煤矿井下精确定位系统研究.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n 第45卷第12期 2019年12月 Vo l .45 No .12 Dec .2019 文章编号1671-251X2019 12-0086-05DOI10. 13272/j. issn . 1671-251. 17409 煤矿井下精确定位系统研究 陈伟1 （1.煤炭科学技术研究院有限公司％北京100013 2.Co a l Min eEmer g en c y Re sc ueTe c h n o l o g y Eq uipmen t Re sea r c h Ce n t er ,Be ijin g 100013,Ch in a ; 3.Beijin g Min e Sa f e t y En g in e er in g Tec h n o l o g y Re sea r c h Ce n t e r ,Be ijin g 100013,Ch in a Abstract Fo r l o w po sit io n pr ec isio n o f exist in g per so n n el po sit io n in g sy st em o f c o a l min e un d er g r o un d ba sed o n RFID, Zig Bee, WiFi a n d so o n , a pr ec ise po sit io n in g sy st em o f c o a l min e un d er g r o un d w a s pr o po sed w h ic h c o mbin ed v isibl el ig h t c o mmun ic a t io n w it h in er t ia l n a v ig a t io n s y s t e m.In t h e s y s t e m, un d er g r o un d LEDl ig h t in g l a mpist a ken a sLEDv isibl el ig h t po sit io n in g ba se -st a t io n .Visibl e l ig h t sig n a l isr ec eiv ed by CMOSc a mer a in in t elig e n t in f o r ma t io n min in g -l a mpf o r po sit io n in g .Da t a o f a c c el er a t io n sen so r a n d g y r o in in t elig en t in f o r ma t io n min in g -l a mpist imel y in t eg r a t e d t o g et mo v in g t r a c k a n d d ir ec t io n o f un d er g r o un d per so n n el . Da t a o f in e r t ia l n a v ig a t io n sy st em c o ul d be c o r r ec t ed t h r o ug h in t elig en t in f o r ma t io n min in g -l a mpid en t if y in g IDc o d in g in f o r ma t io n o f LEDv isib l el ig h t po sit io n in g ba se- st a t io n f o r a n e w po sit io n in g ,so a st o r ea l ize pr e c ise po sit io n in g .Eig h t LEDv isibl el ig h t po sit io n in g ba se - st a t io n sa r ea r r a n g ed in c o a l min e un d er g r o un d .P o sit io n in g pr ec isio n o f t h e sy st e mist e st e d t h r o ug h f iv e in t elig en t in f o r ma t io n min in g -l a mps mo v in g a t n o r ma l speed . Th e r esul t s sh o w t h a t po sit io n in g er r o r o f t h e s y s t e mis l e s s t h a n 1 m,w h ic h mee t spr ec isio n r eq uir eme n t so f per so n n el po s it io n in g in c o a l min e un d er g r o un d . Key words un d er g r o un d per so n n el po sit io n in g; pr ec ise po sit io n in g; v isibl e l ig h t c o mmun ic a t io n; in er t ia l n a v ig a t io n ;LEDv isibl el ig h t po sit io n in g ba se-st a t io n ;in t elig en t in f o r ma t io n min in g -l a mp 收稿日期2019-06-02;修回日期2019-11-29;责任编辑李明。 