一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位方法及便携设备与流程

1.本发明涉及同步定位方法技术领域，具体是指一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位方法及便携设备。


背景技术：

2.目前，井下定位方法多采用射频识别(radio frequency identification,rfid)、红外线(infrared-ray,ir)、wi-fi、蓝牙等新型设备可将物体定位在矿井巷道下方。然而，由于矿井巷道的环境因素复杂，例如高空气湿度，空气中高水平的浮尘以及可变复杂的电磁干扰带来的不确定性，对多径减弱的抵抗力较低，对定位精度影响较大，同时无法实时检测矿工的身体健康以及矿道环境，以保证矿井下作业安全。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位方法及便携设备，采用分组多标签共同协作的定位方法，减少了噪声以及电磁干扰的影，满足定位技术的高准确度、高可靠性、高实时性等需求，配备的传感器可以实时检测矿工的身体健康以及矿道环境，保证矿井下作业安全。
4.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备，包括传感单元、定位单位和处理显示单元。
5.所述传感单元监测标签健康状况以及矿道环境，检测的标签健康状况参数包括标签活动的加速度、血压、血氧浓度、心率以及体温，矿道环境参数包括气压、湿度、一氧化碳浓度以及瓦斯；
6.所述定位单位测定标签的位置，使用超宽带技术提高定位精度、使用基于ads-twr的回传帧机制、使用加权最小二乘定位算法、使用改进卡尔曼滤波跟踪算法、使用非线性小波阈值法去噪；
7.所述处理显示单元包括显示和控制管理模块、电池管理模块、报警模块、数据传输模块和显示模块，用于处理定位单元和传感单元生成的数据，并与其他标签或者基站完成通信。
8.一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备的定位方法，包括以下步骤：
9.步骤一：首先根据标签与基站的距离，对标签位置进行初始化；
10.步骤二：由基站将所有标签划分成多个相对位置较为集中的小组并指定组长标签；
11.步骤三：由组长标签与组内其他标签共同协作，互相测距，完成组内标签相对位置图；
12.步骤四：由组长标签收集组内其他标签的状态数据，并与相对位置图一同上传至
基站；
13.步骤五：基站根据当前标签的位置，调整标签组别或者重新指定组长标签；
14.步骤六：服务器根据基站上传的标签位置和状态数据，测绘工作人员活动图，并监控其状态是否存在异常。
15.标签组内以及标签与基站之间使用了基于超宽带信号的数据通信方法，在基站、服务器与监控中心之间使用了基于光纤和wi-fi的数据通信方法。
16.步骤一中标签初始化初步测定矿井范围内所有标签的位置，将其进行分组并指定组长标签，为之后的分组收集标签状态做准备，使用基于ads-twr的回传帧机制，测定各个标签与基站的距离，初始化标签所在位置，过程如下：首先由标签向所有基站广播轮询帧，在收到了基站的回应帧后，则可认为是成功建立通信；之后，标签再次向所有成功建立通信的基站发送定位帧，基站则可对标签的距离进行测定，同时根据距离信息判断其所在位置；
17.使用基于标签所在的相对位置分组的方式，所在位置较为接近的多个标签将被划分为一组，每一组标签的状态信息将由同一个基站负责管理，同时组内标签数不宜过多，超过阈值的组将被拆分成多个小组；
18.使用基于标签相对位置方差最小化的方式，指定同组标签中处于中心位置的标签作为组长标签。由于矿井环境因素复杂，通信不稳定，因此每一组将指定多个组长标签，每个组长单独完成之后的分组定位工作。
19.标签状态收集是分组收集标签当前的状态，并且由组长标签统计整理后上传至基站；
20.使用基于ads-twr的回传帧机制，测定组长标签与各个组员标签的距离，由于每一组存在多个组长，每个组长标签同时也是其他组长标签的组员；
