CN104540101A - 物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法 - Google Patents

物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法 Download PDF

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Abstract

一种物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法，属于矿井运动目标增强定位方法。运动目标在巷道中行进，现有井下定位系统对其进行定位，得到初始定位坐标点tp(i)；然后，将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)，利用物联网管控平台，搜索到投影点tp'(i)的距离在最大通信距离范围内的感知节点；最后，将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，增强运动目标的定位精度。该方法在物联网架构下实现定位系统与感知节点的有效结合，在不改变矿井下原有定位系统的基础上，实现系统的优化升级，提高运动目标定位精度，具有很好的实用性和易用性。

Description

物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法
技术领域
本发明涉及一种矿井运动目标增强定位方法，特别是一种物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法。
背景技术
煤矿井下的特殊环境使得无线信号的传播存在严重的非视距和多径衰落现象，进而制约着常规定位技术在井下使用时的定位精度。
根据定位过程中是否需要测量距离，可以将定位算法分成测距和非测距两大类。基于非测距的算法虽然实现简单，但定位精度不高，而且多数算法不适用于井下狭长的巷道环境，如质心算法、dv-hop算法等。基于测距的算法在煤矿井下定位中应用较多，其中基于RSSI的定位算法因其原理简单、硬件实现容易等优势应用最为广泛。但是煤矿巷道中信号的衰落极不规律，难以建立合适的信号衰减模型，致使基于RSSI的定位算法精度不高且精度随着时间而变化；其它基于测距的常用算法，例如DOA、TOA等，需要高精度的硬件设备配合，并且受多种条件影响，定位精度不理想或者价格昂贵。
可见，单纯基于现有定位算法的矿井定位系统难以满足矿井安全生产对定位精度的要求。随着矿山物联网的建设与发展，煤矿井下将会部署大量不同功能的传感器节点，对煤矿环境、生产设备和生产人员进行实时感知、监测、预警等。在物联网架构下，不同节点之间实现物-物相连和信息互通是其基本功能，可以让这些感知节点为定位系统提供辅助服务；同时，地面的物联网管控平台管理着整个矿井的设备，数据库中存有这些设备和传感器的安装位置，平台可以协调这些非定位系统的节点为井下定位提供帮助。
发明内容
本发明的目的是要提供一种物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法，实现在不替代已有定位系统基础上提高定位精度。
本发明的目的是这样实现的：该运动目标增强定位方法：运动目标在巷道中行进，现有井下定位系统对其进行定位，得到初始定位坐标点tp(i)；然后，将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)，利用物联网管控平台，搜索到投影点tp'(i)的距离在最大通信距离范围内的感知节点；最后，将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，增强运动目标的定位精度；具体步骤如下：
(1)移动目标在巷道行进的过程中与井下定位系统进行通信，通过井下定位算法得到初始定位坐标点tp(i)；
(2)将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)；
(3)已知感知节点最大发射功率pmax，得到感知节点最大搜索半径dmax；
(4)利用物联网管控平台，搜索到投影点的距离在最大通信距离范围即最大搜索半径dmax内的感知节点，并记录感知节点个数n及感知节点坐标；
(5)将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，得到最终定位坐标点rp(i)。
所述的证人节点增强定位方法步骤如下：
步骤1:判断感知节点个数n满足下列哪种条件；
(1)当n＝0时，在运动目标附近没有证人节点，无法对初始定位坐标点tp(i)进行修正，不需要进行下面步骤的处理，直接输出结果，tp(i)即为最终定位坐标点rp(i)；
