一种基于脉宽占空比的矿井人员定位方法

1.一种基于脉宽占空比的矿井人员定位方法，包括定位和固定无线射频终端编号的动态识别，其特征是，
所述定位包括使用矿井巷道中任意两个相邻的固定无线射频终端i、i+1和一个便携式无线射频终端c，以固定无线射频终端i为原点，以固定无线射频终端i和i+1的连线为x轴建立局部平面直角坐标系oi-xi,yi，设固定无线射频终端i和i+1的距离为li，那么固定无线射频终端i和i+1在此坐标系中的坐标可分别表示为(0,0)和(li,0)；假设用便携式无线射频终端c测得的人员与固定无线射频终端i的距离为lia，人员与固定无线射频终端i+1的距离为lib，那么，在此局部平面直角坐标系oi-xi,yi中，人员的位置表示为(xi,yi)：
在矿井巷道全局坐标系O-XY中，人员的位置表示为(X,Y)：
其中，φi表示固定无线射频终端i所在的巷道边沿直线段与坐标系oi-xi，yi的x轴之间的夹角，顺时针为负，逆时针为正；i表示巷道中任意一个固定无线射频终端的编号；
所述固定无线射频终端编号的动态识别包括便携式无线射频终端的信号差分放大、调制解调、存储和鉴相；信号差分放大的功能是对便携式无线射频终端测得的两个相邻固定无线射频终端的信号强度进行双极性差分放大处理；调制解调的功能是把测得的双极性差分放大处理后的信号强度转化成相应的脉宽信号；当信号差为正最大值时，脉宽占空比等于smax；当信号差为负最大值时，脉宽占空比等于smin；当信号差为零时，脉宽占空比等于(smax+smin)/2；存储和鉴相的功能是存储每一对相邻的固定无线射频终端之间的典型位置的脉宽信号的占空比，鉴别当前所在位置占空比的大小和占空比序列的特征；根据占空比序列的特征确定人员移动方向；检测每次出现占空比序列的特征，修改固定无线射频终端计数器计数值从而动态改变固定无线射频终端的编号；设当前所在位置脉宽信号的占空比为si，根据下式可计算出在当前坐标系中的位置坐标分量xi：
在当前坐标系中的位置坐标分量yi设为0，忽略巷道宽度的差异。

一种基于脉宽占空比的矿井人员定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种矿井人员定位方法，按国际专利分类表划分属于固定建筑物部，采矿分部，安全救护技术领域。\n背景技术\n[0002] 矿井人员定位是矿山开采中的一项重要的安全防护措施和手段。之前，也有很多相关的发明和产品出现，比如：由地面基于互联网技术的计算机管理系统，主巷道有线计算机网络系统，工作面基于ZIGBEE的通讯系统，各类安全指数传感器和井下人员携带的定位终端五部分组成的人员定位与搜救系统。由井下固定的射频发送器，人员携带的射频转发器，网络通讯器和地面管理计算机组成的人员定位系统等。由于受矿井复杂工作环境的限制，一些人员定位系统存在定位误差大，成本高，维护困难等问题。本文提出一种矿井人员定位新方法，在提高人员定位精度、矿井环境适应性、经济性能等方面都有突出的优点。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种适合矿井环境的简单高效的矿井人员定位方法。\n[0004] 为实现上述目的，本发明一种基于脉宽占空比的矿井人员定位方法，包括定位和固定无线射频终端编号的动态识别，\n[0005] 所述定位包括使用矿井巷道中任意两个相邻的固定无线射频终端i、i+1和一个便携式无线射频终端c，以固定无线射频终端i为原点，以固定无线射频终端i和i+1的连线为x轴建立局部平面直角坐标系oi-xi,yi，设固定无线射频终端i和i+1的距离为li，那么固定无线射频终端i和i+1在此坐标系中的坐标可分别表示为(0,0)和(li,0)；假设用便携式无线射频终端c测得的人员与固定无线射频终端i的距离为lia，人员与固定无线射频终端i+1的距离为lib，那么，在此局部平面直角坐标系oi-xi,yi中，人员的位置表示为(xi,yi)：\n[0006]\n[0007] 在矿井巷道全局坐标系O-XY中，人员的位置表示为(X,Y)：\n[0008]\n[0009]\n[0010] 其中，φi表示固定无线射频终端i所在的巷道边沿直线段与坐标系oi-xi，yi的x轴之间的夹角，顺时针为负，逆时针为正；i表示巷道中任意一个固定无线射频终端的编号；\n[0011] 所述固定无线射频终端编号的动态识别包括便携式无线射频终端的信号差分放大、调制解调、存储和鉴相；信号差分放大的功能是对便携式无线射频终端测得的两个相邻固定无线射频终端的信号强度进行双极性差分放大处理；调制解调的功能是把测得的双极性差分放大处理后的信号强度转化成相应的脉宽信号；当信号差为正最大值时，脉宽占空比等于smax；当信号差为负最大值时，脉宽占空比等于smin；当信号差为零时，脉宽占空比等于(smax+smin)/2；存储和鉴相的功能是存储每一对相邻的固定无线射频终端之间的典型位置的脉宽信号的占空比，鉴别当前所在位置占空比的大小和占空比序列的特征；根据占空比序列的特征确定人员移动方向；检测每次出现占空比序列的特征，修改固定无线射频终端计数器计数值从而动态改变固定无线射频终端的编号；设当前所在位置脉宽信号的占空比为si，根据下式可计算出在当前坐标系中的位置坐标分量xi：\n[0012]\n[0013] 在当前坐标系中的位置坐标分量yi设为0，忽略巷道宽度的差异。\n[0014] 本发明所提出的矿井人员定位方法具有以下优点：\n[0015] 1.用脉宽信号占空比测算人员在局部坐标系中的位置，抗干扰能力强，精度较高。\n人员在矿井全局坐标系中的位置误差取决于各个固定无线射频终端分布位置的精度，人员全局位置不存在累计误差。\n[0016] 2.用脉宽信号占空比序列特征，很容易动态确定人员在矿井巷道中的移动方向，从而根据所存储的占空比特征动态确定各固定无线射频终端的编号。\n[0017] 3.定位算法简单，运算量和存储量都很小，便于实现和节约成本。\n[0018] 4.矿井环境适应性好，在弯曲的巷道中也能应用,各固定无线射频终端之间的距离可在有效辐射范围内根据环境地形任取。\n附图说明\n[0019] 图1两个相邻的无线射频终端分布在一段直巷道示意图。\n[0020] 图2两个相邻的无线射频终端分布在一段凹形巷道示意图。\n[0021] 图3两个相邻的无线射频终端分布在一段凸形巷道示意图。\n具体实施方式\n[0022] 下面结合附图进一步说明该专利，本发明包括：(A)定位；(B)固定无线射频终端编号的动态识别，\n[0023] 本发明中(A)定位包括使用矿井巷道中任意两个相邻的固定无线射频终端i、i+1和一个便携式无线射频终端c，以固定无线射频终端i为原点，以固定无线射频终端i和i+1的连线为x轴建立局部平面直角坐标系oi-xi,yi，设固定无线射频终端i和i+1的距离为li，那么固定无线射频终端i和i+1在此坐标系中的坐标可分别表示为(0,0)和(li,0)。假设用便携式无线射频终端c测得的人员与固定无线射频终端i的距离为lia，人员与固定无线射频终端i+1的距离为lib，那么，在此局部平面直角坐标系oi-xi,yi中，人员的位置可表示为(xi,yi)：\n[0024]\n[0025] 在矿井巷道全局坐标系O-XY中，人员的位置可表示为(X,Y)：\n[0026]\n[0027]\n[0028] 其中，φi表示固定无线射频终端i所在的巷道边沿直线段与坐标系oi-xi,yi的x轴之间的夹角，顺时针为负，逆时针为正；i表示巷道中任意一个固定无线射频终端的编号。\n[0029] 在矿井巷道全局坐标系O-XY中，可能出现下列情况：\n[0030] 两个相邻的固定无线射频终端分布在同一段巷道内，此时，φi＝0；\n[0031] 两个相邻的固定无线射频终端分布在两段凹形巷道内，此时，φi＜0；\n[0032] 两个相邻的固定无线射频终端分布在两段凸形巷道内，此时，φi＞0。\n[0033] 本发明中(B)固定无线射频终端编号的动态识别包括便携式无线射频终端的信号差分放大、调制解调、存储和鉴相；信号差分放大的功能是对便携式无线射频终端测得的两个相邻固定无线射频终端的信号强度进行双极性差分放大处理；调制解调的功能是把测得的双极性差分的信号强度转化成相应的脉宽信号，当信号差为正最大值时，脉宽占空比等于smax；当信号差为负最大值时，脉宽占空比等于smin；当信号差为零时，脉宽占空比等于(smax+smin)/2；存储和鉴相的功能是存储每一对相邻的固定无线射频终端之间的典型位置的脉宽信号的占空比，鉴别当前所在位置占空比的大小和占空比序列的特征，根据占空比序列的特征确定人员移动方向；比如，如果在差分放大部分固定无线射频终端i作为正极性输入，固定无线射频终端i+1作为负极性输入，存储的相邻三个占空比序列特征是[大,中,小]或递减，表明人员沿着终端编号增加的方向移动，即正方向移动；反之，如果存储的相邻三个占空比序列特征是[小,中,大]或递增，表明人员沿着终端编号减小的方向移动，即反方向移动；检测每次出现占空比序列的特征，修改固定无线射频终端计数器计数值从而动态改变固定无线射频终端的编号。设当前所在位置脉宽信号的占空比为si，根据下式可计算出在当前坐标系中的位置坐标分量xi：\n[0034]\n[0035] 在当前坐标系中的位置坐标分量yi可简单的设为0，忽略巷道宽度的差异。\n[0036] 对于现有的矿井人员定位系统，只需要在便携式无线射频终端中增加无线射频信号双极性差分放大、调制解调和存储鉴相功能模块，并按照本发明所述人员定位方法编写程序，对于新上矿井人员定位系统，需要按照矿井巷道地形分段建立局部坐标系，测量各个固定无线射频终端的位置，按照本发明所述定位算法开发新的便携式无线射频终端，其它的网络通信系统等不用改变。