一种应用于矿井的手机定位与导航系统及方法与流程

1.本发明属于矿井定位技术领域，涉及一种应用于矿井的手机定位与导航系统及方法。


背景技术：

2.目前，西安科技大学发明的“一种煤矿矿井导航定位系统”，包括多个恒定磁力源、多个电控磁力源、定位终端以及服务器，多个恒定磁力源和多个电控磁力源均安装在煤矿矿井中定位终端位于煤矿矿井内，用于测量所在位置的磁场强度与磁场变化频率，并将测量数据与预设磁场地图进行对比得出定位终端的实际位置服务器存储有预设磁场地图，并根据定位终端发送的测量数据与预设磁场地图中的磁场强度以及磁场变化频率进行对比，确定出定位终端的实际位置并发送至定位终端。但是，该技术的定位系统及方法不属于煤矿井下主流定位技术，而且位置坐标信息没有充分呈现至用户，以至该系统推广效果较差。
3.南京北路智控科技股份有限公司发明的“一种基于uwb技术ds
‑
twr的井下精确定位方位判定方法及系统”，包括：标签与全向定位天线a进行双边双向测距；全向定位天线a将标签相对a天线的距离发送给定位基站；全向定位天线b通过监听标签和全向定位天线b所绑定的全向定位天线a之间的无线数据，计算出标签的方位后将标签的方位发送给定位基站；定位基站依据标签的距离和方位来定位该标签相对该定位基站的位置信息，并将该标签相对该定位基站的位置信息上报给地面服务器；地面服务器依据该定位基站的绝对位置以及该标签相对该定位基站的位置定位标签的绝对位置。但是，该系统仅仅是定位系统及方法，用户终端无法获得位置坐标信息，不能实现导航功能。
4.目前，煤矿井下人员定位系统以基于射频识别技术(rfid)的定位系统数量最大，只能实现区域定位，不能做到精确定位。随着定位技术的持续发展，zigbee、uwb定位技术逐渐在市场上推广和应用，其中uwb精确定位技术具有定位精度高、抗干扰能力强、通信速率快和并发容量大等特点，zigbee精确定位技术具有成本低、功耗低和通信距离远等特点。因此，基于uwb和zigbee定位技术的精确定位系统在煤矿井下得到大量推广应用。但是，定位终端仅仅提供精确定位功能，部分定位终端与照明矿灯采用一体化设计，具有照明和定位功能，仍无法满足矿山智能化建设对定位终端的定位、通话和导航等多功能需求。
5.综上所述，为了满足定位终端多功能需求，实现精确定位、位置查询、路径导航和双向通话等，需要一种应用于矿井的手机定位与导航系统及方法。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于矿井的手机定位与导航系统及方法。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种应用于矿井的手机定位与导航系统，包括uwb/zigbee定位系统和无线通讯系统；
9.所述uwb/zigbee定位系统包括定位服务器、定位基站和含定位模块的矿用手机；
10.所述无线通讯系统与矿用手机相适用；
11.所述定位基站包括2路uwb通道和2路zigbee通道；
12.所述uwb通道用于定位基站与定位模块之间的uwb精确定位；
13.所述zigbee通道用于定位基站与定位模块之间的网络连接和uwb测距时的隙资源管理；
14.所述定位模块包括1路uwb通道、1路zigbee通道和1路蓝牙ble模块通道；
15.所述uwb通道用于uwb精确定位；
16.所述zigbee通道用于扫描网络和申请uwb测距时隙资源；
17.所述低功耗蓝牙ble模块通道用于与矿用手机数据通信；
18.所述定位模块嵌入矿用手机外壳内部，定位模块基于uwb/zigbee无线定位技术获得位置坐标信息，通过低功耗蓝牙ble模块发送至矿用手机；
19.所述矿用手机通过无线通讯系统下载和更新矿井gis巷道图，根据定位模块的位置坐标信息，实现矿用手机的定位功能，查询目标对象的位置坐标信息，采用最短路径算法实现矿用手机的导航功能。
20.可选的，所述无线通讯系统包括wifi无线通讯系统、4g无线通信系统和5g无线通信系统。
21.可选的，所述定位基站包括处理器、光电转换、2个uwb模块和2个zigbee模块；
22.所述光电转换、2个uwb模块和2个zigbee模块分别与处理器数据连接；
23.所述光电转换用于定位基站之间互相级联或者接入工业以太环网，2个uwb模块用于定位基站与定位模块之间的uwb精确定位，2个zigbee模块用于定位基站与定位模块之间的网络连接和uwb测距时隙资源管理。
24.可选的，所述定位模块包括处理器、uwb模块、zigbee模块和蓝牙ble模块；
25.所述蓝牙ble模块、uwb模块和zigbee模块分别与处理器数据连接；
26.所述定位模块嵌入矿用手机外壳内部，定位模块通过蓝牙ble模块与矿用手机实现双向数据通信，定位模块采用uwb/zigbee无线定位技术与定位基站完成精确定位，获得位置坐标信息，通过蓝牙ble模块发送至矿用手机。
