一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统及方法技术方案

一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统及方法，属于煤矿井下移动目标定位系统及方法。本系统包括设在井上的云计算系统、外部大数据存储中心、地面监控中心、数据中继服务器以及光纤数据转换模块，其中云计算系统由数据运算处理中心、存储服务器以及云管理模块组成，系统还包括设在井下巷道中的无线-光纤信号转换模块和WIFI指纹定位基站，包括安装在移动目标载体上的三轴地磁传感器、捷联惯导系统以及WIFI指纹定位传感器，实现井下移动目标位置的实时监控。优点：本系统利用云计算处理数据运算速度快、实时性强，且采用多传感器融合定位精度高、定位结果稳定可靠、能够实现井下移动目标的实时三维精确定位。

【技术实现步骤摘要】
一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统及方法
本专利技术涉及一种煤矿井下移动目标定位系统及方法，特别是一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统及方法。
技术介绍
煤炭是我国重要的基础能源和原料，以煤为主的能源结构在相当长时间内不会改变，随着国民经济的发展，煤炭的需求量越来越大，伴随的煤矿安全事故也在不断增多。煤炭资源安全高效开发利用技术成为了国内外学者研究的热点领域。而煤矿井下移动目标的定位及安全，是保障安全高效开发利用的主要因素。煤矿井下移动目标主要为矿工和机车。矿工位置对于井上生产调度、安全监督管理及灾后救援具有重要意义；机车是运送矿工、生产材料、煤矸石等的井下交通工具，合理调配机车可以提高矿井生产效率，保障矿工安全。煤矿安全生产的核心是人的安全。在日常煤矿作业中，入井人员流动性大，普遍存在不能准确掌握井下人员的分布和作业等情况的现象，管理十分困难，一旦发生事故对矿井人员缺乏可靠的位置信息，严重制约了抢险救灾的效率，失去最宝贵地抢救时机。目前影响煤矿井下机车运行安全和效率的主要因素是调度人员和司机工作的盲目性。机车一旦开出，调度和司机就无法及时取得联系，更改调度命令非常困难，如果司机不能及时了解其他在线机车的位置和运行情况，撞车事故时有发生，具有很大的安全隐患。现如今大多数矿井人员的定位基本上采用的是RFID方式，这种方法是在井下的一些关键通道口设置读卡设备，井下人员通过使用射频卡(RFID)的方法记录位置，但这种方法主要存在射频卡系统读卡速度有限，单向信息传输速率低以及定位精度低等问题。捷联惯性导航系统(SINS)和WIFI射频指纹定位系统各有优缺点，但其定位性能是互补的。前者长期工作误差大，但短时间定位精度高。后者定位误差无随时间积累现象，但定位信号与WIFI网络部署、目标所处的环境有较为密切的关系，误差具有随机性且动态性能不好。将捷联惯性导航系统(SINS)和WIFI射频指纹定位算法相结合实现定位，利用数据处理技术将这两种系统的优点进行组合，从而弥补或降低它们各自的缺陷或不足，提高定位的精度和可靠性。但是由于融合系统较高的数据更新率以及定位系统的实时性使得系统对数据运算处理中心要求较高。综上所述，可以看出定位系统在使用单个定位设备定位效果均不理想，定位精度不高，且采用组合定位系统对系统的数据运算处理能力要求较高，不利于在煤矿井下推广使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统及方法，解决现有的单个定位传感器定位稳定性差，定位精度不高，以及采用组合定位系统对系统的数据运算处理能力要求较高，不利于井下推广使用的问题。