一种煤矿井下定位装置及其定位方法.pdf

本发明公开了一种煤矿井下定位装置及其定位方法；旨在克服现有技术定位装置及定位方法灵敏度低及定位精度不高的技术问题；提供一种灵敏度及定位精度高、并且更安全可靠的定位装置及定位方法；本发明的定位装置采用了设有外壳，在外壳内设有电路板，电路板上设有电源及开关电路，电源及开关电路连接到主芯片的I/O接口，主芯片连接有信号放大电路及报警电路；信号放大电路连接有天线的技术方案；并且通过检测来自至少两个通信基站的信号强度；根据信号强度计算出分别与两个通信基站之间的距离；再计算出符合到两个基站间距离的坐标点的定位方法；本发明定位装置及定位方法定位精度、灵敏度高；适合于在煤矿井下安全生产中应用。

1.  一种煤矿井下定位装置，包括有外壳；其特征是：所述外壳内设有电路板，所述电路板上设有电源及开关电路，所述电源及开关电路连接到主芯片的I/O接口，所述主芯片连接有信号放大电路及报警电路，所述信号放大电路连接有天线；所述信号放大电路及报警电路由电源及开关电路供电。

2.  根据权利要求1的煤矿井下定位装置；其特征是：所述电源电路中设有限流电阻。

3.  根据权利要求1的煤矿井下定位装置；其特征是：所述信号放大电路中设有限流电阻。

4.  根据权利要求1的煤矿井下定位装置；其特征是：所述报警电路中设有限流电阻。

5.  根据权利要求1的煤矿井下定位装置；其特征是：所述定位装置是定位仪。

6.  一种煤矿井下定位方法，其待征是：所述定位方法包括如下步骤：
a.定位装置的电路模块检测来自至少两个通信基站的信号强度；
b.根据检测到的信号强度计算出定位装置分别与两个通信基站之间的距离；
c.根据与两个通信基站之间的距离，计算出符合到两个基站间距离的座标点；这个座标点即是定位电路模块的所处位置。

