基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统及方法，该系统包括工业主机、自组网基站和定位器；该方法包括步骤：一、井下人员定位系统的布设；二、建立平面直角坐标系；三、井下人员的定位，301、无线主从基站向定位器发送时间请求帧，302、定位器生成时间应答帧并向无线主从基站回送，303、无线主从基站接收定位器回发来的时间同步应答帧，304、无线主从基站再次向定位器发送时间请求帧，305、定位器再次生成时间应答帧并向无线主从基站回送，306、无线主从基站再次接收定位器回发来的时间同步应答帧，307、无线脉冲飞行时间测算，308、定位距离测算，309、井下人员的定位坐标。本发明专利技术可确定井下人员的位置，监测井下人员的工作动态。

【技术实现步骤摘要】
基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统及方法
本专利技术属于井下人员定位
，具体涉及一种基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统及方法。
技术介绍
煤矿井下和地铁施工都有大量的作业人员，所以加强对施工人员的日常监测和管理具有重大的意义。一旦井下发生事故，由于周围环境的复杂多变，救援人员无法及时下去营救，所以需要借助人员定位技术来判断被困人员的具体位置。考虑到煤矿井下和地铁井下施工的环境，所以地面常用的基于GPS和WIFI定位并不适用于井下。目前关于井下人员定位的方法主要有基于RSSI的井下定位技术、NLOS环境下的TOA/AOA定位技术、对称双边两路测距(SDS-TWR)技术、基于到达角AOA和时间提前量TA技术以及TDOA定位技术。然而，通过对比分析可得，上述方法在定位精度和延迟上存在较大的误差，将以上定位方法用在井下大多存在以下几个问题：第一，由于井下巷道布置复杂、可移动车辆和大型设备较多、周围环境复杂，所以信号传输衰减速率快，且定位精度受到距离和障碍物的影响较为严重；第二，井下巷道长宽比较为明显，进行二维或三维定位误差较大且受非视距影响较大；第三，以上测距定位方法大多需要高密度的节点布置和额外的硬件支持来保证精确的时钟，导致定位系统能耗大成本高，不利于井下定位的大面积使用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其设计新颖合理，根据井下巷道的实际长宽比来布置自组网基站，与定位器配合实现定位精度和延迟的优化，从而有效的解决了定位系统精度误差大、延迟反应慢、成本高等问题，不仅能在日常的生产管理中监测井下人员的工作动态，而且可以在井下发生灾害时快速地确定被困人员的具体位置，在保障安全生产、事故预防和应急救援中发挥巨大作用，便于推广使用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：包括布设在井上的工业主机和布设在井下且与工业主机通信的自组网基站，所述自组网基站由多个分别沿井下巷道长度方向依次布设的基站组成，基站为无线主从基站，所述无线主从基站通过基站支架安装在井下巷道内，所述基站支架包括三脚架、固定安装在所述三脚架上的平板夹和设置在所述三脚架底部的橡胶圈，所述平板夹上设置有水平仪，所述三脚架为旋转升降三脚架，所述无线主从基站安装在所述平板夹上，定位器安装在井下人员佩戴的安全帽上，定位器同时与其前后相邻的两个所述无线主从基站通信，井下巷道的长宽比大于4，定位器为无线定位器。上述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述三脚架设置在井下巷道长度方向的中心线上。上述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述三脚架的高度为1.8m～2m。上述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述无线主从基站为LocalSense无线主从基站，相邻两个LocalSense无线主从基站之间相距80m～150m。上述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述无线定位器为LocalSense无线定位器。上述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述工业主机内设置有无线WIFI通信模块，所述自组网基站中靠近工业主机的所述LocalSense无线主从基站通过所述无线WIFI通信模块与工业主机通信。