CN103698742A

CN103698742A - 一种基于信号相对场强的井下定位方法

Info

Publication number: CN103698742A
Application number: CN201310659870.5A
Authority: CN
Inventors: 孙继平; 刘毅
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103698742B

Abstract

本发明公开了一种基于信号相对场强的井下定位方法，本定位方法通过定位服务器及定位参考点设备对使用专用定位装置的井下工作人员和移动目标实现准确的定位，定位过程简单有效，抗电磁干扰能力强，具有较强的鲁棒性；使用本定位方法的定位系统具有定位精度高，成本低，系统设备结构简单，易实施等特点；便于安全生产管理人员调度管理，并在矿井发生灾害时，为救援人员提供较准确的人员位置信息，以提高救援效率和被困人员的获救概率。

Description

一种基于信号相对场强的井下定位方法

技术领域

本发明涉及一种井下位置的检测运算方法，该方法涉及无线电通信、测距和定位技术等领域。

背景技术

井下定位是安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法对井下人员位置进行检测。常用的定位方法有：接受信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)，测量到达角度(Angle OfArrival，AOA)，测量到达时间(Time OfArrival，TOA)，测量到达时间差(TimeDifference Of Arrival，TDOA)和射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)等方法。

目前实际使用以射频识别技术(RFID)为主，RFID利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其它接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态下的自动识别和位置监测。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。使用RFID具有以下问题：

1.定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位，不能做到误差为几米的精确定位；

2.受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。

信号强度指示(RSSI)方法是目前GSM，CDMA、3G移动网络及WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传输损耗模型计算移动节点与锚节点问的距离。移动节点接收到的信号强度随距离发射机的位置变化而变化，即移动节点距离发射机距离越近，接收到的信号强度越强，反之，移动节点距发射机越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离值，再经过滤波确定最终定位结果，RSSI方法简单易实施。但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加锚节点的密度和通过全局优化算法来控制单方向上的定位误差，但井下环境多为隧道组成的线状环境，无法得到平面上其它方向的场强数据，定位误差较大，所以需要一种更适合井下巷道环境的更加准确的RSSI定位方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种更适合井下巷道环境的更加准确的定位方法，通过井上服务器及井下定位参考点对使用专用定位装置的井下工作人员和移动目标实现准确的定位，便于安全生产管理人员调度管理，并在矿井发生灾害时，为救援人员提供较准确的人员位置信息，以提高救援效率和被困人员的获救概率。在井下各巷道内间隔一定距离安装的定位系统的无线信号发射设备作为定位参考点，并设定井下巷道由定位参考点问的直线段连接而成；任何定位装置可同时与两个以上的定位参考点通信，定位方法的具体步骤如下：

1.定位装置定时向所在巷道内的距离最近的两个定位参考点发送检测信号，当定位参考点设备接收到检测信号时将此信号强度和自身位置坐标回复给定位装置或上传至井上计算机。

2.设定位装置或井上计算机收到的定位参考点发回的信号绝对强度分别为p₁，p₂，坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，定位装置距定位参考点1m远时测得的接收信号的绝对强度常数为A，解由定位参考点两个场强的比值等于定位装置距两定位参考点的距离比值公式、定位装置距两定位参考点之和等于两定位参考点的距离公式组成的方程组，

(s_{1}, s_{2}) = \{\begin{matrix} \frac{s_{1}}{s_{2}} = \frac{| A - p_{1} |}{| A - p_{2} |} \\ s_{1} + s_{2} = \sqrt{{(x_{2} - x_{1})}^{2} + {(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(z_{2} - z_{1})}^{2}} \end{matrix}

得到定位装置距两定位参考点的距离s₁，s₂。

3.解由定两定位参考点坐标的直线两点式公式、定位装置距其中一个定位参考点的直线距离公式组成的方程组，可得到两个坐标值；根据定位装置坐标位于定位参考点之间的条件判断得到定位装置实际坐标，从而实现对定位装置的定位。

(x, y, z) = \{\begin{matrix} \frac{y - y_{1}}{y_{2} - y_{1}} = \frac{x - x_{1}}{x_{2} - x_{1}} = \frac{z - z_{1}}{z_{2} - z_{1}} \\ d = \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2}} \\ x_{2} \leq x \leq x_{1} \end{matrix}

附图说明

图1定位系统示意图。

图2定位参考点硬件示意图。

图3定位装置硬件示意图。

图4定位装置定位方法步骤示意图。

图5定位装置距离运算示意图。

图6定位装置位置运算示意图。

具体实施方式

所述定位方法由井下定位系统实现定位，如图1所示实施例中，定位系统组成包括：管理子系统、有线网络子系统和无线网络子系统。；有线通信子系统是整个定位系统的骨干，有线通信子系统以光纤为主要传输介质。

