基于UWB精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统的制作方法

基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统
技术领域
1.本发明涉及井下作业技术领域，特别涉及一种基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统。


背景技术：

2.随着矿井采面的逐步延伸，承担井下运输的各类车辆数量逐渐增加，并且当前煤矿井下运输面临着巷道狭窄、岔道多、照明光线暗、运输线路长、运输设备多、支架运输设备要求高等难点。基于上述原因，井下运输极易发生事故。这不但严重影响车辆运行效率，而且也存在着较大的安全隐患。
3.就目前来看，多数的煤矿都没有具备成熟井下红绿灯控制系统，拥有的只是类似地面的红绿灯控制系统，而地面的红绿灯控制系统主要采用定时切换的方式进行控制，与普通的地面红绿灯一样，以设定为主导。极少数的煤矿拥有的是地感应线圈的对红绿灯进行控制，成本较高。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，通过自动测距和测速判断红绿灯的切换，实时全巷道感应车辆的速度和距离，防堵的同时还能防止事故发生，极大地提升了矿井人员的工作效率、增加了安全性，更加符合现如今的井下生产需求。
5.本发明提供了一种基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，包括至少两条信号线路，每条信号线路均包括基站、传输分站、读卡器、标识卡和显示屏，所述基站设置在路口，所述基站连接所述传输分站，所述传输分站连接所述读卡器，所述读卡器通过uwb连接所述标识卡，所述标识卡设置在煤矿井下的车辆上，所述传输分站还连接所述显示屏；至少两个所述基站均连接井下环网，所述井下环网连接控制端；
6.煤矿井下的车辆上的所述标识卡利用uwb发射出脉冲信号，所述读卡器读取到所述标识卡，通过所述传输分站传给所述基站接收，所述基站将接收到的数据分享给其他所有基站，每台基站在控制端中存储有其位置信息，根据所有基站的位置信息计算每两个基站相距的距离，进而计算出所述车辆到达不同基站的路程差，最终对所有基站的位置进行结算，得到所述车辆到达不同基站的时间差，以根据所述时间差给出相应的指令，所述显示屏将指令以颜色的形式展示出来。
7.进一步地，所述读卡器与所述传输分站之间通过rs485连接，所述传输分站与所述基站之间通过rs485连接，所述基站与所述显示屏之间通过rs485连接。
8.进一步地，煤矿井下的车辆上的标识卡在ta1时刻发起请求通信的脉冲信号，所述读卡器读取到所述脉冲信号并通过所述传输分站传输给所述基站进行接收，所述基站在tb1时刻接收到所述脉冲信号，所述基站在tb2时刻发送响应信号，所述响应信号被标识卡在ta2时刻接收，根据ta1、ta2、tb1、tb2计算出标识卡的脉冲信号到达所述基站的时间差，
公式为：
[0009][0010]
其中，t为脉冲信号在空中单向飞行的时间。
[0011]
进一步地，所述车辆到达基站的路程为所述标识卡距离所述基站的距离，将所述标识卡距离所述基站的距离记为d，则距离d的计算公式为：
[0012]
d＝[(ta2-ta1)-(tb2-tb1)]
×c[0013]
其中，c为光速。
[0014]
进一步地，所述信号线路的数量为三条，所述基站的数量为三个，三个基站的坐标分别为基站1(x1，y1)、基站2(x2，y2)、基站3(x3，y3)，基站1、基站2、基站3在安装部署时位置固定且坐标已知，利用三个圆形方程能够计算出唯一的交点，即所求标识卡的坐标为r0(x0，y0)，其计算公式为：
[0015][0016][0017][0018]
其中，vt1、vt2、vt3表示所求标识卡的坐标分别到基站1、基站2和基站3的路程。
[0019]
进一步地，所述显示屏包的颜色包括红色和绿色，以形成红绿灯，所述红绿灯在没有车辆通过时呈现绿灯状态，当多个车辆同时靠近所述红绿灯的路口时，根据所述车辆到达所述路口的时间和距离确定目标通过车辆，并为所述目标通过车辆亮起绿灯，为其他车辆亮起红灯，当所述目标通过车辆通过路口后，根据其他车辆中到达所述路口的时间和距离确定下一个目标通过车辆，直至所有车辆通过路口为止。
[0020]
进一步地，当接收到所述车辆为紧急车辆时，为到达路口的所述紧急车辆亮起绿灯，为到达路口的其他车辆亮起红灯，当所述紧急车辆通过路口后，根据其他车辆中到达所述路口的时间和距离确定下一个目标通过车辆，直至所有车辆通过路口为止。