同时，本专利技术还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可确定井下人员的位置，监测井下人员的工作动态的井下人员定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、井下人员定位系统的布设：根据无线主从基站的信号强度调节相邻两个无线主从基站之间的距离，确保相邻两个无线主从基站之间通信正常，将多个三脚架依次分别设置在井下巷道长度方向的中心线上，且调节三脚架的高度为1.8m～2m，将各个无线主从基站通过平板夹分别固定安装在各个三脚架上，通过水平仪调节平板夹水平，进而调节无线主从基站安装水平，为每个人员发放安全帽，每个人员佩戴安装有定位器的安全帽进入井下，定位器位于相邻的两个无线主从基站之间时，确保定位器同时与其前后相邻的两个所述无线主从基站通信；步骤二、建立平面直角坐标系：采用工业主机建立平面直角坐标系，在平板夹所处平行于水平面的平面且以定位器进入井下巷道起点作为坐标原点建立平面直角坐标系O-xy，其中，以井下巷道宽度方向为平面直角坐标系O-xy的x轴，以井下巷道长度方向为平面直角坐标系O-xy的y轴；定位器进入井下巷道的起点位置位于井下巷道长度方向的中心线上；步骤三、井下人员的定位：对井下每一个定位器分别进行定位，且井下任意定位器的定位方法均相同；对井下任意定位器进行定位时，过程如下：步骤301、无线主从基站向定位器发送时间请求帧：相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站生成时间请求帧TSreq1，并向定位器定时发送，同时相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站记录时间请求帧TSreq1的编号字段和准确发送时间T1，所述准确发送时间T1是指刚好发送完时间请求帧TSreq1的所有字节的时刻；相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站生成时间请求帧tSreq1，并向定位器定时发送，同时相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站记录时间请求帧tSreq1的编号字段和准确发送时间t1，t1是指刚好发送完时间请求帧tSreq1的所有字节的时刻；步骤302、定位器生成时间应答帧并向无线主从基站回送：定位器接收来自相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站发送的时间请求帧TSreq1后，记录时间请求帧TSreq1的准确接收时间T2并提取时间请求帧TSreq1的编号字段，然后生成时间应答帧TSresp1并向相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站回送，同时记录时间应答帧TSresp1的准确回发时间T3，T2是指刚好接收完时间请求帧TSreq1的所有字节的时刻，T3是指刚好回发完时间应答帧TSresp1的所有字节的时刻；定位器接收来自相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站发送的时间请求帧tSreq1后，记录时间请求帧tSreq1的准确接收时间t2并提取时间请求帧tSreq1的编号字段，然后生成时间应答帧tSresp1并向相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站回送，同时记录时间应答帧tSresp1的准确回发时间t3，t2是指刚好接收完时间请求帧tSreq1的所有字节的时刻，t3是指刚好回发完时间应答帧tSresp1的所有字节的时刻；步骤303、无线主从基站接收定位器回发来的时间同步应答帧：相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站接收定位器回发来的时间应答帧TSresp1，记录时间应答帧TSresp1的准确回收时间T4并提取时间应答帧TSresp1的编号字段，T4是指刚好接收完时间应答帧TSresp1的所有字节的时刻；相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站接收定位器回发来的时间应答帧tSresp1，记录时间应答帧tSresp1的准确回收时间t4并提取时间应答帧tSresp1的编号字段，t4是指刚好接收完时间应答帧tSresp1的所有字节的时刻；步骤304、无线主从基站再次向定位器发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：包括布设在井上的工业主机(1)和布设在井下且与工业主机(1)通信的自组网基站，所述自组网基站由多个分别沿井下巷道长度方向依次布设的基站(2)组成，基站(2)为无线主从基站，所述无线主从基站通过基站支架安装在井下巷道内，所述基站支架包括三脚架、固定安装在所述三脚架上的平板夹和设置在所述三脚架底部的橡胶圈，所述平板夹上设置有水平仪，所述三脚架为旋转升降三脚架，所述无线主从基站安装在所述平板夹上，定位器(3)安装在井下人员佩戴的安全帽上，定位器(3)同时与其前后相邻的两个所述无线主从基站通信，井下巷道的长宽比大于4，定位器(3)为无线定位器。

【技术特征摘要】
