中，每條巷道中每隔5米至30米布置人工磁標(biāo)，每個(gè)人工磁標(biāo)的編號(hào)和磁場(chǎng)特征信息保存于井下地磁分布數(shù)據(jù)庫(kù)中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟I中，定位裝置中還安裝有射頻識(shí)別卡分布數(shù)據(jù)庫(kù)和井下地磁分布數(shù)據(jù)庫(kù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟2中，井下巷道地形分布圖的圖層包含巷道長(zhǎng)度、坡度、連接方式。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟2中，井下地磁分布圖的圖層包含人工磁標(biāo)空間位置、編碼、磁場(chǎng)特征信息。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟2中，巷道射頻識(shí)別卡分布圖的圖層包含射頻識(shí)別卡發(fā)射裝置的位置、編碼信息。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟3中，井下定位的應(yīng)用程序包含有射頻信號(hào)采集與匹配模塊、地磁測(cè)量與匹配模塊、井下定位分析與顯示模塊。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟4中，巷道內(nèi)的RFID射頻識(shí)別卡每隔0.5秒至I秒發(fā)送一次含有該RFID射頻識(shí)別卡編號(hào)的無線信號(hào)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁與RFID射頻結(jié)合的井下定位方法，其特征在于:步驟5中，地磁測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量井下巷道的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)人員連續(xù)行走2米至5米時(shí)，地磁測(cè)量傳感器生成一個(gè)地磁特征序列，構(gòu)成井下人員行走路線地磁實(shí)時(shí)向量;井下定位的應(yīng)用程序根據(jù)行走路線地磁實(shí)時(shí)向量，進(jìn)行數(shù)字地圖匹配與分析，顯示井下人員當(dāng)前所在地的精確空間坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】E21F17/18GK105863735SQ201610401387
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月10日
【發(fā)明人】汪金花, 郭立穩(wěn), 張亞靜, 白洋, 李衛(wèi)強(qiáng)
【申請(qǐng)人】華北理工大學(xué)