[0021]
本发明的有益效果为：
[0022]
1、成本低、结构简单。不需要人员手工对红绿灯进行转换操作，更不需要大量的装置连接，大量节约了铺设场地和人工成本。
[0023]
2、全覆盖。通过uwb技术将信号蔓延至全巷道，实现井下全覆盖，进而能够实现全巷道测速和定位，比起地面的定点或是区间定位更为先进。
[0024]
3、主动性强。采用对车辆的实时定位和测速进而生成红绿灯的转换规则，使得司机有了更大的主动性，不会出现地面的司机被动停车等待的情况。
[0025]
4、可视化。系统通过uwb信号的全覆盖，再将收到的信息上传，通过一定的比列将巷道、车辆、车速进行压缩，再通过动画的形式实现可视化。
[0026]
5、数据连续。数据采用uwb技术进行传输，而uwb技术能够不间断地采集车辆的空间坐标数据，相比gps、雷达等定位技术，uwb传回来的数据就更为连续，可信度更强。
附图说明
[0027]
图1为本发明基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统的结构示意图。
[0028]
图2为本发明基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统的连接示意图。
[0029]
图3为本发明中数据包在空中单向飞行时间的计算示意图。
[0030]
图4为本发明中标识卡的坐标计算示意图。
[0031]
图5为本发明中多个车辆通过路口的示意图。
[0032]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0033]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]
如图1-2所示，本发明提供了一种基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，包括至少两条信号线路，每条信号线路均包括基站、传输分站、读卡器、标识卡和显示屏，所述基站设置在路口，所述基站连接所述传输分站，所述传输分站连接所述读卡器，所述读卡器通过uwb连接所述标识卡，所述标识卡设置在煤矿井下的车辆上，所述传输分站还连接所述显示屏；至少两个所述基站均连接井下环网，所述井下环网连接控制端；所述读卡器与所述传输分站之间通过rs485连接，所述传输分站与所述基站之间通过rs485连接，所述基站与所述显示屏之间通过rs485连接。
[0035]
煤矿井下的车辆上的所述标识卡利用uwb发射出脉冲信号，所述读卡器读取到所述标识卡，通过所述传输分站传给所述基站接收，而所有基站均接入了环网，一台所述基站将接收到的数据分享给其他所有基站，每台基站在控制端中存储有其位置信息(提前存入自己的位置信息)，根据所有基站的位置信息计算每两个基站相距的距离，进而计算出所述车辆到达不同基站的路程差，最终对所有基站的位置进行结算，得到所述车辆到达不同基站(路口红绿灯)的时间差，以根据所述时间差给出相应的指令，所述显示屏(led显示屏)将指令以颜色的形式展示出来。
[0036]
uwb，又名超宽带，是一种无线载波通信技术，不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
[0037]
相比uwb定位技术，比较流行的定位技术有wifi、蓝牙、rfid，这几种都是需要部署定位基站，wifi需要部署ap，蓝牙要部署蓝牙基站或者ibeacon，rfid需要部署rfid reader。定位的距离都是相对比较近的，但是精度完全不同，wifi网络的建设本来就不是为了专用与定位业务。
[0038]
蓝牙、ibeacon定位问题在于室内环境复杂，而蓝牙作为2.4ghz高频信号，会受到很大的干扰。加上各种反射折射，我们所获取的rssi值并没有太大的参考价值，并且蓝牙定位需要部署蓝牙的信标，因此需要建设蓝牙的网络，相比之下网络建设的成本，网络维护的成本要增加不少。rfid更是应用很少，成本很高。
[0039]
与上述提供的定位方式相比，uwb定位的优势就更加明显。uwb定位采用tdoa算法(tdoa定位是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量信号到达监测的时间，可以确定信号源的距离)进行定位，uwb定位需要3个基站的支持。uwb定位同时具有实时定位和精确定位的双重有点，定位的延迟时间远远小于蓝牙定位、wifi定位等其他的室内定位技术。精度可以达到10cm左右，是室内高精度定位的首选。建设专用的定位网络，因此网络有着很好的
可靠性和健壮性。
[0040]
