CN112887912B - 一种矿井人员定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人员定位领域，尤其涉及一种矿井人员定位系统及定位方法。系统包括标识卡；UWB定位基站；UWB信标；所述标识卡处于低频信号范围内时，所述标识卡用于接收所述UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、液压支架的宽度以及所述UWB定位基站所处液压支架编号定位所述标识卡的相对于该UWB定位基站的距离和方位。本申请有效解决了现有技术中矿井人员在矿井工作面与非工作面不能同时进行精准定位的问题。

Description

一种矿井人员定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及人员定位领域，尤其涉及一种矿井人员定位系统及定位方法。

背景技术

人员是煤矿开采的基础，保障人员安全是企业一直追求的目标。人员定位在煤矿生产中起着非常重要的作用。煤矿人员定位系统能够准确反映井下各区域人员及设备的实时分布情况，使管理人员随时掌握人员及设备的位置及运动轨迹，进行更加合理的调度管理。尤其是在存在安全隐患或发生紧急情况时，能尽快做出反应，减少矿山损失。

UWB定位技术是室内定位行业公认的定位精度最高的定位技术，随着技术的发展，已逐步成为煤矿企业实现精确定位的首选技术。UWB定位技术在巷道等比较空旷的环境下定位精度能到达0.3米，如此高的定位精度完全能满足目前矿井行业定位要求。

但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

现有综采工作面存在液压支架等大型设备，形成金属半封闭区域，UWB信号在该区域被反射、绕射、屏蔽，从而影响定位精度，单纯的UWB定位无法满足工作面精确定位的需求。

目前还没有一套能将矿井人员定位和综采工作面液压支架防护系统合二为一的方法，矿井工作人员要携带多张标识卡才能即可实现矿井人员定位又能实现综采工作面人员防护。

发明内容

本申请实施例通过提供一种矿井人员定位系统及定位方法，解决了现有技术中矿井人员在矿井工作面与非工作面不能同时进行精准定位的问题。

本申请实施例提供了一种矿井人员定位系统，包括：

标识卡，用于定位井下人员；

UWB定位基站，用于定位所标识卡相对于该UWB定位基站的距离和方位；

UWB信标，设于液压支架中间，并发射低频载波信号；接收所述标识卡发送携带液压支架编号信息的UWB数据。所述低频载波信号携带有所述UWB信标所对应的液压支架的编号；

其中，所述标识卡处于低频信号范围内时，所述标识卡用于接收所述UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、以及该液压支架编号所对应的液压支架的宽度定位所述标识卡的相对于该UWB定位基站的距离和方位。

作为本申请改进的技术方案，所述液压支架设有液压支架控制器；所述UWB信标通信模块连接于液压支架控制器；所述液压支架控制器用于控制液压支架的闭锁。

作为本申请改进的技术方案，所述标识卡包括标识卡控制器、低频唤醒模块以及标识卡UWB通信模块；所述标识卡控制器用于控制切换标识卡的定位方式；所述标识卡在处于所述UWB信标的信号范围内时，所述低频唤醒模块用于实现所述标识卡与所述UWB基站以及所述UWB信标之间通信；所述UWB通信模块用于按测距周期与所述UWB定位基站和所述UWB信标通信。

作为本申请改进的技术方案，所述标识卡的定位方式包括方式一与方式二；

所述方式一是指，所述标识卡位于低频信号范围外时，所述标识卡与所述UWB定位基站按设定测距周期进行双向测距；

所述方式二是指，所述标识卡位于低频信号范围内时，所述标识卡用于接收所述UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、液压支架的宽度以及自身所处液压支架编号定位所述标识卡的相对于该UWB定位基站的距离和方位。

作为本申请改进的技术方案，所述标识卡采用所述方式一定位时，低频唤醒模块始终处于休眠状态；所述标识卡采用所述方式二定位时，所述低频唤醒模块会被周期性唤醒。

作为本申请改进的技术方案，所述UWB信标之间采用UWB信号进行时钟同步。

本申请的另一目的是提供一种矿井人员定位方法，其基于一种矿井人员定位系统实现；

具体包括：

任意相邻三个UWB信标均在不同时刻发射低频载波信号；

当所述标识卡位于任意一UWB信标所发射的低频载波信号范围内时，所述标识卡接收该UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号、以及该液压支架编号所对应的液压支架的宽度，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、以及该液压支架编号所对应的液压支架的宽度定位所述标识卡的相对于该UWB定位基站的距离和方位；该UWB信标接收所述标识卡的反馈的UWB信息后，信号传递于所述液压支架控制器，以控制液压支架的闭锁；

