CN103813447B - 基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法 - Google Patents

基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103813447B
CN103813447B CN201410054951.7A CN201410054951A CN103813447B CN 103813447 B CN103813447 B CN 103813447B CN 201410054951 A CN201410054951 A CN 201410054951A CN 103813447 B CN103813447 B CN 103813447B
Authority
CN
China
Prior art keywords
substation
location equipment
location
equipment
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410054951.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103813447A (zh
Inventor
孙继平
刘毅
伍云霞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Original Assignee
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology Beijing CUMTB filed Critical China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority to CN201410054951.7A priority Critical patent/CN103813447B/zh
Publication of CN103813447A publication Critical patent/CN103813447A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103813447B publication Critical patent/CN103813447B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

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，本定位方法通过井上服务设备及井下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稳定准确的定位，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；本定位方法基于相对信号强度定位，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，并可有效去除由人体遮挡引起的定位误差。

Description

基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法
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 Of Arrival，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稳定准确地定位，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.在所有两分站之间选N点进行标定，在无人体遮挡的条件下在定标点使用定位设备向附近的分站发送检测信号，记录定标点位置和各分站接收到的此信号的绝对信号强度，根据记录生成位置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，生成位置与相对信号强度对应表。
4.定位设备自动定时发送信号；对定位设备定位时，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位置区域。
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步得到的位置与相对信号强度对应表，得到定位设备的多个位置数据，若表中无对应数据用插值计算得到。
6.求第5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位置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。
图7线性插值法位置运算示意图。
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、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(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.记录当前标定点位置(xM，yM，zM)；(501)
2.在无人体遮挡的条件下在定标点使用标识卡向附近的分站发送检测信号；(502)
3. B、C、D、E分站可接收到检测信号，测得绝对信号强度分别为PBM，PCM，PDM，PEM，记录分站编号及其收到信号的绝对信号强度数据；(503)
4.间隔20米到达下一个标定点，重复以上步骤继续进行标定；如对所有标定点完成标定则执行(505)；(504)。
5.根据标定点位置和绝对信号强度记录生成位置与绝对信号强度对应表；(505)
位置 分站B 分站C 分站D 分站E
(xM，yM，zM) PBM PCM PDM PEM
…… …… …… …… ……
6.计算各分站接收到的绝对信号强度与距离较远两分站收到的绝对信号强度的和之比，生成位置与相对信号强度对应表，本示例B和E分站距标定点较远，所以以PBm+PEm为分母，以各分站接收到的绝对信号强度PBm，PCm，PDm，PEm作为分子。(506)
对应表反映了巷道(截面、介质、支护等)、固定设备、电缆、铁轨、水管、分站天线布置和接收灵敏度等固有参数对定位的影响。当这些条件变化时需及时标定。
实际应用时，对定位设备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.定位服务器接收由分站发回的信息后，根据定位设备编号和时间戳可区别出不同分站所接收到同一定位设备的同一检测信号的绝对信号强度；(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，本示例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(605)
6.通过相对信号强度查标定(606)得到的位置与相对信号强度对应表，得到4个定位设备位置点(xbm，ybm，zbm)、(xcm，ycm，zcm)、(xdm，ydm，zdm)、(xem，yem，zem)，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，具体方法如下：
参考图7，设当前C分站相对信号强度表中与之最接近的两个相对信号强度分别为U1、U2，且满足U1＜U＜U2；U1、U2在表中对应标定位置点为(701)、(702)坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)，解方程组
式中d为所求位置点(703)与标定点(701)的距离，由于相对信号强度变化量正比于距离，根据此原理得到方程组中第一个公式，第二个公式是通过两点直线段距离公式求所求位置点与标定点(702)的距离公式，第三个公式为两标定点直线公式，解前三个公式组成的方程组可得到(703)和(704)两个坐标点；通过第四、五、六个公式为限定条件去除(704)，得到位于(x1，y1，z1)与(x2，y2，z2)之间的位置坐标值(xcm，ycm，zcm)即(703)点；同理，参考B、D、E分站相对信号强度通过以上方法可求得(xbm，ybm，zbm)、(xdm，ydm，zdm)、(xem，yem，zem)；(606)
7.求(xbm，ybm，zbm)、(xcm，ycm，zcm)、(xdm，ydm，zdm)、(xem，yem，zem)的每个坐标轴值的算数平均值，得到一个新坐标点
如4个位置点与的距离均小于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。(607)

