一种应用于矿井的手机定位与导航系统及方法与流程

技术特征：
1.一种应用于矿井的手机定位与导航系统，其特征在于：包括uwb/zigbee定位系统和无线通讯系统；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；所述无线通讯系统与矿用手机相适用；所述定位基站包括2路uwb通道和2路zigbee通道；所述uwb通道用于定位基站与定位模块之间的uwb精确定位；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；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；所述uwb通道用于uwb精确定位；所述zigbee通道用于扫描网络和申请uwb测距时隙资源；所述低功耗蓝牙ble模块通道用于与矿用手机数据通信；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；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。2.根据权利要求1所述的一种应用于矿井的手机定位与导航系统，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的一种应用于矿井的手机定位与导航系统，其特征在于：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；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；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。4.根据权利要求3所述的一种应用于矿井的手机定位与导航系统，其特征在于：所述定位模块包括处理器、uwb模块、zigbee模块和蓝牙ble模块；所述蓝牙ble模块、uwb模块和zigbee模块分别与处理器数据连接；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。5.基于权利要求1～4所述系统的手机定位与导航方法，其特征在于：该方法为：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
‑
；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；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。6.根据权利要求5所述的应用于矿井的手机定位与导航方法，其特征在于：所述建立矿
井巷道位置坐标模型为：(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；(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；(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；(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。7.根据权利要求6所述的应用于矿井的手机定位与导航方法，其特征在于：所述进行矿井巷道定位为：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；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；定位模块与定位基站之间的距离计算公式为：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；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
；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：(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；(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；(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；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；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。8.根据权利要求7所述的应用于矿井的手机定位与导航方法，其特征在于：所述路径导航为：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；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：(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；(32)查找该图节点具有哪些分支节点；
(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；(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)；(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)。

技术总结
本发明涉及一种应用于矿井的手机定位与导航系统及方法，属于矿井定位技术领域。该方法采用UWB/ZigBee精确定位技术，设计一种高集成度的定位模块，嵌入矿用手机内部，采用低功耗蓝牙与矿用手机实现双向通信。该方法需要在煤矿井下安装UWB/ZigBee精确定位系统，实现无线定位信号全矿井巷道覆盖。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，通过蓝牙发送至矿用手机。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，输入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。手机的导航功能。手机的导航功能。


技术研发人员：王飞 戴剑波 刘亚辉 黄友胜 胡亮 胡宇 温贤培 田军 邵严 马书敏 刘世森 王斌 段明 周代勇 刘慧洁 刘芬 柳玉磊 胡英杰
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2021.08.10
技术公布日：2021/11/2