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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310489253.9(22)申请日 2023.05.04(71)申请人 重庆光可巡科技有限公司地址 400052 重庆市九龙坡区中梁山街道龙渡路85号附8号6-4号、6-5号、6-6号(72)发明人 全太锋吴佳乐陈兵王小飞(74)专利代理机构 重庆顾迪专利代理事务所(普通合伙)50246专利代理师 王碧容(51)Int.Cl.H04W 4/02(2018.01)H04W 4/029(2018.01)H04W 64/00(2009.01)H04W 8/08(2009.01)(54)发明名称一。
2、种基于UWB的煤矿井下精确定位方法(57)摘要本发明属于煤矿井下定位技术领域，具体涉及一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，在标签模块与基站模块数据交互的过程中，通过一种基于TOF框架的多基站并行测距算法和新颖的收发机制，在不减少同时定位基站数量的下，极大的减少标签模块(随身穿戴设备)的电量消耗，以及整个无线环境中无线并发通道的占用。权利要求书1页 说明书4页 附图4页CN 116506801 A2023.07.28CN 116506801 A1.一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：包括若干标签模块和若干基站模块,若干所述基站模块编号记为基站模块1、基站模块2基站模块n，若干所述。
3、标签模块之间根据基站模块进行唯一性标记和时间片段分配，标签模块在基站模块分配时间片段内，同时向基站模块发起数据请求，所述基站模块接受并应答，标签模块接受应答后再次发起响应，所述基站模块进行测距计算工作；定位计算过程如下：步骤S1：标签模块向若干基站模块同时发送数据包A；步骤S2：基站模块收到数据包A后，若干基站模块根据数据包A中队列信息依次向标签模块回复数据包B，记为Bn，n0，其中n为对应基站模块编号；步骤S3：标签模块接收数据包B后，再次向若干基站模块同时发送数据包C；步骤S4：基站模块收到数据包C后，通过A、Bn、C计算出相应的测距结果L，记为Ln，n0，其中n为对应基站模块编号，L为标。
4、签模块与对应基站模块的测距结果；步骤S5：重复步骤S1S4，得到根据标签模块运动后的新测距结果L，记为Lnm。2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：所述步骤S2中基站模块回复数据包B包括L的上一次计算结果，记为Lnm1。3.根据权利要求2所述的一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：所述步骤S3中，标签模块根据数据包B调整数据包C的发送时间，其发送步骤如下：步骤S31：标签模块默认定时唤醒，向基站模块发送数据包C；步骤S32：判断是否收到基站模块上一次测距信息Lnm1，若未收到测距信息，返回执行步骤S31，若收到测距信息，则执行步骤S33；步骤S3。
5、3：标签模块根据基站模块上一次测距信息Lnm1计算出当前速度，并得出下一次唤醒时间。4.根据权利要求3所述的一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：所述步骤S31中标签模块的默认定时唤醒频率为2秒/次。5.根据权利要求4所述的一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：所述步骤S33中标签模块的下一次唤醒频率为0.5秒/次5秒/次。6.根据权利要求5所述的一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，其特征在于：所述标签模块移动速度为V米/秒时，唤醒频率为F秒/次，并且满足逻辑关系V*F ，其中 为可进行系统设置的灵敏度系数。7.根据权利要求6所述的一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法。
6、，其特征在于：若干所述基站模块沿井下巷道间隔布置。权利要求书1/1 页2CN 116506801 A2一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法技术领域0001本发明属于煤矿井下定位技术领域，具体涉及一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法。背景技术0002随着目前的技术发展，煤矿井下人员管理系统目前正处于RFID区域定位向UWB精确定位技术升级换代的主流阶段。0003UWB精确定位技术的算法主要是通过TOF、TDoA和AoA这三种定位方式实现。前两种通常单独使用，而AoA通常是与ToF或TDoA进行融合定位。0004在系统应用层面，TDoA需要准确度极高(误差小于1ns)的时间同步机制，一般适用于车库。
7、、地面上的商场等开阔室内环境的二维和三维定位。在煤矿井下和隧道中，由于其独特的结构形状，更适合于基于TOF实现的一维定位，TOF相比于TDoA有着更简单可靠的技术实现手段、更简单的系统硬件设备要求的优点。0005但同时，TOF的缺点也很明显测距交互次数多，穿戴设备需要消耗更多的电能、占用更多的无线并发时间等。即TOF通过分别测量移动终端与三个或更多基站之间信号的传播时间来定位，是一种双向主动的定位方式，每个移动终端与周边信号覆盖范围内的基站之间基本都采用的3次交互进行测距。若同一区域中，存在多基站情况下，消耗电池能量将明显增多。同一区域中，存在多标签模块情况下，占用无线并发通道将明显增多。基于。
8、TOF的测距缺点，提出一种在不减少同时定位基站数量的下，极大的减少电量消耗，以及减少整个无线环境中无线并发通道的占用方法。发明内容0006基于上述背景技术中提到的问题，本发明提供了一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法。0007本发明采用的技术方案如下：一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，包括若干标签模块和若干基站模块,若干所述基站模块编号记为基站模块1、基站模块2基站模块n，若干所述标签模块之间根据基站模块进行唯一性标记和时间片段分配，标签模块在基站模块分配时间片段内，同时向基站模块发起数据请求，所述基站模块接受并应答，标签模块接受应答后再次发起响应，所述基站模块进行测距计算工作；0008定。
9、位计算过程如下：0009步骤S1：标签模块向若干基站模块同时发送数据包A；0010步骤S2：基站模块收到数据包A后，若干基站模块根据数据包A中队列信息依次向标签模块回复数据包B，记为Bn，n0，其中n为对应基站模块编号；0011步骤S3：标签模块接收数据包B后，再次向若干基站模块同时发送数据包C；0012步骤S4：基站模块收到数据包C后，通过A、Bn、C计算出相应的测距结果L，记为Ln，n0，其中n为对应基站模块编号，L为标签模块与对应基站模块的测距结果；说明书1/4 页3CN 116506801 A30013步骤S5：重复步骤S1S4，得到根据标签模块运动后的新测距结果L，记为Lnm。001。
10、4进一步，所述步骤S2中基站模块回复数据包B包括L的上一次计算结果，记为Lnm1。0015进一步，所述步骤S3中，标签模块根据数据包B调整数据包C的发送时间，其发送步骤如下：步骤S31：标签模块默认定时唤醒，向基站模块发送数据包C；步骤S32：判断是否收到基站模块上一次测距信息Lnm1，若未收到测距信息，返回执行步骤S31，若收到测距信息，则执行步骤S33；步骤S33：标签模块根据基站模块上一次测距信息Lnm1计算出当前速度，并得出下一次唤醒时间。0016进一步，所述步骤S31中标签模块的默认定时唤醒频率为2秒/次。0017进一步，所述步骤S33中标签模块的下一次唤醒频率为0.5秒/次5秒/次。
11、。0018进一步，所述标签模块移动速度为V米/秒时，唤醒频率为F秒/次，并且满足逻辑关系V*F ，其中 为可进行系统设置的灵敏度系数。0019进一步，若干所述基站模块采用背靠背方式或等间距方式安装于井下巷道。0020本发明的有益效果：00211、由于并行测距，相比于常规算法，在基站模块大于一个时，有效节省数据交互次数，同时得到多个测距结果，而非常规算法中依次得到结果，整体测距效率也有所提升。00222、其次，设计标签模块的自动调节唤醒时间，相比传统折中唤醒方式，在井下人员绝大部分静止或行走状态下，能保证定位密度的同时，较大节约功耗(即唤醒频率更低)。附图说明0023本发明可以通过附图给出的非限。
12、定性实施例进一步说明；0024图1为本发明标签模块与基站模块工作示意图；0025图2为常规TOF测距方法标签模块与基站模块工作示意图；0026图3为本发明标签模块工作示意图；0027图4为本发明标签模块移动速度与唤醒频率示意表；0028图5为本发明测距计算公式；具体实施方式0029如图1图5所示，一种基于UWB的煤矿井下精确定位方法，包括若干标签模块和若干基站模块,若干所述基站模块编号记为基站模块1、基站模块2基站模块n，若干所述标签模块之间根据基站模块进行唯一性标记和时间片段分配，标签模块在基站模块分配时间片段内，同时向基站模块发起数据请求，所述基站模块接受并应答，标签模块接受应答后再次发起。
13、响应，所述基站模块进行测距计算工作；0030定位计算过程如下：0031步骤S1：标签模块向若干基站模块同时发送数据包A；0032步骤S2：基站模块收到数据包A后，若干基站模块根据数据包A中队列信息依次向标签模块回复数据包B，记为Bn，n0，其中n为对应基站模块编号；0033步骤S3：标签模块接收数据包B后，再次向若干基站模块同时发送数据包C；0034步骤S4：基站模块收到数据包C后，通过A、Bn、C计算出相应的测距结果L，记为Ln，n说明书2/4 页4CN 116506801 A40，其中n为对应基站模块编号，L为标签模块与对应基站模块的测距结果；0035步骤S5：重复步骤S1S4，得到根据标。
