[发明专利]一种超层越界检测系统及方法

权利要求书

1.一种超层越界检测系统，其特征在于：包括：数据采集端(1)、数据处理平台(2)和监控服务器(3)；数据采集端(1)包括惯性测量单元(4)、磁强计(7)、电子矿图(8)，其中惯性测量单元(4)通过三轴陀螺仪(5)和三轴加速度计(6)分别采集监察员角速度数据和加速度数据；磁强计(7)采集监察员周围磁场数据；电子矿图(8)实时显示监察员在矿井中的坐标；数据采集端(1)将采集到的监察员角速度数据和加速度数据、监察员周围磁场数据以及监察员在矿井中的坐标发送至数据处理平台(2)；数据处理平台(2)实时对数据采集端(1)采集的监察员加速度数据、角速度数据、磁强计数据及电子矿图xyz坐标数据，通过Kalman滤波模块(9)进行多传感器数据融合，首先角速度数据和加速度数据通过捷联解算模块(10)，得到位置、速度及姿态信息；同时利用角速度数据和加速度数据，通过零速检测模块(21)计算角速度数据的模值和加速度数据的模值，并分别与设定的角速度数据阈值和加速度数据阈值对比，同时计算角速度数据的噪声标准差和加速度数据的噪声标准差，并分别与设定的角速度数据噪声标准差阈值和加速度数据的统计噪声标准差阈值对比，进行零速检测，得到监察员的零速信息；通过观测数据获取模块(12)获取磁强计数据和电子矿图xyz坐标数据；将上述捷联解算模块(10)、零速检测模块(21)和磁强计(7)的数据通过第一Kalman滤波模块(11)进行18维Kalman滤波，估计得到滤波后的位置、速度、姿态及干扰磁场，利用磁强计(7)的数据及估计得到的干扰磁场，解算得到当前环境下的准确磁场模型，将所得到的准确磁场模型和第一Kalman滤波模块(11)估计得到的滤波后的位置、速度、姿态，以及观测数据获取模块(12)获取的磁强计数据和电子矿图数据通过第二Kalman滤波模块(22)进行15维Kalman滤波，估计得到位置误差、速度误差及姿态误差，通过误差反馈模块(13)进行误差修正，得到监察员的运动轨迹，并将运动轨迹发送给超层越界检测模块(14)，基于粒子滤波模块(16)对轨迹获取模块(15)获取的监察员运动轨迹坐标，和电子矿图坐标获取模块(17)获取到的电子矿图坐标，进行监察员轨迹坐标数据与地图坐标数据的数据融合，得到监察员在电子矿图中的运动坐标，通过超层越界判断模块(18)进行监察员运动轨迹与电子矿图xyz坐标对比，判断矿井是否存在超层越界，并将运动轨迹及超层越界结果通过网络上传至监控服务器(3)，监控服务器(3)首先通过数据存储模块(19)对数据进行存储备份，同时基于数据监控模块(20)，实现对矿井超层越界的云端监控。

2.根据权利要求1所述的超层越界检测系统，其特征在于：所述零速检测包含两个检测标准，两个检测标准同时满足，则认为当前为零速状态：1)连续N帧角速度数据的模值＜ω0，其中ω0为设定的角速度数据阈值，同时1-a0＜连续N帧加速度数据的模值＜1+a0，其中a0为设定的加速度数据阈值；2)连续N帧角速度数据的噪声标准差＜设定的角速度数据噪声标准差阈值，同时连续N帧加速度测量加速度数据的噪声标准差＜设定的加速度数据的噪声标准差阈值，其中帧数N为零速检测所需的连续加速度和角速度的数据帧数。

3.根据权利要求1所述的超层越界检测系统，其特征在于：超层越界判断模块(18)的超层越界判断包含两种形式：1)对比电子矿图xyz坐标与监察员运动轨迹坐标偏差，同时计算监察员运动里程，运动里程为从上一个电子矿图观测点xyz坐标开始，对监察员运动轨迹坐标进行积分，积分到当前监察员运动轨迹坐标得到的监察员运动里程，当监察员运动轨迹坐标与电子矿图xyz坐标偏差超过运动里程3％时，判断存在超层越界；2)对比监察员运动轨迹坐标是否超出电子矿图限定采掘范围边界，如果越过电子矿图限定采掘范围边界3m则判断存在超层越界，否则不存在。

4.根据权利要求1所述的超层越界检测系统，其特征在于：数据采集端(1)为可穿戴设备，固连于监察员的脚部或腰部，以方便检测监察员的运动状态。

5.利用权利要求1所述的超层越界检测系统实现超层越界检测的方法，其特征在于：工作流程如下：

步骤(1)：将数据采集端(1)绑定到监察人员的脚部或腰部，形成刚性固连关系；

步骤(2)：数据采集端(1)采集惯性测量单元(4)的角速度数据和加速度数据，采集磁强计(7)的磁场数据，采集电子矿图(8)的坐标数据；

步骤(3)：数据处理平台(2)根据惯性测量单元(4)测量的角速度数据和加速度数据通过捷联解算模块(10)进行捷联解算，得到位置、速度及姿态信息，同时基于角速度数据和加速度数据通过零速检测模块(21)进行零速检测，判断数据采集端当前是否处于零速状态；

步骤(4)：第一Kalman滤波模块(11)滤波器状态方程为18维，分别为三维姿态误差、三维速度误差、三维位置误差、三维陀螺零偏，三维加速度计零偏，三维磁强计误差，利用零速作为Kalman滤波器观测量，进行Kalman滤波估计，估计磁强计干扰磁场及滤波后的位置、速度、姿态信息；

步骤(5)：通过第一Kalman滤波模块(11)进行Kalman滤波结束后，利用磁强计(7)测量的磁场测量值及第一Kalman滤波模块(11)估计得到的干扰磁场，解算得到当前环境下的准确磁场模型；

步骤(6)：根据步骤(5)得到的当前环境准确磁场模型、第一Kalman滤波模块(11)估计得到的滤波后的位置、速度、姿态信息，磁强计(7)数据及电子矿图xyz坐标，根据第二Kalman滤波(22)，滤波器为15维状态方程，分别为三维姿态误差、三维速度误差、三维位置误差、三维陀螺零偏，三维加速度计零偏，进行基于Kalman滤波的多传感器数据融合，估计得到滤波后的位置误差、速度误差、姿态误差，并基于误差反馈模块(13)进行误差反馈，得到准确的监察员位置、速度及姿态；

步骤(7)：监察员运动到电子矿图中标记的坐标处时，采集电子矿图的坐标数据，与误差反馈模块(13)得到监察员的运动轨迹，进行基于粒子滤波的数据融合和地图匹配，估计得到监察员运动坐标；

步骤(8)：将监察员运动坐标与电子矿图(8)进行对比，确定矿井是否存在超层越界现象：1)对比电子矿图xyz坐标与监察员运动轨迹坐标是否一致，当监察员运动轨迹坐标与电子矿图xyz坐标偏差超过运动里程3％时，判断存在超层越界；2)对比监察员运动轨迹坐标是否超出电子矿图限定采掘范围边界，如果越过电子矿图限定采掘范围边界3m则判断存在超层越界，否则不存在；

步骤(9)：如果发现超层越界，则进行超层越界报警，否则继续检测；

步骤(10)：将超层越界检测结果通过矿井的网络实时或事后上传至监控服务器(3)，监控服务器(3)接收并存储上传的矿井超层越界检测结果，实现对矿井超层越界的监控。