CN110646761A - 基于一维地图的煤矿隧道定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维地图的煤矿隧道定位方法，包括：根据煤矿隧道的真实地理环境构建由若干个线段拓扑组成的一维地图，每个线段代表一段无分岔的巷道；生成基站对应于一维地图的坐标；采集定位标签与其中两个或者多个基站交互的数据报文，根据数据报文计算得到定位标签与每个所述基站的巷道长度，获取一维地图上定位标签对应于每个所述基站的多个移动路径的终点坐标；比对多个终点坐标以获取聚合交点，将该聚合交点作为所述定位标签在一维地图上的位置坐标。本发明能够突破煤矿隧道环境对二维地图构图的限制，更利于引擎构造地图，变化后的坐标表示方法大大减少引擎的计算量，从原先的画圆计算交点计算方式变化为加减法计算。

Description

基于一维地图的煤矿隧道定位方法

技术领域

本发明涉及煤矿隧道定位技术领域，具体而言涉及一种基于一维地图的煤矿隧道定位方法。

背景技术

常规的二维定位中，包括目前流行的导航(如谷歌地图等)，都是按照一定的比例展现实际的位置关系。图1是办公区域的二维定位地图的示意图，采用CAD按照一定比例制成，在地图中标识有基站、标签的位置。这种方式观察起来很直观，一眼就知道目标物体的位置。以前述办公区域的定位地图为例，在进行构图的过程中，有可能通过施工CAD图提取地图。如果没有施工CAD图，也可以以某个位置为原点，通过卷尺测量整个区域的尺寸，进行构图，因为这一区域具有相同的高度、相对位置关系明确，很容易实现。结合图2，在实际计算时，完全可以以测距基站位置为圆心，标签和基站的测距距离位半径画圆，多个测距得到多个圆，这些圆的交点则是标签的位置。

但以上方案并不适用于煤矿区域，原因有二：

第一，来自于构图上的困难。煤矿隧道环境中，由于处于地下，无法像地面可以选中一个坐标原点后，其他位置都基于该原点进行表述。煤矿下隧道距离很长(几公里、几十公里)，弯曲，来回交错，慢坡，斜井，螺旋前进。随着深入，无法精确计算其和原点的位置关系。并且大多没有精确的施工CAD图。因此按照原来二维地图构图的方式难以构造煤矿隧道的图。

第二，在隧道中，隧道存在弯曲。不同于地面，标签和基站存在遮挡时，电磁信号大部分是衍射或穿透、小部分是反射，通过衍射或穿透进行的测距基本接近直线距离，但是通过反射测距的距离是大于直线距离的。在隧道中，墙壁不可穿透，无法衍射，因此在隧道中测距基本都是反射，所以测距距离更像是沿着隧道行走的曲线长度，而不是标签和基站的直线距离。所以按照上述采用以测距为圆的方式计算多个圆的交点无法实现。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于一维地图的煤矿隧道定位方法，采用若干个线段拓扑组成煤矿隧道的一维地图，每个线段代表一段无分岔的巷道，该一维地图的绘制方法能够突破煤矿隧道环境对二维地图构图的限制，更利于引擎构造地图，一方面能够清晰地绘制出煤矿隧道内的地形图，对于弯道、坡道、螺旋地形等均适用，另一方面，当煤矿隧道内的地形环境变化时，易于修改地形图；基站和标签的位置坐标包括线段编号和偏移量两个参数，结合一维地图，直观表达出基站和标签的位置，另外，变化后的坐标表示方法大大减少引擎的计算量，从原先的画圆计算交点计算方式变化为加减法计算，同时，基于数据报文可得电磁信号不断反射的曲线长度，继而计算得到更准确的标签和基站之间的巷道长度，定位精度更高，适于煤矿隧道等依靠反射进行信号传输的应用场合。

为达成上述目的，结合图3，本发明提出一种基于一维地图的煤矿隧道定位方法，所述定位方法包括：

S1：根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图，所述一维地图由若干个线段拓扑组成，每个线段具有独立的线段编号、线段长度、线段起点、线段终点，每个线段代表一段无分岔的巷道；

