一种井下轨道机车定位监测方法及系统

技术领域

本发明涉及井下轨道运输技术领域，具体为一种井下轨道机车定位监测方法及系统。

背景技术

井下轨道机车运输系统是矿井运输的大动脉，轨道机车安全高效运行是地采生产的关键环节。随着地下开采规模的不断扩大，与生产紧密相关的井下轨道机车运输任务也越来越繁重，通常采取增加运输车辆和车次、或者提高车速等措施来适应。

由于车场的局限性，井下轨道机车的位置信息尤为关键；目前所使用的运输设备都是人工远程干预驾驶，安全保障及运输效率均受到较大制约，由此也带来了许多不利因素和安全隐患，因此，对井下轨道机车地面实时掌握精确位置信息已经成为国内地下采矿业的迫切任务。

当前用于井下轨道机车定位的方法主要体现在基于UWB技术的定位方法、基于惯性导航技术的定位方法、基于RFID技术的定位方法等，但是由于煤矿井下巷道、采掘工作面等作业区域具有典型的半结构化或非结构化环境特征，且北斗、GPS等定位技术无法直接应用于井下，每种方法在实现过程中都较为复杂，且定位速度及定位精度不高，无法在井下实现对轨道机车的快速精准定位。

发明内容

本发明针对现有技术中缺少一种结构简单且能实时掌握能井下轨道机车精确位置信息的定位监测系统的问题，提供了一种井下轨道机车定位监测方法，包括：

根据编码器与井下轨道机车轮毂的齿轮变比，以及在某一时段下编码器的轴轮转动圈数，计算井下轨道机车在该时段的运行距离；

基于显示单元所显示的井下轨道画面和显示像素系数比，根据井下轨道巷道斜率及曲度和井下轨道机车的运行距离，计算出井下轨道机车在显示单元所显示的轨道画面上的位置；

读取位于井下轨道的长距离轨道路段和岔道口安装的无源射频卡的卡号，根据所读取的无源射频卡卡号确定井下轨道机车的区间段和计数位置值，从而同步和校正井下轨道机车在显示单元所显示的轨道画面上的位置的计算距离和区段。

进一步的，所述基于显示单元所显示的井下轨道画面和显示像素系数比，根据井下轨道巷道斜率及曲度和井下轨道机车的运行距离，计算出井下轨道机车在显示单元所显示的轨道画面上的位置，具体包括：

在直线运行的巷道中，根据机车的位置起点XY坐标位置和运行距离，依靠斜率系数，计算出机车在画面中的现行的像素坐标位置；

具体X轴实现像素计算为：

Px＝Px1+(L-L1)*Kx1*J1；

式中，Px1为机车相对于X轴的直线起点的初始像素值；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；Kx1为机车相对于X轴的运行直线的斜率；J1为机车具体的移动位置与画面像素距离比系数；Px即为机车实时的X轴像素位置；

同X轴计算相同，Y轴实现为：

Py＝Py1+(L-L1)*Ky1*J1；

式中，Py1为机车相对于Y轴的直线起点的初始像素值；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；Ky1为机车相对于Y轴的运行直线的斜率；J1为机车具体的移动位置与画面像素距离比系数；Py即为机车实时的Y轴像素位置。

进一步的，所述基于显示单元所显示的井下轨道画面和显示像素系数比，根据井下轨道巷道斜率及曲度和井下轨道机车的运行距离，计算出井下轨道机车在显示单元所显示的轨道画面上的位置，还包括：

在曲线在运行的巷道中，根据机车的位置起点XY坐标位置和运行距离，依靠轨道机车近似半径的圆弧，计算出机车在画面中的现行的像素坐标位置；

具体X轴像素实现计算为：

Px＝r*{cos[(L-L1)/L12)*a+b]-cosb}+Px1；

式中，r为机车运行曲线对应的画面像素半径；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；L12为本段近似圆弧的长度；a为本段近似圆弧旋转的角度；b为本段圆弧的起始角度；Px1为机车相对于X轴的直线起点的初始像素值；Px即为机车实时的X轴像素位置；

同X轴计算相同，Y轴实现为：

Py＝r*{sin[(L-L1)/L12)*a+b]-sinb}+Py1；

式中，r为机车运行曲线对应的画面像素半径；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；L12为本段近似圆弧的长度；a为本段近似圆弧旋转的角度；b为本段圆弧的起始角度；Py1为机车相对于Y轴的直线起点的初始像素值；Py即为机车实时的Y轴像素位置。

