一种全矿井精准定位系统的制作方法

1.本发明涉及可见光通信应用技术领域，特别是涉及一种全矿井精准定位系统。


背景技术：

2.建设智能化无人矿山，精准掌握井下作业人员及设备的工作位置及作业情况，是实现绿色安全高效采煤的必然途径。目前，煤矿井下人员或设备定位系统，受井下地理环境位移、粉尘水雾、设备安装精度及电磁干扰等影响，难以准确地获得矿山井下设备的绝对地理位置信息，导致在需要掌握井下作业状况时，甚至发生事故时，不能够第一时间获取到绝对地理位置信息，从而耽误生产工作或最佳抢救事故的时机。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提供一种全矿井精准定位系统，在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置信息。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种全矿井精准定位系统，包括：可见光定位矿灯、可见光定位终端及位移分析模块；所述可见光定位矿灯设有多处，多处所述可见光定位矿灯以地面井口或者大巷为基准点，每隔预定距离安设于井下巷道及采煤工作面，所述可见光定位矿灯用于作为可见光通信基站；所述可见光定位终端上配置有可见光通信配对模块，用于与所述可见光定位矿灯配对连接；所述位移分析模块与所述可见光定位终端通信连接，用于基于与所述可见光定位终端配对连接的可见光定位矿灯的位置信息确定所述可见光定位终端的绝对地理位置信息，将所述可见光定位终端的绝对地理位置信息导入全矿井地质测绘电子地图数据库，将所述可见光定位终端的绝对地理位置信息在全矿井地质测绘电子地图中展示。
6.可选地，所述可见光定位矿灯上或附近配置有激光同轴度测量模块，所述激光同轴度测量模块，用于向相邻可见光定位矿灯上的激光同轴度测量模块互相发射激光束，以激光束作为参考直线，测量激光束的同轴度信息，确定相邻可见光定位矿灯的同轴度位置偏差，并将所述同轴度位置偏差发送至位移分析模块。
7.可选地，所述位移分析模块，还用于将校正的可见光定位矿灯的位置信息和可见光定位终端的绝对地理位置信息导入全矿井地质测绘电子地图数据库，以更新所述全矿井地质测绘电子地图。
8.可选地，所述可见光定位矿灯上还配置有惯性导航装置，用于采集可见光定位矿灯在井下地质环境采动变化后位置变化过程的轨迹信息，并将所述轨迹信息发送至位移分析模块。
9.可选地，所述位移分析模块，具体用于基于所述相邻可见光定位矿灯的同轴度位置偏差，得到以所述基准点为参考的各个所述可见光定位矿灯的第一坐标；基于所述可见光定位矿灯的所述位置变化过程的轨迹信息，得到以所述基准点为参考的各个所述可见光定位矿灯的第二坐标；基于所述第一坐标和所述第二坐标得到所述可见光定位矿灯的绝对
地理位置信息，基于所述可见光定位矿灯的绝对地理位置信息得到所述可见光定位终端的绝对地理位置信息。
10.可选地，所述可见光定位矿灯采用红绿蓝三基色或红绿蓝黄四色led做光源。
11.可选地，所述可见光定位终端包括安全帽，所述安全帽上设有语音、视频交互模块。
12.可选地，所述位移分析模块和可见光定位矿灯及可见光定位终端通过5g网络、plc电力线、光纤、以太网线中的一种或数种通信连接。
13.可选地，所述可见光定位终端通过有线供电、电池供电或无源储能供电。
14.本发明实施例提供的一种全矿井精准定位系统，利用矿灯易铺设覆盖广的特点，根据煤矿井下不同场景的需求，每隔预定距离于井下巷道及采煤工作面安设可见光定位矿灯，作为可见光通信基站，基于可见光定位矿灯实现可见光定位终端的定位；由于可见光通信受井下地理环境、粉尘水雾、电磁干扰等影响较小，在存在高电磁干扰的条件下，仍可实现精准定位，从而在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置信息。进一步地，以地面井口或者大巷为基准，在位移分析模块确定出所述可见光定位终端的绝对地理位置信息的基础上，通过融合全矿井地质测绘电子地图实现井下人员或设备的位置定位，将所述可见光定位终端的绝对地理位置信息在全矿井地质测绘电子地图中展示，可以直接看到全矿井人员或者设备所处的实时位置点，实现真实场景的精准定位。