当所述标识卡位于所述UWB信标所发射的低频载波信号范围外时，所述标识卡按设定周期与所述UWB定位基站进行双向测距。

作为本申请改进的技术方案，当所述标识卡位于多个UWB信标所发射的低频载波信号范围内时，所述标识卡根据所收到的低频载波信号的强度，向所接收的最强低频载波信号的UWB信标反馈UWB信息；同时将所述低频载波信号发送至所述UWB定位基站。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了边界清晰可调的低频载波技术手段，所以，有效解决了UWB定位在金属环绕半封闭的空间测距距离波动大定位不准的技术问题，进而实现了将人员精确的定位到某架液压支架，为综采工作面液压支架跟机自动化提供了安全保障。

综上，基于本申请的定位系统及定位方法，矿井工作人员只需携带一个标识卡即可实现全矿井人员定位和综采工作面人员定位，减轻矿井工作人员负担。同时，使综采工作面人员防护实现底层联动，防止设备伤人事故。

附图说明

图1绘示本申请标识卡与UWB定位基站之间的位置关系图；

图2绘示本申请标识卡与UWB定位基站以及UWB信标之间的位置关系图；

图3示例本申请UWB信标工作流程图；

图4示例本申请标识卡的工作流程图。

图中，1、标识卡；2、UWB定位基站；3、UWB信标；4、液压支架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本申请提供一种矿井人员定位系统及定位方法，解决现有技术中矿井人员在综采工作面与在巷道时不能采用同一定位装置进行定位的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述定位问题，总体思路如下：

通过巷道和综采工作面中布设UWB定位基站，在综采工作面的液压支架间布设UWB信标，同时在标识卡中设置低频唤醒模块与标识卡控制器，实现标识卡在不同的信号环境采用不同的定位方式进行定位。

即：在低频信号范围外，标识卡1与所述UWB定位基站2正常双向测距。

在低频信号范围内，UWB定位基站2通过判断标识卡1所处支架编号和每架液压支架4的宽度及UWB定位基站所处液压支架编号来定位标识卡的相对距离和方位。

同时，在低频信号范围内，所述UWB信标3收到所述标识卡的UWB信息后，将标识卡所处支架编号及状态通过通讯模块告知液压支架4控制器闭锁相应液压支架4。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

一种矿井人员定位系统，如图2所示，包括：包括标识卡、UWB定位基站2、UWB信标3。所述标识卡包括标识卡1控制器、低频唤醒模块和标识卡1UWB通讯模块；所述UWB定位基站2包括全向UWB天线A、全向UWB天线B和定位主站；所述UWB信标3包括控制器、低频载波信号发射模块、UWB通讯单元和液压支架4控制器通信模块。为了简化表述，后文将全向UWB天线A、全向UWB天线B简称为AB两个全向天线。

其中，标识卡1，用于定位井下人员，其中标识卡1控制器用于控制标识卡1工作方式；低频唤醒模块用于低频环境下标识卡1的定位；标识卡1UWB通信模块用于实现所述标识卡1与UWB定位基站2以及UWB信标3之间的通信。

UWB定位基站2，用于与标识卡1进行双向测距。所述UWB定位基站2的AB两个全向天线间隔一定距离(根据设计布设AB两个全向天线)，根据每个UWB定位基站2在当前巷道环境下无线信号覆盖范围，沿巷道部署多个UWB定位基站2，如图1所示。

所述标识卡处于无低频载波信号覆盖的巷道环境下时，与所述UWB定位基站2的全向天线A进行UWB测距，获得标识卡的相对距离；同时所述UWB定位基站2的全向天线B监听所述标识卡与所述全向天线A之间的UWB数据，计算出标识卡的相对方位。所述A天线将标识卡的相对距离上报给所述定位主站，同时所述全向天线B将标识卡的相对方位亦上报给所述定位主站，所述定位主站根据所述AB两个定位天线上报的距离数据和方位数据来定位所述标识卡的相对位置，然后将标识卡的相对位置上报给地面服务器；地面服务器根据UWB定位基站2的绝对位置及标识卡距离UWB定位基站2的相对位置来定位标识卡。

所述UWB信标3，部署在综采工作面每架液压支架4中间位置，图2所示，并且通过通讯模块与每架液压支架4的控制器分别连接，通过液压支架4控制器获取所属液压支架4编号，然后通过UWB通讯单元同步所有诉述UWB信标3的时钟，使任意相邻3个UWB信标3在不同时刻发射携带支架号信息的低频载波信号。所述低频载波信号是指125kHz的LF低频载波。

