一种井下三维精确定位系统技术方案

本发明专利技术提供了一种井下三维精确定位系统，所述系统包括数字孪生地图、定位服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置。系统利用定位分站在矿井二维空间分布的方法，运用现有无线电波测距的技术，实现了移动目标二维初步定位，并充分利用传感器数据，实现了移动目标实时方向监测，进而实现井下移动目标的二维和三维精确定位。系统具有简单有效、建设成本低且定位精度高等特点，可适应煤炭生产少人化、无人化发展方向，满足无人化设备的全局二维和三维定位，具有着广泛地应用前景。具有着广泛地应用前景。具有着广泛地应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种井下三维精确定位系统


[0001]本专利技术涉及一种井下三维精确定位系统，该方法涉及无线通信、地理信息系统、传感器 技术、数据处理等领域。

技术介绍

[0002]目前煤炭生产朝着少人化、无人化方向发展，井下采掘设备、运输设备、移动监测设备 等各类生产相关设备的数量将不断增加，并且将逐步实现这些设备的无人化，矿井定位系统 除需满足矿井人员定位要求外，还需满足无人化设备的全局二维和三维定位需求。早期的矿 井人员定位多采用RFID卡识别和无线电信号定位技术。RFID卡识别利用射频方式进行非接 触双向通信，射频卡和读卡器之间不用接触就可实现对移动目标的识别和位置监测。基于RFID 卡识别定位属于区域定位技术，只能识别井下移动目标是否经过某个区域，无法对区域内的 移动目标进行精确定位。国内外进行了无线电波、超声波、红外、激光等矿井定位技术研究。 矿井无线电信号传输衰减严重、无线电传输衰减模型复杂多变、卫星定位信号无法穿透煤层 和岩层到达井下、矿井定位需覆盖长达10km的巷道等制约着地面定位技术在矿井应用。超声 波、红外、激光等定位技术难以目标身份识别和全矿井定位。此外，目前现有用于井下定位 的系统均为沿巷道轴向的一维定位系统，无法实现二维和三维定位；此外，现有RFID、RSSI、 飞行时间TOA、飞行时间差TDOA等定位方法在静止条件下，无法对目标的方向向进行定位。
[0003]因此，需要一种适合煤矿空间环境的、简单有效、建设成本低且定位精度高的矿井全局 二维和三维精确定位系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种井下三维精确定位系统，可适应煤炭生产少人化、无人化发展方向， 满足无人化设备的全局二维和三维定位需求。所述系统包括数字孪生地图、定位服务器、监 控终端、通信网络、定位分站、定位装置；所述定位装置包括至少一个无线定位模块、至少 一个测距传感器、至少一个磁力传感器、至少一个陀螺仪传感器、至少一个三轴加速度传感 器；所述无线定位模块通过与定位分站进行无线电波通信进行测距；所述测距传感器通过发 射和接收测距信号测量定位装置与巷道壁、巷道顶板或巷道底板的距离；所述磁力传感器用 于测量定位装置的方向；所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器用于测量定位装置的方向、 移动速度和姿态数据；所述系统通过无线定位模块的测距数据获得定位装置沿巷道轴向的一 维位置数据，或水平平面的轴向和径向二维位置数据，通过磁力传感器或陀螺仪传感器获得 定位装置的方向数据，再参考测距传感器测距数据获得定位装置的三维位置数据；系统通过 无线定位模块与定位分站进行无线通信，定位分站通过通信网络与定位服务器和数字孪生地 图进行通信；所述系统定位过程为：
[0005](1)定位装置与相邻的两个定位分站A和B进行测距通信，获得定位装置与A和B的 直线距离d
A
和d
B
；
[0006](2)系统依据以上步骤获得的d
A
和d
B
，和所述定位分站A、B的水平平面坐标(x
A
,y
A
)、 (x
B
,y
B
)，计算获得坐标(x
m
,y
m
)，具体算法为
[0007][0008](3)定位装置通过测距传感器测量与巷道顶板或巷道底板的距离d
H
，及与巷道壁的距 离d
L
；
[0009](4)获取定位装置方向；
[0010](5)根据定位装置方向，判定d
L
为定位装置与哪一侧巷道壁的距离；
[0011](6)根据d
L
对坐标(x
m
,y
m
)值进行校验，确定定位装置的水平二维坐标(x
M
,y
M
)；
[0012](7)参考所在巷道顶板或巷道底板的垂直坐标z
T
或z
R
，以z
T
‑
d
H
或z
R
+d
H
作为定位装 置垂直坐标z
M
，获得定位装置的三维坐标(x
M
,y
M
,z
M
)；以上步骤的坐标系为巷道局部坐标 系，以定位分站所在巷道的轴向为坐标X轴，以巷道径向水平坐标为坐标Y轴，以巷道垂直 坐标为坐标Z轴；
[0013](8)系统通过数字孪生地图将步骤(7)获得的三维坐标(x
M
,y
M
,z
M
)转换为矿井全局坐 标数据或标准经纬度数据，并由数字孪生地图为定位服务器和监控终端提供地理信息和定位 装置的位置数据服务；
[0014](9)定位服务器为监控终端提供数据服务；
