基于惯性导航的煤矿越界开采检测方法.pdf

煤矿越界开采会扰乱矿产资源开发秩序，形成重大安全隐患，且隐蔽性较强；由于缺乏有效技术手段，矿并采矿边界不能被快速、准确检测。提出了基于PDR惯性导航技术与矿图地标校准辅助相结合的煤矿越界开采检测方法；检测人员佩戴基于MEMSIMU的PDR定位终端，手持PDA设备，PDA中导入矿图作为行走轨迹的底图，接收定位终端的定位数据并实时在底图上显示行走轨迹；通过零速检测和卡尔曼滤波算法对PDR定位误差进行初步修正，当检测人员到达井下自然地标位置时，根据PDA界面上轨迹与矿图中地标位置的关系，对轨迹进行校准，同时更新定位终端中的坐标位置，实现对定位误差的进一步校准；检测完成后通过比对轨迹、矿图和国土资源部门批准的区域范围，判断是否存在越界开采。关键词：越界开采检测;PDR定位；地标校准；零速检测；卡尔曼滤波中图分类号：TD676文献标志码：B文章编号：10 0 3-49 6 X(2023)08-0234-07Detection method of coal mine cross-border mining based on inertial navigationLI Zongwei(China Mining Products Safety Approval and Certification Center Co.,Ltd.,Bejing 100013,China)Abstract:Cross boundary mining will disturb the order of mineral resources development,and form major potential safety hazards,and it has strong concealment.Due to the lack of effective technical means,the mining boundary of the mine can not bemonitored quickly and accurately.A coal mine cross-border mining monitoring method based on PDR inertial navigation algorithmand mine map landmark calibration is proposed.The inspectors wear a PDR positioning terminal based on MEMS IMU and hold aPDA device.The mine map is imported into the PDA as the base map of the walking track.The PDA receives the positioningdata of the positioning terminal and displays the walking track on the base map in real time and the PDR positioning error ispreliminarily corrected through zero speed detection and Kalman filter algorithm.When the inspector reaches the natural landmarkposition,calibrates the estimation according to the relationship between the trajectory on the PDA interface and the landmarkposition in the mine map,and updates the coordinate position in the positioning terminal to further calibrate the positioning error.By comparing the track,mining map and the regional scope approved by the department of land and resources,judge whetherthere is cross-border mining.Key words:boundary mining monitoring;PDR positioning;landmark calibration;zero speed detection;Kalman filtering煤矿越界开采是指超越国土资源部门批准的区域范围开采煤矿资源的行为。