21.完成测距任务后，组长标签收集并统计各个组员标签的状态数据，状态数据包括心率、温度，以及气压、湿度、瓦斯、一氧化碳数值，每个组员标签的位置和状态信息，将在组长标签的数据库中以《key,value》的形式存储，其中key为标签编号，value为其位置和状态信息组成的json数据；
22.使用超宽带技术，组长标签将收集好的标签状态上传至相应的基站；
23.如果存在单个标签超时未收到任何组长标签的请求信号，则认为该标签丢失，将重新执行该标签的初始化。
24.标签状态处理是对于通过对分组收集到的标签位置和状态信息进行处理，得到各个标签在矿井下的实际位置，并且判定标签当前是否处于正常井下作业状态；
25.使用基于标签所在相对位置分组的方式，对每一组标签的相对位置进行判定，如果组内标签移动至脱离组内其他标签位置，则对标签重新进行分组，同时，如果组长标签移动至偏离小组中心位置，则重新指定组长标签；
26.使用超宽带技术，基站对该区域中每个小组的标签状态进行整理，并上传至服务器。对于同一组内多个组长标签收集的标签状态，如果误差未超过阈值，则采用最新接收的数据；如果误差超过阈值，则要求该小组组长标签重新进行标签状态收集；
27.服务器接收到基站上传的标签状态数据，则绘制当前的矿井下作业人员活动图，并监控作业人员当前的身体健康数据以及环境数据是否存在异常，如果异常，则发出警告。
28.本发明与现有技术相比的优点在于：1、提供了定位、检测身体健康参数以及环境
参数的功能，契合矿井下作业人员的要求，能够实时保障其井下作业的安全性；
29.2、针对矿井下环境因素复杂，定位精度不够的问题，在便携设备的定位单元中采用了多种算法，提升定位精度，减少由环境噪声以及硬件设备造成的误差；
30.3、提出了分组多标签共同协作的定位方法，该方法采用了组内标签相互测距的方式，由于组内标签的相对位置较为接近，因此噪声的影响较小，进一步定位精度。同时，该方法将组内定位交由组长标签完成，减少了服务器的计算负担；
31.4、分组多标签共同协作的定位方法，使得如果单个标签意外损坏，仍可通过组长标签内缓存估计其所在位置；
32.5、在标签组内和标签与基站之间通信上采用了超宽带技术，使得通信更加稳定，定位精度更高，由少数标签统一上传数据的方式也提高了带宽利用率。
附图说明
33.图1是本发明一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位方法及便携设备的框图。
34.图2是本发明一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位方法及便携设备的方案流程图。
35.图3是本发明一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位方法及便携设备的通讯流程图。
具体实施方式
36.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
37.本发明公开一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备，包括传感单元、定位单位和处理显示单元，检测并且上传标签的位置、身体健康参数和矿道环境参数。
38.所述传感单元监测标签健康状况以及矿道环境，检测的标签健康状况参数包括标签活动的加速度、血压、血氧浓度、心率以及体温，矿道环境参数包括气压、湿度、一氧化碳浓度以及瓦斯；
39.所述定位单位测定标签的位置，使用超宽带技术提高定位精度；
40.使用基于ads-twr的回传帧机制，根据测量节点和标签之间的距离来测算两个节点之间uwb信号的平均传播时间，然后根据信号的传播速率来对节点之间的距离进行计算。
41.使用加权最小二乘定位算法，以实测距离与估计距离之差最小的节点位置作为未知节点的方向，利用数学观测值模型计算未知节点的位置坐标，并且由于每个节点的观测误差是不同的，因此需要基于观测误差增加权重矩阵，本发明选定估计误差的逆矩阵作为权重矩阵。
42.使用改进卡尔曼滤波跟踪算法，将sage-husa算法应用于经典的卡尔曼滤波器，使其具有自适应滤波的功能，可以实时追踪噪声的变化，进而在线校正滤波器参数。
43.使用非线性小波阈值法去噪，对测距噪声进行提取，对小波阈值进行了改进以提高信号平滑度，根据三角模糊数设计了复合评价指标权重以确定最佳小波分解尺度，能够减小uwb信号传播过程中的多径传播和非视距干扰造成的测距误差。