15.综上，本技术实施例提供的全矿井精准定位系统，在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置信息。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.图1是本发明一实施例一种全矿井精准定位系统的模块示意图；
18.图2为本发明一实施例一种全矿井精准定位系统的可见光定位矿灯的信号的覆盖范围的示意图；
19.图3为本发明一实施例一种全矿井精准定位系统的激光同轴度测量模块的工作示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
21.应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的发明主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.参看图1至图3所示，本发明提供的一种全矿井精准定位系统，包括：可见光定位矿灯1、可见光定位终端2及位移分析模块3；所述可见光定位矿灯1设有多处，多处所述可见光定位矿灯1以地面井口或者大巷为基准点，每隔预定距离安设于井下巷道及采煤工作面，所述可见光定位矿灯1用于作为可见光通信基站；所述可见光定位终端2上配置有可见光通信配对模块，用于与所述可见光定位矿灯1配对连接；所述位移分析模块3与所述可见光定位终端2通信连接，用于基于与所述可见光定位终端2配对连接的可见光定位矿灯1的位置信息确定所述可见光定位终端2的绝对地理位置信息，将所述可见光定位终端2的绝对地理位置信息导入全矿井地质测绘电子地图数据库，将所述可见光定位终端的绝对地理位置信息在全矿井地质测绘电子地图中展示。
23.可见光定位矿灯1中的位置信息，通过可见光通信配对模块传递到可见光定位终端2中，可见光定位终端2通过其与位移分析模块3通信连接将可见光定位矿灯1中的位置信息传递到位移分析模块3中，然后位移分析模块3通过位置信息确定可见光定位终端2的绝对地理位置信息并将其展示在全矿井地质测绘电子地图中。
24.具体的，在一实施例中，所述可见光定位终端2上还配置有无源定位标签，每个无源定位标签具有唯一标识码，每个所述可见光定位矿灯1具有唯一身份标识码；所述位移分析模块3中存储有与所述唯一身份标识码对应的可见光定位矿灯1的位置信息关系表；所述位移分析模块3，具体用于基于所述可见光定位矿灯1的唯一身份标识码与所述关系表匹配得到对应可见光定位矿灯1的位置信息；所述位移分析模块3，还用于根据所述唯一标识码确定当前与可见光定位矿灯1配对连接的可见光定位终端2，并将对应的可见光终端设备的标识及其绝对地理位置信息在全矿井地质测绘电子地图中展示。
25.唯一标识码用于区分向位移分析模块3传递唯一身份标识码的的可见光定位终端2。
26.位移分析模块3中的可见光定位矿灯1的位置信息关系表，在位移分析模块3对可见光定位矿灯1的位置信息后进行校正，或者惯性导航装置对可见光定位矿灯1的位置信息进行校正后，将可见光定位矿灯1的位置信息导入全矿井地质测绘电子地图数据库后，会对位移分析模块3中的可见光定位矿灯1的位置信息关系表进行一次更新，即位移分析模块3中的可见光定位矿灯1的位置信息关系表中的可见光定位矿灯1的位置信息与全矿井地质测绘电子地图数据库中相对应的可见光定位矿灯1的位置信息相同。这样，通过唯一身份标识码在可见光定位矿灯1的位置信息关系表中得到的可见光定位矿灯1的位置信息为校正后的可见光定位矿灯1的位置信息，从而位移分析模块3通过可见光定位矿灯1的位置信息得到的可见光定位终端2的绝对地理位置信息为矿井实际地质环境信息，具有较高的准确性。
27.其中，全矿井地质测绘电子地图为可视化人机界面展示终端，将可见光定位终端2的绝对地理位置信息展示在可视化人机界面展示终端中，这样，有助于直观的确定可见光定位终端2在矿井中的具体位置。可见光定位矿灯1具有易铺设覆盖广的特点，可以根据矿井内不同场景的需求，进行不同数量、不同光源类型的布置。在一实施例中，所述可见光定位矿灯1采用红绿蓝三基色或红绿蓝黄四色led做光源。
