一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，矿井车辆在井上区域时采用基于GNSS融合IMU的定位，在井下区域时采用基于UWB融合IMU的定位，在井上

【技术实现步骤摘要】
一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法


[0001]本专利技术涉及一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，属于导航定位


技术介绍

[0002]随着我国矿山智能化建设进程的不断推进，矿井运输系统向智能化乃至无人化发展是未来必然的趋势，导航定位技术是矿井运输系统智能化发展的关键技术。目前，矿井运输系统行驶路线长、作业范围广、单一的定位技术无法满足矿井运输全流程下的定位要求，其在井上区域的定位以GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)为主，井下斜巷、大巷等井下区域的定位以UWB(Ultra Wide Band，超宽带)为主，采用多种定位技术的无人驾驶系统适应性极差，现有任何一种定位方法均无法满足无人驾驶无轨车辆从地面料场到井下工作面的全流程无缝衔接精确定位需求；其次，由于巷道围岩、巷道壁和各类机电设备电磁辐射等干扰因素的影响，导致矿井运输系统定位精度受限。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，满足矿井车辆从井上地面料场到井下工作面的全流程无缝衔接精确定位需求。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，包括传感器装置、UWB主基站和UWB从基站；传感器装置包括GNSS接收天线、IMU定位模块和UWB接收天线，IMU定位模块设置在矿井车辆底盘的几何中心处，GNSS接收天线设置在矿井车辆上表面中轴线后1/4等分点处，UWB接收天线位于矿井车辆后表面中轴线上1/4等分点处；基站沿巷道均匀间隔布置，由井上至井下方向布置的第一基站为UWB主基站且UWB主基站为原点，其余基站为UWB从基站；
[0005]其特征在于，矿井车辆在井上区域时采用基于GNSS融合IMU的定位，在井下区域时采用基于UWB融合IMU的定位，在井上
‑
井下交互区域时采用置信度融合定位；
[0006]若GNSS接收天线中接收到的信息解析出GNSS定位的卫星数量小于4，则断定GNSS可信度为0，此时矿井车辆位于井下区域，通过UWB系统与IMU系统得到的位置信息组成状态量输入卡尔曼滤波器进行解算，得出矿井车辆相对于原点的位置信息；
[0007]若UWB接收天线中接收到的信息解析出UWB定位的基站数量小于3，则断定UWB可信度为0，此时矿井车辆位于井上区域，将矿井车辆经纬度信息与原点经纬度信息做差，得出矿井车辆相对于原点的坐标，然后将GNSS系统与IMU系统得到的位置信息组成状态量输入卡尔曼滤波器进行解算，得出矿井车辆相对于原点的位置信息；
[0008]若UWB接收天线中接收到的信息解析出UWB定位的基站数量不小于3、GNSS接收天线中接收到的信息解析出GNSS定位的卫星数量不小于4，则断定矿井车辆位于井上
‑
井下交互区域，将UWB/IMU定位、GNSS/IMU定位解算出的结果坐标根据UWB置信度、GNSS置信度进行
解算得出结果坐标。
[0009]进一步的，所述GNSS置信度的计算方法为：
[0010][0011]式中，N
GNSS
为GNSS定位的卫星数量，PDOP
GNSS
为GNSS定位的PDOP值，SNR
GNSS
为GNSS定位的信噪比，E
GNSS
为GNSS定位的误差，w1、w2、w3、w4为各自对应的权重系数。
[0012]进一步的，所述UWB置信度的计算方法为：
[0013][0014]式中，RX
UWB
为UWB定位的信号强度，ME
UWB
为UWB定位的多径误差，SNR
UWB
为UWB定位的信噪比，E
UWB
为UWB定位的误差，w5、w6、w7、w8为各自对应的权重系数。
[0015]进一步的，所述IMU由加速度计与陀螺仪组成，提供矿井车辆的角速度与加速度信息；IMU基于矿井车辆的初始位置、速度和姿态信息，通过积分解算每一更新时刻的待测点的位置、速度和姿态信息，计算方法为：
[0016][0017][0018][0019]式中，P
IMU
、V
IMU
、Q
IMU
、分别为待测点在IMU系统下的位置信息、位置变化率矢量、速度信息、速度变化率矢量、姿态四元数和姿态四元数变化率矢量，为由载体坐标系至导航坐标系的姿态转移矩阵，f
b
为加速度计测量的加速度矢量信息，g
n
为重力，为在导航坐标系下陀螺仪测量的角速度矢量信息，为在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量，为载体坐标系相对于导航坐标系的瞬时角速度矢量；