27.基于所述系统的手机定位与导航方法，该方法为：
28.将3台定位基站设置在矿井巷道内，网络地址分别为3、4和5，相距分别为400米，定位基站左边为正 、右边为负
‑
；
29.定位基站从矿井巷道入口开始布置，依次推进、直到完成全矿井安装；
30.定位基站在线型巷道内具有1个分支，在“丁”字路口具有2个分支，在“十”字路口具有3个分支；
31.定位基站安装完毕后，建立矿井巷道位置坐标模型，并进行矿井巷道定位和路径导航。
32.可选的，所述建立矿井巷道位置坐标模型为：
33.(11)根据定位基站的实际安装位置，在矿井gis巷道图中确定所有定位基站的坐标位置；
34.(12)设置定位基站的网络地址、有效覆盖距离值和方向特性的信息；
35.(13)建立定位基站逻辑连接关系图，矿井gis巷道图中任何位置映射为某个定位基站的覆盖距离值；
36.(14)将矿井巷道中重要场所添加至矿井gis巷道图中，并标注位置坐标信息，与定位基站的网络地址、距离及方向进行绑定。
37.可选的，所述进行矿井巷道定位为：
38.在矿井巷道中，每隔一段距离安装一个基站，实现巷道全覆盖；
39.基于tof技术的uwb点对点测距，定位模块获得测距结果时需要4次通信：测距请求帧poll、测距响应帧resp、测距数据帧final和测距报告帧report；
40.定位模块与定位基站之间的距离计算公式为：
[0041][0042]
式中：t
sp
表示测距请求帧的发送时间戳；t
rp
表示测距请求帧的接收时间戳；t
sr
表示测距响应帧的发送时间戳；t
rr
表示测距响应帧的接收时间戳；t
sf
表示测距数据帧的发送时间戳；t
rf
表示测距数据帧的接收时间戳；c为光速，3.0
×
108m/s；
[0043]
根据矿井巷道的一维线性空间特点，定位基站的两个uwb天线必须成对安装，二者之间距离为d
δ
；
[0044]
标识模块与定位基站的两个uwb天线的测距结果分别为d1和d2，判断定位模块方向的机制如下：
[0045]
(21)d2＜d1且d2＞d
δ
时，定位模块在定位基站的左边，距离为d2，方向为正；
[0046]
(22)d1＜d2且d1＞d
δ
时，定位模块在定位基站的右边，距离为d1，方向为负；
[0047]
(23)d1＜d
δ
且d2＜d
δ
时，定位模块在定位基站的两个uwb天线中间，距离为d1或d2；
[0048]
定位基站对定位模块完成精确定位后，通过测距报告帧report告诉定位模块，定位模块获得位置坐标信息，即定位基站的地址、定位距离值和方向特性；
[0049]
矿用手机根据定位模块的位置坐标信息，包括定位基站的地址、定位距离值和方向特性，在矿井巷道地图上显示定位模块所在具体位置和周围环境，并实时更新。
[0050]
可选的，所述路径导航为：
[0051]
根据矿用手机的定位模块与定位基站之间的uwb精确定位结果，获得当前位置坐标信息，包括定位基站的地址、定位距离值和方向特性，输入目标对象后，通过矿井gis巷道图获得目标对象的位置坐标信息，包括定位基站的地址、定位距离值和方向特性；
[0052]
已知当前位置坐标信息或出发位置坐标信息、目标对象的位置坐标信息，通过遍历查询定位基站逻辑连接关系图，完成二者之间的路径导航，具体流程如下：
[0053]
(31)确定当前位置或出发位置，在定位基站逻辑关系图中找到对应节点；
[0054]
(32)查找该图节点具有哪些分支节点；
[0055]
(33)从多个分支节点中，按照定位基站地址从小到大的顺序，选择一个分支节点作为临时路径节点，并存储至导航路径缓存队列；
[0056]
(34)判断该临时路径节点是否为目标对象的位置坐标信息，若是，导航路径缓存队列中存储的路径节点则为导航路径；若不是，则进入(35)；
[0057]
(35)查找该临时路径节点具有哪些分支节点，除去已经查询的分支节点，如果没有分支节点，则从导航路径缓存队列中删除该临时路径节点，根据导航路径缓存队列返回
上一级，重复(35)；如果还有分支节点，按照定位基站地址从小到大的顺序，选择一个分支节点作为临时路径节点，并存储至导航路径缓存队列，重复(34)。
[0058]
本发明的有益效果在于：
[0059]
(1)针对矿井巷道线型定位特征，采用单基站方式和距离差算法实现方向判断，使得定位基站数量减半，从而降低系统建设成本。
[0060]
(2)矿用手机精确定位刷新快，实时更新位置坐标信息。定位模块直接获得位置坐标信息(定位基站的地址、定位距离值和方向特性)，在矿井gis巷道图上显示当前位置和周围环境。
[0061]
(3)路径导航算法简单，根据位置坐标信息对应的图节点，然后遍历查询定位基站逻辑连接关系图，通过矿井gis巷道图进行图像呈现，从而实现路径导航。
[0062]
(4)在矿用手机上高度集成了精确定位、位置查询、路径导航和双向通话等功能，满足矿山智能化建设要求，系统适用性强、市场前景广。
[0063]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0064]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0065]
图1为矿用手机定位与导航系统架构图；
[0066]
图2为定位基站硬件设计框图；
[0067]
图3为矿用手机(含定位模块)硬件设计框图；
[0068]
图4为定位基站3、4、5有效覆盖范围；
[0069]
图5为定位基站3、4、5逻辑连接关系；
[0070]
图6为定位基站安装位置示意图；
[0071]
图7为定位基站逻辑连接关系图；
[0072]
图8为uwb点对点测距流程图；
[0073]
图9为uwb精确定位方向判断示意图。
具体实施方式
[0074]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0075]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不
代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0076]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0077]
1系统架构
[0078]
如图1所示，矿用手机定位与导航系统，需要安装uwb/zigbee精确定位系统，包括定位服务器、定位基站和矿用手机(含定位模块)。同时，需要安装与矿用手机相适用的无线通讯系统，如wifi无线通讯系统或4g/5g无线通信系统。
[0079]
定位基站具有2路uwb通道和2路zigbee通道，uwb通道用于定位基站与定位模块之间的uwb精确定位，zigbee通道用于定位基站与定位模块之间的网络连接、uwb测距时隙资源管理。定位模块具有1路uwb通道、1路zigbee通道和1路低功耗蓝牙(ble)通道，uwb通道用于uwb精确定位，zigbee通道用于扫描网络和申请uwb测距时隙资源，功耗蓝牙(ble)通道用于与矿用手机数据通信。定位模块嵌入矿用手机外壳内部，定位模块基于uwb/zigbee无线定位技术获得位置坐标信息，通过功耗蓝牙(ble)发送至矿用手机。矿用手机通过wifi或/4g/5g无线网络下载和更新矿井gis巷道图，根据定位模块的位置坐标信息，实现矿用手机的定位功能，查询目标对象的位置坐标信息，采用最短路径算法实现矿用手机的导航功能。
[0080]
最短路径算法：依据定位基站逻辑关系图，旨在寻找源坐标与目的坐标之间的最短路径。最常用的最短路径算法如dijkstra算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径，以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。
[0081]
2定位基站硬件设计
[0082]
定位基站包括处理器、光电转换、2个uwb模块和2个zigbee模块等，其硬件设计框图如图2所示。
[0083]
光电转换用于定位基站之间互相级联或者接入工业以太环网，2个uwb模块用于定位基站与定位模块之间的uwb精确定位，2个zigbee模块用于定位基站与定位模块之间的网络连接和uwb测距时隙资源管理。
[0084]
3矿用手机(含定位模块)硬件设计
[0085]
在普通矿用手机中增加定位模块，组成新的矿用手机，定位模块包括处理器、uwb模块、zigbee模块和低功耗蓝牙(ble)模块等，其硬件设计框图如图3所示。
[0086]
定位模块嵌入矿用手机外壳内部，定位模块通过低功耗蓝牙(ble)与矿用手机实现双向数据通信，定位模块采用uwb/zigbee无线定位技术与定位基站完成精确定位，获得位置坐标信息，通过低功耗蓝牙(ble)发送至矿用手机。
[0087]
4矿井巷道位置坐标模型
[0088]
矿井巷道在水平方向上属于线性结构，定位基站安装后，相互之间具有树型逻辑连接关系。定位基站具有网络地址、距离和方向等特性，定位基站的网络地址在uwb/zigbee精确定位系统中具有唯一性，距离和方向决定了定位基站的精确定位有效覆盖范围。假设
某矿井巷道内安装了3台定位基站，网络地址分别为3、4、5，距离为400米，定位基站左边为正( )、右边为负(
‑
)，此3台定位基站有效覆盖范围如图4所示，逻辑连接关系如图5所示。
[0089]