uwb测距主要采用双向飞行时间法，简称为tof测距法(two way-time of flight)。uwb模块从启动工作开始会生成一条独立的时间戳，煤矿井下的车辆上的标识卡在ta1时刻发起请求通信的脉冲信号，所述读卡器读取到所述脉冲信号并通过所述传输分站传输给所述基站进行接收，所述基站在tb1时刻接收到所述脉冲信号，所述基站在tb2时刻发送响应信号，所述响应信号被标识卡在ta2时刻接收，这样就可以计算出脉冲信号在两个设备之间的飞行时间，从而确定两个设备之间的距离d，即所述车辆到达基站的路程为所述标识卡距离所述基站的距离d，则距离d的计算公式为：
[0041]
d＝[(ta2-ta1)-(tb2-tb1)]
×c[0042]
其中，c为光速，通过精确的定位测算出准确的车辆位置，才能让红绿灯做出正确的反应。
[0043]
tof测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发设备之间飞行时间来测量设备间的距离。因为在可视的环境下，基于tof测距的方法随距离呈线性关系，所以测量结果会更加精准。如图3所示，将发送端发出数据包t1和接收回应的时间t4间隔记为t14如上述的(ta2-ta1)，接收端收到数据包t2和发出回应的时间t3间隔记为t23，如上述的(tb2-tb1)，那么数据包在空中单向飞行的时间t可以计算为：t＝(t14-t23)/2，即，根据ta1、ta2、tb1、tb2计算出标识卡的脉冲信号到达所述基站的时间差，公式为：
[0044][0045]
其中，t为脉冲信号在空中单向飞行的时间。
[0046]
如图4所示，所述信号线路的数量为三条，所述基站的数量为三个，三个基站的坐标分别为基站1(x1，y1)、基站2(x2，y2)、基站3(x3，y3)，基站1、基站2、基站3在安装部署时位置固定且坐标己知，利用三个圆形方程能够计算出唯一的交点，即所求标识卡的坐标为r0(x0，y0)，其计算公式为：
[0047][0048][0049][0050]
其中，vt1、vt2、vt3表示所求标识卡的坐标分别到基站1、基站2和基站3的路程。
[0051]
所述显示屏包的颜色包括红色和绿色，以形成红绿灯，所述红绿灯在没有车辆通过时呈现绿灯状态，根据不同情况作出相应改变。当多个车辆同时靠近所述红绿灯的路口时，根据所述车辆到达所述路口的时间和距离确定目标通过车辆，并为所述目标通过车辆亮起绿灯，为其他车辆亮起红灯，当所述目标通过车辆通过路口后，根据其他车辆中到达所述路口的时间和距离确定下一个目标通过车辆，直至所有车辆通过路口为止。
[0052]
如图5所示，以丁字路口为例，当车辆来到路口时，系统会根据基站测出来的时间和距离判断哪一辆车更近。当a车来到路口时，b、c车辆所在的路口就会亮起红灯，等a车通过后才会相继通过路口。同理，当其他两路口车辆先到来时会先亮起优先到来的。
[0053]
当接收到所述车辆为紧急车辆时，为到达路口的所述紧急车辆亮起绿灯，为到达
路口的其他车辆亮起红灯，当所述紧急车辆通过路口后，根据其他车辆中到达所述路口的时间和距离确定下一个目标通过车辆，直至所有车辆通过路口为止。即，当有相对普通车辆，有较紧急车辆进入时，如支架车，通道可以优先让该车辆通过，保证了安全的同时提高了效率。
[0054]
本发明的有益效果为：
[0055]
1、成本低、结构简单。不需要人员手工对红绿灯进行转换操作，更不需要大量的装置连接，大量节约了铺设场地和人工成本。
[0056]
2、全覆盖。通过uwb技术将信号蔓延至全巷道，实现井下全覆盖，进而能够实现全巷道测速和定位，比起地面的定点或是区间定位更为先进。
[0057]
3、主动性强。采用对车辆的实时定位和测速进而生成红绿灯的转换规则，使得司机有了更大的主动性，不会出现地面的司机被动停车等待的情况。
[0058]
4、可视化。系统通过uwb信号的全覆盖，再将收到的信息上传，通过一定的比列将巷道、车辆、车速进行压缩，再通过动画的形式实现可视化。
[0059]
5、数据连续。数据采用uwb技术进行传输，而uwb技术能够不间断地采集车辆的空间坐标数据，相比gps、雷达等定位技术，uwb传回来的数据就更为连续，可信度更强。
[0060]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