管理子系统包括：

1.定位服务器(1)，定位服务器负责系统通信管理、数据存储和为监控终端提供人员及设备的信息服务。

2.监控终端(2)，生产管理人员通过监控终端(2)访问定位服务器实现对井下工作人员及相关设备的实时监控，监控终端具有地图显示，工作人员位置及资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能。地理信息平台可使用MapX地图化组件，矿井地图为巷道二维剖面化的矢量地图，地图文件为MapInfo格式。

有线通信子系统包括：

1.核心交换机(3)，负责所有接入有线网络的设备的管理和数据交换。

2.OLT光线路终端(4)，OLT是PON接入系统的中心设备，通过以太网接口连接核心以太网，通过光纤连接无源分光器ODN，通过ODN与用户终端侧的ONU通信。OLT具有二层/三层交换和光纤端口冗余功能。

3.ODN无源分光器(5)，ODN用于光缆接续或PON接入系统的光功率分配，负责连接OLT和ONU。主要功能是分发下行数据和集中上行数据。

4.ONU光节点(6)，ONU为光网络接入系统提供用户侧的标准网络接入接口。

无线网络子系统：

1.无线网络核心节点(7)，负责无线传感器网络的建立，在井下出入口安装，无线网络核心节点通过标准网口双绞线与ONU连接，接收并处理来自有线网络的下行信号，上传来自定位参考点和定位装置等设备的信息数据。

2.定位参考点(8)，在巷道内间隔一定距离安装定位参考点，定位参考点间采用无线多跳接续方式进行连接，定位参考点包括电源，备用电池、控制器及通信模块及天线。定位参考点的存贮着自身位置信息和标识信息，为定位运算提供依据。

3.定位装置(9)，定位装置通过定位参考点接入无线网络与井上定位服务器通信。

如图2所示实施例中，定位参考点的硬件包括：

1.系统芯片(201)选择TI公司的CC2430芯片，CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。

2.天线(204)采用两个定向天线，沿巷道的分别指向内外两个方向。

3.主板(203)主要负责为系统芯片供电，电源管理部分具有电源检验功能，当外部电源断电自动切换由蓄电池供电，电池充电管理部分负责为蓄电池冲电，根据电池电量和电池温度自动调节充电电流，具备防过充、防过放、过流、短路等功能。AD/DC部分负责为将外部交流电源转换为系统及蓄电池充电所需的直流电。

4.蓄电池(203)采用铅酸蓄电池或符合安标要求的锂电池。

如图3所示实施例中，定位装置的硬件包括：

1.系统芯片(201)选择TI公司的CC24301芯片，内部集成处理器和射频前端功能，CC2430的介绍见定位参考点系统芯片部分。

2.天线(204)采用柔性天线放置于定位装置的外壳内部。

3.主板(203)主要负责为系统芯片供电，电源转换部分负责将锂电池的3.7V直流电源电压转换为系统芯片所需的稳定的3.3V工作电压，电源转换核心芯片采用MAX1724MAX1724EZK33。电池充电管理部分负责为电池充电，根据电池电量和电池温度自动调节充电电流，具备防过充、防过放、过流、短路等功能。电池使用锂离子蓄电池，锂电池内部有保护板具有防反接功能，具备防过充、防过放、过流、短路等功能。充电管理芯片选用TP4056，内部采用PMOSFET架构，具有防倒充电路，外部不需加隔离二极管。根据热反馈可自动调节充电电流，在大功率操作或高环境温度条件下能自动限制芯片温度。固定充电电压4.2V，恒流充电阶段的电流可通过电阻设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，充电管理芯片自动停止充电。当移除充电电源后，充电管理芯片自动进入低电流状态，降电池漏电流至2uA以下。充电管理芯片在有电源时也可将供电电流降至55uA置于停机模式。

参考图4人员定位的实现过程如下：

1.定位装置系统初始化过程中，首先加入由协调器组织好的无线网络与相邻定位参考点建立连接(401)；

2.定位装置计时器计时如未到达间隔时间继续等待(402)；

3.当计时时间到了向相邻定位参考点发送带有专用序号的检测信号(403)；

4.接收由定位参考点发回的带有原序号和回复信息(404)；

5.定位装置判断是否接收到两个相同序号的回复信息(405)；

6.如果已收到根据两个相邻定位参考点的回复中携带的信号场强信息和自身位置坐标信息计算定位装置距两定位参考点的距离(406)，如图5所示，设定位装置(503)接收定位参考点(501)和(502)发回的信号绝对强度分别为p₁，p₂，(501)和(502)坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，已知绝对强度常数为A，解由定位参考点两个场强的比值等于定位装置距两定位参考点的距离比值公式、定位装置距两定位参考点之和等于两定位参考点的距离公式组成的方程组，