[0015](10)监控终端为用户提供监控人机交互服务。
[0016]1.所述的三维精确定位系统进一步包括：所述定位装置包括姿态校正模块，姿态校正模 块用于调整测距传感器的三维角度，保证用于测量定位装置与顶板或底板距离的测距传感器 测距探头垂直于顶板或底板，保证用于测量定位装置与巷道壁距离的测距传感器测距探头与 巷道壁垂直。
[0017]2.所述的三维精确定位系统进一步包括：所述定位装置根据磁力传感器、陀螺仪传感器、 三轴加速度传感器数据获得定位装置坐标系与地理坐标系的夹角，通过数字孪生地图获得当 前巷道坐标系与地理坐标系的夹角，计算定位装置坐标系与巷道局部坐标系的夹角，姿态校 正模块根据夹角调整传感器的三维角度。
[0018]3.所述的三维精确定位系统进一步包括：所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包 括，两个平行安装的测距传感器的测距数据d
LA
、d
LB
，和安装距离d
LAB
；所述姿态校正模块 调整三维角度方法包括，当满足则调整测距传感器转动角度 式中θ
Zt
为设定阈值。
[0019]4.所述的三维精确定位系统进一步包括：当所述定位装置用于监测默认运动高度不变的 移动目标定位时，可不安装或不使用测量顶板和底板距离的测距传感器，所述定位过程步骤 (7)中的定位装置垂直坐标z
M
＝d
R1
，d
R1
为定位装置在移动目标上的安装高度。
[0020]5.所述的三维精确定位系统进一步包括：在巷道间隔设定距离安装定位分站，相邻定位 分站分别安装在不同侧的巷道壁上；当相邻定位分站安装在同侧巷道壁或平行于巷道安装时， 系统可设定所述定位过程步骤(6)中y
M
值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d
L
确定。
[0021]6.所述的三维精确定位系统进一步包括：所述定位过程步骤(6)的方法包括，当满足 或d
A
+d
B
＜|x2‑
x1|
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种井下三维精确定位系统，其特征在于：所述系统包括数字孪生地图、定位服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置；所述定位装置包括至少一个无线定位模块、至少一个测距传感器、至少一个磁力传感器、至少一个陀螺仪传感器、至少一个三轴加速度传感器；所述无线定位模块通过与定位分站进行无线电波通信进行测距；所述测距传感器通过发射和接收测距信号测量定位装置与巷道壁、巷道顶板或巷道底板的距离；所述磁力传感器用于测量定位装置的方向；所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器用于测量定位装置的方向、移动速度和姿态数据；所述系统通过无线定位模块的测距数据获得定位装置沿巷道轴向的一维位置数据，或水平平面的轴向和径向二维位置数据，通过磁力传感器或陀螺仪传感器获得定位装置的方向数据，再参考测距传感器测距数据获得定位装置的三维位置数据；系统通过无线定位模块与定位分站进行无线通信，定位分站通过通信网络与定位服务器和数字孪生地图进行通信；所述系统定位过程为：(1)定位装置与相邻的两个定位分站A和B进行测距通信，获得定位装置与A和B的直线距离d
A
和d
B
；(2)系统依据以上步骤获得的d
A
和d
B
，和所述定位分站A、B的水平平面坐标(x
A
,y
A
)、(x
B
,y
B
)，计算获得坐标(x
m
,y
m
)，具体算法为(3)定位装置通过测距传感器测量与巷道顶板或巷道底板的距离d
H
，及与巷道壁的距离d
L
；(4)获取定位装置方向；(5)根据定位装置方向，判定d
L
为定位装置与哪一侧巷道壁的距离；(6)根据d
L
对坐标(x
m
,y
m
)值进行校验，确定定位装置的水平二维坐标(x
M
,y
M
)；(7)参考所在巷道顶板或巷道底板的垂直坐标z
T
或z
R
，以z
T
‑
d
H
或z
R
+d
H
作为定位装置垂直坐标z
M
，获得定位装置的三维坐标(x
M
,y
M
,z
M
)；以上步骤的坐标系为巷道局部坐标系，以定位分站所在巷道的轴向为坐标X轴，以巷道径向水平坐标为坐标Y轴，以巷道垂直坐标为坐标Z轴；(8)系统通过数字孪生地图将步骤(7)获得的三维坐标(x
M
,y
M
,z
M
)转换为矿井全局坐标数据或标准经纬度数据，并由数字孪生地图为定位服务器和监控终端提供地理信息和定位装置的位置数据服务；(9)定位服务器为监控终端提供数据服务；(10)监控终端为用户提供监控人机交互服务。2.如权利要求1所述的三维精确定位系统，其特征在于：所述定位装置包括姿态校正模块，姿态校正模块用于调整测距传感器的三维角度，保证用于测量定位装置与顶板或底板距离的测距...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继平，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：