14、签模块运动后的新测距结果L，记为Lnm。0036采用上述技术方案，通过并行测距，若干标签模块之间根据实际环境中有无线信号覆盖的基站模块进行唯一性标记和时间片段分配，相比于常规算法，在基站模块大于一个时，有效节省数据交互次数，减少标签模块的电耗，同时得到多个测距结果，而非常规算法中依次得到结果，使得整体测距效率也有所提升。0037作为优选方案，所述步骤S2中基站模块回复数据包B包括L的上一次计算结果，记为Lnm1。0038作为优选方案，所述步骤S3中，标签模块根据数据包B调整数据包C的发送时间，其发送步骤如下：步骤S31：标签模块默认定时唤醒，向基站模块发送数据包C；步骤S32：判断是否收到基站。
15、模块上一次测距信息Lnm1，若未收到测距信息，返回执行步骤S31，若收到测距信息，则执行步骤S33；步骤S33：标签模块根据基站模块上一次测距信息Lnm1计算出当前速度，并得出下一次唤醒时间。通过上述步骤实现移动速度与唤醒频率的适应，当移动速度减缓时唤醒频率降低，当静置时唤醒频率降至最低，有效的降低能量消耗提升了电池续航时间。0039作为优选方案，所述步骤S31中标签模块的默认定时唤醒频率为2秒/次。2秒每次为初始唤醒频率，便于兼顾最大位移速度和能量消耗的折中方案，之后的唤醒频率将根据收到的测距信息进行适应性调整。0040作为优选方案，所述步骤S33中标签模块的下一次唤醒频率为0.5秒/次5秒。
16、/次。根据收到的测距信息进行适应性调整，最大程度适应位移速度，减小能耗。0041作为优选方案，所述标签模块移动速度为V米/秒时，唤醒频率为F秒/次，并且满足逻辑关系V*F ，其中 为可进行系统设置的灵敏度系数。如设定 2。当V1m/s时，唤醒频率为2秒/次；当V2m/s时，唤醒频率为1秒/次。0042作为优选方案，若干所述基站模块采用背靠背方式或等间距方式安装于井下巷道。程序算法自动识别计算标签坐标两台及以上一基站同时收到标签数据即可生成坐标数据，仅一台基站收到标签数据可根据历史数据生成坐标数据。0043本发明的工作方式如下：0044如图1所示，使用时，标签模块实现与3个基站模块进行测距，标签。
17、模块发送出2包数据，接收B1、B2、B3包数据共5包数据。0045相比于常规TOF测距方法(如图2所示)，本发明在周边有3台基站信号覆盖情况下，标签模块分别与基站模块1、基站模块2、基站模块3进行测距，每个基站需要进行A、B、C共计3次数据交互，共需收发3x39次数据交互。经过多基站并行测距算法优化后标签模块与3台基站共进行了5次数据交互。相比之下，大约节约了44的能量消耗无线并发资源占用。0046在周边有2台基站信号覆盖情况下，标签模块N分别与基站模块1、基站模块2进行测距，每个基站需要进行A、B、C共计3次数据交互，共需收发2x36次数据交互。经过多基站并行测距算法优化后标签模块与2台基站。
18、共进行了4次数据交互。相比之下，大约节约了33的能量消耗无线并发资源占用。0047在周边有1台基站信号覆盖情况下，标签模块N与基站模块1进行测距，需要进行A、B、C3次数据交互。经过多基站并行测距算法优化后标签模块与1台基站同样进行了3次数据说明书3/4 页5CN 116506801 A5交互。相比之下能量消耗无线并发资源占用一致。0048不过在实际一维定位中，至少需要与2台基站进行数据交互测距，才能实现一维定位，在道路复杂场景情况下，需要适当加大基站数量来提高定精度甚至是维度，由此可见，实际使用过程，本优化算法将起到明显作用。0049其中图5中为L的计算公式，DeviceA为标签模块，Dev。
19、iceB为基站模块，Db为基站模块响应测距并返回信息处理时延，Ra为标签模块收到响应信息后计算出信息的往返时延，Da为标签模块响应测距并返回信息处理时延，Rb为基站模块收到响应信息后计算出消息的往返时延，然后根据光速计算出距离，实现标签模块和基站模块的测距。0050其次，常规的标签模块休眠唤醒频率与移动速度的关系如图4所示，标签模块采用固定唤醒时间的方式，与车速无关，唤醒频率的设置为了兼顾了最大位移速度和能量消耗，一般取一个折中方案，无法彻底的两头兼顾。0051本发明的标签模块N在与基站模块在交互测距过程中，基站模块在回复B数据包时，其数据中包含上一次的计算结果Lnm1。标签模块N收到后可以计。
20、算出前一次测距中的距离变化信息，结合时间变化值计算出当前标签模块的移动状态和移动速度，标签模块根据移动速度决定下一次唤醒的时间间隔。0052在并行测距的过程中，标签模块移动速度越慢，定位频率就越低，并且实际使用过程中，由于应用产品是煤矿井下人员下井工作时携带，标签模块绝大部分是处于静置或者人员行走速度(5km/h)状态，极少数时间是处于乘坐交通工具状态。由此可见本发明在保证可靠定位密度同时，较大的节约了功耗。0053以上对本发明进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。说明书4/4 页6CN 116506801 A6图1说明书附图1/4 页7CN 116506801 A7图2说明书附图2/4 页8CN 116506801 A8图3说明书附图3/4 页9CN 116506801 A9图4图5说明书附图4/4 页10CN 116506801 A10。