[0061]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，包括至少两条信号线路，每条信号线路均包括基站、传输分站、读卡器、标识卡和显示屏，所述基站设置在路口，所述基站连接所述传输分站，所述传输分站连接所述读卡器，所述读卡器通过uwb连接所述标识卡，所述标识卡设置在煤矿井下的车辆上，所述传输分站还连接所述显示屏；至少两个所述基站均连接井下环网，所述井下环网连接控制端；煤矿井下的车辆上的所述标识卡利用uwb发射出脉冲信号，所述读卡器读取到所述标识卡，通过所述传输分站传给所述基站接收，所述基站将接收到的数据分享给其他所有基站，每台基站在控制端中存储有其位置信息，根据所有基站的位置信息计算每两个基站相距的距离，进而计算出所述车辆到达不同基站的路程差，最终对所有基站的位置进行结算，得到所述车辆到达不同基站的时间差，以根据所述时间差给出相应的指令，所述显示屏将指令以颜色的形式展示出来。2.根据权利要求1所述的基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，所述读卡器与所述传输分站之间通过rs485连接，所述传输分站与所述基站之间通过rs485连接，所述基站与所述显示屏之间通过rs485连接。3.根据权利要求1所述的基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，煤矿井下的车辆上的标识卡在ta1时刻发起请求通信的脉冲信号，所述读卡器读取到所述脉冲信号并通过所述传输分站传输给所述基站进行接收，所述基站在tb1时刻接收到所述脉冲信号，所述基站在tb2时刻发送响应信号，所述响应信号被标识卡在ta2时刻接收，根据ta1、ta2、tb1、tb2计算出标识卡的脉冲信号到达所述基站的时间差，公式为：其中，t为脉冲信号在空中单向飞行的时间。4.根据权利要求3所述的基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，所述车辆到达基站的路程为所述标识卡距离所述基站的距离，将所述标识卡距离所述基站的距离记为d，则距离d的计算公式为：d＝[(ta2-ta1)-(tb2-tb1)]
×
c其中，c为光速。5.根据权利要求1所述的基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，所述信号线路的数量为三条，所述基站的数量为三个，三个基站的坐标分别为基站1(x1,y1)、基站2(x2,y2)、基站3(x3,y3)，基站1、基站2、基站3在安装部署时位置固定且坐标已知，利用三个圆形方程能够计算出唯一的交点，即所求标识卡的坐标为r0(x0,y0)，其计算公式为：为：为：其中，vt1、vt2、vt3表示所求标识卡的坐标分别到基站1、基站2和基站3的路程。6.根据权利要求1所述的基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，
所述显示屏包的颜色包括红色和绿色，以形成红绿灯，所述红绿灯在没有车辆通过时呈现绿灯状态，当多个车辆同时靠近所述红绿灯的路口时，根据所述车辆到达所述路口的时间和距离确定目标通过车辆，并为所述目标通过车辆亮起绿灯，为其他车辆亮起红灯，当所述目标通过车辆通过路口后，根据其他车辆中到达所述路口的时间和距离确定下一个目标通过车辆，直至所有车辆通过路口为止。7.根据权利要求6所述的基于uwb精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，当接收到所述车辆为紧急车辆时，为到达路口的所述紧急车辆亮起绿灯，为到达路口的其他车辆亮起红灯，当所述紧急车辆通过路口后，根据其他车辆中到达所述路口的时间和距离确定下一个目标通过车辆，直至所有车辆通过路口为止。

技术总结
本发明涉及井下作业技术领域，公开了一种基于UWB精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，其特征在于，包括至少两条信号线路，每条信号线路均包括基站、传输分站、读卡器、标识卡和显示屏，基站设置在路口，基站连接传输分站，传输分站连接读卡器，读卡器通过UWB连接标识卡，标识卡设置在煤矿井下的车辆上，传输分站还连接显示屏；至少两个基站均连接井下环网，井下环网连接控制端。本发明提供的基于UWB精确定位的煤矿井下红绿灯控制系统，通过自动测距和测速判断红绿灯的切换，实时全巷道感应车辆的速度和距离，防堵的同时还能防止事故发生，极大地提升了矿井人员的工作效率、增加了安全性，更加符合现如今的井下生产需求。更加符合现如今的井下生产需求。更加符合现如今的井下生产需求。


技术研发人员：全太锋
受保护的技术使用者：重庆光可巡科技有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/6/29