28.本发明实施例提供的一种全矿井精准定位系统，通过位移分析模块3处理与可见光定位终端2相连接的定位矿灯的位置信息，得到可见光定位终端2的绝对地理位置信息，
可见光矿灯与可见光定位终端2之间通过可见光通信，由于可见光通信受井下地理环境、粉尘水雾、电磁干扰等影响较小，所以可以较为准确地获得可见光定位终端2的绝对地理位置信息。可见光定位终端2可以是矿山井下作业人员或者矿山井下作业设备，所以在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置信息。
29.在一实施例中，为了得到可见光定位终端2的实时绝对地理位置信息，所述可见光定位矿灯1上或附近配置有激光同轴度测量模块4，所述激光同轴度测量模块4，用于向相邻可见光定位矿灯1上的激光同轴度测量模块4互相发射激光束，以其中一个激光同轴度测量模块4发射的激光束作为参考直线，测量相邻激光同轴度测量模块发射的激光束相互间的同轴度信息，进而确定相邻可见光定位矿灯1的同轴度位置偏差，并将所述同轴度位置偏差发送至位移分析模块3；所述位移分析模块3，还用于基于所述同轴度位置偏差校正可见光定位矿灯1的位置信息，并根据校正后的可见光定位矿灯1的位置信息校正所述可见光定位终端2的绝对地理位置信息。
30.具体的，激光同轴度测量模块4不仅可以向相邻可见光定位矿灯1上的激光同轴度测量模块4发射激光束，还能够接收相邻可见光定位矿灯1上的激光同轴度测量模块4发射的激光束。激光同轴度测量模块4以其发射的激光束为参考线，测量其发射与接收的激光束之间的同轴度信息，从而得到安装有激光同轴度测量模块4的可见光定位矿灯1之间的同轴度位置偏差。
31.其中，配置有激光同轴度测量模块4的可见光定位矿灯1的数量，根据场景的需求布置。
32.具体的，需要对工作面中的采煤机进行监控定位时，可以仅在工作面中的可见光定位矿灯1附近安装激光同轴度测量模块4；需要对巷道中的工作人员进行监控定位时，可以在整个巷道中的可见光定位矿灯1附近安装激光同轴度测量模块4，根据场景的需求布置，而不需要针对整个矿井布置，从而降低布置成本。
33.此外，为了进一步降低布置成本，激光同轴度测量模块4可以在相邻的可见光定位矿灯1上设置，也可以在临近可见光定位矿灯1之间相隔设置。
34.位移分析模块3不仅能够基于与所述可见光定位终端2配对连接的可见光定位矿灯1的位置信息确定所述可见光定位终端2的绝对地理位置信息，将所述可见光定位终端2的绝对地理位置信息导入全矿井地质测绘电子地图数据库，还能够动态更新全矿井地质测绘电子地图数据库。
35.具体的，在一实施例中，所述位移分析模块3，还用于将校正的可见光定位矿灯1的位置信息和可见光定位终端2的绝对地理位置信息导入全矿井地质测绘电子地图数据库，以更新所述全矿井地质测绘电子地图。这样，能够使全矿井地质测绘电子地图和矿井的实际地质环境一致，从而便于确定可见光定位终端2在矿井中的实际位置。
36.不仅可以通过位移分析模块3对可见光定位矿灯1的位置信息进行校正，还可以通过惯性导航装置对可见光定位矿灯1的位置信息进行校正。
37.可以理解的是，一些矿井中应用的定位系统，受到因采动而导致的井下地理环境的位移影响，无法准确地获得各矿山井下设备的绝对地理位置信息，本实施例提供的全矿井精准定位系统通过在可见光定位矿灯1上配置惯性导航系统，并融合全矿井地质测绘电子地图，可以在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置
信息。
38.具体的，在一实施例中，所述可见光定位矿灯1上还配置有惯性导航装置，所述惯性导航装置用于采集可见光定位矿灯1在井下地质环境采动变化后发生位姿变化的姿态角信息，并将所述变化的姿态角信息发送至位移分析模块；所述位移分析模块，还用于基于所述可见光定位矿灯1发生位姿变化的姿态角信息对可见光定位矿灯1的位置信息实时校正，并更新所述全矿井地质测绘电子地图数据库。这样，有助于进一步矫正可见光定位矿灯1的位置信息，并增强全矿井地质测绘电子地图的准确性。
39.具体的，惯性导航装置包括陀螺仪，通过陀螺仪能够测量惯性导航装置的三轴加速度和三轴角速度，然后结合可见光定位矿灯1的初始位姿信息，得到可见光定位矿灯1随地质环境变化的运行轨迹，经过积分运算得到可见光定位矿灯1在井下地质环境采动变化后的姿态角信息。然后根据安装有测量惯性导航装置的可见光定位矿灯1在井下地质环境采动变化后的位姿信息与初始位姿信息之间的关系，反演附近未安装惯性导航装置的可见光定位矿灯1在井下地质环境采动变化后的姿态角信息。
40.可选的，上述惯性导航装置可以选用捷联惯导系统。
41.由于惯性导航装置在校正过程中，通过陀螺仪与位移分析模块完成，不依赖外部信息，从而可以避免井下地理环境、粉尘水雾、电磁干扰的影响，再加上惯性导航装置具有测量信息全面和数据更新率高的优点，能够增强校正可见光定位矿灯1的位置信息的准确性和实用性。
42.在一实施例中，所述位移分析模块，具体用于基于所述相邻可见光定位矿灯的同轴度位置偏差，得到以所述基准点为参考的各个所述可见光定位矿灯的第一坐标；基于所述可见光定位矿灯的所述位置变化过程的轨迹信息，得到以所述基准点为参考的各个所述可见光定位矿灯的第二坐标；基于所述第一坐标和所述第二坐标得到所述可见光定位矿灯的绝对地理位置信息，基于所述可见光定位矿灯的绝对地理位置信息得到所述可见光定位终端的绝对地理位置信息。
43.具体地，同轴度位置偏差是指激光同轴度测量模块与测量的可见光定位矿灯之间的相对距离和角度，具体地，激光同轴度测量模块通过发射接收光线的时间差和光速可以得到可见光定位矿灯之间的相对距离。
44.在激光同轴度测量模块中设有以起始段第一个激光雷达为原点的原始坐标系，由此，通过上述同轴度位置偏差通过激光同轴度测量模块可以得到可见光定位矿灯在原始坐标系中的第一坐标。
45.其中，原始坐标系一般可以定义两个坐标轴的发射方向，起始可以设定两个坐标轴呈90度。
46.惯性导航装置可以通过采集可见光定位矿灯在井下地质环境采动变化过程中的加速度及随地质环境变化而运行的时间，进而通过积分运算得到可见光定位矿灯在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
47.一方面，根据下述公式可以得到可见光定位矿灯在导航坐标系中的第二坐标：
[0048][0049]
其中，ln表示可见光定位矿灯之间的相对距离；表示b坐标系与n坐标系之间
的姿态矩阵，b坐标系为原始坐标系，n坐标系为导航坐标系；表示惯性导航装置解算的姿态矩阵；rs表示激光同轴度测量模块与可见光定位矿灯之间的相对距离。
[0050]
通过已知的安装有激光同轴度测量模块的可见光定位矿灯的坐标可以得到测量的可见光定位矿灯位移的第二坐标a。
[0051]
另一方面，惯性导航装置可以直接测量得到可见光定位矿灯位移的第二坐标b。
[0052]
考虑到测量过程中的误差问题，可以通过建立状态方程和观测方程的方式以得到较为精准的定位信息。
[0053]
状态方程为：
[0054]
x＝fx w
[0055]
其中，f表示激光同轴度测量模块与惯性导航装置的状态转移矩阵；w表示系统噪声。
[0056]
进一步的，状态方程可以表示为：
[0057][0058]
其中，表示，惯性导航装置的姿态误差；δvn表示惯性导航装置的姿态误差；δpn表示惯性导航装置的位置误差；ε表示陀螺仪的偏移量；表示加速度计的偏移量。
[0059]
观测方程为：
[0060]
z＝hx v
[0061]
其中，h表示对应可见光定位矿灯的测量矩阵；v表示系统噪声；z为观测值。
[0062]
进一步的，观测值的表达式可以表示为：
[0063]
z＝a-b
[0064]
这样，通过建立观测方程和观测值，综合可见光定位矿灯的第一坐标和第二坐标，可以得到可见光定位矿灯的绝对地理位置信息，进而得到可见光定位终端的绝对地理位置信息。
[0065]
可见光定位矿灯1的信号覆盖范围比较广，存在可见光定位终端2在同一区域内能够接收到多个可见光定位矿灯1的信号的情况，为了使可见光定位终端2与唯一的可见光定位矿灯1相配对连接，在一实施例中，所述可见光定位终端2上配置的可见光通信配对模块，具体用于根据可见光定位矿灯1的信号强度确定配对连接的对象。