本专利技术的目的是这样实现的：该矿井移动目标定位包括系统和方法；所述系统的地面监控中心、数据中继服务器、外部大数据存储中心以及光纤数据转换模块安装在煤矿井上，外部大数据存储中心与云计算系统连接；云计算系统通过Internet网与数据中继服务器连接；地面监控中心和光纤数据转换模块均与数据中继服务器连接；系统还包括设在井下巷道中的无线-光纤信号转换模块和WIFI指纹定位基站，三轴地磁传感器、捷联惯导系统以及WIFI指纹定位传感器安装在移动目标载体上；所述的三轴地磁传感器测量的地磁信息、捷联惯导系统测量移动目标的加速度和角速度信息以及WIFI指纹定位传感器测量的WIFI信号均通过相应的无线信号发送模块将数据传送到对应的无线-光纤信号转换模块，然后利用光纤将定位信息通过光纤数据转换模块传输到数据中继服务器中；数据中继服务器连接地面监控中心并将接收到的定位信息通过Internet网发送给设置在远端的云计算系统，云计算系统实时处理定位信息并且将定位数据存储到外部大数据存储中心中。其中所述的云计算系统包括云管理模块、数据运算处理中心以及存储服务器，云计算系统接收来自Internet网的定位数据，通过云管理模块将数据传送到数据运算处理中心，然后云管理模块控制存储服务器将数据运算处理中心解算好的定位数据发送给与云计算系统连接的外部大数据存储中心；处理完成的数据也通过云管理模块利用Internet网传输给远端的用户。所述的三轴地磁传感器在定位初始阶段测量定位区域巷道的三轴地磁信号并结合位置参考点建立巷道地磁数据库存储在外部大数据存储中心；在定位阶段三轴地磁传感器实时测量移动目标所在位置的地磁信号，并通过网络实时传输到云计算系统，通过云计算系统与大数据存储中心的地磁数据库进行模式信息匹配，得到移动目标的地磁位置信息。所述的WIFI指纹定位基站根据信号覆盖原则安装布置在巷道里，确保在定位区域的任何一个位置至少都可以接收到三个WIFI信号；所述的WIFI指纹定位传感器在定位初始阶段，测量定位区域巷道的WIFI信号，并且通过WIFI指纹定位基站的信号唯一标识功能确定接收信号的基站编号以及位置信息，结合WIFI指纹定位传感器的位置参考点建立WIFI指纹库，并根据定位精度要求和WIFI信号分辨率对定位区域的WIFI指纹库进行网格划分，将上述信息保存在外部大数据存储中心；所述的WIFI指纹定位传感器在定位阶段实时测量移动目标所在位置的WIFI信号，并通过光纤和网络将数据上传至云计算系统，通过云计算系统与大数据存储中心带网格划分的WIFI指纹库进行模式信息匹配，确定移动目标所在的WIFI网格，最终确定移动目标的位置信息。所述方法的具体步骤为：(1)已知位置的WIFI指纹定位基站安装在定位区域的巷道中，WIFI信号覆盖整个定位区域；(2)三轴地磁传感器采集定位区域的地磁信号，并结合参考位置信息进行参考地磁数据处理，将地磁定位信息上传到云计算系统构建地磁背景场单元存入外部大数据存储中心；WIFI指纹定位传感器测量定位区域的WIFI信号，并结合参考位置信息进行参考WIFI信号数据处理，并上传到云计算系统构建WIFI指纹库进行网格划分后存入到外部大数据存储中心；(3)捷联惯导系统测量定位初始参考点的惯性信息进行捷联惯导初始对准；所述的云计算系统进行系统初始化；(4)捷联惯导系统实时测量移动目标的加速度和角速度信息，并通过网络上传至云计算系统；三轴地磁传感器测量移动目标所在位置的地磁信号并通过网络上传至云计算系统；WIFI指纹定位传感器测量移动目标所在位置的WIFI信号并通过网络上传至云计算系统；(5)云计算系统接收到捷联惯导系统测量移动目标的加速度和角速度信息，通过在云计算系统中的数据运算处理中心对移动目标加速度和角速度进行捷联惯导位置解算，得到移动目标的位置和姿态；云计算系统接收到三轴地磁传感器测量的移动目标所在位置的地磁信息并根据存储在外部大数据存储中心的地磁背景场单元进行模式信息匹配得到位置信息；云计算系统接收到WIFI指纹定位传感器测量的移动目标所在区域的WIFI信号并根据上传到外部大数据存储中心的WIFI指纹库进行模式匹配得到移动目标的位置信息；(6)将在云计算系统中计算得到的捷联惯导定位位置信息和姿态信息、地磁定位位置信息以及WIFI指纹定位位置信息一起送入数据融合处理模块，最后得到融合了三种定位方法精确的移动目标位置姿态信息；(7)对融合后的位置姿态信息通过云管理模块将数据存入外部大数据存储中心以及传输到井上的地面监控中心显示输出；在下一个定位更新时刻重复上述步骤(4)—(7)