越界超采会给煤矿企业带来巨大的经济利益，所以这种行为时有发生，造成煤矿井下巷道穿插交错，与上报的工程设计和生收稿日期：2 0 2 2-10-2 8责任编辑：李力欣基金项目：安标国家矿用产品安全标志中心创新基金资助项目（CX2019001）作者简介：李宗伟（19 8 7 一），男，河北唐山人，助理研究员，硕士，主要从事煤矿动目标精确定位、安全监控等煤矿安全生产监测监控系统的研究和安全管理。E-mail:235Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤码发全Vol.54No.8第8 期第5 4卷产调度不符，形成“楼上楼”“矿中矿”的现象 2 ;无论煤矿瓦斯爆炸，还是溃水淹井等事故，在查摆原因与区分责任中都会涉及越界开采行为 3-4。因此，对越界开采行为的有效检测对保障煤矿安全生产具有重要的现实意义。1现有方法及问题越界开采具有很强的隐蔽性，难以直观界定，目前，监管监察常用的检测方法是使用全站仪对井下巷道进行精准测量。但是，全站仪需要专业技术人员进行复杂的操作，且测量时间长，容易给煤矿留出作弊时间，时效性差，无法便捷、准确地对越界开采行为进行检测 5 。近年来，煤矿采掘三维激光扫描系统、产量实时监测系统和井下人员定位系统等应用到煤矿井下，为煤矿越界开采行为的监管提供了智能化的检测手段 6 ，但是，使用煤矿自建系统无法避免煤矿的作弊行为，所以煤矿自建系统只能作为越界开采检测的辅助手段。针对上述问题，提出基于行人航迹推算法(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)与矿图地标校准结合的煤矿越界开采检测方法，为遏制煤矿越界开采行为提供一种独立、连续、便捷、准确的检测手段。2PDR惯性导航定位2.1PDR原理PDR是基于MEMS惯性测量单元（InertialMeasurement Unit,IMU）的惯性导航定位技术，具有极强的自主性与连续性7,非常适合在无法使用GPS、UWB等无线定位技术进行辅助或独立进行煤矿越界开采行为检测的场景应用。PDR是通过加速度传感器识别步态，估算步长；通过陀螺仪解算姿态和角度；最后基于步长和方向迭代计算行人相对移动位置 8。PDR基本原理示意图如图1。S2dS0图1PDR基本原理示意图Fig.1Basic principle diagram of PDR如图1,已知测量人员的起始位置坐标为So（x o，yo),每一步行走的距离分别为divd2、d k-o d，每一步行走方向的方位角分别为0 1、0 2、O-0、O k，由航位推算原理可得行人的位置坐标（xk，y s）为：Xk=Xo+d;cos 0;=1=1,2,.,k(1)Yi=yo+=12.2误差补偿MEMSIMU测量误差较大，包括离线数值的计算误差、器件固有测量误差和器件温漂等，这些误差会造成步态检测、步长估计和航向估算的精度下降，且误差会随着行走距离的增加而快速累积增大 9-10 ,所以需要对PDR惯导定位结果进行误差补偿!通过分析井下人员行走的步态特点，得出3 个主要结论：步频较为稳定，不会经常出现突然改变步频的情况；井下人员携带自救器、矿灯及其他工具，行走步频较慢；由于井下人员都穿着水靴，水靴晃动的特点和温度变化较为相似，有利于算法的普适性。结合这些特点，选用零速检测和卡尔曼滤波算法对PDR的误差进行初步补偿 12-13 。2.3零速检测1个步态周期示意图图2。1个步态周期运动区零速区图2 1个步态周期示意图Fig.2Schematic diagram of a gait cycle行走过程的状态依次为脚跟离地、脚尖离地、脚跟着地、脚尖着地，将脚尖着地前视为运动区，脚尖着地视为零速区，行走过程中脚一直在运动区和零速区2 个状态转换。理想情况下，处于零速区时，陀螺仪测量值应为0，加速度计测量值为重力加速度，由于实际测量中存在误差，零速区时IMU还会继续输出错误的平动量和转动量，需要在IMU持续输出错误参数的情况下，正确识别零速状态，对误差进行校准，抑制误差发散 14。常用的零速检测方法包括加速度阈值法、角速度阈值法、加速方差法以及组合检测法 15-16 。为确定最适用的零速检测方法，进行煤矿井下对比测试，不同零速检测方法井下测试结果对比见表1。236.Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第5 4卷第8 期表1不同零速检测方法井下测试结果对比Table1Comparison of downhole test results of differentzero speed detection methods方法行走步数检测步数步数误差5 00037351262加速度阅值法10008851151008713500031531847速度阅值法10008931071009375 0004.445555加速方差法1 0009524810095550004.745255组合检测法100099551001000通过表1可以发现：在近、中、远3 种距离的测试中，组合检测法的效果都是最优，所以采用组合检测法进行零速检测。组合检测法的计算原理如式（1)和式(2），K+N-12akDk/threshold1akA=N2k=iOaaklothers0(1)K+N-1akak(2)Nk=i式中：a为k时刻加速度计的输出，au=a aaJT;W为k时刻陀螺仪的输出，W=kT;、。分别为加速度计和陀螺仪的随机噪声方差；threshold为观测量阈值;N为滑动窗口的取值,N与MEMS惯性器件的采样率和行走速度密切相关。2.4卡尔曼滤波将零速状态时IMU输出的信息作为卡尔曼滤波的观测量对误差进行最优估计。卡尔曼滤波利用状态方程和测量方程对状态进行估计，即通过上一时刻的状态对当前状态进行估计 17-18 。状态方程和测量方程为：X(t)=FX(t-1)+W(3)Z(t)=HX(t)+V式中：t为上一时刻;t-1为当前时刻;X为状态矩阵;F为上一状态到当前状态的转移矩阵；W为均值为0 且服从正态分布的系统噪声；Z为测量矩阵；H为当前状态到测量矩阵的转移矩阵；V为均值为0 且服从正态分布的测量噪声。计算过程为：1)状态一步预测：X(t lt-1)=F(t)X(t-1)(4)2）一步预测方差误差：P(tlt-1)=F(t)P(t-1)FT+Q(t)(5)式中：P为均方误差矩阵；Q为系统噪声的方差矩阵。3)计算滤波增益：K(t)=P(tlt-1)H(t)(H(t)P(tIt-1)Hr(t)+R(t)-1(6)式中：K为滤波增益矩阵；R为测量噪声的方差矩阵。4）状态估计：X(t)=X(tlt-1)+K(t)(Z(t)-H(t)X(tlt-1)（75）方差误差估计：P(t)=(I-K(t)H(t)P(tlt-1)(8)式中：1为单位矩阵。基于卡尔曼滤波的PDR惯导定位如图3。反债校正PDR零速状态是定位数据输出触发卡尔曼滤波算法图3 基基于卡尔曼滤波的PDR惯导定位Fig.3PDR inertial navigation positioning based onKalman filter通过卡尔曼滤波对测量误差进行估计和补偿，选取速度误差、位置误差、姿态误差、陀螺仪和加速度计零偏误差为状态量X（t），选取速度误差为测量值Z(t），当行人处于零速状态时，触发卡尔曼滤波算法，通过式（4）式（8)完成最优误差估计，反馈校准PDR惯导定位得到的速度、位置和姿态信息 19。通过零速检测和卡尔曼滤波实现初步的误差补偿，通过模拟试验发现，由于器件温漂和累计误差的存在，长距离轨迹测量误差依然很大，为此采用地标校准方法进行进一步的误差修正。3地标校准地标是具有特定场景特征的地理位置，包括使用传感器铺设方式设置的人为地标（例如蓝牙信标、WIFI基站等)2 0 和具有位置构造特征的自然地标（例如拐角、岔路口等)2 1。为避免煤矿作弊,对越界开采的检测既不能依赖矿上已有系统，也不能事先Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤砺发全No.8Vol.54第8 期第5 4卷铺设人为地标，可以利用广泛存在的自然地标，对PDR惯导定位结果进行匹配校准,并将校准后的坐标作为新的起始位置，来削减长时间长距离测试产生的累积误差。检测设备示意图如图4。检测设备由PDA(Personal Digital Assistant,PDA）和PDR定位终端组成，两者通过蓝牙通信进行数据交换，PDR定位终端将定位数据发送至PDA，PD A 采用触摸屏设计，方便在进行轨迹实时显示的同时，采用人为干预直接拖动的方式，利用自然地标对测量轨迹进行校准操作。