一种面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位方法和系统

本发明涉及井下可见光定位，具体涉及一种面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位方法和系统。

背景技术：

1、地下矿井巷道封闭狭长，卫星导航信号无法穿透地层，难以直接实现井下人员位置监测。现有井下人员定位方案主要包含rfid射频识别、超宽带uwb、蓝牙、zigbee、惯性导航、地磁定位等，各类方案均存在明显短板：rfid定位精度低、仅能实现区域粗定位；uwb 设备部署成本高、需基站严格时间同步，粉尘、金属遮挡下测距误差急剧增大；蓝牙、zigbee信号易受巷道多径、粉尘衰减干扰，稳定性差；惯性导航存在累积漂移，长期使用需频繁校准；地磁依赖井下地磁指纹库，巷道改扩建后需重新采集数据，维护工作量极大。

2、可见光定位可复用矿井现有顶部led照明灯具作为定位信标，矿工佩戴矿帽集成光电探测器（pd）接收光强信号完成定位，硬件成本低、无需新增大量专用基站。基于接收信号强度rss的可见光定位方案无需相机成像、无需高精度时间同步，工程落地难度低。但井下复杂环境会严重破坏理想视距光传播模型：煤岩壁、金属支护、轨道、采掘设备会产生大量反射多径；空气中悬浮煤尘造成光散射衰减；运输车辆、作业人员会间歇性遮挡led-pd视距链路；不同巷道空间尺寸、作业模式、人员姿态带来差异化光传播干扰。

3、现有技术普遍采用单一固定光传播模型适配全部井下巷道，无法区分普通通行巷道、运输大巷、采掘工作面的光传播特性差异，模型拟合误差大；同时仅依靠纯数据驱动神经网络直接输出位置，物理可解释性差，异常遮挡、多径干扰下定位漂移严重；缺少针对低矮工作面人员弯腰、蹲伏姿态导致pd视场角丢失、可靠链路不足的降级跟踪机制，大断面运输巷道车辆遮挡、金属强反射带来的异常rss链路也未做抑制处理，最终井下定位精度、鲁棒性难以满足矿山安全生产要求。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位方法和系统，以解决现有技术中存在的至少一个技术问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位方法，所述方法包括：步骤s1、采集井下巷道中多个顶部led三维坐标、led发射功率、矿帽pd接收的rss时序序列、巷道几何边界、粉尘遮挡信息、链路遮挡状态以及人员姿态信息，并对rss时序序列进行平滑处理，输出平滑rss；步骤s2、根据巷道几何边界、链路遮挡状态以及人员姿态信息识别当前定位区域所属场景，所述场景至少包括普通人员通行巷道、大断面运输巷道和低矮采掘工作面，输出与之对应的场景标识并调用对应场景参数集；步骤s3、基于所述led三维坐标、led发射光功率、粉尘遮挡信息以及场景参数集，针对识别出的场景建立物理引导的阻挡-多径可见光信道模型，基于该模型计算各led-pd链路的预测rss；步骤s4、基于所述平滑rss与预测rss之间的差异构造los残差，结合平滑rss、相邻时刻rss变化量、短时rss方差、归一化rss占比、视场角可用特征、遮挡状态特征共同组成链路特征向量，将所述链路级特征向量输入轻量多任务神经网络，输出非视距rss偏差和链路可靠度；步骤s5、利用所述非视距rss偏差对所述平滑rss进行校正，得到校正后的rss；步骤s6、基于所述校正后的rss结合链路可靠度、表征rss稳定性的短时rss方差、视场角可用性以及遮挡状态生成链路权重；步骤s7、基于校正后的rss通过视距路径损耗模型反演led与pd之间的预估等效距离；步骤s8、以巷道几何边界划定场景对应的巷道几何约束区域，基于预估等效距离和链路权重，采用加权最小二乘法求解井下人员三维位置；并依据场景标识匹配差异化定位策略，输出人员三维坐标与定位置信度。

3、进一步的，所述矿帽pd采用强度调制-直接检测方式接收led光信号；在每个采样时刻获得单时刻rss观测值，多个采样时刻对应的rss观测值按时间顺序排列构成所述rss时序序列；

