一种井下三维精确定位系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113701754A(43)申请公布日2021.11.26(21)申请号202111037323.4(22)申请日2021.09.06(71)申请人中国矿业大学（北京）地址100083北京市海淀区学院路丁11号(72)发明人孙继平(51)Int.Cl.G01C21/16(2006.01)G01C21/20(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图6页(54)发明名称一种井下三维精确定位系统(57)摘要本发明提供了一种井下三维精确定位系统，所述系统包括数字孪生地图、定位服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置。系统利用定位分站在矿井二维空间分布的方法，运用现有无线电波测距的技术，实现了移动目标二维初步定位，并充分利用传感器数据，实现了移动目标实时方向监测，进而实现井下移动目标的二维和三维精确定位。系统具有简单有效、建设成本低且定位精度高等特点，可适应煤炭生产少人化、无人化发展方向，满足无人化设备的全局二维和三维定位，具有着广泛地应用前景。CN113701754ACN113701754A权利要求书1/2页1.一种井下三维精确定位系统，其特征在于：所述系统包括数字孪生地图、定位服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置；所述定位装置包括至少一个无线定位模块、至少一个测距传感器、至少一个磁力传感器、至少一个陀螺仪传感器、至少一个三轴加速度传感器；所述无线定位模块通过与定位分站进行无线电波通信进行测距；所述测距传感器通过发射和接收测距信号测量定位装置与巷道壁、巷道顶板或巷道底板的距离；所述磁力传感器用于测量定位装置的方向；所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器用于测量定位装置的方向、移动速度和姿态数据；所述系统通过无线定位模块的测距数据获得定位装置沿巷道轴向的一维位置数据，或水平平面的轴向和径向二维位置数据，通过磁力传感器或陀螺仪传感器获得定位装置的方向数据，再参考测距传感器测距数据获得定位装置的三维位置数据；系统通过无线定位模块与定位分站进行无线通信，定位分站通过通信网络与定位服务器和数字孪生地图进行通信；所述系统定位过程为：(1)定位装置与相邻的两个定位分站A和B进行测距通信，获得定位装置与A和B的直线距离dA和dB；(2)系统依据以上步骤获得的dA和dB，和所述定位分站A、B的水平平面坐标(xA,yA)、(xB,yB)，计算获得坐标(xm,ym)，具体算法为(3)定位装置通过测距传感器测量与巷道顶板或巷道底板的距离dH，及与巷道壁的距离dL；(4)获取定位装置方向；(5)根据定位装置方向，判定dL为定位装置与哪一侧巷道壁的距离；(6)根据dL对坐标(xm,ym)值进行校验，确定定位装置的水平二维坐标(xM,yM)；(7)参考所在巷道顶板或巷道底板的垂直坐标zT或zR，以zT‑dH或zR+dH作为定位装置垂直坐标zM，获得定位装置的三维坐标(xM,yM,zM)；以上步骤的坐标系为巷道局部坐标系，以定位分站所在巷道的轴向为坐标X轴，以巷道径向水平坐标为坐标Y轴，以巷道垂直坐标为坐标Z轴；(8)系统通过数字孪生地图将步骤(7)获得的三维坐标(xM,yM,zM)转换为矿井全局坐标数据或标准经纬度数据，并由数字孪生地图为定位服务器和监控终端提供地理信息和定位装置的位置数据服务；(9)定位服务器为监控终端提供数据服务；(10)监控终端为用户提供监控人机交互服务。2.如权利要求1所述的三维精确定位系统，其特征在于：所述定位装置包括姿态校正模块，姿态校正模块用于调整测距传感器的三维角度，保证用于测量定位装置与顶板或底板距离的测距传感器测距探头垂直于顶板或底板，保证用于测量定位装置与巷道壁距离的测距传感器测距探头与巷道壁垂直。3.如权利要求2所述的三维精确定位系统，其特征在于：所述定位装置根据磁力传感2CN113701754A权利要求书2/2页器、陀螺仪传感器、三轴加速度传感器数据获得定位装置坐标系与地理坐标系的夹角，通过数字孪生地图获得当前巷道坐标系与地理坐标系的夹角，计算定位装置坐标系与巷道局部坐标系的夹角，姿态校正模块根据夹角调整传感器的三维角度。4.如权利要求2所述的三维精确定位系统，其特征在于：所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括，两个平行安装的垂直朝向顶板或底板的测距传感器数据的差。5.如权利要求2所述的三维精确定位系统，其特征在于：所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括，两个平行安装的垂直朝向巷道壁的测距传感器数据的差。6.如权利要求1所述的三维精确定位系统，其特征在于：当所述定位装置用于监测默认运动高度不变的移动目标定位时，可不安装或不使用测量顶板和底板距离的测距传感器，所述定位过程步骤(7)中的定位装置垂直坐标zM＝dR1，dR1为定