基于精确定位的灾害预警系统转让专利
申请号 : CN202111037880.6
文献号 : CN113586158B
文献日 : 2022-04-08
发明人 : 孙继平
申请人 : 中国矿业大学(北京)
摘要 :
权利要求 :
1.基于精确定位的灾害预警系统,其特征在于:所述系统包括地理信息服务器、定位服务器、灾害预警服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置;所述系统在使用前需进行地理信息服务器初始化,得到矿区的三维数字地图;所述定位服务器负责对定位装置进行定位服务和定位数据管理;所述灾害预警服务器负责参考地理信息服务器提供的灾害预警区域数据,对定位装置的定位数据进行判定,当监测到携带定位装置的人员、车辆或采掘设备的定位数据满足设定条件,则向监控终端、定位终端发出灾害预警信息;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、灾害预警服务器和地理信息服务器进行通信;
所述地理信息服务器初始化过程为:
(1)采集矿区地理信息数据和地质勘测数据,在地理信息服务器内建立矿区的三维数字地图;
(2)根据矿区地理信息数据和地质勘测数据对矿区的三维数字地图进行地理信息属性标注,标注内容包括矿井巷道区域、工作面区域、井下固定设备设施、危险区域、保安煤柱区域;所述区域均为三维区域;
(3)地理信息服务器根据标定的危险区域、保安煤柱区域生成三维的灾害预警区域;
(4)将三维灾害预警区域的坐标数据发送至灾害预警服务器,并确认灾害预警服务器接收成功;
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dA和dB;
(2)系统依据以上步骤获得的dA和dB,和所述定位分站A、B的水平平面坐标(xA,yA)、(xB,yB),计算获得坐标(xm,ym),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dH,及与巷道壁的距离dL;
(4)获取定位装置方向;
(5)根据定位装置方向,判定dL为定位装置与哪一侧巷道壁的距离;
(6)根据dL对坐标(xm,ym)值进行校验,确定定位装置的水平二维坐标(xM,yM);
(7)参考所在巷道顶板或巷道底板的垂直坐标zT或zR,以zT‑dH或zR+dH作为定位装置垂直坐标zM,获得定位装置的三维坐标(xM,yM,zM);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)系统通过三维数字地图将步骤(7)获得的三维坐标(xM,yM,zM)转换为矿井全局坐标数据或标准经纬度数据,并由地理信息服务器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)定位服务器为灾害预警服务器、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;
当以上所述定位过程步骤(1)中定位装置只能获得与定位分站A的直线距离dA,则不执行步骤(2),且步骤(6)中xM=xA+dA或xM=xA‑dA,yM值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和dL确定;
所述灾害预警服务器的灾害预警过程为:(1)接收定位服务器发来的定位装置的位置数据;
(2)将定位装置的位置数据与存储的三维灾害预警区域进行比对判定,如位置数据包括在三维灾害预警区域内,则向监控终端和进入该区域的定位终端发出灾害预警信息;
(3)等待监控终端、定位终端的接收确认回复信息,如在设定时间内未收到回复信息,则重复发送灾害预警信息直至收到回复信息。
2.如权利要求1所述的灾害预警系统,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。
3.如权利要求2所述的灾害预警系统,其特征在于: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。
4.如权利要求2所述的灾害预警系统,其特征在于:所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括,两个平行安装的垂直朝向顶板或底板的测距传感器数据的差。
5.如权利要求2所述的灾害预警系统,其特征在于:所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括,两个平行安装的垂直朝向巷道壁的测距传感器数据的差。
6.如权利要求1所述的灾害预警系统,其特征在于: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zM=dR1,dR1为定位装置在移动目标上的安装高度。
7.如权利要求1所述的灾害预警系统,其特征在于:在巷道间隔设定距离安装定位分站,当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或平行于巷道安装时,所述定位过程步骤(6)中yM值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和dL确定。
8.如权利要求1所述的灾害预警系统,其特征在于:所述定位过程步骤(6)的方法包括,当满足 或dA+dB<|x2‑x1|‑Q2时,yM值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和dL确定;上式中LM为巷道宽度,Q1、Q2为设定阈值。