定位基站从矿井巷道入口开始布置，依次推进、直到完成全矿井安装。定位基站在线型巷道内一般只具有1个分支，在“丁”字路口具有2个分支，在“十”字路口具有3个分支，以此类推。定位基站安装完毕后，安装位置如图6所示，逻辑连接关系如图7所示。
[0090]
矿井巷道位置坐标模型建立步骤如下：
[0091]
(11)根据定位基站的实际安装位置，在矿井gis巷道图中确定所有定位基站的坐标位置；
[0092]
(12)设置定位基站的网络地址、有效覆盖距离值和方向特性等信息；
[0093]
(13)建立定位基站逻辑连接关系图，矿井gis巷道图中任何位置可以映射为某个定位基站的覆盖距离值，比如定位基站(12)正200m、定位基站(16)负350m等。
[0094]
(14)将矿井巷道中重要场所添加至矿井gis巷道图中，并标注位置坐标信息，与定位基站的网络地址、距离及方向进行绑定。
[0095]
5矿井巷道精确定位算法
[0096]
在矿井巷道中，每隔一段距离安装一个基站，实现巷道全覆盖，一维定位算法即可满足现场应用需求。
[0097]
如图8所示，基于tof技术的uwb点对点测距，定位模块获得测距结果时一般需要4次通信：测距请求帧(poll)；测距响应帧(resp)；测距数据帧(final)；测距报告帧(report)。
[0098]
定位模块与定位基站之间的距离计算公式为：
[0099][0100]
式中：t
sp
表示测距请求帧的发送时间戳；t
rp
表示测距请求帧的接收时间戳；t
sr
表示测距响应帧的发送时间戳；t
rr
表示测距响应帧的接收时间戳；t
sf
表示测距数据帧的发送时间戳；t
rf
表示测距数据帧的接收时间戳；c为光速，3.0
×
108m/s。
[0101]
根据矿井巷道的一维线性空间特点，定位基站的两个uwb天线必须成对安装，二者之间距离为d
δ
。
[0102]
如图9所示，标识模块与定位基站的两个uwb天线的测距结果分别为d1和d2，判断定位模块方向的机制如下：
[0103]
(21)d2＜d1且d2＞d
δ
时，定位模块在定位基站的左边，距离为d2，方向为正；
[0104]
(22)d1＜d2且d1＞d
δ
时，定位模块在定位基站的右边，距离为d1，方向为负；
[0105]
(23)d1＜d
δ
且d2＜d
δ
时，定位模块在定位基站的两个uwb天线中间，距离为d1或d2。
[0106]
定位基站对定位模块完成精确定位后，通过测距报告帧(report)告诉定位模块，定位模块即可获得位置坐标信息，即定位基站的地址、定位距离值和方向特性。
[0107]
矿用手机根据定位模块的位置坐标信息(定位基站的地址、定位距离值和方向特性)，即可在矿井巷道地图上显示定位模块所在具体位置和周围环境，并实时更新。
[0108]
6路径导航算法
[0109]
根据矿用手机(定位模块)与定位基站之间的uwb精确定位结果，可以获得当前位置坐标信息(定位基站的地址、定位距离值和方向特性)，输入目标对象后，通过矿井gis巷
道图即可获得目标对象的位置坐标信息(定位基站的地址、定位距离值和方向特性)。
[0110]
已知当前位置坐标信息或出发位置坐标信息、目标对象的位置坐标信息，通过遍历查询定位基站逻辑连接关系图，即可完成二者之间的路径导航，具体流程如下：
[0111]
(31)确定当前位置或出发位置，在定位基站逻辑关系图中找到对应节点(简称“图节点”)，距定位基站(15)正300米对应的图节点为“15、正”；
[0112]
(32)查找该图节点具有哪些分支节点。如图7所示，图节点“15、正”具有2个分支节点：“11、负”、“15、负”，图节点“3、负”具有3个分支节点：“3、正”、“4、正”、“7、正”；
[0113]
(33)从多个分支节点中，按照定位基站地址从小到大的顺序，选择一个分支节点作为临时路径节点，并存储至导航路径缓存队列；
[0114]
(34)判断该临时路径节点是否为目标对象的位置坐标信息，若是，导航路径缓存队列中存储的路径节点则为导航路径。若不是，则进入(35)；
[0115]
(35)查找该临时路径节点具有哪些分支节点，除去已经查询的分支节点，如果没有分支节点，则从导航路径缓存队列中删除该临时路径节点，根据导航路径缓存队列返回上一级，重复(35)。如果还有分支节点，按照定位基站地址从小到大的顺序，选择一个分支节点作为临时路径节点，并存储至导航路径缓存队列，重复(34)。
[0116]
矿用手机路径导航算法核心思路：根据位置坐标信息对应的图节点，然后遍历查询定位基站逻辑连接关系图，输出二者之间的所有图节点至矿井gis巷道图，即可实现路径导航。
[0117]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。