CN103809154B

CN103809154B - 基于相对信号强度的矿井动目标定位方法

Info

Publication number: CN103809154B
Application number: CN201410054944.7A
Authority: CN
Inventors: 孙继平; 刘毅; 伍云霞
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: CN103809154A

Abstract

本发明公开了一种基于相对信号强度的矿井动目标定位方法，本定位方法通过定位服务器及分站设备对使用定位设备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，可有效防止由于矿井的不同巷道环境的电磁波传输特性的不同所引起的定位误差，可有效去除由于无线通信设备的功率不同与功率变化所引起的定位误差，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。

Description

基于相对信号强度的矿井动目标定位方法

技术领域

本发明涉及一种矿井移动目标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。井上常用的定位方法有：到达角度定位(AngleOf Arrival，AOA)，到达时间定位(Time OfArrival，TOA)，到达时间差定位(TimeDifference Of Arrival，TDOA)，接受信号强度指示定位(Received Signal StrengthIndication，RSSI)和射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)等方法。到达角度定位有定位死角，分站天线复杂，成本高，维护工作量大，不宜用于矿井人员定位。到达时间定位需定位设备与分站、分站与分站之间严格同步，系统同步困难，晶振稳定性要求高，系统复杂，成本高，特别是定位设备成本高，不宜用于矿井人员定位。到达时间差定位不需定位设备与分站同步，但需分站与分站之间严格同步，系统同步困难，晶振稳定性要求高，成本较高，特别是定位设备成本高。接受信号强度定位系统简单，成本低，但受巷道信号衰减、人体等遮挡、发射功率、接收灵敏度等影响，误差大。特别是人体等遮挡衰减对定位影响，随机变化，难以解决。目前矿井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。其它定位方法主要有到达角度、到达时间、到达时间差和信号强度等。

基于以上原因，为保证矿山安全生产，需要一种更适合井下巷道环境的更加准确的定位方法。

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，可有效避免使用电磁波绝对场强定位受不同巷道环境信号衰减特性不一致、人体等遮挡、发射功率、接收灵敏度等因素影响，保证定位稳定性和定位精度。本发明的定位方法通过井上监控中心设备和井下具有无线通信功能的分站对使用定位设备的井下工作人员和移动目标实现准确地定位，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。本发明的定位方法具体步骤包括：

1.在巷道内按小于等于L/2间距设置分站，L为定位设备无线传输距离，分站天线设置在巷道顶部，在巷道分支和急拐弯处增设分站，除出入口等特殊区域外，保证定位设备在任意位置发射的电磁波至少有4个分站接收到。

2.在所有两相邻分站之间选N点进行标定，在无人体遮挡的条件下在标定点使用定位设备向附近的分站发送检测信号，记录标定点距各分站的距离和各分站接收到的此信号的绝对信号强度，根据检测数据生成距离与绝对信号强度对应表。

3.计算各分站的绝对信号强度与距离较远两分站绝对信号强度的和之比，生成距离与相对信号强度对应表；

4.定位设备自动定时发送信号；根据各分站编号及分站接收到的定位设备信号的绝对信号强度判断定位设备的区域范围。

5.根据各分站接收到的定位设备信号的绝对信号强度运算得到各分站相对信号强度，查经第3步得到的距离与相对信号强度对应表，得到定位设备到各分站距离，若表中无对应数据用插值计算得到定位设备到各分站距离。

6.根据各分站位置和由第5步得到的定位设备到各分站距离，计算得到定位设备的多个位置点。

7.求由第6步得到的定位设备多个位置点的每个坐标轴值的算数平均值，得到一个新坐标点，如所有位置点与新坐标点的距离差均小于设定值，将此新坐标点作为定位设备实际位置；否则去除差值最大的位置点，以其余位置点的每个坐标轴值的算数平均值组成的坐标作为定位设备实际位置。

附图说明

图1定位系统示意图。

图2分站硬件示意图。

图3定位设备硬件示意图。

图4分站与定位设备位置示例图。

图5距离与相对信号强度对应表标定步骤示意图。

图6对定位设备的定位步骤示意图。

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通信网络，以矿用光纤为主要传输介质。

管理子系统包括：

1.定位服务器(1)，定位服务器负责定位运算、无线网络子系统各终端的通信管理、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.无线网络核心节点分站(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，上传来自分站和定位设备等设备的信息数据。