7.  根据权利要求6的煤矿井下定位方法，其特征是：所述信号强度是电磁场强度。

一种煤矿井下定位装置及其定位方法
技术领域
本发明涉及一种定位装置，更具体地说，涉及一种对煤矿井下所处位置进行定位的定位仪及其定位方法。
背景技术
当前，煤矿安全生产成为安全生产的焦点之一，在工况极为复杂的煤矿井下，经常需要对特定的人或物进行定位，目前以现有技术为基础的定位算法，如RFID方法，事实上不能算是严格意义上的定位算法，它只能判断被定位的终端“在”或者“不在”检测设备(读录器)的周围，即只有两个状态，“0”或者“1”，一个检测设备的辐射范围是50米半径的空间，它只能判断被检测的终端是否在这个空间中，定位精度是比较差的。如果减小辐射范围，虽然定位精度可以提高，但是新的问题又产生了，那就是同样数量的检测设备(读录器)情况下，检测区域的总体的覆盖率下降了，大部地区可能根本没有信号覆盖，从而根本检测不到被检测终端的存在；这是一个两难的局面。在现有技术中，实现煤矿井下定位的技术或设备存在着定位方式落后，灵敏度低及定位精度不高，安全性差的技术缺陷，这种缺陷极大地影响了在煤矿安全生产过程中对井下人或物及时、精确的定位；现有技术所存在的上述技术缺陷，成为本领域技术人员所急待解决的一大技术问题。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种在煤矿井下复杂的工况条件下，能配合井下通信基站或信标，灵敏、精确地对人或物进行定位的定位装置及其定位方法。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种煤矿井下定位装置，包括有外壳；所述外壳内设有电路板，所述电路板上设有电源及开关电路，所述电源及开关电路连接到主芯片的I/O接口，所述主芯片连接有信号放大电路及报警电路，所述信号放大电路连接有天线；所述信号放大电路及报警电路由电源及开关电路供电。
进一步的，所述电源及开关电路中设有限流电阻；
更进一步的，所述信号放大电路中设有限流电阻；
更进一步的，所述报警电路中设有限流电阻；
更进一步的，所述定位装置是定位仪。
一种煤矿井下定位方法，所述定位方法包括如下步骤：
a.定位装置的电路模块检测来自至少两个通信基站的信号强度；
b.根据检测到的信号强度计算出定位装置分别与两个通信基站之间的距离；
c.根据与两个通信基站之间的距离，计算出符合到两个基站间距离的座标点；这个座标点即是定位电路模块的所处位置。
由于符合到两个通信基站的两个已知距离值的座标点是唯一的，所以，本发明的定位装置及定位方法能准确地确定定位装置所处的位置。利用周围已知坐标并且固定的煤矿井下无线电通信基站和煤矿井下无线电信标作为参照物，本发明煤矿井下定位装置通过确定自身与周围参照物的相对位置，从而计算出所在的坐标位置。具体来说，定位装置同时接收来自至少两个的无线电通信基站或信标发射的无线电导航信号，通过检测这些无线电导航信号的强弱，定位装置将分别计算出与这些参照物的距离。无线电信号是基于一个发射点，呈球形向周围三维发射的，由于与某个无线电信号源的距离相等的点分布在一个以该距离为半径的球面上，所以，针对每个参照物计算出来的距离，都有非常多的数值。在本发明方法C步骤中，提供了一种定位算法，这种定位算法的基本原理是：如果一组坐标数值同时满足到至少两个的参照物之间的条件，那么它就是定位装置当时所在的位置坐标。每一台无线电基站或信标都有固定而且唯一的编码，这些编码随无线电导航信号被发射出去，这样一来，定位装置就能确定其所接收的信号来自哪个参照物。由于每个参照物的坐标是固定不变且已知的，定位装置就可以获得计算自身坐标所需要的所有参数。
本发明的有益技术效果是：本发明定位装置携带方便，具有高可靠性和灵敏度；在煤矿井下，其定位精度达到具有国际领先水平的10米左右；并且，本发明的定位装置在电路模块中进行了本质安全设计，即在电路中设置了限流电阻，极好地控制了电路工作时的温度升高；另外，在紧急情况发生时，井下人员可以通过定位装置中的报警按钮触发实时的警报；将紧急状态信息及时传达到井上指挥系统；定位装置的相关配置由井上调度室系统在人工或程序控制下自动完成，携带者无须对其进行维护和操作，使用非常方便可靠；本发明定位方法简便快捷，定位精度高。
附图说明
图1是本实用新型一个实施例的电路模块框图及天线示意图；
图2是本发明煤矿井下定位装置一个实施例中主芯片及其外围电路的电路原理图；
图3是本发明煤矿井下定位装置一个实施例中信号放大电路及天线的电路原理图；
图4是本发明煤矿井下定位装置一个实施例中与非门电路U11及其周边部件的电路原理图；
图5是本发明煤矿井下定位装置一个实施例中LDO电源芯片U4及其周边部件的电路原理图；
图6是本发明煤矿井下定位方法中的一个原理示意图。
具体实施方式
本实施方式仅为本发明的一个较佳实施例，并不限制本发明的最大权利范围；在本实施例中，本发明的定位装置即是定位仪。
结合附图1至图4，在本发明的煤矿井下定位装置一个实施例中，电源及开关电路中，包括有：与非门电路U11、高电平工作的LDO电源芯片U4、电源按钮SW1；所述电路连接至主芯片CC2430的I/O接口。电源按钮SW1连接至与非门电路U11；与非门电路U11与电源之间设有限流电阻R510，并通过保险管F1和限流电阻R3、电阻R4连接至LDO电源芯片U4，通过R27、R28连接CC2430的I/O口，作为电源检测。在非工作状态下，与非门电路U11输出低电平，LDO电源芯片U4不工作，无工作电压输出。当SW1按下，与非门电路U11输出高电平，LDO电源芯片U4正常工作，输出工作电压，主芯片CC2430正常工作。即是当主芯片CC2430检测到电源按钮SW1按下，并且持续3秒钟，则主芯片CC2430预设的程序判断为开机动作，置I/O接口P1-3为低电平，与非门电路U11持续输出高电平，LDO电源芯片U4持续输出工作电压直到电源按钮SW1再次按下，且持续10秒钟，主芯片C2430预设的程序判断为关机操作，进行关机。主芯片CC2430是一款无线射频芯片，它提供的通信功能可以使本设备与采用IEEE802.15.4标准的设备实现互连互通。IEEE802.15.4标准是符合IEEE规范的国际标准，是针对低速无线个人区域网而设计的。它和IEEE802.11(无线局域网)同样工作于2.4GHz免授权频段。支持16个最大传输速率为250kbps的信道。