[0020]所述IMU系统的状态参数由十五个状态参数组成，表示方式如下：
[0021][0022]式中，δA、δP、δV、ε、分别为三轴姿态角误差、位置误差、速度误差、陀螺仪误差与加速度计误差。
[0023]进一步的，所述矿井车辆位于井上区域时采用基于GNSS/IMU的松组合定位，使用GNSS定位得到的坐标与IMU系统输出的位置之差作为状态量，卡尔曼滤波的状态方程为：
[0024]y
GNSS
＝[P
GNSS
‑
P
IMU
]＝[I
3 O3×
12
]x
[0025]式中，y
GNSS
表示GNSS的观测结果，P
GNSS
表示GNSS系统的位置信息。
[0026]进一步的，所述矿井车辆位于井下区域时采用基于UWB/IMU的松组合定位，使用UWB定位得到的坐标与IMU系统输出的位置之差作为状态量，卡尔曼滤波的状态方程为：
[0027]y
UWB
＝[P
UWB
‑
P
IMU
]＝[I
3 O3×
12
]x
[0028]式中，y
UWB
表示UWB的观测结果，P
UWB
表示UWB系统的位置信息。
[0029]进一步的，所述矿井车辆位于井上
‑
井下交互区域时采用基于置信度处理GNSS/IMU与UWB/IMU的定位信息，计算方法为：
[0030][0031]式中，X
GNSS
‑
UWB
为结果坐标、Rel
UWB
为UWB置信度、Rel
GNSS
为GNSS置信度、X
GNSS
为GNSS/IMU解算出的坐标信息、X
UWB
为UWB/IMU解算出的坐标信息。
[0032]进一步的，所述的UWB主基站为原点，并通过GNSS定位记录其经纬度信息本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，包括传感器装置(1)、UWB主基站(2)和UWB从基站(3)；传感器装置(1)包括GNSS接收天线(101)、IMU定位模块(102)和UWB接收天线(103)，IMU定位模块(102)设置在矿井车辆底盘的几何中心处，GNSS接收天线(101)设置在矿井车辆上表面中轴线后1/4等分点处，UWB接收天线(103)位于矿井车辆后表面中轴线上1/4等分点处；基站沿巷道均匀间隔布置，由井上至井下方向布置的第一基站为UWB主基站(2)且UWB主基站(2)为原点，其余基站为UWB从基站(3)；其特征在于，矿井车辆在井上区域时采用基于GNSS融合IMU的定位，在井下区域时采用基于UWB融合IMU的定位，在井上
‑
井下交互区域时采用置信度融合定位；若GNSS接收天线(101)中接收到的信息解析出GNSS定位的卫星数量小于4，则断定GNSS可信度为0，此时矿井车辆位于井下区域，通过UWB系统与IMU系统得到的位置信息组成状态量输入卡尔曼滤波器进行解算，得出矿井车辆相对于原点的位置信息；若UWB接收天线(103)中接收到的信息解析出UWB定位的基站数量小于3，则断定UWB可信度为0，此时矿井车辆位于井上区域，将矿井车辆经纬度信息与原点经纬度信息做差，得出矿井车辆相对于原点的坐标，然后将GNSS系统与IMU系统得到的位置信息组成状态量输入卡尔曼滤波器进行解算，得出矿井车辆相对于原点的位置信息；若UWB接收天线(103)中接收到的信息解析出UWB定位的基站数量不小于3、GNSS接收天线(101)中接收到的信息解析出GNSS定位的卫星数量不小于4，则断定矿井车辆位于井上
‑
井下交互区域，将UWB/IMU定位、GNSS/IMU定位解算出的结果坐标根据UWB置信度、GNSS置信度进行解算得出结果坐标。2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，其特征在于，所述GNSS置信度的计算方法为：式中，N
GNSS
为GNSS定位的卫星数量，PDOP
GNSS
为GNSS定位的PDOP值，SNR
GNSS
为GNSS定位的信噪比，E
GNSS
为GNSS定位的误差，w1、w2、w3、w4为各自对应的权重系数。3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，其特征在于，所述UWB置信度的计算方法为：式中，RX
UWB
为UWB定位的信号强度，ME
UWB
为UWB定位的多径误差，SNR
UWB
为UWB定位的信噪比，E
UWB
为UWB定位的误差，w5、w6、w7、w8为各自对应的权重系数。4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/UWB融合IMU的矿井车辆无缝定位方法，其特征在于，所述IMU由加速度计与陀螺仪组成，提供矿井车辆的角速度与加速度信息；IMU基于矿井车辆的初始位置、速度和姿态信息，通过积分解算每一更新时...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍久圣，吕玉寒，阴妍，杨磊，王茂森，李芳威，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：