基金项目煤炭科学技术研究院技术创新基金资助项目017CX08,2018CX07北京市科委计划项目Z171100002317020。 作者简介陈伟1983 ,男，广西贵港人，助理研究员，硕士，现主要从事煤矿安全监测与通信等方面的研究工作,E-ma ilc h en w eic er ise. c n。 引用格式陈伟煤矿井下精确定位系统研究工矿自动化，2019,451286-90. CHEN Wei. Resea r c h o n pr ec ise po sit io n in g sy st em o f c o a l min e un d e r g r o un d In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n,2019,4512 86-908 2019年第12期 陈伟煤矿井下精确定位系统研究 -87 - 0引言引言 目前，煤矿井下人员定位系统主要基于RFID, Zig Bee, WiFi等无线通信技术1。RFID最早应用 于井下人员定位系统，但因无线传输距离短、极易受 干扰等逐渐被其他技术取代；Zig Bee技术功耗低, 发射距离较远閃，目前在煤矿井下人员定位系统中 得到广泛应用，但定位误差较大普遍大于2 m,且 常出现定位距离不稳定、跳跃等情况；WiFi人员定 位系统存在标签功耗高、WiFi热点采集算法复杂、 同频干扰严重、非标协议开发、定位精度不高等 问题。 针对上述问题，本文提出一种基于可见光通信 Visibl e Lig h t Co mmun ic a t io n , VLC34与惯性导 航系统In er t ia l Na v ig a t io n Sy st em, INS相结合的 煤矿井下精确定位系统。该系统通过LED可见光 定位基站和智能信息矿灯实现定位，利用INS技术 得到井下人员运动轨迹和方向，可有效提高井下人 员定位精度。 1系统定位技术系统定位技术 1. 1 VLC技术 VLC是一种以LED发出的可见光为信息载 体，高速调制LED光源以实现信息传输的通信技 术，兼顾照明与通信，不产生电磁辐射，也免受其干 扰〔57。IEEE 802. 15. 7明确了 VLC规范和标准 要求。 VLC为煤矿井下人员定位系统设计提供了一 种新的解决方案归。利用煤矿井下LED循环发出 的ID编码信息，每个LED光源环境可形成一个较 为精确的定位网络，通过LED可见光载体提供的信 息即可确定所处的区间位置，实现井下定位。 1.2 INS 技术 INS是一种以牛顿力学定律为基础，完全依靠 速度传感器、角速度传感器等硬件，不依赖外部导航 信息的自主式导航技术9 ,适用于煤矿井下相对封 闭的工作环境。 智能信息矿灯为煤矿井下精确定位系统的终端 设 ， 传感 和 惯性 考坐标系中测量的加速度和姿态角并对数据进行时 间积分10,之后将数据变换到导航坐标系中，即可 得到智能信息矿灯在导航坐标系中的速度、姿态、偏 移角、位置等信息。因INS对采集数据进行积分, 使得传感器误差累计，导致定位精度较差。智能信 息矿灯通过识别LED可见光定位基站的ID编码信 息重新定位，校正INS数据，修正累计误差对INS 定位精度的影响。 2系统定位算法系统定位算法 2. 1 VLC解调算法 智能信息矿灯的摄像头采用YUV格式提取数 据，实现VLC解调。YUV是视频处理中一种颜色 编码方法，其中“Y”表示明亮度也称灰度，“UV” 表示色度，用来描述像素色彩及饱和度11。 摄像头每拍摄到1帧明暗条纹即进行YUV格 式数据提取，同时对可见光灰度信息进行比较。由 于智能信息矿灯摄像头获取的是二维图像，可见光 在二维空间内像素点分布不均匀，采集的灰度亦不 同，无法采用确定的门限判决灰度信息为“1”或“0”, 需采用多项式拟合出一个变化的判决门限，并根据 拟合的判决门限建立直角坐标系，解调出“1”和“0”。 在直角坐标系中给定数据6 *,, 1, 2,，N,N为像素点个数为第8个像素点*,为 第8个像素点灰度。根据该数据的集合可得到近似 曲线 Z PC. 1 所有数据点不要求在该近似曲线上，但要求这 些数据点与该曲线间具有最小偏差。AGr. , *,与近 似曲线 差 P8 ” 2 拟合出多样本数据,使偏差平方和最小,得到最 小二乘拟合定义式式 3,从而解调可见光图像 数据。 N N min * [P3 81 81 式中PU为第8个像素点灰度拟合值。 2. 2 终端定位算法 智能信息矿灯采用捷联式INS技术12,通过加 传感 测 人员 移动 、 测 人 员 态角 对采集 据 行 得 人员 态、 度等信息。根据导航坐标系n系数据与智能信息 矿灯加速度传感器测量值,计算出人员移动速度 vn Abfb o n vn g 4 式中n为n系对于地心惯性 坐标系e系的旋转角速度;g为重力加速度。 方向余弦矩阵为 n “ c o s c o s 0 c o s sin 0sin y sin c o s c o s sin 0sin y sin c o s y sin pcos 0 sin sin 0sin y c o s c o s y sin sin 0sin y c o s sin y sin 0 - in0c o y s in yc o s 0_ 5 ・88・ 工矿自动化 45 式中卩为滚转角；。