进一步的，所述基于显示单元所显示的井下轨道画面和显示像素系数比，根据井下轨道巷道斜率及曲度和井下轨道机车的运行距离，计算出井下轨道机车在显示单元所显示的轨道画面上的位置，还包括：

通过将地图画面分成相应的段，完成每一段的位置计算，组合起来实现整个运行区间的机车地图定位。

进一步的，所述读取位于井下轨道的长距离轨道路段和岔道口安装的无源射频卡的卡号，根据无源射频卡卡号确定井下轨道机车的的区间段和计数位置值，具体包括：

在井下轨道的长距离轨道路段和岔道口安装无源射频卡，在机车上设置读卡器，所述无源射频卡为RF标记定位卡，所述读卡器为RF标记卡读卡器；

RF标记卡读卡器通过UDP协议与移动控制器进行实时通信，将标记卡号送给移动控制器，以此为依据计算出井下运输机车的区间段，同时同步机车计数位置值。

进一步的，本发明提供的一种井下轨道机车定位监测系统，包括：

编码器，设于机车上，编码器的轴轮齿与机车轮毂轮齿齿合；

无源射频卡，安装在井下轨道的长距离轨道路段和岔道口；

移动控制器，设于机车上且与编码器电连接，移动控制器用于根据编码器与机车轮毂的齿轮变比和编码器的轴轮转动圈数计算机车的运行距离，并根据井下轨道巷道斜率及曲度，结合显示屏像素系数比，计算出机车在画面上的位置；

读卡器，设于机车上，读卡器用于读取无源射频卡卡号，进而同步和校正机车的计算距离和区段。

进一步的，本发明提供的一种井下轨道机车定位监测系统，还包括：

位置显示屏，设于机车上，位置显示屏与移动控制器和读卡器电连接，位置显示屏用于显示计算出的机车在画面上的位置。

进一步的，所述编码器通道内部映像值存储类型为INT,其值为0-+32767，编码器一圈的脉冲数为2048，编码器与机车轮毂的齿轮变比为23/90；

所述编码器设有计数值寄存器，用于长距离计算累加。

与现有技术相比，本发明提供的一种井下轨道机车定位监测方法及系统，其有益效果是：

本发明通过编码器采集机车运行数据，通过移动控制器按齿轮比计算出机车的运行距离；在长距离轨道路段和岔道口安装有无源射频卡，通过车载的读卡器读取射频卡卡号，用来同步和校正机车的计算距离和区段；通过区段和距离，安照轨道机车行进实际距离与显示屏像素系数比，计算出轨道机车对应的画面位置，然后在画面上相应的显示；因此，本发明提供的井下轨道机车定位监测方法及系统，能直观的显示井下运输机车在运输巷道的实际位置，满足任意形式的巷道及运输线路要求，也适用于任何轨道交通系统的精确定位。

附图说明

图1为本发明提供的井下轨道机车定位监测系统的原理框图；

图2为本发明实施例提供的轨道机车位置监测程序流程框图；

图3为本发明实施例提供的轨道机车定位效果图；

图4为本发明实施例提供的轨道机车定位画面实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-附图4，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：本发明提供一种井下轨道机车定位监测方法及系统，包括：

1.机车位置监测的实现

机车位置监测通过连接编码器通道，连接至X90的高速输入通道，实现对机车的编码器监测。

编码器通道内部映像值存储类型为INT,其值为0-+32767，由于编码器一圈的脉冲数为2048，机车齿轮变比为23/90，机车由于运行距离距离较长，由32767/2048/90/23＝4.0888圈，得到，当编码器脉码从0到32767时，机车车轮转动4.0888圈，也就是4.0888*PI*0.68＝8.735米，0.68为轮子外直径。也就是说当映像值到32767时，机车运行8.735米，井下巷道最长区段距离为1300多米，增加计数值寄存器以满足长距离计算累加。

在轨道岔道口，安装有RF标记定位卡，机车顶部安装RF标记卡读卡器，实时读取RF定位卡，RF标记卡读卡器通过UDP协议与移动控制器进行实时通信，将标记卡号送给移动控制器，以此为依据计算出井下运输机车的区间段，同时同步机车计数位置值。

在长距离轨道，RF作为机车位置校正时，确保了轨道机车的位置精确度。其应用程序流程框图如图2所示。

2.显示器机车地图显示实现

在井下运行系统中，机车运行在巷道轨道上，有固定的运行路线，并且机车定位要求精度要达到5cm范围内，否则无法进行精确停车和做相应与位置相关的动作。显示器地图定位与地面人员定位方式不同，不能通过GPS及无线定位方式。根据井下机车的特性和运行情况，采用比较经济但最准确的方式实现机车的准确定位。