UWB信标3，设于液压支架4中间，并发射低频载波信号；所述低频载波信号携带有所述UWB信标3所对应的液压支架4的编号。

其中，所述标识卡1处于低频信号范围内时，所述标识卡1用于接收所述UWB信标3所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架4编号；所述UWB定位基站2用于获取所述标识卡1所对应的液压支架4编号，并根据所述标识卡1所对应的液压支架4编号定位所述标识卡1相对于该UWB定位基站2的距离和方位。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了边界清晰可调的低频载波技术手段，所以，有效解决了UWB定位在金属环绕半封闭的空间测距距离波动大定位不准的技术问题，进而实现了将人员精确的定位到某架液压支架，为综采工作面液压支架跟机自动化提供了安全保障。

实施例二

一种矿井人员定位系统，包括：

标识卡1，用于定位井下人员；

UWB定位基站2，用于定位所标识卡1相对于该UWB定位基站2的距离和方位；

UWB信标3，设于液压支架4中间，并发射低频载波信号；所述低频载波信号携带有所述UWB信标3所对应的液压支架4的编号；

其中，所述标识卡1处于低频信号范围内时，所述标识卡1用于接收所述UWB信标3所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架4编号；所述UWB定位基站2用于获取所述标识卡1所对应的液压支架4编号，并根据所述标识卡1所对应的液压支架4编号、液压支架4的宽度以及UWB定位基站2所处液压支架编号定位所述标识卡1相对于该UWB定位基站2的距离和方位。

所述液压支架4设有液压支架4控制器；所述UWB信标3通信连接于液压支架4控制器；所述液压支架4控制器用于控制液压支架4的闭锁。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

通过液压控制器控制标识卡1所处液压之间的闭锁，使综采工作面人员防护实现底层联动，防止设备伤人事故。

实施例三

一种矿井人员定位系统，包括：

标识卡，用于定位井下人员；

UWB定位基站，用于定位所标识卡相对于该UWB定位基站的距离和方位；

UWB信标，设于液压支架中间，并发射低频载波信号；接收所述标识卡发送携带液压支架编号信息的UWB数据。所述低频载波信号携带有所述UWB信标所对应的液压支架的编号；

其中，所述标识卡处于低频信号范围内时，所述标识卡用于接收所述UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、液压支架的宽度以及所述UWB定位基站所处液压支架编号定位所述标识卡的相对于该UWB定位基站的距离和方位。

所述标识卡包括标识卡控制器、低频唤醒模块以及标识卡UWB通信模块；所述标识卡控制器用于控制切换标识卡的定位方式；所述标识卡在处于所述UWB信标的信号范围内时，所述低频唤醒模块用于实现所述标识卡与所述UWB信标之间通信；所述UWB通信模块用于按设置的不同定位方式下的周期与所述UWB定位基站和所述UWB信标通信。

所述标识卡的定位方式包括方式一与方式二；

所述方式一是指，所述标识卡位于低频信号范围外时，所述标识卡与所述UWB定位基站按设定测距周期进行双向测距；

所述方式二是指，所述标识卡位于低频信号范围内时，所述标识卡用于接收所述UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、液压支架的宽度以及自身所处液压支架编号定位所述标识卡的相对于该UWB定位基站的距离和方位。

其中如图4所示，为了更好的节省能量，所述标识卡位于低频信号范围外时，低频唤醒模块始终处于休眠状态，所述标识卡与所述UWB定位基站之间根据预设周期进行测距。本实施例设为2秒，标识卡与UWB定位基站之间每2秒测一次距；所述标识卡处于低频信号范围内时，所述标识卡控制器每1秒中有500毫秒允许低频唤醒模块唤醒，唤醒后标识卡将标识卡状态信息(电池电量和呼叫状态，呼叫状态是指矿井人员遇到紧急情况向地面发出求救信号)、标识卡所处支架信息广播到UWB定位基站与UWB信标，然后关闭低频唤醒模块，并在500毫秒后再允许重新唤醒。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

标识卡工作流程图中允许低频唤醒中断：标识卡的低频唤醒模块在无低频唤醒信号时处于休眠状态，比较省电，有低频唤醒信号后CPU再开始工作，工作时比较耗电。

实施例四

设置UWB低频信标的LF低频信号范围，使其横向最远覆盖1.5个液压支架宽度，并使任意相邻三个所述UWB信标均在不同时刻发射低频载波信号，以避免不同UWB信标的低频载波信号之间相互干扰。

