[發明專利]一種煤礦井下人員便攜式組合定位、監測裝置及其方法

有效

• 申請號: 201610059938.X
• 申請日: 2016-01-28
• 公開（公告）號: CN105674985B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 李威;楊海;許少毅;張金堯;司卓印;劉玉飛;魏華賢;鞠錦勇;路恩;董事;盛連超;楊康;王茗;須曉鋒;徐晗
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16
• 代理公司: 徐州市淮海專利事務所32205
• 代理人: 華德明

1.一種煤礦井下人員組合定位及監測的方法，其特征在于，采用的便攜式組合定位及監測裝置包括慣性測量單元IMU1#（4）、慣性測量單元IMU2#（1）、慣性測量單元IMU3#（6）、藍牙接收轉發模塊（5）、WiFi測量傳感器（8）和便攜式背包（7），慣性測量單元IMU1#（4）通過腿部綁帶（3）固定在人體腿部，慣性測量單元IMU2#（1）和便攜式背包（7）通過固定背帶（2）分別固定在人體胸腔部和人體背部，所述慣性測量單元IMU3#（6）、藍牙接收轉發模塊（5）和WiFi測量傳感器（8）設置在便攜式背包（7）內；慣性測量單元IMU1#（4）、慣性測量單元IMU2#（1）和慣性測量單元IMU3#（6）分別通過各自的藍牙發送模塊與藍牙接收轉發模塊（5）無線通訊，藍牙接收轉發模塊（5）與WiFi測量傳感器（8）電連接；其使用的具體步驟為：

A、井下巷道布設：在井下巷道內均勻布設多個WiFi基站，各個WiFi基站之間通過屏蔽網線與工作面網關連接，工作面網關通過光纖與礦井監控中心通訊，最后標定各個WiFi基站的井下位置并將位置信息存儲在礦井監控中心；

B、礦井監控中心參考數據預設：在地面上試驗人員穿上便攜式組合定位及監測裝置，進行奔跑、行走、站立、蹲坐及平躺的運動，慣性測量單元IMU1#（4）、慣性測量單元IMU2#（1）和慣性測量單元IMU3#（6）分別測量各種姿態下的加速度值及角速度值，通過多人次測量取平均值得出人體正常奔跑、行走、站立、蹲坐及平躺運動時各個慣性測量單元得出的加速度平均參考值及角速度平均參考值，另外根據WiFi指紋定位原理建立數據匹配模型進而得出指紋定位數據庫；

C、組合定位及監測裝置的安裝：將便攜式組合定位及監測裝置穿在井下人員身上，標定其開啟裝置時的起始位置然后井下人員開始在井下巷道內工作；

D、數據采集及傳輸：慣性測量單元IMU1#（4）、慣性測量單元IMU2#（1）和慣性測量單元IMU3#（6）會將各自測量的加速度及角速度數據通過藍牙發送模塊發送給藍牙接收轉發模塊（5），藍牙接收轉發模塊（5）將檢測數據經WiFi測量傳感器（8）無線發送給WiFi基站，并通過工作面網關最后傳給礦井監控中心，同時WiFi測量傳感器（8）實時測量布設在井下巷道內各個WIFI基站發射的WIFI信號強度，將測量得到的WiFi信號強度信息經WiFi基站傳遞給礦井監控中心；

E、慣性測量單元數據分析及井下人員姿態確定：監控中心對慣性測量單元IMU1#（4）、慣性測量單元IMU2#（1）及慣性測量單元IMU3#（6）檢測得到的數據與預設參考值進行比對分析，

對慣性測量單元IMU1#（4）的數據分析后可判斷出井下人員的奔跑、行走、站立、蹲坐及平躺的運動狀態，同時利用腿部交替運動以及間歇性運動的特性，得出慣性測量單元IMU 1#（4）在姿態解算后井下人員相對起始位置所行進的距離，進而得出井下人員實時位置并可利用腿部接觸地面時速度為零的特性來進行零速校正；

對慣性測量單元IMU2#（1）的加速度數據分析后能夠調整慣性測量單元IMU1#（4）在運動過程中的步態檢測判斷，從而調整慣性測量單元IMU1#（4）解算得出的行進距離，另外可實時得出井下人員胸腔活動的情況；

對慣性測量單元IMU3#（6）的加速度數據分析后經姿態解算以及位置解算可實時獲得井下人員的位姿參數，并且配合慣性測量單元IMU1#（4）測量得到的姿態信息進行井下人員蹲、坐以及平躺的靜止姿態的判斷，還能對慣性測量單元IMU2#（1）在胸腔呼吸運動測量過程中提供必要的參考校正信息，避免因為身體的運動影響胸腔呼吸運動的測量精度；

對三個慣性測量單元與參考數據比對分析后解算得到的位置信息進行組合，得出慣性測量單元的井下位置信息；

F、對WiFi測量傳感器（8）測得的WiFi信號強度進行分析：采用WiFi指紋定位原理對WiFi測量傳感器（8）測得的各個WiFi基站信號強度值與之前建立的WiFi指紋定位數據庫進行比對后與標定的各個WiFi基站的位置信息進行網格劃分法位置解算，進而得出WiFi測量傳感器（8）的井下位置；

G、井下人員位置綜合確定：將WiFi測量傳感器（8）得出的井下位置與慣性測量單元得出的井下位置相互矯正，利用聯邦卡爾曼濾波算法對IMU/WiFi組合定位的數據進行融合濾波，最終得出井下人員精確的井下位置。

2. 根據權利要求1 所述的一種煤礦井下人員組合定位及監測的方法，其特征在于，所述慣性測量單元為MEMS慣性測量器。