为俯仰角；7为偏航角。 信息矿灯坐标系（b系）相对n系的角速 度为 ）n b』）nbz ） 1 0 - sin 0 -y 0 c o s sin yc o s 0 0 _0 sin / c o s /c o s 0_ 卒 式中，）黑为n b三轴分量，由陀螺仪测得。 式（6）可得 求解式（7）即可得到智能信息矿灯姿态角卩, 1 0s in 0 - 1 b a n b 0c o s /s in /c o s 0 b 7 11 0 s in /c o s /c o s 0_ b -nbz 0。 信息矿灯采集 传感器与 据，纟 得 动 与姿态角。根据姿态角 计算 角（即运动方向），根据运动 计算 匸 刻 人员到LED 定位基站 ，从而实 确定位。 （ *n（H汁 1 -T；） （8） 式中（为定 计算值T； 信矿灯相 对LED 定位基站运动 点的相对时 点（在LED ，智能信息矿 识 ID编 码信息及LED光源中心相对范围1 m内,0, T0 0）。 3系统开发系统开发 3. 1 系统组成 煤矿 确定位系统由智能信息矿灯、LED 定位基站、交换机、服 、系统软件平台组 成，如图1所示。系统可应用于煤矿主 采煤工 、掘进工 安装矿用LED照 明灯的区域。 |系统软件平台| |服务器| 环网交换机将定 据上传至服 行 「13）。 系统软件平台通 、归类和分析数据，实 示 人员 。 3. 2 智能信息矿灯 信息矿 图2所示。 心 、 传感器、重力传感器邛 、矢量传感器、 4G模块、WiFi模块、环境 传感 ，为实现惯 性导航提供了硬件支持。 和 CMOS传感器， LED 信号。 Fig .2 In t elig en t in f o r ma t io n min in g -l a mp 信息矿灯采用An d r o id系统平台设计，利 用JAVA 开发定位软件，工作流程如图3所 -定 件核心 端定位算法和VLC 月 算法。 |开启摄像模式］ |拍摄可*光图罰 |提取图“灰產］ |处理岭取数癖 |提取o,i二进制闯 提取加速度传感器和 陀螺仪数据并融合 |运行终业位硏| |修正并加地函］ |显示;立置］ 图3智能信息矿灯定位软件工作流程 Fig . 3 Wo r kin g f l o w o f po sit io n in g so f t w a r e o f in t el l ig en t in f o r ma t io n min in g -l a mp 信息矿灯定 件控制CMOS 采 集由LED 定位基站 信号，经数 据 提取基站ID,从而实现VLC定位；结合 INS技术，以读 第1个基站 信 考 点，以第2个基站 信 向支点，其他基 站对INS数据进行 ，实 中导航及 向判定，并根据终端定位算法得到定位位置, 实现VLC与INS融合定 。 交换机 gw LED可见光 定位基站 g w 地面 井下 X LED可见光 定位基站 LED ， 根据 LED 定 基站 3组LED “D编码信息灯珠）实 定位，结 合 TDOA（Time Dif f er en c e o f Ar r iv a l，到达时间差） 定位算法，形成VLC定位模型，得出LED 定位坐标。煤矿井下巷道积聚大量粉尘或因湿度很 |智能信息矿灯］|智能信息矿灯］ 图1煤矿 确定位系统组成 Fig .1 Co mpo sit io n o f pr ec ise po sit io n in g sy st em o f c o a l min eun d er g r o un d 智能信息矿 煤矿 人员 。系统通过 LED 定位基站实现定位数据传输，利 下 大而产生雾气，导致 信号误差增大、定位响应时 有延迟，需对定位算法进行大 练和 。 信 矿 传感 LED 见光定位基站 信号后，自动触发定位 件打开 工作模式方波标线即通信 码，表示 周期性发送帧信息码，每组信息码即LED 定 基 站 ID 码 信 图 8 中 码 识 基 站 ID 19A 4. 2 测试结果 测 试 中 信 矿 均 通 采 集 LED 定 基 站 信 实 成 定 并 定 信 导 测 试 据 1测试点A-H的误差参考点距离均为5 m。 ・90・ 工矿自动化 45 图8解码查看模式 Fig .8 Dec o d in g v iew mo d e 1系统测试数据 Ta bl e 1 Sy t emt e t d a t a m 编号 ABCDEFGH 误差 矿 定测试值 平均 15.55.75.65.8 5.75.6 5.95.70.688 25.65.65.85.95.8 5.6 5.95.80.750 35.85.95.65.55.8 5.8 5.75.90.750 45.75.86.05.7 5.95.9 5.85.60.800 55.85.85.75.4 5.95.8 5.65.80.725 可看出每台智能信息矿灯的8组测试点定位平均误 差均小于1m,证 统 实 人员定位和 导 ，定 较高。 5结论结论 1 基于VLC和INS技术原理,设计了一种煤 矿 确定 统。 统 已有的 LED照 改造为LED 定位基站，矿工仅 信息矿 成精确定位，设计安装 ，成本低。测试结果 统定位误差小于 1m,满足煤矿 人员定 要求。 2 统目 试验性研究阶段，需进 一步提升、* 心算法。 参考文献References 1 孙哲星.基 测距的矿井人员定位方法研究[J. 工矿自动化,2018,444 3033. 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