PDA设备PDR定位终端图4检测设备示意图Fig.4Schematic diagram of testing equipment开始检测前，在PDA中导入矿图作为行走轨迹的底图，检测过程中当检测人员到达巷道中的自然地标位置，观察PDA界面，如果此时轨迹恰好也到达矿图中自然地标位置，说明此时无需进行校准，进行确认标记；如果此时PDA界面中的轨迹尚未到达、超过或者偏离了矿图中的自然地标对应位置，则分为2 种情况处理：如果此时的距离偏差和角度偏差在最大误差允许范围内，则操作触摸屏，保持上1个标记过的地标位置及之前轨迹不动，将此时的轨迹末端拉至检查人员当前所在的地标位置，同时进行标记，并且对IMU中的坐标位置进行更新，实现误差修正；如果此时的距离偏差或角度偏差超过了距离误差和角度误差的最大允许范围，或未发现矿图中有此时自然地标对应的地标构造，则判断此时为可疑点位，对可疑点位进行标记和记录，待全程检测完毕后进行重点分析。其中，误差最大允许范围是根据测试距离和测量误差的关系，通过大量测试统计得出的在一定测量距离内，累计误差可能导致距离偏差和角度偏差的最大值。无角度误差直线行走时轨迹与地标的关系如图5,图中：A为界面中轨迹到达的位置,B为岔路口地标位置，为距离误差的最大允许值。如图5，检测人员行至岔路口时，在只有距离误差的情况下,PDA界面可能出现的3 种情况：图5BA（a）A 点在圆内（b）A 点在圆外1（c）A 点在圆外2图5无角度误差直线行走时轨迹与地标的关系Fig.5 Relationship between the trajectory and landmarkin a straight line walking without angle error（a）、图5(b）、图5（c）。以B为圆心，r为半径作圆，如果A点在圆内，说明偏差在最大允许范围内，则可将A点拖至B点（图5（a）,A B为补充的轨迹），同时更新PDR定位终端当前的定位坐标；图5（b）和图5（c）中A点在圆外，说明偏差大于最大允许范围，判定此时为可疑点位。角度误差存在行走至拐弯处如图6，图中：C为上1个标记的地标位置，CD、C F分别为2 条轨迹,E为拐弯地标位置CCCFFDDEEE（a）行走轨迹（b）轨迹允许范围（c）轨迹判定图6角度误差存在行走至拐弯处Fig.6Angle error exists when walking to the corner如图6，检测人员行走至拐弯处，同时存在距离误差和角度误差的情况。同时考虑距离误差和角度误差，图6(b)中为角度误差的最大允许值，以地标E点为圆心，最大距离误差允许值为半径作圆，只有当轨迹到达图6(b)中阴影部分内部，即距离偏差和角度偏差均在最大允许范围内（如图6(c)中D点位置），则可将轨迹的末端拖动至地标E点，图6(c)中CE为即补充轨迹，同时更新PDR定位终端当前的定位坐标。由于F点不在阴影范围内，则判定其为可疑点位4走越界开采检测4.1检测流程越界开采检测流程图如图7。首先，根据相关文件确定开采许可范围，将矿图导入PDA作为轨迹底图，并根据测绘导线点台账，238SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023No.8Vol.54煤砺发全第5 4卷第8 期开始确定开采许可范围，矿图导人，确定检测范围、查询导线点台账，确定起始位置到达起始位置，启动惯导模块，建立连接，并始测试到达地标位置，观察手持终端界面标记，可以点位记录，否是否满足地标继续行走测试校准要求是进行地标校准，标记，继续行走测试测试完毕，对轨迹、矿图和国土资源部门批准的范围进行全面对比分析，确定是否有越界开采行为结束图7 走越界开采检测流程图Fig.7Flow chart of cross-border mining detection确定可信任的导线点，作为起始位置；到达起始位置后开始测试，当到达地标位置时，观察PDA界面，判断是否满足地标校准条件，如果满足，则进行地标校准和标记，然后继续行走测试，如果不满足，则判断此时为可疑点位，进行记录和标记后继续行走测试；全程测试完毕后，进行轨迹、矿图与开采许可范围的对比分析，确定是否存在越界开采行为。4.2越界开采分析越界开采检测效果示意图如图8。开采许可范围边界H图8 越界开采检测效果示意图Fig.8Schematic diagram of detection effect ofcross-border mining绿色线条为行走轨迹，在H点处，左侧巷道和右侧巷道之间有1条联络巷道，检测人员可以从左侧巷道直接走进右侧巷道，但是在矿图中没有此联络巷道，则此联络巷道疑为非法打通。在G点，行走轨迹超出采面范围，且轨迹出现在开采许可范围之外，说明存在越界开采行为。