在本发明煤矿井下定位装置的信号放大电路中，主芯片CC2430(U3)的第33引脚(TXRX_SW)连接施密特触发器U5；并同时连接有开关芯片U6、开关芯片U8及信号放大芯片U7、陶瓷天线A1；  当主芯片CC2430为发射状态时，输出高电平至施密特触发器U5，施密特触发器U5触发开关芯片U6工作。射频信号(0dBm)经过开关芯片U6，通过信号放大芯片U7进行信号放大，得到大于10dBm的射频信号，再由陶瓷天线A1发射出去；当主芯片CC2430为接收状态时，输出低电平至施密特触发器U5，施密特触发器U5触发信号放大芯片U7工作；射频信号经由开关芯片U8、开关芯片U6送至主芯片CC2430进行信号处理。
在本发明煤矿井下定位装置的报警电路中，设有报警按钮SW2  当主芯片CC2430(U3)检测到报警按钮SW2按下，且持续3秒，主芯片CC2430预设的程序判断为报警动作，发出“报警”信息包；发出的报警信息数据包通过信号放大电路及天线传送给井上指挥终端。当报警按钮SW2再次按下，且持续5秒，主芯片CC2430预设的程序判断为报警解除动作，发出“解除报警”信息包，发出的解除报警信息数据包通过信号放大电路及天线传送给井上指挥终端；报警解除；发光二极管LED1为蓝色闪烁指示灯，指示正处于开机工作状态；发光二极管LED2为绿色电源指示灯，当报警时绿色电源灯闪烁直至报警解除。
在电路原理图中，J3为双排插针；1引脚连接至地，2引脚连接至电源，3引脚连接至主芯片(CC2430)45脚，4引脚连接至主芯片(CC2430)46脚，5引脚连接至主芯片(CC2430)4脚，6引脚连接至主芯片(CC2430)3脚，7引脚连接至主芯片(CC2430)10脚，8引脚连接至主芯片(CC2430)2脚，9引脚悬空，10引脚连接至主芯片(CC2430)1脚，供本发明定位仪加载工作程序至主芯片CC2430时用；及射频测试点J13，J15，供调试和测试用。
本发明煤矿井下定位方法的软件编程及其计算方法按如下要求进行：
设定有通信基站、定位仪及与之相对应的相关数据：
结合图6；定位仪3检测到的发自基站1的电平P₁(信号强度)，和基站2的电平P₂(信号强度)与距离d₁，d₂的关系曲线P₁＝f(d₁)，P₂＝f(d₂)，该曲线由专门的标定装置测量得到。专门的标定装置是一种以自身已知位置信息来测量信号强度，然后归纳得出关系曲线P₁＝f(d₁)，P₂＝f(d₂)的定位仪。)
基站1                            定位仪              基站2
.             .           .                .             .               .
d_x1       d_x2       d_x3    ……    d_xt           …… ……d_xn
d_y1       d_y2       d_y3    ……    d_yt           …… ……d_yn
注：(d_x1，d_y1)，(d_x2，d_y2)……(d_xn，d_yn)为关系曲线上的随机二维矢量。
1、检测信号强度：定位仪在工作时将检测在此点上接收到的两个基站的电磁场强度P，由查表得出二维矢量(d_xti，d_yti)。每五次取一平均值得到一平均二维矢量(d_xt，d_yt)。(注：d_xti，d_yti表示第i次的二维矢量，i＝1，2，3，4，5.x，y表示二维矢量的二维坐标轴向，t表示定位仪所在的点，(d_xti，d_yti)即定位仪处的位置二维矢量。)
d_xt＝E(d_xi)
   ＝1/5(d_xt1+d_xt2+d_xt3+d_xt4+d_xt5)
d_yt＝E(d_yi)
   ＝1/5(d_yt1+d_yt2+d_yt3+d_yt4+d_yt5)
程序部分：
a、从数据寄存器读出数据(电磁场强度P)
把硬件接收到的电磁场强度寄存在数据寄存器，用一读指令即可读出电磁场强度P
b、查表获取(d_xtid_yti)
表由测量标定得到的电磁场强度数据和对应的二维矢量组成，用一查表指令即可获取(d_xtid_yti)
c、当i＜＝5时转a
用一循环程序使其做五次取值，当取足5次数时，运行下面指令，否则，继续取值。
d、由d_xt＝E(d_xi)
d_yt＝E(d_yi)计算出d_xt和d_yt
定义函数，调用定义的函数，计算得出d_xt和d_yt
2、计算距离：计算这个检测矢量到量化矢量空间的距离(D₁，D₂……D_n)；
D1=(dx1-dxt)2+(dy1-dyt)2]]>
……               ……
Dn=(dxn-dxt)2+(dyn-dyt)2]]>
程序部分：a、定义函数Dn=(dxn-dxt)2+(dyn-dyt)2]]>
b、查表获取(d_xi d_yi)
表由测量标定得到的电磁场强度数据和对应的二维矢量组成，用一查表指令即可获取(d_xi d_yi)
c、由定义的函数计算出D₁，D₂……D_n
调用上面定义的函数，计算得出D₁，D₂……D_n
3、确定位置：与检测矢量距离最小的空间矢量就代表了定位仪所在的位置D(x，y)。
D(x，y)＝min{D₁，D₂……D_n}
程序部分：a、定义函数D(x，y)＝min{D₁，D₂……D_n}
b、由函数计算出D(x，y)
调用上面定义的函数，计算得出D(x，y)
c、写数据D(x，y)到上位机
用一写指令，把数据写进数据寄存器。
将计算出的定位仪座标输送到井上的控制终端。
总之，本发明的定位装置与通信基站的通信编码格式，使用的是以国际标准IEEE802.15.4为基础，经过优化改进的通信协议，并通过增加定位仪的信号处理和计算能力，特别是本定位仪增加本发明的定位算法，使得定位精度可以达到10米这一国际领先水平，目前在煤矿井下，尚未见有达到这个水平的定位仪产品；这也是目前世界上第一个按照煤矿防爆要求设计、本身具有信号处理和计算能力的煤矿井下无线电定位仪。