2.分站(8)，在巷道内间隔一定距离安装分站，分站包括电源，备用电池、控制器及通信模块及天线。分站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.定位设备(9)，定位设备通过分站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，分站的硬件包括：

1.系统芯片(202)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、定时器、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(201)采用全向天线。

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(204)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，定位设备的硬件包括：

1.系统芯片(302)选择TI公司的CC2430芯片，内部集成处理器和射频前端功能，CC2430的介绍见分站系统芯片部分。

2.天线(301)采用柔性天线，天线放置于定位设备的外壳内部。

3.主板(303)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。

在巷道内按小于等于L/2间距设置分站，L为定位设备无线传输距离，本示例定位设备无线传输距离为200米，所以相邻分站间隔为100米；分站天线设置在巷道顶部，在巷道分支和急拐弯处增设分站，除出入口等特殊区域外，保证定位设备在任意位置发射的电磁波至少有4个分站接收到。参考图4，分站A、B、C、D、E依次安装排列，相邻分站间隔均为100米，每间隔20米进行一次标定，假定当前标定点位于C与D分站之间，标定的过程如下：

1.测量标定点到B、C、D、E分站的距离d(B，M)、d(C，M)、d(D，M)、d(E，M)；(501)

2.在无人体遮挡的条件下在标定点使用定位设备向附近的分站发送检测信号；(502)

3.测得无人体等遮挡时的B、C、D、E分站接收到的检测信号的绝对信号强度为P(B，M)、P(C，M)、P(D，M)、P(E，M)，记录以上绝对信号强度；(503)

4.根据检测数据生成分站距离与绝对信号强度对应表；(504)

分站	距离	绝对信号强度
			B	d(B，M)	P(B，M)
C	d(C，M)	P(C，M)
			D	d(D，M)	P(D，M)
E	d(E，M)	P(E，M)

5.计算各分站的绝对信号强度与距离较远两分站绝对信号强度的和之比，生成距离与相对信号强度对应表。(505)

定位运算的过程如下：

1.定位设备定时向相邻分站发送带有定位设备编号和时间戳信息的检测信号；(601)

2.各分站接收到检测信号后，将此信号的强度、定位设备编号、时间戳信息及自身分站编号组包发给井上定位服务器；(602)

3.定位服务器接收发回的信息后，根据定位设备编号和时间戳可区别出不同分站所接收到定位设备的同一检测信号的绝对信号强度P(B，m)、P(C，m)、P(D，m)、P(E，m)；(603)

4.定位服务器根据各分站编号和最大绝对信号强度进行分析，如最大绝对信号强度分站为居中两分站的之一，可判定定位设备位于居中的两分站之间，设4个分站的编号分别为B、C、D、E，如满足分站C的绝对信号强度最大、分站D的绝对信号强度最大或分站C和D的绝对信号强度相等且最大，则判定定位设备位于分站C与D之间；(604)

5.计算各分站的绝对信号强度与绝对信号强度较小的两分站B、E的绝对信号强度和之比，得到

6.通过相对信号强度查距离与相对信号强度对应表，得到定位设备到各分站距离d(B，m)、d(C，m)、d(D，m)、d(E，m)，若表中无对应数据则参考表中最接近的两个相对信号强度值用线性插值计算得到，设当前C分站相对信号强度为m_x，表中与之最接近的两个相对信号强度按值大小依次分别为m₁，m₂，满足m₁＜m_x＜m₂，m₁，m₂对应到分站C的距离分别为dm₁，dm₂，则

d (C, m) = \frac{(d m_{1} - d m_{2}) (m_{2} - m_{x})}{m_{2} - m_{1}} + d_{2};

(606)

7.根据d(B，m)、d(C，m)d(D，m)d(E，m)与各分站位置计算得到4个定位设备位置数据(x_bm，y_bm，z_bm)、(x_cm，y_cm，z_cm)、(x_dm，y_dm，z_dm)、(x_em，y_em，z_em)；如(x_cm，y_cm，z_cm)可通过两点直线段距离公式和两点式直线方程求得，方程组如下：