[0066]
具体的，可见光定位矿灯1的信号强度与可见光定位矿灯1的信号与可见光定位矿灯1之间的距离呈正比，可见光通信配对模块使可见光定位终端与信号最强的可见光定位矿灯1配对连接，能够使可见光定位终端2与距离其最近的可见光定位矿灯1配对连接，从而使位移分析模块3根据距离可见光定位终端2最近的可见光定位矿灯1的位置信息确定其绝对地理位置信息，从而增强确定可见光定位终端2的绝对地理位置信息的准确性。
[0067]
在一实施例中，所述可见光定位终端2上还配置有安全帽，所述安全帽上设有语音交互模块。
[0068]
在一实施例中，所述位移分析模块3和可见光定位矿灯1及可见光定位终端2通过5g网络、plc电力线、光纤、以太网线中的一种或数种通信连接。
[0069]
具体的，位移分析模块3和可见光定位矿灯1及可见光定位终端2可以采用plc电力线、光纤或者以太网线通信连接以进行数据传输，但是，矿井中，采煤工作面的推进以及地
质环境的变化，容易扯断有线网络，使全矿井精准定位系统发生故障，从而无法获得可见光定位终端2的决定地理位置信息。因此，优选的，位移分析模块3和可见光定位矿灯1及可见光定位终端2可以通过无线通信连接以进行数据传输，即采用5g网络通信连接以进行数据传输，这样，避免了有线网络可能被扯断的风险，从而保证了全矿井精准定位系统的工作稳定性。
[0070]
为了适应复杂的矿井环境，对可见光定位终端2采取了多种供电方式。具体的，在一实施例中，所述可见光定位终端2通过有线供电、电池供电或无源储能供电。
[0071]
可见光定位终端2可以安装在井下作业设备上，或者佩戴于井下作业人员身上，通过有线供电、电池供电或无源储能供电对可见光定位终端2中的可见光通信配对模块进行供电。
[0072]
根据上述描述可知，本发明实施例提供的全矿井精准定位系统，利用矿灯易铺设覆盖广的特点，根据煤矿井下不同场景的需求，每隔预定距离于井下巷道及采煤工作面安设可见光定位矿灯1，作为可见光通信基站，基于可见光定位矿灯1实现可见光定位终端2的定位；由于可见光通信受井下地理环境、粉尘水雾、电磁干扰等影响较小，在存在高电磁干扰的条件下，仍可实现精准定位，从而在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置信息。
[0073]
进一步地，以地面井口或者大巷为基准，在位移分析模块3确定出所述可见光定位终端2的绝对地理位置信息的基础上，通过融合全矿井地质测绘电子地图实现井下人员或设备的位置定位，将所述可见光定位终端2的绝对地理位置信息在全矿井地质测绘电子地图中展示，可以直接看到全矿井人员或者设备所处的实时位置点，实现真实场景的精准定位。
[0074]
更进一步地，通过可见光定位矿灯1上配置惯性导航装置，例如，利用陀螺仪和加速度计等惯性元件测得的三轴加速度和三轴角速度信息，并结合矿灯初始安装位姿信息，经过高速积分运算实时获取矿灯实时位置和姿态数据，克服了一些定位方案因采动导致井下地理环境发生位移导致的定位不准确的技术问题，并融合全矿井地质测绘电子地图，可以在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置信息。
[0075]
综上，本技术实施例提供的全矿井精准定位系统，在一定程度上可以较为准确地获得矿山井下作业人员及设备的绝对地理位置信息。
[0076]
需要说明的是，在本文中，各个实施例之间描述的方案的侧重点不同，但是各个实施例又存在某种相互关联的关系，在理解本发明方案时，各个实施例之间可相互参照；另外，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0077]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应
涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。