(2)当n＞＝1时，步骤1分为下列两种情况处理：
a.当n＝1时，在运动目标附近有一个证人节点，这时从物联网管控平台中取距离运动目标最近的基站作为另一个证人节点，两个证人节点分别用spi(1)、spi(2)表示，其坐标分别为(xi1,yi1)、(xi2,yi2)；
b.当n＞＝2时，取距离tp'(i)最近的两个感知节点作为证人节点，两个证人节点分别用spi(1)、spi(2)表示，其坐标分别为(xi1,yi1)、(xi2,yi2)；
步骤2：计算投影点tp'(i)到证人节点spi(1)、spi(2)的距离分别对应为di(1)、di(2)；求出通过spi(1)、spi(2)的直线l1：通过spi(1)平行于巷道中线的直线l2，通过spi(2)且平行于巷道中线的直线l3。设置运动目标定位精度范围为ro米；
步骤3：调整证人节点发射功率，确定以di(j)为半径的搜索区域，对运动目标进行搜索，并根据是否能够搜索到运动目标，分为2种情况概述：
情况1：证人节点在以di(j),j＝1,2为半径的搜索区域内能够搜索到运动目标时，调整发射功率，使得搜索半径每次向内压缩ro米，即以(di(j)-count×ro)为半径对运动目标进行迭代搜索，直到证人节点第m次搜索不到运动目标或者满足di(j)-m×ro＜ro条件为止；其中，count＝1,L；(j)＞m×ro；m为总迭代搜索次数；
a.证人节点第m次搜索不到运动目标时，运动目标在以spi(j)为圆心的同心圆环所组成的范围内，即在①②圆环所组成的范围内，此时满足公式(1)：
R2＝(x-xij)2+(y-yij)2①  r2＝(x-xij)2+(y-yij)2②
r2≤(x-xij)2+(y-yij)2≤R2  (1)
其中，R＝di(j)-(m-1)×ro，r＝di(j)-m×ro；
b.满足di(j)-m×ro＜ro条件时，说明运动目标在以spi(j)为圆心，(di(j)-m×ro)为半径的最小圆范围内，此时满足公式(2)：
(x-xij)2+(y-yij)2≤r2  (2)
其中，r＝di(j)-m×ro；
情况2：证人节点在以di(1)为半径的搜索区域内不能搜索到运动目标时，调整发射功率，使得搜索半径每次向外扩展ro米，即以(di(j)+count×ro)为半径对运动目标进行迭代搜索，直到证人节点在第m次搜索到运动目标或者dmax范围内搜索不到证人节点为止；其中，count＝1,L；(di(j)+m×ro)＜dmax；m为总迭代搜索次数；
a.当证人节点第m次搜索到运动目标时，运动目标在以spi(j)为圆心的同心圆环所组成的范围内，即在③④圆环所组成的范围内，此时满足公式(3)：
R'2＝(x-xij)2+(y-yij)2③  r'2＝(x-xij)2+(y-yij)2④
r'2≤(x-xij)2+(y-yij)2≤R'2  (3)
其中，R'＝di(j)+m×ro，r'＝di(j)+(m-1)×ro；
b.dmax范围内搜索不到证人节点时，说明运动目标在最大扩展范围内搜索不到运动目标，此时满足公式(4)：
(di(j)+m×ro)＞dmax  (4)
步骤4：基于两个证人节点对初始定位点进行tp(i)修正
对spi(1)，spi(2)进行迭代搜索后，针对步骤3分析spi(1)，spi(2)所属类型并修正初始定位点。
(1)spi(1)，spi(2)同属于情况2中的b类时，证人节点不能发挥作用，tp(i)即为最终定位坐标点rp(i)；
(2)spi(1)、spi(2)中有一个属于情况1中的a类，一个属于情况2中的b类时，只有一个证人节点能够搜索到目标节点而真正起到“证人”的作用，当运动目标在以spi(1)为圆心的双圆环内，以spi(2)为圆心，以dmax为半径的圆外时，如果有一侧交叉区域，可以确定运动目标的区域范围，直线l2与运动目标所在区域边界有两个交点，计算两个交点的中点rp'(i)；否则存在两个交叉区域，此时选择距离定位初值较近的一个阴影区域作为运动目标所在的区域，并用同样方法得到rp'(i)；
当运动目标在以spi(2)为圆心的双圆环内，以spi(1)为圆心，以dmax为半径的圆外时，同理可求rp'(i)；
(3)非上述情况时，运动目标在以spi(1)，spi(2)为圆心的相交区域内，直线l1与相交区域边界有两个交点，计算两个交点的中点rp'(i)，如果spi(1)，spi(2)的搜索结果区域不存在交叉，则取左边证人节点的右边结果圆环区域的内圆弧、右边证人节点的左边结果圆环的内圆弧，l1与这两个圆弧各有一个交点，计算两个交点的中点rp'(i)；
步骤5：将rp'(i)投影到巷道中线上，中线投影点即为最终定位坐标点rp(i)。