9.如权利要求1所述的灾害预警系统,其特征在于:系统通过定位装置历史位置移动记录获得定位装置方向,并定时通过磁力传感器或陀螺仪传感器对定位装置的方向数据进行校准。
10.如权利要求1所述的灾害预警系统,其特征在于:所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器所测量的方向、移动速度还用于定位装置的惯性导航定位;所述定位装置具有数据存储元件,当定位装置无法与定位分站通信时,使用陀螺仪传感器和三轴加速度传感器进行惯性导航定位,并定时将位置数据存储到存储元件,当定位装置与定位分站恢复通行后,将所存储的位置数据上传到定位服务器。
11.如权利要求1所述的灾害预警系统,其特征在于:所述测距传感器包括激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器中的一种或多种传感器。
12.如权利要求1所述的灾害预警系统,其特征在于:所述灾害预警区域为危险区域和保安煤柱区域,所述危险区域包括老窑水区域、地下水区域、煤与瓦斯突出危险区域、冲击地压危险区域、顶板事故危险区域;所述保安煤柱区域为围绕在危险区域周边的设定三维区域;所述保安煤柱区域根据危险区域类型和该区域的地质参数,自动生成或手动设定。
说明书 :
基于精确定位的灾害预警系统
技术领域
背景技术
煤与瓦斯突出、冲击地压、、顶板事故占比较高。现有矿井水灾、煤与瓦斯突出、冲击地压、、
顶板等重特大事故预警系统需要安装数量繁多的各类现场和外部传感器,很多数据采集并
不能实时采集,系统建设成本高,实现复杂,难以满足安全生产的需要。因此需要一种适合
煤矿空间环境的、简单有效、建设成本低且易于实施的灾害预警系统。研究表明,煤矿重特
大事故与煤炭生产的人员与设备作业有着密不可分的联系,很多事故的发生是由于进入或
靠近老窑水、地下水、煤与瓦斯突出等危险区域生产作业造成的,因此,需要对井下作业人
员与设备精确定位。矿井人员定位系统是国务院(国发[2010]23号)要求煤矿和非煤矿山必
须装备的安全避险六大系统之一,在遏制超定员生产等安全生产和应急救援中发挥着重要
作用,由于卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达井下,因此长期以来矿井人员定位系统
主要采用RFID定位方法,无法精确定位。现有精确定位系统主要采用基于信号衰减RSSI、基
于信号飞行时间TOA和基于信号飞行时间差TDOA的无线电波定位方法。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,井下RSSI定位误差较大,目前现有井下TOA和
TDOA定位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。因此,需要研究
定位精度高的矿井全局二维和三维精确定位方法,用于井下作业人员与设备精确定位,在
此基础上对生产作业中事故和灾害进行预警,可有效避免矿井事故和灾害的发生。
发明内容
上对生产作业中事故和灾害进行预警。所述系统包括地理信息服务器、定位服务器、灾害预
警服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置;所述系统在使用前需进行地理信息服
务器初始化,得到矿区的三维数字地图;所述定位服务器负责对定位装置进行定位服务和
定位数据管理;所述灾害预警服务器负责参考地理信息服务器提供的灾害预警区域数据,
对定位装置的定位数据进行判定,当监测到携带定位装置的人员、车辆或采掘设备的定位
数据满足设定条件,则向监控终端、定位终端发出灾害预警信息;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、灾害预警服务器和地理信息服务器进行通信;
柱区域;所述区域均为三维区域;
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;
和定位装置的位置数据服务;
息;
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。
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。
步骤(7)中的定位装置垂直坐标zM=dR1,dR1为定位装置在移动目标上的安装高度。
时,所述定位过程步骤(6)中yM值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和dL确定。
和dL确定;上式中LM为巷道宽度,Q1、Q2为设定阈值。
定位装置无法与定位分站通信时,使用陀螺仪传感器和三轴加速度传感器进行惯性导航定
位,并定时将位置数据存储到存储元件,当定位装置与定位分站恢复通行后,将所存储的位
置数据上传到定位服务器。
定位装置方向、巷道壁纵坐标和dL确定。
区域、顶板事故危险区域;所述保安煤柱区域为围绕在危险区域周边的设定三维区域;所述
保安煤柱区域根据危险区域类型和该区域的地质参数,自动生成或手动设定。
维数字地图。
根本上对由于违规煤炭生产作业造成的水灾、煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板事故等灾害与
事故进行监控预警。
分利用陀螺仪传感器、三轴加速度传感器和磁力传感器数据,实现了移动目标实时方向监