4、所述单时刻rss观测值满足观测模型：

5、；

6、其中，为第i个led在场景s中对应的rss观测值，为第i个led的发射光功率，为led与光电探测器之间的光信道冲激响应，为光传播时延，为测量噪声；

7、所述预处理包括时间对齐、异常rss观测值剔除、时序滑动平滑，由rss时序序列输出平滑rss。

8、进一步的，所述步骤s3、基于所述led三维坐标、led发射光功率、粉尘遮挡信息以及场景参数集，针对识别出的场景建立物理引导的阻挡-多径可见光信道模型，基于该模型计算各led-pd链路的预测rss包括：

9、以普通人员通行巷道作为基准场景，第i个led对应的光信道冲激响应表示为：

10、；

11、其中，为有效遮挡因子，为视距分量，为反射多径分量，为煤尘散射尾部；

12、大断面运输巷道和低矮采掘工作面通过替换对应场景参数集扩展基准阻挡 -多径可见光信道模型，对应冲激响应表达式分别为：

13、；

14、；

15、式中，、、分别对应于普通人员通行巷道场景参数集、大断面运输巷道场景参数集和低矮采掘工作面场景参数集；

16、三类场景遮挡系数、可分辨反射路径数量满足约束关系：

17、大断面运输巷道场景满足：；；

18、低矮采掘工作面场景满足：；；

19、其中、、依次为普通人员通行巷道场景、大断面运输巷道场景和低矮采掘工作面场景的链路遮挡系数，、、分别为普通人员通行巷道场景、大断面运输巷道场景和低矮采掘工作面场景可分辨反射路径数量；

20、将led发射功率、led与光电探测器之间的链路几何参数及对应场景参数代入所述信道模型，计算得到各led-pd链路的预测rss。

21、进一步的，所述步骤s4、基于所述平滑rss与预测rss之间的差异构造los残差，结合平滑rss、相邻时刻rss变化量、短时rss方差、归一化rss占比、视场角可用特征、遮挡状态特征共同组成链路特征向量包括：

22、第i条led-pd链路的链路级特征向量表示为：

23、；

24、其中，为平滑rss，为相邻时刻rss变化量，为短时rss方差，为测量rss与预测rss之间的信道重构残差，为归一化rss占比，为视场角可用特征，为遮挡状态特征；

25、所述测量rss与预测rss之间的信道重构残差表达式为：

26、；

27、式中，为预测rss。

28、进一步的，所述步骤s4、将所述链路级特征向量输入轻量多任务神经网络，输出非视距rss偏差和链路可靠度包括：

29、所述轻量多任务神经网络包括共享编码层、可靠度输出头和rss偏差输出头，可靠度输出头输出第i条链路的链路可靠度，其取值范围为0至1；rss偏差输出头输出非视距rss偏差。

30、进一步的，所述步骤s5、利用所述非视距rss偏差对所述平滑rss进行校正，得到校正后的rss包括：

31、；

32、式中，为校正后的rss。

33、进一步的，所述步骤s6、基于所述校正后的rss结合链路可靠度、表征rss稳定性的短时rss方差、视场角可用性以及遮挡状态生成链路权重包括：

34、第i条链路的基础定位权重包括：

35、；

36、其中，为链路可用性指示量，当链路位于接收视场角之外、rss低于设定阈值或被判定为严重遮挡时，令，否则令；为第i条链路的链路可靠度，为短时rss方差，为常数。

37、进一步的，所述步骤s7、基于校正后的rss通过视距路径损耗模型反演led与pd之间的预估等效距离包括：基于校正后的rss，结合led发射功率、光电探测器响应参数以及对应场景的视距路径损耗模型计算led与光电探测器之间的初始等效距离；若当前定位场景为粉尘消光明显的大断面运输巷道或低矮采掘工作面，引入对应场景专属粉尘消光参数，以所述初始等效距离为迭代初值，结合叠加粉尘指数衰减项的视距损耗模型迭代修正，得到最终等效距离。

38、进一步的，所述步骤s8、以巷道几何边界划定场景对应的巷道几何约束区域，基于预估等效距离和链路权重，采用加权最小二乘法求解井下人员三维位置包括：

39、；

40、；

41、式中，为t时刻场景s下终端估计矿下人员位置向量，为场景s对应的巷道几何可行区域，n为参与定位运算的led总数量，为第i个led三维坐标，为led与pd之间的预估等效距离，p为待优化求解的矿下人员未知位置变量，为场景s下第i条链路的距离残差；