有益效果：由于采用上述技术方案，本发明的物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法通过运动目标在巷道中行进，井下定位系统对其进行定位，得到初始定位坐标点tp(i)；然后，将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)，利用物联网管控平台，搜索到投影点tp'(i)的距离在最大通信距离范围内的感知节点；最后，将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，增强运动目标的定位精度。
在物联网架构的指导下，由现有定位系统为运动目标提供定位初值。由于这个初步的定位结果不一定精确，需要有准确知道自己位置的其它节点为其作证，证明运动目标是否在这个定位结果的位置，相应的提供证明的节点即为证人节点。利用这些感知节点作为证人节点，判断由定位系统得到的定位结果是否精确，如果定位精度较低，通过地面的物联网管控平台向证人节点发送操作指令，进行定位结果的修正，提高定位精度。
优点：该方法在物联网架构下实现定位系统与感知节点的有效结合，在不改变矿井下原有定位系统的基础上，实现系统的优化升级，提高运动目标定位精度，具有很好的实用性和易用性。
附图说明
图1是本发明的整体算法流程图。
图2是本发明的最近、次近证人节点最终能、不能搜索到运动目标时的增强算法示意图。
图3是本发明的最近、次近证人节点最终不能、能搜索到运动目标时的增强算法示意图。
图4是本发明的两证人节点最终同时能搜索到运动目标时的增强算法部分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述：
本发明的联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法通过运动目标在巷道中行进，现有井下定位系统对其进行定位，得到初始定位坐标点tp(i)。然后，将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)，利用物联网管控平台，搜索到投影点tp'(i)的距离在最大通信距离范围内的感知节点。最后，将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，增强运动目标的定位精度。具体步骤如下：
(1)移动目标在巷道行进的过程中与井下定位系统进行通信，通过井下定位算法得到初始定位坐标点tp(i)。
(2)将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)。
(3)已知感知节点最大发射功率pmax，得到感知节点最大搜索半径dmax。
(4)利用物联网管控平台，搜索到投影点的距离在最大通信距离范围即最大搜索半径dmax内的感知节点，并记录感知节点个数n及感知节点坐标。
(5)将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，得到最终定位坐标点rp(i)。
整体算法过程如图1所示。
所述的证人节点增强定位方法步骤如下：
步骤1:判断感知节点个数n满足下列哪种条件；
(1)当n＝0时，在运动目标附近没有证人节点，无法对初始定位坐标点tp(i)进行修正，不需要进行下面步骤的处理，直接输出结果，tp(i)即为最终定位坐标点rp(i)；
(2)当n＞＝1时，步骤1分为下列两种情况处理：
a.当n＝1时，在运动目标附近有一个证人节点，这时从物联网管控平台中取距离运动目标最近的基站作为另一个证人节点，两个证人节点分别用spi(1)、spi(2)表示，其坐标分别为(xi1,yi1)、(xi2,yi2)；
b.当n＞＝2时，取距离tp'(i)最近的两个感知节点作为证人节点，两个证人节点分别用spi(1)、spi(2)表示，其坐标分别为(xi1,yi1)、(xi2,yi2)；
步骤2：计算投影点tp'(i)到证人节点spi(1)、spi(2)的距离分别对应为di(1)、di(2)；求出通过spi(1)、spi(2)的直线l1：通过spi(1)平行于巷道中线的直线l2，通过spi(2)且平行于巷道中线的直线l3。设置运动目标定位精度范围为ro＝3米；
步骤3：调整证人节点发射功率，确定以di(j)为半径的搜索区域，对运动目标进行搜索，并根据是否能够搜索到运动目标，分为2种情况概述：
情况1：证人节点在以di(j),j＝1,2为半径的搜索区域内能够搜索到运动目标时，调整发射功率，使得搜索半径每次向内压缩ro米，即以(di(j)-3×count)为半径对运动目标进行迭代搜索，直到证人节点第m次搜索不到运动目标或者满足di(j)-3×mo＜3条件为止；其中，count＝1,L；(j)＞3×m；m为总迭代搜索次数；
a.证人节点第m次搜索不到运动目标时，运动目标在以spi(j)为圆心的同心圆环所组成的范围内，即在①②圆环所组成的范围内，此时满足公式(1)：