(s_{1}, s_{2}) = \{\begin{matrix} \frac{s_{1}}{s_{2}} = \frac{| A - p_{1} |}{| A - p_{2} |} \\ s_{1} + s_{2} = \sqrt{{(x_{2} - x_{1})}^{2} + {(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(z_{2} - z_{1})}^{2}} \end{matrix}

得到定位装置距两定位参考点的距离s₁，s₂式，中A为定位装置距定位参考点1m远时测得的接收信号的绝对强度常数；

7.计算定位装置的位置坐标(407)。解由两定位参考点坐标的直线两点式公式、定位装置(503)距定位参考点(501)的直线距离公式组成的方程组，

(x, y, z) = \{\begin{matrix} \frac{y - y_{1}}{y_{2} - y_{1}} = \frac{x - x_{1}}{x_{2} - x_{1}} = \frac{z - z_{1}}{z_{2} - z_{1}} \\ d = \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2}} \end{matrix}

如图6所示，可在定位参考点(501)和定位参考点(502)所在直线上可得到两个坐标值分别为坐标点(503)和坐标点(504)；根据定位装置位于定位参考点之间的条件，坐标应满足条件

(x, y, z) = \{\begin{matrix} x_{2} \leq x \leq x_{1} \\ y_{2} \leq y \leq y_{1} \\ z_{2} \leq z \leq z_{1} \end{matrix}

由此可判断(503)为定位装置的坐标；

8.定位装置将所得自身位置坐标信息通过无线网络及有线网络上传至井上的定位服务器(408)，完成一次定位过程；定位装置计时等待下一次定位(402)。

Claims

1.一种基于信号相对场强的井下定位方法，其特征在于：在巷道内间隔一定距离安装无线信号发射设备，作为定位参考点，并设定井下巷道由定位参考点间的直线段连接而成；专用的定位装置向所在巷道内的距离最近的两个定位参考点发送检测信号，当定位参考点接收到检测信号时将此信号绝对强度和自身位置坐标回复给定位装置或上传至井上计算机；解由定位参考点两个场强与常数差的绝对值比值等于定位装置距两定位参考点的距离比值公式、定位装置距两定位参考点之和等于两定位参考点的距离组成的方程组，得到定位装置距两定位参考点的距离；解由定两定位参考点坐标的直线两点式公式、定位装置距其中一个定位参考点的直线距离公式组成的方程组，根据定位装置坐标位于定位参考点之间的条件判断得到定位装置实际坐标，从而实现对定位装置的定位。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：定位装置可同时与两个以上的定位参考点通信。

3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：定位装置向所在巷道内的距离最近的两个定位参考点发送检测信号，当定位参考点设备接收到检测信号时将此信号强度和自身位置坐标回复给定位装置或上传至井上计算机。

4.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：设定位装置或井上计算机收到的定位参考点发回的信号绝对强度分别为p₁，p₂，且坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，解由定位参考点两个场强的比值等于定位装置距两定位参考点的距离比值公式、定位装置距两定位参考点之和等于两定位参考点的距离公式组成的方程组，

(s_{1}, s_{2}) = \{\begin{matrix} \frac{s_{1}}{s_{2}} = \frac{| A - p_{1} |}{| A - p_{2} |} \\ s_{1} + s_{2} = \sqrt{{(x_{2} - x_{1})}^{2} + {(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(z_{2} - z_{1})}^{2}} \end{matrix}

运算得到定位装置距两定位参考点的距离s₁，s₂；式中A为定位装置距定位参考点1m远时测得的接收信号的绝对强度常数。

5.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：解由定两定位参考点坐标的直线两点式公式、定位装置距其中一个定位参考点的直线距离公式组成的方程组，

(x, y, z) = \{\begin{matrix} \frac{y - y_{1}}{y_{2} - y_{1}} = \frac{x - x_{1}}{x_{2} - x_{1}} = \frac{z - z_{1}}{z_{2} - z_{1}} \\ d = \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2}} \\ x_{2} \leq x \leq x_{1} \end{matrix}

运算得到定位装置位置坐标。

6.如权利要求4或权利要求5所述的定位方法，其特征在于：在距离和位置运算中坐标系可使用二维直角坐标系进行运算。