CN109373997A - 一种基于gis地图融合的地下工程自主式定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，属于人工智能及矿井信息化、安全监控技术领域，本发明通过使用自主式惯性定位***结合GIS三维地图中的空间坐标信息，实现在不建设外部被动定位***的基础上对地下工程人员进行精确定位。本发明既能有效利用惯性导航的数据更新率高、短期精度和稳定性好的特点，还能解决由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差的问题；利用本发明可为没建设精确定位***的地下工程实现自主式精确定位，为应急救援、矿产资源越界盗采监管等问题提供一条有效的解决方法。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能及矿井信息化、安全监控技术领域，具体涉及一种基于GIS三维地图融合的地下工程自主式定位方法。
背景技术
地下工程作业环境通常较为恶劣，为保证安全生产、应急救援等工作的正常开展，必须对井下人员进行定位。目前井下人员定位***一般分为以射频识别为代表的区域定位***和以ZigBee等技术为代表的精确定位***两种，这些技术都是需要提前在井下建立识别分站，以人员佩戴发射器的模式进行定位。目前两种定位***存在致命缺点都是过度依赖识别分站的布设，一旦重大事故造成识别分站损毁或者断电，将直接导致定位***瘫痪，严重制约抢险救灾的效率。同时对于恶意越界开采的矿井，由于盗采地点未覆盖识别分站信号也无法进行定位甄别。
综上所述，目前，导致上述问题的根本原因在于过度依赖于外部设备的定位技术的缺陷，而单纯使用不依赖外部设备的自主式惯性导航技术又存在定位误差随时间而增大，长期精度差的问题。
发明内容
为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种基于GIS三维地图融合的地下工程自主式定位方法，该方法通过使用自主式惯性定位***结合GIS三维地图中的空间坐标信息，实现在不建设外部被动定位***的基础上对地下工程人员进行精确定位；将地下工程的GIS三维地图拐点作为特征点，当行走在地下工程中的人员到达拐点后对惯性导航***的误差进行修正，从而消除累计误差达到精确定位的目的。本发明既能有效利用惯性导航的数据更新率高、短期精度和稳定性好的特点，还能解决由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差的问题；利用本发明可为没建设精确定位***的地下工程实现自主式精确定位，为应急救援、矿产资源越界盗采监管等问题提供一条有效的解决方法，该方法所采用的具体的技术方案如下：
一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，该方法包括以下操作：
A：对矿井进行三维GIS地图重建，并存储于终端设备中；
B：在三维GIS地图上设置误差校准点，
C：在终端设备中设定误差修订准则，
D：入矿前，在矿口工程人员携带终端设备进行地图匹配，使得工程人员实际坐标与GIS地图坐标相同，
E：工程人员携带终端设备进入矿井，当行走时三维GIS地图实时显示工程人员在GIS上的相应坐标，当行走到三维GIS地图上设置的误差校准点时，根据预先设定的修订准则进行坐标校正修订，消除累计误差，实现自主式定位。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：所述终端设备的数据通过实时在线传输至服务器或存储并于上井后离线传输至服务器。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：所述终端设备包括惯性传感器和记录仪，所述惯性传感器和记录仪之间通过有线或无线进行实时数据传输。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：所述惯性传感器读取数据通过数据线实时传入记录仪内的GIS三维地图，按照常规捷联式惯性导航算法或者修正后的惯性导航算法进行路径演算获取定位人员实时位置和运动轨迹。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：所述惯性传感器由加速计、陀螺仪和电子罗盘集成为惯性导航***。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：惯性传感器通过惯性导航算法计算获取的地下工程人员相对坐标，以终端设备里存储的三维GIS地图拐点坐标作为误差校准点，当人员到达巷道拐点后在设定修订准则允许范围内或者根据已知空间坐标的识别点按照误差修正模式进行误差修正，消除惯性导航中的累积误差，达到自主式精确定位的效果。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：所述GIS三维地图是根据地下工程实际施工图纸进行1：1绘制，并集成井下所有传感器信息，提取巷道拐点的空间坐标点D(x,y,z)作为特征点进行存储在终端设备内，消除惯性导航误差，提供精确比对数据。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：误差修订准则如下：首先测算出惯性传感器组成的惯性导航***最大误差范围Dmax（d，t），其中d为行走路程，t为行走时间，设定地下工程内人员在t时间内行走了d米距离经过的节点坐标为A2(x2,y2,z2)，上一节点坐标为A1(x1,y1,z1),惯性导航***计算出的行走相对坐标为A0(x0,y0,z0)，则需满足以下条件才可允许修正累计误差：(x0+x1-x2)2+(y0+y1-y2)2+(y0+y1-y2)2<Dmax（d，t）2。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：误差校准点为巷道拐点和手动识别点，所述手动识别点为安装在矿井巷道顶板且有蓄电功能的信号发射器。