R2＝(x-xij)2+(y-yij)2①  r2＝(x-xij)2+(y-yij)2②
r2≤(x-xij)2+(y-yij)2≤R2  (1)
其中，R＝di(j)-3×(m-1)，r＝di(j)-3×m；
b.满足di(j)-3×m＜3条件时，说明运动目标在以spi(j)为圆心，(di(j)-3×m)为半径的最小圆范围内，此时满足公式(2)：
(x-xij)2+(y-yij)2≤r2  (2)
其中，r＝di(j)-3×m；
情况2：证人节点在以di(1)为半径的搜索区域内不能搜索到运动目标时，调整发射功率，使得搜索半径每次向外扩展ro＝3米，即以(di(j)+3×count)为半径对运动目标进行迭代搜索，直到证人节点在第m次搜索到运动目标或者dmax范围内搜索不到证人节点为止；其中，count＝1,L；(di(j)+3×m)＜dmax；m为总迭代搜索次数；
a.当证人节点第m次搜索到运动目标时，运动目标在以spi(j)为圆心的同心圆环所组成的范围内，即在③④圆环所组成的范围内，此时满足公式(3)：
R'2＝(x-xij)2+(y-yij)2③  r'2＝(x-xij)2+(y-yij)2④
r'2≤(x-xij)2+(y-yij)2≤R'2  (3)
其中，R'＝di(j)+3×m，r'＝di(j)+3×(m-1)；
b.dmax范围内搜索不到证人节点时，说明运动目标在最大扩展范围内搜索不到运动目标，此时满足公式(4)：
(di(j)+3×m)＞dmax  (4)
步骤4：基于两个证人节点对初始定位点进行tp(i)修正
对spi(1)，spi(2)进行迭代搜索后，针对步骤3分析spi(1)，spi(2)所属类型并修正初始定位点。
(1)spi(1)，spi(2)同属于情况2中的b类时，证人节点不能发挥作用，tp(i)即为最终定位坐标点rp(i)；
(2)spi(1)、spi(2)中有一个属于情况1中的a类，一个属于情况2中的b类时，只有一个证人节点能够搜索到目标节点而真正起到“证人”的作用，当运动目标在以spi(1)为圆心的双圆环内，以spi(2)为圆心，以dmax为半径的圆外时，如果有一侧交叉区域，可以确定运动目标的区域范围，直线l2与运动目标所在区域边界有两个交点，计算两个交点的中点rp'(i)；否则存在两个交叉区域，此时选择距离定位初值较近的一个阴影区域作为运动目标所在的区域，并用同样方法得到rp'(i)，如图2所示；
当运动目标在以spi(2)为圆心的双圆环内，以spi(1)为圆心，以dmax为半径的圆外时，同理可求rp'(i)，如图3所示；
(3)非上述情况时，运动目标在以spi(1)，spi(2)为圆心的相交区域内，直线l1与相交区域边界有两个交点，计算两个交点的中点rp'(i)，如果spi(1)，spi(2)的搜索结果区域不存在交叉，则取左边证人节点的右边结果圆环区域的内圆弧、右边证人节点的左边结果圆环的内圆弧，l1与这两个圆弧各有一个交点，计算两个交点的中点rp'(i)，如图4所示；
步骤5：将rp'(i)投影到巷道中线上，中线投影点即为最终定位坐标点rp(i)，如图2、3、4所示。

Claims (2)

1.一种物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法，其特征是：该运动目标增强定位方法：运动目标在巷道中行进，现有井下定位系统对其进行定位，得到初始定位坐标点tp(i)；然后，将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)，利用物联网管控平台，搜索到投影点tp'(i)的距离在最大通信距离范围内的感知节点；最后，将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，增强运动目标的定位精度；具体步骤如下：
(1)移动目标在巷道行进的过程中与井下定位系统进行通信，通过井下定位算法得到初始定位坐标点tp(i)；
(2)将初始定位坐标点tp(i)投影到巷道中线上，得到投影点tp'(i)；
(3)已知感知节点最大发射功率pmax，得到感知节点最大搜索半径dmax；
(4)利用物联网管控平台，搜索到投影点的距离在最大通信距离范围即最大搜索半径dmax内的感知节点，并记录感知节点个数n及感知节点坐标；
(5)将感知节点作为证人节点，通过证人节点增强定位方法对得到的初始定位坐标点进行修正，得到最终定位坐标点rp(i)。
2.根据权利要求1所述的物联网架构下基于证人节点的矿井运动目标增强定位方法，其特征是：所述的证人节点增强定位方法步骤如下：
步骤1:判断感知节点个数n满足下列哪种条件；
(1)当n＝0时，在运动目标附近没有证人节点，无法对初始定位坐标点tp(i)进行修正，不需要进行下面步骤的处理，直接输出结果，tp(i)即为最终定位坐标点rp(i)；