具体实现为，通过编码器的位置数据采集及同步开关的配合，根据画面的像素比例实现机车位置与地图画面位置的一一对应，机车定位效果图如图3所示。

机车的位置同步采用非接触式的RF射频同步，在每一个岔路口安装一个RF卡，机车安装读卡器，实现机车读卡同步。在本实施例中，通过区段和距离，安照轨道机车行进实际距离与显示屏像素系数比，计算出轨道机车对应的画面位置，然后在画面上相应的显示。本实施例采用在X90中通过曲线计算的方法与实际画面的像素比例实现机车位置与上位机画面的一一对应，流程图实现如图4所示。

其中，每一个区段为机车地图定位对应的画面像同性质的区段。

在直线运行的巷道(轨道)中，根据机车的位置起点XY坐标位置和运行距离，依靠斜率系数，计算出机车在画面中的现行的像素坐标位置。具体X轴实现像素计算为：

Px＝Px1+(L-L1)*Kx1*J1；

式中，Px1为机车相对于X轴的直线起点的初始像素值；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；Kx1为机车相对于X轴的运行直线的斜率；J1为机车具体的移动位置与画面像素距离比系数；Px即为机车实时的X轴像素位置；

同X轴计算相同，Y轴实现为：

Py＝Py1+(L-L1)*Ky1*J1；

式中，Py1为机车相对于Y轴的直线起点的初始像素值；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；Ky1为机车相对于Y轴的运行直线的斜率；J1为机车具体的移动位置与画面像素距离比系数；Py即为机车实时的Y轴像素位置。

在曲线在运行的巷道(轨道)中，根据机车的位置起点XY坐标位置和运行距离，依靠轨道机车近似半径的圆弧，计算出机车在画面中的现行的像素坐标位置。具体X轴像素实现计算为：

Px＝r*{cos[(L-L1)/L12)*a+b]-cosb}+Px1；

式中，r为机车运行曲线对应的画面像素半径；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；L12为本段近似圆弧的长度；a为本段近似圆弧旋转的角度；b为本段圆弧的起始角度；Px1为机车相对于X轴的直线起点的初始像素值；Px即为机车实时的X轴像素位置；

同X轴计算相同，Y轴实现为：

Py＝r*{sin[(L-L1)/L12)*a+b]-sinb}+Py1；

式中，r为机车运行曲线对应的画面像素半径；L为机车运行的实际距离；L1为机车在直线起点的初始实际位置值；L12为本段近似圆弧的长度；a为本段近似圆弧旋转的角度；b为本段圆弧的起始角度；Py1为机车相对于Y轴的直线起点的初始像素值；Py即为机车实时的Y轴像素位置。

程序通过将地图画面分成相应的段，完成每一段的位置计算，组合起来实现整个运行区间的机车地图定位。

机车定位系统作为井下轨道智能化运输的核心环节和控制依据，将对机车的无人化运行实现巷道中的智能加减速、鸣笛、机车避让、闸道控制起着至关重要的作用，所有机车位置的精度高低直接影响整个系统的运行和效率。

综合来看，本发明通过编码器采集机车运行数据，通过移动控制器按齿轮比计算出机车的运行距离；在长距离轨道路段和岔道口安装有无源射频卡，通过车载的读卡器读取射频卡卡号，用来同步和校正机车的计算距离和区段；通过区段和距离，安照轨道机车行进实际距离与显示屏像素系数比，计算出轨道机车对应的画面位置，然后在画面上相应的显示；因此，本发明提供的井下轨道机车定位监测系统，能直观的显示井下运输机车在运输巷道的实际位置，满足任意形式的巷道及运输线路要求，也适用于任何轨道交通系统的精确定位。

与现有定位相关技术相比，采用本发明提供的井下轨道机车定位监测系统，机车定位系统结构简单、投入成本低、定位精度高，在井下轨道运输系统中，更能实时准确的监测系统运行位置；因为定位系统安装在机车本体，因此任何一个机车故障不会影响到其它轨道机车的位置定位；轨道机车定位信息还可以通过架设在巷道中的通讯基站将机车的位置信息上传到控制中心，在集控室的显示屏上进行精确显示。

在以后的轨道机车自动化中，井下轨道机车精确定位将与信集闭系统融合，达到机车自动避让，机车路线优化调整等更多功能。本发明能方便操作者对轨道机车的运行更清楚的了解，更好的实现人车交互。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。