5试验验证PDR定位终端的电路框图和实物如图9。温度传感器蓝牙通信模块控制单元加速度计陀螺仪电源模块图9PDR定位终端电路框图与实物Fig.9PDR positioning terminal circuit block diagramand physical object加速度计选用ADI的ADXL345，陀螺仪选用Invensense的ITG-3205，温度传感器选用ADI的ADT7320，用于计算惯性传感器的温度漂移误差 4,选用Nordic系统级芯片NRF51822设计蓝牙通信。为提高惯导定位数据采集和处理的准确性,PDR定位终端采用足底固定方式，将塑胶鞋垫底部挖空，使其恰好容纳PDR定位终端，这样可以最大程度减少由于模块安装不牢固引起的随机抖动，同时降低PDR定位终端对人员行走的影响。利用Eclipse跨平台开源集成开发环境和An-droidSDK软件开发工具包，基于JAVA开发越界开采检测软件，实现矿图导人、实时轨迹显示与地标校准操作等功能。采用模拟试验和煤矿井下实测的方式验证了方法的可行性和优越性。5.1模拟试验模拟试验选择1个规模较大，内部道路较为复杂的场地作为测试场地，规划总路程为5 km的行走路径，由规划的行走路径与单纯使用PDR进行测试得到的轨迹及1使用PDR+地标校准得到的测试轨迹对比可得：前1km内轨迹和路径基本重合，但1km以后累计误差放大速度加快，轨迹与路径的偏差也越来越大；所以单纯使用PDR进行有效测试的距离在1km以内，显然不能满足井下越界开采检测的需求；加入地标校准后，5 km测试距离内，轨迹依然与路径基本重合，说明加人地标校准后，测试精度提升明显。沿相同路径分别进行2 0 次测试，对2 组测试的累计距离误差和角度误差进行统计可得：5 km的测试路程，单纯采用PDR测量，累计的距离误差普遍239Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤药发全No.8Vol.54第8 期第5 4卷在10 18 m之间，累计的角度误差普遍在2 0 40 度之间；加人地标校准后，累计距离误差普遍降至在5 m以内，累计的角度误差普遍降至10 以内。说明通过本方法可以在实际应用中有效地抑制累积误差的发散，支持长时间长距离的越界开采检测，保持精度可靠。5.2煤矿井下实测验证在北京大台煤矿井下规划了1段3 km的行走路径进行实测验证。煤矿井下实测结果如图10。图10(a)中红色线条是以矿图为底图规划的行走路径，图10(b)中绿色线条是导入矿图后，按照规划的测量路径实际行走测量的轨迹，黑色圆点是进行了地标校准的5 个点位。（a）规划路径（b）行走轨迹图10煤矿井下实测结果Fig.10Underground test results of coal mine对比图10(a)和图10(b)可以明显看出：行走轨迹与规划路径基本重合。由沿相同路径进行2 0 次测试的累计距离误差和角度误差统计情况可得：累计距离误差和角度误差虽然比模拟试验平均情况略有增大，但是累计距离误差依然控制在8 m以内，累计角度误差在13 以内，根据已公布的越界开采案例中越界开采范围，这样的精度可以满足对煤矿越界开采行为进行检测和判定的要求。6结语1)煤矿现场多种零度检测方法对比测试结果表明：在煤矿井下，采用组合检测法进行零速检测的效果最好。2)模拟测试结果表明：采用零速检测和卡尔曼滤波进行零速校准，可以在一定程度上提高PDR的定位精度，但由于累计误差的存在，不能支持长时间长距离的测试；在其基础上加入地标校准，可以有效抑制累积误差发散。3)煤矿井下实测结果表明：采用基于PDR+自然地标校准的煤矿越界开采检测方法可以有效削弱测试过程中产生的累积误差，进而支持长时间长距离的检测应用。参考文献(References):1各咎昕，孔宁，郭丽娜，等.煤矿超层越界监督管理研究J.中国矿业，2 0 19,2 8（5）：2 9-3 2.ZAN Xin,KONG Ning,GUO Lina,et al.Analysis ofthe supervision and management of mining beyondspecified coal seamsJ.China Mining Magazine,2019,28(5):29-32.2谷民帅，周光.浅埋煤层超层越界开采防治综合技术研究 J.煤炭科学技术,2 0 18,46(S1)：47-5 3.GU Minshuai,ZHOU 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