1.基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：包括布设在井上的工业主机(1)和布设在井下且与工业主机(1)通信的自组网基站，所述自组网基站由多个分别沿井下巷道长度方向依次布设的基站(2)组成，基站(2)为无线主从基站，所述无线主从基站通过基站支架安装在井下巷道内，所述基站支架包括三脚架、固定安装在所述三脚架上的平板夹和设置在所述三脚架底部的橡胶圈，所述平板夹上设置有水平仪，所述三脚架为旋转升降三脚架，所述无线主从基站安装在所述平板夹上，定位器(3)安装在井下人员佩戴的安全帽上，定位器(3)同时与其前后相邻的两个所述无线主从基站通信，井下巷道的长宽比大于4，定位器(3)为无线定位器。2.按照权利要求1所述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述三脚架设置在井下巷道长度方向的中心线上。3.按照权利要求1所述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述三脚架的高度为1.8m～2m。4.按照权利要求1所述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述无线主从基站为LocalSense无线主从基站，相邻两个LocalSense无线主从基站之间相距80m～150m。5.按照权利要求1所述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述无线定位器为LocalSense无线定位器。6.按照权利要求4所述的基于无线脉冲飞行时间测量的井下人员定位系统，其特征在于：所述工业主机(1)内设置有无线WIFI通信模块，所述自组网基站中靠近工业主机(1)的所述LocalSense无线主从基站通过所述无线WIFI通信模块与工业主机(1)通信。7.一种利用如权利要求1所述系统进行井下人员定位的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、井下人员定位系统的布设：根据无线主从基站的信号强度调节相邻两个无线主从基站之间的距离，确保相邻两个无线主从基站之间通信正常，将多个三脚架依次分别设置在井下巷道长度方向的中心线上，且调节三脚架的高度为1.8m～2m，将各个无线主从基站通过平板夹分别固定安装在各个三脚架上，通过水平仪调节平板夹水平，进而调节无线主从基站安装水平，为每个人员发放安全帽，每个人员佩戴安装有定位器(3)的安全帽进入井下，定位器(3)位于相邻的两个无线主从基站之间时，确保定位器(3)同时与其前后相邻的两个所述无线主从基站通信；步骤二、建立平面直角坐标系：采用工业主机(1)建立平面直角坐标系，在平板夹所处平行于水平面的平面且以定位器(3)进入井下巷道起点作为坐标原点建立平面直角坐标系O-xy，其中，以井下巷道宽度方向为平面直角坐标系O-xy的x轴，以井下巷道长度方向为平面直角坐标系O-xy的y轴；定位器(3)进入井下巷道的起点位置位于井下巷道长度方向的中心线上；步骤三、井下人员的定位：对井下每一个定位器(3)分别进行定位，且井下任意定位器(3)的定位方法均相同；对井下任意定位器(3)进行定位时，过程如下：步骤301、无线主从基站向定位器发送时间请求帧：相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站生成时间请求帧TSreq1，并向定位器(3)定时发送，同时相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站记录时间请求帧TSreq1的编号字段和准确发送时间T1，所述准确发送时间T1是指刚好发送完时间请求帧TSreq1的所有字节的时刻；相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站生成时间请求帧tSreq1，并向定位器(3)定时发送，同时相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站记录时间请求帧tSreq1的编号字段和准确发送时间t1，t1是指刚好发送完时间请求帧tSreq1的所有字节的时刻；步骤302、定位器生成时间应答帧并向无线主从基站回送：定位器(3)接收来自相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站发送的时间请求帧TSreq1后，记录时间请求帧TSreq1的准确接收时间T2并提取时间请求帧TSreq1的编号字段，然后生成时间应答帧TSresp1并向相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站回送，同时记录时间应答帧TSresp1的准确回发时间T3，T2是指刚好接收完时间请求帧TSreq1的所有字节的时刻，T3是指刚好回发完时间应答帧TSresp1的所有字节的时刻；定位器(3)接收来自相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站发送的时间请求帧tSreq1后，记录时间请求帧tSreq1的准确接收时间t2并提取时间请求帧tSreq1的编号字段，然后生成时间应答帧tSresp1并向相邻两个所述无线主从基站中的另一个无线主从基站回送，同时记录时间应答帧tSresp1的准确回发时间t3，t2是指刚好接收完时间请求帧tSreq1的所有字节的时刻，t3是指刚好回发完时间应答帧tSresp1的所有字节的时刻；步骤303、无线主从基站接收定位器回发来的时间同步应答帧：相邻两个所述无线主从基站中的一个无线主从基站接收定位器(3)回发来的时间应答帧TSresp1，记录...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑学召，郭军，王宝元，文虎，邓军，金永飞，李新卫，杜瑞林，吴文庆，王虎，
申请(专利权)人：西安科技大学，西安天河矿业科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61