42、所述依据场景标识匹配差异化定位策略，输出人员三维坐标与定位置信度包括：

43、当场景标识为大断面运输巷道时，先通过基础链路权重求解初始位置，计算各链路定位残差，依据残差阈值构建鲁棒重加权系数，压低车辆遮挡、金属强反射对应的异常链路权重后重新求解矿下人员三维坐标；

44、当场景标识为低矮采掘工作面时，通过pd入射角判断视距光是否在接收视场范围内，若满足可靠条件的led链路数量低于定位最低阈值，则切换时序降级跟踪模式，依据上一时刻位置、运动速度预测当前坐标并投影至巷道几何约束区域，同步标记低定位置信度；

45、当场景标识为普通人员通行巷道时，直接执行加权最小二乘求解矿下人员三维坐标。

46、第二方面，本发明实施例提供了一种面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位系统，所述系统采用上述的面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位方法实现，所述系统包括：数据采集模块，适用于采集井下巷道中多个顶部led三维坐标、led发射功率、矿帽pd接收的rss时序序列、巷道几何边界、粉尘遮挡信息、链路遮挡状态以及人员姿态信息，并对rss时序序列进行平滑处理，输出平滑rss；场景标识模块，适用于根据巷道几何边界、链路遮挡状态以及人员姿态信息识别当前定位区域所属场景，所述场景至少包括普通人员通行巷道、大断面运输巷道和低矮采掘工作面，输出与之对应的场景标识并调用对应场景参数集；阻挡-多径信道建模模块，适用于基于所述led三维坐标、led发射光功率、粉尘遮挡信息以及场景参数集，针对识别出的场景建立物理引导的阻挡-多径可见光信道模型，基于该模型计算各led-pd链路的预测rss；轻量多任务mlp模块，适用于基于所述平滑rss与预测rss之间的差异构造los残差，结合平滑rss、相邻时刻rss变化量、短时rss方差、归一化rss占比、视场角可用特征、遮挡状态特征共同组成链路特征向量，将所述链路级特征向量输入轻量多任务神经网络，输出非视距rss偏差和链路可靠度；rss校正模块，适用于利用所述非视距rss偏差对所述平滑rss进行校正，得到校正后的rss；链路权重生成模块，适用于基于所述校正后的rss结合链路可靠度、表征rss稳定性的短时rss方差、视场角可用性以及遮挡状态生成链路权重；预估等效距离计算模块，适用于基于校正后的rss通过视距路径损耗模型反演led与pd之间的预估等效距离；位置输出模块，适用于以巷道几何边界划定场景对应的巷道几何约束区域，基于预估等效距离和链路权重，采用加权最小二乘法求解井下人员三维位置；并依据场景标识匹配差异化定位策略，输出人员三维坐标与定位置信度。

47、第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述的面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位方法。

48、第四方面，本发明实施例还提供了一种可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行上述的面向矿下巷道物理引导场景感知的可见光人员定位方法。

49、本发明的有益效果如下：本发明相较于现有技术具有显著的创新性和技术优势，主要体现在以下几个方面：

50、1.复用矿井原有led照明设施作为定位信标，矿帽仅集成低成本光电探测器，无需相机、高精度时钟同步、大规模离线指纹采集，部署、维护成本低，适配大范围井下推广；

51、2.采用物理驱动阻挡-多径可见光信道模型，区分三类井下巷道场景差异化配置传播参数，精准刻画视距、反射多径、粉尘散射、动态遮挡对rss的影响；

52、3.通过轻量多任务神经网络仅完成nlos偏差估计与链路可靠性打分，人员位置由几何加权最小二乘物理模型求解，兼顾机器学习误差补偿能力与传统测距定位的稳定性；

53、4.分场景定制差异化定位策略：运输巷道鲁棒重加权抑制车辆、金属设备异常链路；低矮工作面可靠链路不足时启动时序降级跟踪，避免姿态变化、视场角丢失导致定位失效，全场景定位鲁棒性显著提升；

54、5.引入巷道几何边界硬约束，限定人员位置仅在巷道可行区域内，有效抑制狭长巷道横向漂移、越界错误定位结果，同步输出定位置信度，为矿山应急救援、人员管控提供量化可靠性参考。