(x_{cm}, y_{cm}, z_{cm}) = \{\begin{matrix} d (C, m) = \sqrt{{(x_{cm} - x_{C})}^{2} + {(y_{cm} - y_{C})}^{2} + {(z_{cm} - z_{C})}^{2}} \\ \frac{y_{cm} - y_{C}}{y_{D} - y_{C}} = \frac{x_{cm} - x_{C}}{x_{D} - x_{C}} = \frac{z_{cm} - z_{C}}{z_{D} - z_{C}} \\ \min (| x_{C} |, | x_{D} |) \leq | x_{cm} | \leq \max (| x_{C} |, | x_{D} |) \\ \min (| y_{C} |, | y_{D} |) \leq | y_{cm} | \leq \max (| y_{C} |, | y_{D} |) \\ \min (| z_{C} |, | z_{D} |) \leq | z_{cm} | \leq \max (| z_{C} |, | z_{D} |) \end{matrix}

后三个公式为方程组解得限定条件，以保证所求得的(x_cm，y_cm，z_cm)位于C、D分站之间；同理可求得(x_dm，y_dm，z_dm)；求(x_bm，y_bm，z_bm)和(x_em，y_em，z_em)时，需先将d(B，m)和d(E，m)分别减去BC和DE距离，从而换算成d(C，m)d(D，m)再进行运算；(607)

8.求(x_bm，y_bm，z_bm)、(x_cm，y_cm，z_cm)、(x_dm，y_dm，z_dm)、(x_em，y_em，z_em)的每个坐标轴值的算数平均值，得到一个新坐标点

(\overset{&OverBar;}{x_{m}}, \overset{&OverBar;}{y_{m}}, \overset{&OverBar;}{z_{m}}) \{\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{x_{m}} = (x_{bm} + x_{cm} + x_{dm} + x_{em}) / 4 \\ \overset{&OverBar;}{y_{m}} = (y_{bm} + y_{cm} + y_{dm} + y_{em}) / 4 \\ \overset{&OverBar;}{z_{m}} = (z_{bm} + z_{cm} + z_{dm} + z_{em}) / 4 \end{matrix}

如4个位置与的距离均小于5米，将作为定位设备实际位置；否则去除与距离最大的位置点，以其余位置点的每个坐标轴值的算数平均值组成的坐标点作为定位设备实际位置。(608)

Claims

1.基于相对信号强度的矿井动目标定位方法，其特征在于：在巷道内按小于等于L/2间距设置分站，L为定位设备无线传输距离；分站天线设置在巷道顶部，在巷道分支和急拐弯处增设分站，保证定位设备X发射的电磁波至少有4个分站接收到；在所有相邻两分站之间选N点进行标定，标定时使用定位设备在标定点向附近的分站发送检测信号，记录标定点与各分站距离和各分站接收到检测信号的绝对信号强度，生成距离与绝对信号强度对应表；计算各分站的绝对信号强度与距离较远两分站绝对信号强度的和之比，生成距离与相对信号强度对应表；对定位设备定位时，根据各分站接收到的定位设备信号的绝对信号强度运算得到相对信号强度，查经标定得到的距离与相对信号强度对应表得到定位设备到各分站距离，若表中无对应数据用插值计算；根据各分站位置和定位设备到分站的距离数据得到定位设备的多个位置点，对多个位置点的坐标进行计算处理得到定位设备实际位置。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：在巷道内按小于等于L/2间距设置分站，L为定位设备无线传输距离，分站天线设置在巷道顶部，在巷道分支和急拐弯处增设分站，除出入口外，保证定位设备在任意位置发射的电磁波至少有4个分站接收到。

3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：在所有两相邻分站之间选N点进行标定，在无人体遮挡的条件下在标定点使用定位设备向附近的分站发送检测信号，记录标定点距各分站的距离和各分站接收到的此信号的绝对信号强度，根据检测数据生成距离与绝对信号强度对应表。

4.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：定位设备自动定时发送信号；根据各分站编号及分站接收到的定位设备信号的绝对信号强度判断定位设备的区域范围。

5.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：对定位设备定位时，根据各分站接收到的定位设备信号的绝对信号强度运算得到各分站相对信号强度，查距离与相对信号强度对应表，得到定位设备到各分站距离，若表中无对应数据用插值计算得到定位设备到各分站距离。

6.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：求多个位置点的每个坐标轴值的算数平均值，得到一个新坐标点，如所有位置点与新坐标点的距离差均小于设定值，将此新坐标点作为定位设备实际位置；否则去除差值最大的位置点，以其余位置点的每个坐标轴值的算数平均值组成的坐标为定位设备实际位置。