(2)当n＞＝1时，步骤1分为下列两种情况处理：
a.当n＝1时，在运动目标附近有一个证人节点，这时从物联网管控平台中取距离运动目标最近的基站作为另一个证人节点，两个证人节点分别用spi(1)、spi(2)表示，其坐标分别为(xi1,yi1)、(xi2,yi2)；
b.当n＞＝2时，取距离tp'(i)最近的两个感知节点作为证人节点，两个证人节点分别用spi(1)、spi(2)表示，其坐标分别为(xi1,yi1)、(xi2,yi2)；
步骤2：计算投影点tp'(i)到证人节点spi(1)、spi(2)的距离分别对应为di(1)、di(2)；求出通过spi(1)、spi(2)的直线l1：通过spi(1)平行于巷道中线的直线l2，通过spi(2)且平行于巷道中线的直线l3；设置运动目标定位精度范围为ro米；
步骤3：调整证人节点发射功率，确定以di(j)为半径的搜索区域，对运动目标进行搜索，并根据是否能够搜索到运动目标，分为2种情况概述：
情况1：证人节点在以di(j),j＝1,2为半径的搜索区域内能够搜索到运动目标时，调整发射功率，使得搜索半径每次向内压缩ro米，即以(di(j)-count×ro)为半径对运动目标进行迭代搜索，直到证人节点第m次搜索不到运动目标或者满足di(j)-m×ro＜ro条件为止；其中，count＝1,L,m；di(j)＞m×ro；m为总迭代搜索次数；
a.证人节点第m次搜索不到运动目标时，运动目标在以spi(j)为圆心的同心圆环所组成的范围内，即在①②圆环所组成的范围内，此时满足公式(1)：
R2＝(x-xij)2+(y-yij)2 ① r2＝(x-xij)2+(y-yij)2 ②
r2≤(x-xij)2+(y-yij)2≤R2 (1)
其中，R＝di(j)-(m-1)×ro，r＝di(j)-m×ro；
b.满足di(j)-m×ro＜ro条件时，说明运动目标在以spi(j)为圆心，(di(j)-m×ro)为半径的最小圆范围内，此时满足公式(2)：
(x-xij)2+(y-yij)2≤r2 (2)
其中，r＝di(j)-m×ro；
情况2：证人节点在以di(1)为半径的搜索区域内不能搜索到运动目标时，调整发射功率，使得搜索半径每次向外扩展ro米，即以(di(j)+count×ro)为半径对运动目标进行迭代搜索，直到证人节点在第m次搜索到运动目标或者dmax范围内搜索不到证人节点为止；其中，count＝1,L,m；(di(j)+m×ro)＜dmax；m为总迭代搜索次数；
a.当证人节点第m次搜索到运动目标时，运动目标在以spi(j)为圆心的同心圆环所组成的范围内，即在③④圆环所组成的范围内，此时满足公式(3)：
R'2＝(x-xij)2+(y-yij)2 ③ r'2＝(x-xij)2+(y-yij)2 ④
r'2≤(x-xij)2+(y-yij)2≤R'2 (3)
其中，R'＝di(j)+m×ro，r'＝di(j)+(m-1)×ro；
b.dmax范围内搜索不到证人节点时，说明运动目标在最大扩展范围内搜索不到运动目标，此时满足公式(4)：
(di(j)+m×ro)＞dmax (4)
步骤4：基于两个证人节点对初始定位点进行tp(i)修正
对spi(1)，spi(2)进行迭代搜索后，针对步骤3分析spi(1)，spi(2)所属类型并修正初始定位点；
(1)spi(1)，spi(2)同属于情况2中的b类时，证人节点不能发挥作用，tp(i)即为最终定位坐标点rp(i)；
(2)spi(1)、spi(2)中有一个属于情况1中的a类，一个属于情况2中的b类时，只有一个证人节点能够搜索到目标节点而真正起到“证人”的作用，当运动目标在以spi(1)为圆心的双圆环内，以spi(2)为圆心，以dmax为半径的圆外时，如果有一侧交叉区域，可以确定运动目标的区域范围，直线l2与运动目标所在区域边界有两个交点，计算两个交点的中点rp'(i)；否则存在两个交叉区域，此时选择距离定位初值较近的一个阴影区域作为运动目标所在的区域，并用同样方法得到rp'(i)；
当运动目标在以spi(2)为圆心的双圆环内，以spi(1)为圆心，以dmax为半径的圆外时，同理可求rp'(i)；
(3)非上述情况时，运动目标在以spi(1)，spi(2)为圆心的相交区域内，直线l1与相交区域边界有两个交点，计算两个交点的中点rp'(i)，如果spi(1)，spi(2)的搜索结果区域不存在交叉，则取左边证人节点的右边结果圆环区域的内圆弧、右边证人节点的左边结果圆环的内圆弧，l1与这两个圆弧各有一个交点，计算两个交点的中点rp'(i)；
步骤5：将rp'(i)投影到巷道中线上，中线投影点即为最终定位坐标点rp(i)。
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