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统，其特征是：所述系统的地面监控中心、数据中继服务器、外部大数据存储中心以及光纤数据转换模块安装在煤矿井上，外部大数据存储中心与云计算系统连接；云计算系统通过Internet网与数据中继服务器连接；地面监控中心和光纤数据转换模块均与数据中继服务器连接；系统还包括设在井下巷道中的无线‑光纤信号转换模块和WIFI指纹定位基站，三轴地磁传感器、捷联惯导系统以及WIFI指纹定位传感器安装在移动目标载体上；所述的三轴地磁传感器测量的地磁信息、捷联惯导系统测量移动目标的加速度和角速度信息以及WIFI指纹定位传感器测量的WIFI信号均通过相应的无线信号发送模块将数据传送到对应的无线‑光纤信号转换模块，然后利用光纤将定位信息通过光纤数据转换模块传输到数据中继服务器中；数据中继服务器连接地面监控中心并将接收到的定位信息通过Internet网发送给设置在远端的云计算系统，云计算系统实时处理定位信息并且将定位数据存储到外部大数据存储中心中。

【技术特征摘要】
1.一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统，其特征是：所述系统的地面监控中心、数据中继服务器、外部大数据存储中心以及光纤数据转换模块安装在煤矿井上，外部大数据存储中心与云计算系统连接；云计算系统通过Internet网与数据中继服务器连接；地面监控中心和光纤数据转换模块均与数据中继服务器连接；系统还包括设在井下巷道中的无线-光纤信号转换模块和WIFI指纹定位基站，三轴地磁传感器、捷联惯导系统以及WIFI指纹定位传感器安装在移动目标载体上；所述的三轴地磁传感器测量的地磁信息、捷联惯导系统测量移动目标的加速度和角速度信息以及WIFI指纹定位传感器测量的WIFI信号均通过相应的无线信号发送模块将数据传送到对应的无线-光纤信号转换模块，然后利用光纤将定位信息通过光纤数据转换模块传输到数据中继服务器中；数据中继服务器连接地面监控中心并将接收到的定位信息通过Internet网发送给设置在远端的云计算系统，云计算系统实时处理定位信息，云管理模块控制存储服务器将数据运算中心结算好的定位数据发送给与云计算系统连接的外部大数据存储中心。2.根据权利要求1所述的一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统，其特征在于：所述的云计算系统包括云管理模块、数据运算处理中心以及存储服务器，云计算系统接收来自Internet网的定位数据，通过云管理模块将数据传送到数据运算处理中心，然后云管理模块控制存储服务器将数据运算处理中心解算好的定位数据发送给与云计算系统连接的外部大数据存储中心；处理完成的数据也通过云管理模块利用Internet网传输给远端的用户。3.根据权利要求1所述的一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统，其特征在于：所述的三轴地磁传感器在定位初始阶段测量定位区域巷道的三轴地磁信号并结合位置参考点建立巷道地磁数据库存储在外部大数据存储中心；在定位阶段三轴地磁传感器实时测量移动目标所在位置的地磁信号，并通过网络实时传输到云计算系统，通过云计算系统与大数据存储中心的地磁数据库进行模式信息匹配，得到移动目标的地磁位置信息。4.根据权利要求1所述的一种云计算数据下的矿井移动目标定位系统，其特征在于：所述的WIFI指纹定位基站根据信号覆盖原则安装布置在巷道里，确保在定位区域的任何一个位置至少都可以接收到三个WIFI信号；所述的WIFI指纹定位传感器在定位初始阶段，测量定位区域巷道的WIFI信号，并且通过WIFI指纹定位基站的信号唯一标识功能确定接收信号的基站编号以及位置信息，结合WIFI指纹定位传感器的位置参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：李威，杨海，范孟豹，杨雪锋，王禹桥，罗成名，应葆华，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32