[发明专利]一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位方法及便携设备

权利要求书

1.一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备，其特征在于：包括传感单元、定位单位和处理显示单元。

所述传感单元监测标签健康状况以及矿道环境，检测的标签健康状况参数包括标签活动的加速度、血压、血氧浓度、心率以及体温，矿道环境参数包括气压、湿度、一氧化碳浓度以及瓦斯；

所述定位单位测定标签的位置，使用超宽带技术提高定位精度、使用基于ADS-TWR的回传帧机制、使用加权最小二乘定位算法、使用改进卡尔曼滤波跟踪算法、使用非线性小波阈值法去噪；

所述处理显示单元包括显示和控制管理模块、电池管理模块、报警模块、数据传输模块和显示模块，用于处理定位单元和传感单元生成的数据，并与其他标签或者基站完成通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：首先根据标签与基站的距离，对标签位置进行初始化；

步骤二：由基站将所有标签划分成多个相对位置较为集中的小组并指定组长标签；

步骤三：由组长标签与组内其他标签共同协作，互相测距，完成组内标签相对位置图；

步骤四：由组长标签收集组内其他标签的状态数据，并与相对位置图一同上传至基站；

步骤五：基站根据当前标签的位置，调整标签组别或者重新指定组长标签；

步骤六：服务器根据基站上传的标签位置和状态数据，测绘工作人员活动图，并监控其状态是否存在异常。

3.根据权利要求2所述的一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备的定位方法，其特征在于：标签组内以及标签与基站之间使用了基于超宽带信号的数据通信方法，在基站、服务器与监控中心之间使用了基于光纤和Wi-Fi的数据通信方法。

4.根据权利要求2所述的一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备的定位方法，其特征在于：步骤一中标签初始化初步测定矿井范围内所有标签的位置，将其进行分组并指定组长标签，为之后的分组收集标签状态做准备，使用基于ADS-TWR的回传帧机制，测定各个标签与基站的距离，初始化标签所在位置，过程如下：首先由标签向所有基站广播轮询帧，在收到了基站的回应帧后，则可认为是成功建立通信；之后，标签再次向所有成功建立通信的基站发送定位帧，基站则可对标签的距离进行测定，同时根据距离信息判断其所在位置；

使用基于标签所在的相对位置分组的方式，所在位置较为接近的多个标签将被划分为一组，每一组标签的状态信息将由同一个基站负责管理，同时组内标签数不宜过多，超过阈值的组将被拆分成多个小组；

使用基于标签相对位置方差最小化的方式，指定同组标签中处于中心位置的标签作为组长标签。由于矿井环境因素复杂，通信不稳定，因此每一组将指定多个组长标签，每个组长单独完成之后的分组定位工作。

5.根据权利要求2所述的一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备的定位方法，其特征在于：标签状态收集是分组收集标签当前的状态，并且由组长标签统计整理后上传至基站；

使用基于ADS-TWR的回传帧机制，测定组长标签与各个组员标签的距离，由于每一组存在多个组长，每个组长标签同时也是其他组长标签的组员；

完成测距任务后，组长标签收集并统计各个组员标签的状态数据，状态数据包括心率、温度，以及气压、湿度、瓦斯、一氧化碳数值，每个组员标签的位置和状态信息，将在组长标签的数据库中以key,value的形式存储，其中key为标签编号，value为其位置和状态信息组成的Json数据；

使用超宽带技术，组长标签将收集好的标签状态上传至相应的基站；

如果存在单个标签超时未收到任何组长标签的请求信号，则认为该标签丢失，将重新执行该标签的初始化。

6.根据权利要求2所述的一种基于超宽带技术的矿井下多标签协同定位的便携设备的定位方法，其特征在于：标签状态处理是对于通过对分组收集到的标签位置和状态信息进行处理，得到各个标签在矿井下的实际位置，并且判定标签当前是否处于正常井下作业状态；

使用基于标签所在相对位置分组的方式，对每一组标签的相对位置进行判定，如果组内标签移动至脱离组内其他标签位置，则对标签重新进行分组，同时，如果组长标签移动至偏离小组中心位置，则重新指定组长标签；

使用超宽带技术，基站对该区域中每个小组的标签状态进行整理，并上传至服务器。对于同一组内多个组长标签收集的标签状态，如果误差未超过阈值，则采用最新接收的数据；如果误差超过阈值，则要求该小组组长标签重新进行标签状态收集；

服务器接收到基站上传的标签状态数据，则绘制当前的矿井下作业人员活动图，并监控作业人员当前的身体健康数据以及环境数据是否存在异常，如果异常，则发出警告。