44.所述处理显示单元包括显示和控制管理模块、电池管理模块、报警模块、数据传输模块和显示模块，用于处理定位单元和传感单元生成的数据，并与其他标签或者基站完成通信。
45.一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备的定位方法，包括以下步骤：
46.步骤一：首先根据标签与基站的距离，对标签位置进行初始化；
47.步骤二：由基站将所有标签划分成多个相对位置较为集中的小组并指定组长标签；
48.步骤三：由组长标签与组内其他标签共同协作，互相测距，完成组内标签相对位置图；
49.步骤四：由组长标签收集组内其他标签的状态数据，并与相对位置图一同上传至基站；
50.步骤五：基站根据当前标签的位置，调整标签组别或者重新指定组长标签；
51.步骤六：服务器根据基站上传的标签位置和状态数据，测绘工作人员活动图，并监控其状态是否存在异常。
52.标签组内通信
53.使用了基于超宽带信号的数据通信方法，组长标签与各个组员标签之间传输定位信号，并且组员标签向组长标签传输生理参数以及环境参数数据。
54.标签与基站通信
55.使用了基于超宽带信号的数据通信方法，初始化标签位置，负责基站指定组长标签，组长标签将完成收集的组内标签数据上传至负责基站。
56.基站-服务器-监控中心通信
57.使用了基于光纤以及wi-fi的数据通信方法，基站将完成收集的区域内数据上传至服务器，服务器将计算完成的数据反馈至监控中心，并且上传至云端备份。
58.步骤一中标签初始化初步测定矿井范围内所有标签的位置，将其进行分组并指定组长标签，为之后的分组收集标签状态做准备，使用基于ads-twr的回传帧机制，测定各个标签与基站的距离，初始化标签所在位置，过程如下：首先由标签向所有基站广播轮询帧，在收到了基站的回应帧后，则可认为是成功建立通信；之后，标签再次向所有成功建立通信的基站发送定位帧，基站则可对标签的距离进行测定，同时根据距离信息判断其所在位置；
59.使用基于标签所在的相对位置分组的方式，所在位置较为接近的多个标签将被划分为一组，每一组标签的状态信息将由同一个基站负责管理，同时组内标签数不宜过多，超过阈值的组将被拆分成多个小组；
60.使用基于标签相对位置方差最小化的方式，指定同组标签中处于中心位置的标签作为组长标签。由于矿井环境因素复杂，通信不稳定，因此每一组将指定多个组长标签，每个组长单独完成之后的分组定位工作。
61.标签状态收集是分组收集标签当前的状态，并且由组长标签统计整理后上传至基
站；
62.使用基于ads-twr的回传帧机制，测定组长标签与各个组员标签的距离，由于每一组存在多个组长，每个组长标签同时也是其他组长标签的组员；
63.完成测距任务后，组长标签收集并统计各个组员标签的状态数据，状态数据包括心率、温度，以及气压、湿度、瓦斯、一氧化碳数值，每个组员标签的位置和状态信息，将在组长标签的数据库中以《key,value》的形式存储，其中key为标签编号，value为其位置和状态信息组成的json数据；
64.使用超宽带技术，组长标签将收集好的标签状态上传至相应的基站；
65.如果存在单个标签超时未收到任何组长标签的请求信号，则认为该标签丢失，将重新执行该标签的初始化。
66.标签状态处理是对于通过对分组收集到的标签位置和状态信息进行处理，得到各个标签在矿井下的实际位置，并且判定标签当前是否处于正常井下作业状态；
67.使用基于标签所在相对位置分组的方式，对每一组标签的相对位置进行判定，如果组内标签移动至脱离组内其他标签位置，则对标签重新进行分组，同时，如果组长标签移动至偏离小组中心位置，则重新指定组长标签；
68.使用超宽带技术，基站对该区域中每个小组的标签状态进行整理，并上传至服务器。对于同一组内多个组长标签收集的标签状态，如果误差未超过阈值，则采用最新接收的数据；如果误差超过阈值，则要求该小组组长标签重新进行标签状态收集；
69.服务器接收到基站上传的标签状态数据，则绘制当前的矿井下作业人员活动图，并监控作业人员当前的身体健康数据以及环境数据是否存在异常，如果异常，则发出警告。
70.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。