如图3所示，为了使任意相邻三个UWB信标均在不同时刻发射低频载波信号。

所述UWB信标采用如下步骤：

所述通过UWB通讯单元同步UWB信标的方法是：UWB定位基站通过全向定位天线A周期性广播自身系统时钟计数Tsys，UWB信标收到UWB定位基站的系统时钟计数后，如果自身支架编号N能被3整除，则延时(150-Tsys％150ms)+N％3×50毫秒后发送LF低频载波，之后间隔150毫秒周期性发送LF低频载波；如果自身支架号N除以3余1，并且同步后的系统时钟计数Tsys％150小于50，则延时50-Tsys％150毫秒后发送LF低频载波，之后间隔150毫秒周期性发送LF低频载波；同步后的系统时钟计数Tsys％150大于等于50，则延时(150-Tsys％150ms)+N％3×50毫秒后发送LF低频载波，之后间隔150毫秒周期性发送LF低频载波；如果自身支架号N除以3余2，并且同步后的系统时钟计数Tsys％150小于100，则延时100-Tsys％150毫秒后发送LF低频载波，之后间隔150毫秒周期性发送LF低频载波；同步后的系统时钟计数Tsys％150大于等于100，则延时(150-Tsys％150ms)+N％3×50毫秒后发送LF低频载波，之后间隔150毫秒周期性发送LF低频载波。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

时钟同步的作用是：时钟同步后，就能使LF低频信号错开，相互不干扰。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种矿井人员定位系统，包括设于矿井中的液压支架；其特征在于，包括

标识卡，用于定位井下人员；所述标识卡包括标识卡控制器、低频唤醒模块以及标识卡UWB通信模块；所述标识卡控制器用于控制切换标识卡的定位方式；所述UWB通信模块用于收发UWB数据及提供测距所用时间戳；

UWB定位基站，用于定位标识卡相对于该UWB定位基站的距离和方位；其布设于巷道和综采工作面中；

UWB信标，设于综采工作面每架液压支架中间，并发射低频载波信号；所述低频载波信号携带有所述UWB信标所对应的液压支架的编号；所述低频载波信号是频率为125kHz的LF低频载波；

其中，所述标识卡处于低频信号范围内时，所述标识卡的低频唤醒模块用于接收所述UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、液压支架的宽度以及自身所处液压支架编号定位所述标识卡相对于该UWB定位基站的距离和方位。

2.根据权利要求1所述的一种矿井人员定位系统，其特征在于，所述液压支架设有液压支架控制器；所述UWB信标通信连接于液压支架控制器；所述液压支架控制器用于控制液压支架的闭锁。

3.根据权利要求1所述的一种矿井人员定位系统，其特征在于，所述标识卡的定位方式包括方式一与方式二；

所述方式一是指，所述标识卡位于低频信号范围外时，所述标识卡与所述UWB定位基站按设定测距周期进行双向测距；

所述方式二是指，所述标识卡位于低频信号范围内时，所述标识卡用于接收所述UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、液压支架的宽度以及自身所处液压支架编号定位所述标识卡相对于该UWB定位基站的距离和方位。

4.根据权利要求3所述的一种矿井人员定位系统，其特征在于，所述标识卡采用所述方式一定位时，所述低频唤醒模块始终处于休眠状态；所述标识卡采用所述方式二定位时，所述低频唤醒模块会被周期性唤醒。

5.根据权利要求1所述的一种矿井人员定位系统，其特征在于，所述UWB信标之间采用UWB信号进行时钟同步。

6.一种矿井人员定位方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一所述的一种矿井人员定位系统实现；包括：

任意相邻三个UWB信标均在不同时刻发射低频载波信号；

当所述标识卡位于任意一UWB信标所发射的低频载波信号范围内时，所述标识卡接收该UWB信标所发射的低频载波信号，并定位自身所处的液压支架编号；所述UWB定位基站用于获取所述标识卡所对应的液压支架编号，并根据所述标识卡所对应的液压支架编号、液压支架的宽度以及自身所处液压支架编号定位所述标识卡相对于该UWB定位基站的距离和方位；该UWB信标接收所述标识卡的反馈的UWB信息后，信号传递于所述液压支架控制器，以控制液压支架的闭锁；

当所述标识卡位于所述UWB信标所发射的低频载波信号范围外时，所述标识卡与所述UWB定位基站进行双向测距。

7.根据权利要求6所述的一种矿井人员定位方法，其特征在于，当所述标识卡位于多个UWB信标所发射的低频载波信号范围内时，所述标识卡根据所收到的低频载波信号的强度，向所接收的最强低频载波信号的UWB信标反馈UWB信息；同时将所述低频载波信号所携带的液压支架编号及自身状态信息发送至所述UWB定位基站。

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