测;根据实时方向数据、三维数字地图和测距传感器数据,获得移动目标与巷道壁距离用于
二维和三维定位;发明了定位装置姿态校正模块,可调整测距传感器姿态,通过传感器采集
感知数据,通过数据通信网络获取共享数据,通过处理器处理和进行实时控制,保证了水平
和垂直方向测距数据的有效性,进而保障移动目标的二维和三维定位的可靠性和精确性;
充分利用陀螺仪传感器、三轴加速度传感器和磁力传感器数据,在无线电波测距和无线通
信的条件下自动进行定位并存储,当可通信时自动上传,保证定位数据记录完整。
附图说明
具体实施方式
实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都
属于本申请保护的范围。所述一种井下三维精确定位系统实施示例如图1所示,图中上部所
示设备(101)、(102)、(103)、(104)、(105)为井上设备,图中下部为井下巷道剖面图,主要包
括:
灾害预警服务器提供灾害预警区域数据。地理信息服务器使用三维GIS平台,存储全矿区相
关的地理信息数据、地质勘测数据、固定设备数据的三维位置数据。
据满足设定条件,则向监控终端、定位终端发出灾害预警信息。
数据管理和通信服务,并为监控终端提供调取查询服务。
终端具有三维数字地图地图显示,移动目标位置及资料显示查询,移动目标位置统计,历史
位置追踪查询等相关人机交互服务功能;监控终端具有声光报警功能,当接收到灾害预警
服务器发送的灾害预警信息,则声光报警。
险区域包括老窑水区域、地下水区域、煤与瓦斯突出危险区域、冲击地压危险区域、顶板事
故危险区域等。所述区域均为三维区域.。
校正模块进行控制,当定位装置无法与定位分站通信时,通过处理对陀螺仪传感器和三轴
加速度传感器数据,进行惯性导航定位。处理器采用意法公司的32位cortex‑m3芯片Stm32f
103rbt6,最高工作频率72MHz,128K Byte的程序存储空间,20K Byte SRAM,支持多种低功
耗模式。
芯片,支持IEEE802.15.4‑2011协议,具有UWB信号的收发功能,支持6个射频带宽,带宽可选
择500MHZ和900MHz两种,采用Partron的ACS5200HFAUWB陶瓷天线,通过柔性专用转接线与
主板上DW1000引出的接口连接。
片。电池充电管理核心芯片采用TP4056锂电池充电管理芯片。
2
通过惯性导航获得定位数据进行存储。存储芯片采用24C512,通过IC总线与处理器通信。
辅助单元包括还包括时钟,采用振荡频率为38.4MHz的石英晶振。
到2000°/sec,敏感度较高,出厂前校准至1%的敏感度,所采集的信号为数字信号,采集结
果通过I2C串行数据通信传输给处理器。
处理器。
输给处理器。以上陀螺仪传感器、磁力传感器和三轴加速度传感器也可采用集成芯片,如
MPU9250芯片,采集信号为数字信号,采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。使用前
需测量三轴陀螺仪传感器轴向相对地理坐标系的偏移程度,根据偏移程度对最终结果进行
补偿。
括舵机控制器和三台舵机,舵机转动轴与定位装置三维坐标系的坐标轴平行,舵机由舵机
控制器发送的不同长度的脉冲控制信号控制转动角度;舵机控制器与处理器通过通信接口
连接通信,舵机控制器可控制多个舵机转动。
转轴进行确定,三个传感器的各轴应尽量重合,如不重合需进行换算补偿。本示例三个传感
器采用集成芯片(501),各传感器三轴完全重合,定位装置坐标系与传感器三轴重合。
机箱。
道壁和顶板,采集定位装置与巷道壁、顶板的距离。
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,根据夹角控制舵
机转动角度,以调整传感器的三维角度,使水平测距传感器(609)的测距探头垂直朝向巷道
壁,垂直测距传感器(610)的测距探头垂直朝向顶板。
实施示例中,调整传感器姿态时无需计算定位装置坐标系与巷道局部坐标系的夹角,而是
根据(609)和(611)所采集的距离数据的差值调整Zt轴舵机转动角度,根据(610)和(612)所
采集的距离数据的差值调整Xt轴舵机转动角度,根据(610)和(413)所采集的距离数据的差
值调整Yt轴舵机转动角度,保证差值小于设定阈值。设(609)、(611)、(610)、(612)、(613)的
测距数据分别为dLA、dLB、dTA、dTB、dTC,(609)和(611)间隔距离为dlAB,(610)和(612)间隔距离
为dtAB,(610)和(613)间隔距离为dtAC,以图5所示的定位装置坐标系的轴为转动轴,如图所
示的转动方向为转动正方向,即遵循右手法则的转动方向为转动正方向,则调整传感器姿
态的具体方法为:
轴。
(xA,yA)、(xB,yB),本示例局部坐标定位运算主要由定位装置执行,在A和B之间的巷道区域
中,定位装置记录存储内容包括当前巷道坐标系与地理坐标系的夹角,所述夹角由地理信
息服务器提供。过程包括:
扰,返回执行步骤(701)。
纵坐标和dL确定;上式中LM为巷道宽度,Q1、Q2为设定阈值。
信息和定位装置的位置数据服务。
yM值根据定位装置方向、巷道壁L纵坐标和dL确定,设图中左侧的定位装置与巷道壁L的距离
为dL1,巷道壁L纵坐标为dHL,则YM=dHL+dL1;设图中右侧的定位装置与巷道壁R的距离为dL2,
巷道壁R纵坐标为dHR,,则YM=dHR‑dL2;zM值根据定位装置在移动目标上的安装高度dR1确定,
zM=dR1。