根据本发明所述一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其进一步地技术方案是：所述坐标校正修订包括累计误差不满足工程要求的时候自动提示进行手动校正，或是当行走到手动识别点或巷道拐点时，工程人员进行手动校准，或是行走到自动识别点时，由终端设备根据接受信号自动进行校准。
三维GIS地图，是一个三维空间地理信息***，能实现实时反射、实时折射、动态阴影等高品质、逼真的实时渲染3D图像，最近几年在贝尔信智慧城市建设落地过程中得到广泛应用，3DGIS与安防行业紧密结合，共同为城市可视化管理提供源源不断的数据。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点：
1、本发明提供的一种基于GIS三维地图融合的地下工程自主式定位方法，通过使用自主式惯性定位***，与其他被动式接收定位***不同，即使在井下断电或者通讯中断的情况下仍然能够正常运行，***不依赖外部设备独立性强，能为特殊情况灾害应急救援导航起到重要作用。
2、由于惯性导航存在定位误差随时间而增大，长期精度差的问题，通常需要通过GPS进行误差修正，而井下没有GPS，一直制约了惯性导航在井下的应用。本发明提供的一种基于GIS三维地图融合的地下工程自主式定位方法，通过地下工程的GIS三维地图拐点和已知空间坐标的识别点对惯性导航***的误差进行修正，从而消除累计误差。因此本发明既能有效利用惯性导航的数据更新率高、短期精度和稳定性好的特点，还能解决由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差的问题。
3、越界开采监督一直是困扰监管人员的一个难题，如果需要知道井下巷道是否超出允许开采范围，要么是三维地震地面布置进行在线监督，要么进行精确测量。这两种方法前者投资过高，后者耗时过长都无法满足实际需求，本发明提供的一种基于GIS三维地图融合的地下工程自主式定位方法，通过使用自主式惯性定位***结合GIS三维地图中的空间坐标信息对地下工程人员进行精确定位，只需要监管人员佩戴该设备下井走一圈后就可以发现越界开采巷道，在解决越界开采监督问题上更加便捷、高效、实用。
具体实施方式
本发明提供的一种基于GIS三维地图融合的地下工程自主式定位方法，其通过结合高精度加速计、陀螺仪和电子罗盘等惯性传感器通过惯性导航算法计算获取的地下工程人员相对坐标，以便捷式平板记录仪里存储的三维GIS地图拐点坐标作为误差校准点，当人员到达巷道拐点后在设定修订准则允许范围内或者根据已知空间坐标的识别点按照多种误差修正模式进行误差修正，消除惯性导航中的累积误差，达到自主式精确定位的效果。
其中GIS三维地图是根据矿井地下工程实际施工图纸进行1：1绘制，并可集成井下所有传感器信息，尤其是提取巷道拐点的空间坐标点D(x,y,z)作为特征点进行存储的软件，该软件安装在执法记录仪内，可为消除惯性导航误差提供精确比对数据。
本方法中的加速计、陀螺仪和电子罗盘等惯性传感器以小型便携式为原则进行集成，主要集成在便携式平板记录仪背面防爆外壳内，读取数据通过数据线实时传入执法记录仪内的GIS三维地图软件按照常规捷联式惯性导航算法或者修正后的惯性导航算法进行路径演算获取定位人员实时位置和运动轨迹。
本方法执法记录仪中数据可通过地下工程覆盖的wifi或者建设的信号基站进行实时传输，也可以到达地面后上传行走轨迹图进行监督存储。
本方法中惯性导航算法获取的地下工程人员相对坐标的坐标系为平台坐标系，最终算出的坐标为相对坐标(x，y，z)。
本方法中误差较准点的作用是当地下工程内人员行走到该巷道拐点时，以该巷道拐点作为参考点在软件内进行校准，利用电子罗盘的范围数据和巷道拐点的精确坐标值可实现对累计误差的清零。
本方法中修订准则具体如下：首先测算出高精度加速计、陀螺仪和电子罗盘等惯性传感器组成的惯性导航***最大误差范围Dmax（d，t），其中d为行走路程，t为行走时间。如果当地下工程内人员在t时间内行走了d米距离经过的节点坐标为A2(x2,y2,z2)，上一节点坐标为A1(x1,y1,z1),惯性导航***计算出的行走相对坐标为A0(x0,y0,z0)，则需满足以下条件才可允许修正累计误差：(x0+x1-x2)2+(y0+y1-y2)2+(y0+y1-y2)2<Dmax（d，t）2。
前述中的已知空间坐标的识别点分为自动识别点和手动识别点，其共同点为识别点安装位置都是经过精确测量后并已知其空间坐标的。自动识别点是安装在巷道的顶板上且有蓄电功能的信号发射器，当平板记录仪和惯性导航设备到达识别区域后根据接收到的信号强弱进行识别，并在发射器旁进行自动误差矫正，更新其空间坐标位置；手动识别点可以是一个特殊标记，锚固在顶板或者两帮位置，当平板记录仪和惯性导航设备到达特殊标记点的时候，在执法记录仪内的GIS三维地图软件内进行手动校验，更新其空间坐标位置。
所述多种误差修正模式包括累计误差不满足工程要求的时候自动提示进行手动校正，也可以是当行走到手动识别点或巷道拐点时，人为在软件内进行手动校准，还可以是行走到自动识别点时，由软件自动根据接受信号进行校准。
上述基于GIS三维地图融合的地下工程自主式定位方法包括如下步骤：
1、首先结合矿井施工图纸对矿井进行三维GIS地图重建，并在地图拐点和已知空间坐标的识别点设置修正点，当进行手动或者自动修正时，人员坐标可以强制变更为修正点位置坐标。
2、完成地图重建和修正点信息融合后，人员手持执法记录仪和导航设备在入井口进行地图匹配即可入井巡视监管，同时每到一个修正点都可进行一次误差修正或者等待累计误差报警提示后寻找附近修正点进行修正，可实现精确导航。
本发明的具体应用例1：越界开采监管
对于监管人员，可拿着便携式平板记录仪，在井口进行初始点校对后入井巡查。每到一个修正点都可进行一次误差修正或者等待累计误差报警提示后寻找附近修正点进行修正,当执法人员发现有异常区域（地图上未标注的巷道或与地图标注巷道空间距离相差较大的区域）后，进行疑似跨界开采点进行上报，并通知相关人员进行精确测量取证。同时也可对执法人员下井巡视路线进行备案。
本发明的具体应用例2：矿井人员救援
对于救援人员，当遇到定位***失效的矿井，可以以矿井GIS地图进行灾害点标注并提前在地面设定好救援路线和应急预案提示，救援人员在井口进行初始点校对后根据救援路线入井救援。入井后在修正点进行误差修正，可以为救援人员精准救援提供辅助路线导航和应急预案实施提示。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于：包括以下操作：
A：对矿井建立三维GIS地图，并存储于终端设备中；
B：在三维GIS地图上设置误差校准点；
C：在终端设备中设定误差修订准则；
D：入矿前，在矿口工程人员携带终端设备进行地图匹配，使得工程人员实际坐标与GIS地图坐标相同；
E：工程人员携带终端设备进入矿井，当行走时三维GIS地图实时显示工程人员在GIS上的相应坐标，当行走到三维GIS地图上设置的误差校准点时，根据预先设定的修订准则进行坐标校正修订，消除累计误差，实现自主式精准定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，所述终端设备的数据通过实时在线或离线存储上井后传输至服务器。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，所述终端设备包括惯性传感器和记录仪，所述惯性传感器和记录仪之间通过有线或无线进行实时数据传输。
4.根据权利要求3所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，所述惯性传感器读取数据通过数据线实时传入记录仪内的GIS三维地图，按照常规捷联式惯性导航算法或者修正后的惯性导航算法进行路径演算获取定位人员实时位置和运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，所述惯性传感器由加速计、陀螺仪和电子罗盘集成。
6.根据权利要求5所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，惯性传感器通过惯性导航算法计算获取的地下工程人员相对坐标，以终端设备里存储的三维GIS地图拐点坐标作为误差校准点，当人员到达巷道拐点后在设定修订准则允许范围内或者根据已知空间坐标的识别点按照误差修正模式进行误差修正，消除惯性导航中的累积误差，达到自主式精确定位的效果。
7.根据权利要求1所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，所述GIS三维地图是根据地下工程实际施工图纸进行1：1绘制，并集成井下所有传感器信息，提取巷道拐点的空间坐标点作为特征点进行存储在终端设备内，消除惯性导航误差，提供精确比对数据。
8.根据权利要求1所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，误差修订准则如下：首先测算出惯性传感器组成的惯性导航***最大误差范围Dmax（d，t），其中d为行走路程，t为行走时间，设定地下工程内人员在t时间内行走了d米距离经过的节点坐标为A2(x2,y2,z2)，上一节点坐标为A1(x1,y1,z1),惯性导航***计算出的行走相对坐标为A0(x0,y0,z0)，则需满足以下条件才可允许修正累计误差：(x0+x1-x2)2+(y0+y1-y2)2+(y0+y1-y2)2<Dmax（d，t）2。
9.根据权利要求1所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，误差校准点为巷道拐点和手动识别点；所述手动识别点为安装在矿井巷道顶板且有蓄电功能的信号发射器，或为已知的空间坐标点。
10.根据权利要求1所述的一种基于GIS地图融合的地下工程自主式定位方法，其特征在于，所述坐标校正修订包括累计误差不满足工程要求的时候自动提示进行手动校正，或是当行走到手动识别点或巷道拐点时，工程人员进行手动校准，或是行走到自动识别点时，由终端设备根据接受信号自动进行校准。
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