S2：生成基站对应于一维地图的坐标，所述坐标包括线段编号和偏移量两个参数，所述偏移量为基站所在位置与基站所在线段的线段起点之间的巷道长度；

S3：采集定位标签与其中两个或者多个基站交互的数据报文，根据数据报文计算得到定位标签与每个所述基站的巷道长度，以每个所述基站为移动起点，结合对应的巷道长度，得到一维地图上定位标签对应于每个所述基站的多个移动路径的终点坐标；

S4：比对多个终点坐标以获取聚合交点，将该聚合交点作为所述定位标签在一维地图上的位置坐标。

进一步的实施例中，所述定位方法还包括：

获取煤矿隧道的真实三维地图，建立真实三维地图与一维地图的对应关系；

将所述定位标签在一维地图上的位置坐标映射至真实三维地图，获取所述定位标签在真实三维地图上的位置坐标。

进一步的实施例中，步骤S1中，所述根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图基于以下原则：

对于环形巷道，将环形巷道切分成两个相互连接的线段。

进一步的实施例中，步骤S1中，所述根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图包括：

获取每个线段的线段起点和与之相连的线段的关联特征，获取每个线段的线段终点和与之相连的线段的关联特征，建立关联特征数据库。

进一步的实施例中，所述定位方法还包括：

将至少两个定位基站作为一组基站组，每个基站组的定位基站之间的距离小于设定距离阈值，设基站组所有定位基站的重叠覆盖区域为该基站组的定位覆盖区域；

沿巷道延伸方向分布设置若干个基站组，巷道为狭长空间，忽视其宽度，视为一维空间，任意两个所述基站组之间的距离小于两个基站组的定位覆盖区域的半径之和。

进一步的实施例中，所述设定距离阈值为10米。

进一步的实施例中，所述沿巷道延伸方向分布设置若干个基站组包括：

每个基站组只对应于其中一个无分岔的巷道的部分或者全部区域。

进一步的实施例中，所述沿巷道延伸方向分布设置若干个基站组包括：

所述基站组分为两部分，其中一个部分的基站组只对应于其中一个无分岔的巷道的部分或者全部区域，另一个部分的基站组对应于其中一个无分岔的巷道的部分区域和与该巷道连接的其他巷道的拐点区域。

进一步的实施例中，拐点区域的长度为30米。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)采用若干个线段拓扑组成煤矿隧道的一维地图，每个线段代表一段无分岔的巷道，该一维地图的绘制方法能够突破煤矿隧道环境对二维地图构图的限制，更利于引擎构造地图，一方面能够清晰地绘制出煤矿隧道内的地形图，不局限于平直巷道，对于弯道、坡道、螺旋地形等均适用，另一方面，当煤矿隧道内的地形环境变化时，易于修改地形图。

(2)基站和标签的位置坐标包括线段编号和偏移量两个参数，结合一维地图，直观表达出基站和标签的位置。

(3)另外，变化后的坐标表示方法大大减少引擎的计算量，从原先的画圆计算交点计算方式变化为加减法计算。

(4)同时，基于数据报文可得电磁信号不断反射的曲线长度，继而计算得到更准确的标签和基站之间的巷道长度，定位精度更高，适于煤矿隧道等依靠反射进行信号传输的应用场合。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的方法的流程图。

图2是本发明的的方法流程图。

图3是本发明的的方法流程图。

图4是标签和2个相邻的基站测距的原理图。

图5是标签和2个相距较远的基站测距的原理图。

图6是以巷道长度和巷道之间的连接关系为基准绘制新的一维地图的示意图。

图7是基于一维地图的标签位置计算原理图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图3，本发明提出一种基于一维地图的煤矿隧道定位方法，所述定位方法包括：

S1：根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图，所述一维地图由若干个线段拓扑组成，每个线段具有独立的线段编号、线段长度、线段起点、线段终点，每个线段代表一段无分岔的巷道。

S2：生成基站对应于一维地图的坐标，所述坐标包括线段编号和偏移量两个参数，所述偏移量为基站所在位置与基站所在线段的线段起点之间的巷道长度。

S3：采集定位标签与其中两个或者多个基站交互的数据报文，根据数据报文计算得到定位标签与每个所述基站的巷道长度，以每个所述基站为移动起点，结合对应的巷道长度，得到一维地图上定位标签对应于每个所述基站的多个移动路径的终点坐标，所述终点坐标包括线段编号和偏移量两个参数；

S4：比对多个终点坐标以获取聚合交点，将该聚合交点作为所述定位标签在一维地图上的位置坐标。

下面结合具体例子，对前述定位方法的每个步骤进行详细阐述。

步骤一、构建一维地图，获取基站坐标

标签在隧道内测距有多种方法，但通常要确定一个标签的具***置，至少需要两个基站的测距距离。

第一种测距方法

如图4中，标签和2个相邻的基站测距，由于射频路径相同，和A1、A2的测距距离都偏大，但是差值是正确的。按照原来的一维处理，定位点在2个基站所在直线上，实际上并不是这样。

第二种测距方法

如图5中，标签和2个距离较远的基站测距。由于弯道的存在，标签和A2测距的距离偏大，标签和B1测距距离准确，这导致2个圆的交点有2个，但都没有坐落在隧道上。

在隧道中，完全采用一维定位方式，但是由于定位区域并不一定是直线，会有一定的弯道、起伏。按照以往1维直接使用直线拟合不够准确，导致位置错误，或者偏差。

为此，我们舍弃原来的一维定位方式，以巷道长度和巷道之间的连接关系为基准绘制新的一维地图。所述一维地图由若干个线段拓扑组成，每个线段具有独立的线段编号、线段长度、线段起点、线段终点，每个线段代表一段无分岔的巷道。图6是以巷道长度和巷道之间的连接关系为基准绘制新的一维地图的示意图，因为存在一个分岔道，分为至少三个线段，每个线段代表一段无分岔的巷道，巷道1内存在基站A1和A2，巷道2内存在基站B1和B2，巷道1内存在基站C1和C2。

在一些例子中，步骤S1中，所述根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图基于以下原则：对于环形巷道，将环形巷道切分成两个相互连接的线段。即，线段的划分规则为，遇到岔路时，必须划分新的线段，遇到单路环形时，切分成2部分。虽然这一个坐标系的名称为线段坐标系，但是每个线段并不一定是直线。

采用若干个线段拓扑组成煤矿隧道的一维地图，每个线段代表一段无分岔的巷道，该一维地图的绘制方法能够突破煤矿隧道环境对二维地图构图的限制，更利于引擎构造地图，一方面能够清晰地绘制出煤矿隧道内的地形图，不局限于平直巷道，对于弯道、坡道、螺旋地形等均适用，另一方面，当煤矿隧道内的地形环境变化时，易于修改地形图。例如，当以一个巷道的中心为起点竖直向下开挖了新的巷道，在三维地图上，如果新巷道和其他巷道在投影面上有交错关系，地图绘制会变得相当困难，而在本发明所提及的一维地图上，只需要在对应位置直接添加一段新的线段即可，所需要获知的仅为新巷道的起点坐标和新巷道的实际长度。

地图中基站、标签、或者巷道的起点和终点等的位置坐标使用线段坐标系，即：(线段编号，偏移量)，简写为(#num,#range)。其中：

#num表示第num个线段。

#range表示处于该线段起始点的range距离处。

整个一维地图由大量线段组成，每个线段有唯一的#num。线段包含以下基本属性：

(1)线段长度。

(2)线段起点和其他线段的关联(可以是多个)。

(3)线段终点和其他线段的关联(可以是多个)。

如图7所示一维地图，包含5个线段，分别代表五个巷道，箭头由起始指向终止，各个线段的属性如下：

(1)线段1，长度400米，previous＝null，next＝(线段2，起始)(线段3，起始)。

(2)线段2，长度200米，previous＝(线段1，终止)，next＝(线段4，起始)(线段5，起始)。

(3)线段3，长度180米，previous＝(线段1，终止)，next＝null。

(4)线段4，长度220米，previous＝(线段2，终止)，next＝null。

(5)线段5，长度100米，previous＝(线段2，终止)，next＝null。

A1、B1这两个基站的坐标分别为：

A1＝(线段1，220米)。

B1＝(线段2，120米)。

优选的，步骤S1中，所述根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图包括：

获取每个线段的线段起点和与之相连的线段的关联特征，获取每个线段的线段终点和与之相连的线段的关联特征，建立关联特征数据库，如前述线段1的线段终点对应于线段2和线段3的线段起点等，作为后续标签定位的基础数据之一。

步骤二、采集数据报文，计算标签位置坐标

计算标签的位置时，不再是直接采用以测距距离为半径画圆的方式，而是从测距基站开始，沿着各个可能的路径行走#range距离，这将会得到多组终点坐标(#num,#range)。如果有多个测距信息，则将每个基站之间的(#num,#range)进行比对，找到聚合交点。

以图7为例，当前时刻能够采集到定位标签与A1、B1这两个基站交互的数据报文，根据数据报文计算得到定位标签与A1、B1这两个基站的巷道长度，分别以A1、B1基站为移动起点，结合对应的巷道长度，得到一维地图上定位标签对应于A1基站和B1基站的所有可能的移动路径的终点坐标。

假设标签测距信息为：A1基站，200米；B1基站，100米。此处的200米和100米是考虑了信号曲线传播的特性计算得到的标签和基站之间的巷道长度，即，标签与A1基站之间的巷道长度为200米，标签与B1基站之间的巷道长度为100米。继而得到定位标签对应于 A1基站的三个移动路径的终点坐标a_1、a_2、a_3、以及对应于B1基站的三个移动路径的终点坐标b_1、b_2、b_3，同样的，所述终点坐标包括线段编号和偏移量两个参数。比对六个终点坐标以获取聚合交点，将该聚合交点作为所述定位标签在一维地图上的位置坐标。

由于煤矿隧道内分岔多，一个基站对应的终点坐标的数量不定，原则是以基站为起点，以测距距离为移动长度，遍历所有可能的移动路径，找到对应的终点位置。如图6中，假设箭头所指方向为前进方向：

(1)以A1基站为起点，测距距离为200米，可能的移动路径包括：①沿线段1向后走200米，②沿线段1向前走180米后进入线段2继续向前行走20米，③沿线段1向前走180 米后进入线段3继续向前行走20米，最终生成a_1、a_2、a_3三个终点位置。

(2)以B1基站为起点，测距距离为100米，可能的移动路径包括：①沿线段2向后走200米，②沿线段2向前走180米后进入线段4继续向前行走20米，③沿线段2向前走180 米后进入线段5继续向前行走20米，最终生成b_1、b_2、b_3三个终点位置。

结合基站坐标、每个线段的长度和关联特征，计算得到图中a_1、a_2、a_3的坐标分别如下：

a_1＝(线段1，20米)。

a_2＝(线段3，20米)。

a_3＝(线段2，20米)。

图中b_1、b_2、b_3的坐标分别如下：

b_1＝(线段2，20米)。

b_2＝(线段4，20米)。

b_3＝(线段5，20米)。

对A1、B1基站的解做分析，发现b_1、a_3集合度较高，判断定位标签的位置坐标为(线段2，20米)。

在获取定位标签的实际位置坐标后，可以通过基站，下发应用数据到标签，如下发告警等。

在一些例子中，所述定位方法还包括：

获取煤矿隧道的真实三维地图，建立真实三维地图与一维地图的对应关系；将所述定位标签在一维地图上的位置坐标映射至真实三维地图，获取所述定位标签在真实三维地图上的位置坐标。优选的，可以由无数个线段拓扑出完整隧道的道路模型。划分的无数个小地图中可以使用真实相对坐标或真实三维地图，显示局部的定位情况。

通过前述方法，可以将一维地图和真实三维地图有效结合，在简化定位计算过程的前提下，向用户直观展现真实地理环境下的标签状态，以获取更加的定位显示效果、或以真实三维地图中的位置坐标为基准做进一步的计算工作。

另外，图4中提及的基站的安装方式，将至少两个距离较近(如10米)的定位基站作为一个基站组，一个基站组对应一个定位覆盖区域，当标签位于基站组一侧时，遮挡基本一致，可以同时和基站组的其中两个定位基站测距完成定位，当标签位于基站组的两个定位基站之间时，虽然存在背对基站现象，但是由于标签与基站距离近，仍可以成功测距完成定位。相邻两个基站组之间的距离较远，考虑到成本问题，通常会超出基站的覆盖区域，若采用传统基站之间发送同步报文的方式，根本无法完成相互之间的时间同步，但若采用在两个基站组之间自由移动的定位标签则可以轻易完成两个基站组之间的定位工作。此种基站的安装方式能够有效解决现有煤矿井下由于弯道、故障导致的定位困难等问题。

这种基站的安装方式和测距方法结合本发明所提出的一维地图，可以更加高效的完成标签的定位工作，例如只需以每个巷道为基准布设基站组，如图6所示，布设在同一个巷道内的基站组对应于该巷道和与该巷道连接的部分拐点区域的定位工作，由于在通常情况下，基站组对应的终点坐标的数量不超过4个(例如每个基站组对应的均为同一个线段的部分或者全部区域)，极大地简化了计算量，提高了定位成功率和准确率。

当拐点区域(分岔道口)同时为弯道区时，考虑到定位精度和定位效率的问题，可以设置一限值(如30米)作为最远终点位置阈值，如图6所示，将基站A1、A2布设在距离线段1上，负责管理整个线段1区域、线段2的拐点区域、线段3的拐点区域，当标签位于距离线段2起点处50米时，即使基站A2有可能与标签进行交互，由于距离较远，该取值也不做考虑，只采用基站B1、B2基站的测量值即可，而当标签位于距离线段2起点处20米时，则可以通过基站A2、B1的测量值以获取标签的实际坐标，从而在确保定位成功率的前提下，增加基站的布设可能性。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，所述定位方法包括：

S1：根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图，所述一维地图由若干个线段拓扑组成，每个线段具有独立的线段编号、线段长度、线段起点、线段终点，每个线段代表一段无分岔的巷道；

S2：生成基站对应于一维地图的坐标，所述坐标包括线段编号和偏移量两个参数，所述偏移量为基站所在位置与基站所在线段的线段起点之间的巷道长度；

S3：采集定位标签与其中两个或者多个基站交互的数据报文，根据数据报文计算得到定位标签与每个所述基站的巷道长度，以每个所述基站为移动起点，结合对应的巷道长度，得到一维地图上定位标签对应于每个所述基站的多个移动路径的终点坐标；

S4：比对多个终点坐标以获取聚合交点，将该聚合交点作为所述定位标签在一维地图上的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，所述定位方法还包括：

获取煤矿隧道的真实三维地图，建立真实三维地图与一维地图的对应关系；

将所述定位标签在一维地图上的位置坐标映射至真实三维地图，获取所述定位标签在真实三维地图上的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图基于以下原则：

对于环形巷道，将环形巷道切分成两个相互连接的线段。

4.根据权利要求1所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述根据煤矿隧道的真实地理环境构建一维地图包括：

获取每个线段的线段起点和与之相连的线段的关联特征，获取每个线段的线段终点和与之相连的线段的关联特征，建立关联特征数据库。

5.根据权利要求1所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，所述定位方法还包括：

将至少两个定位基站作为一组基站组，每个基站组的定位基站之间的距离小于设定距离阈值，设基站组所有定位基站的重叠覆盖区域为该基站组的定位覆盖区域；

沿巷道延伸方向分布设置若干个基站组，巷道为狭长空间，忽视其宽度，视为一维空间，任意两个所述基站组之间的距离小于两个基站组的定位覆盖区域的半径之和。

6.根据权利要求5所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，所述设定距离阈值为10米。

7.根据权利要求5所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，所述沿巷道延伸方向分布设置若干个基站组包括：

每个基站组只对应于其中一个无分岔的巷道的部分或者全部区域。

8.根据权利要求5所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，所述沿巷道延伸方向分布设置若干个基站组包括：

所述基站组分为两部分，其中一个部分的基站组只对应于其中一个无分岔的巷道的部分或者全部区域，另一个部分的基站组对应于其中一个无分岔的巷道的部分区域和与该巷道连接的其他巷道的拐点区域。

9.根据权利要求8所述的基于一维地图的煤矿隧道定位方法，其特征在于，拐点区域的长度为30米。

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