Claims (6)

1.基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法，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，记录标定点位置和各分站接收到检测信号的绝对信号强度，生成位置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，生成位置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的信号绝对强度运算得到相对信号强度，查经标定得到的位置与相对信号强度对应表得到定位设备位置数据，若表中无对应数据用插值计算得到；根据定位设备的多个位置数据计算得到定位设备位置。
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。
3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：在所有两分站之间选N点进行标定，在无人体遮挡的条件下在定标点使用定位设备向附近的分站发送检测信号，记录定标点位置和各分站接收到的此信号的绝对信号强度，根据记录生成位置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；对定位设备定位时，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位置区域。
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，查经权利要求1所述的定位方法得到的位置与相对信号强度对应表，得到定位设备的多个位置数据，若表中无对应数据用插值计算得到。
6.如权利要求5所述的定位方法，其特征在于：求由权利要求5所述的定位方法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。
CN201410054951.7A 2014-02-18 2014-02-18 基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法 Active CN103813447B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410054951.7A CN103813447B (zh) 2014-02-18 2014-02-18 基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410054951.7A CN103813447B (zh) 2014-02-18 2014-02-18 基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103813447A CN103813447A (zh) 2014-05-21
CN103813447B true CN103813447B (zh) 2017-07-28

Family

ID=50709509

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410054951.7A Active CN103813447B (zh) 2014-02-18 2014-02-18 基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103813447B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110225477A (zh) * 2018-03-02 2019-09-10 光力科技股份有限公司 井下采空区内无线网络节点的定位方法与透地通信系统
CN110007271A (zh) * 2019-04-19 2019-07-12 中国矿业大学(北京) 一种矿井人员精确定位方法及误差判定方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102523621A (zh) * 2012-01-10 2012-06-27 中国矿业大学(北京) 一种井下人员定位系统及方法
CN103024663A (zh) * 2012-11-19 2013-04-03 中国矿业大学(北京) 一种井下人员定位系统
CN103501537A (zh) * 2013-09-24 2014-01-08 北京大学 基于智能手机和Wi-Fi无线网络的楼宇内部定位方法和系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102523621A (zh) * 2012-01-10 2012-06-27 中国矿业大学(北京) 一种井下人员定位系统及方法
CN103024663A (zh) * 2012-11-19 2013-04-03 中国矿业大学(北京) 一种井下人员定位系统
CN103501537A (zh) * 2013-09-24 2014-01-08 北京大学 基于智能手机和Wi-Fi无线网络的楼宇内部定位方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN103813447A (zh) 2014-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103809154B (zh) 基于相对信号强度的矿井动目标定位方法
CN106597419B (zh) 无需时钟同步的煤矿井下精确定位方法
CN109633327B (zh) 一种台区智能线损分析装置
CN204177912U (zh) 基于gis应用的配网故障预警及定位系统
CN206559654U (zh) 一种基于uwb定位的变电站管理系统
CN103698742B (zh) 一种基于信号相对场强的井下定位方法
CN103743998B (zh) 基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法及系统
CN105388357A (zh) 防窃电系统
CN104567547B (zh) 一种用于人影火箭的作业数据采集系统和数据处理方法
CN102967800A (zh) 基于暂态信号prony算法的配电网单相接地故障区段定位方法及定位装置
CN104730422A (zh) 一种配电网单相接地故障定位装置及方法
US9778286B2 (en) Sensors for power distribution network and electrical grid monitoring system associated therewith
CN107340432A (zh) 基于无线测量模块的接地电阻数据采集及分析系统
CN103813447B (zh) 基于相对信号强度的矿井人员与移动设备定位方法
CN105467274B (zh) 一种配电网单相接地故障检测及定位装置
CN211579703U (zh) 一种多芯模组物联感知终端
CN207625813U (zh) 一种基于LoRa精细定位的室内定位系统
CN207799002U (zh) 一种分布式非接触行波测距系统
CN205596111U (zh) 一种台区线路在线识别系统
CN107360579A (zh) 一种基于无线网络及大数据的电力监控方法及系统
CN202931556U (zh) 一种井下人员定位系统
CN204374358U (zh) 配电线路智能故障精确定位系统
CN105842649A (zh) 智能变电站二次侧电能计量系统的在线检测系统及其检测方法
CN106358287B (zh) 一种基于Probe Request帧的智能终端被动定位方法
CN106506634A (zh) 一种摄像机智能供电系统及快充方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant