CN109057862A - 一种较高精度的矿井内人员定位方法及系统 - Google Patents

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    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices

Abstract

本发明涉及一种较高精度的矿井内人员定位方法及系统，是针对解决现有同类方法及系统对信号强度值要求较高，定位较为不准的技术问题而设计。其要点是该系统的已知节点在矿井中按一定距离等间隔的部署，已知节点内设有ID和位置信息，定位终端佩戴在矿工身上或者安装在车上，已知节点和定位终端组成一个自组织无线传感器网络。首先在矿井中按一定距离等间隔的部署已知节点，已知节点能够向其他节点发送自己的ID和位置信息，定位终端为未知节点，定位终端佩戴在矿工身上或者安装在车上，已知节点和定位终端组成一个自组织无线传感器网络；然后利用函数拟合的方法拟合出当前环境下节点间距与相应RSSI值的函数关系，最后求出定位终端的坐标。

Description

一种较高精度的矿井内人员定位方法及系统
技术领域
本发明涉及无线技术的定位方法，是一种较高精度的矿井内人员定位方法及系统。
背景技术
目前工人在进行矿井作业时，各类矿井事故时有发生，这样不仅造成了巨大的经济损失，还直接威胁着矿工的生命安全。当矿难发生时，抢救矿工是第一要务，但是矿井环境复杂，盲目搜寻矿工并不可取，这时候就需要准确知道矿工的所在位置才好采取行动措施。现在市场上的室内定位跟踪技术有很多种，其中应用较为普遍的是基于RSSI技术的定位算法。这种传统的方法它是利用节点之间的接收信号强度RSSI作为已知参考，先计算信号传播距离d(Rss(d)＝A-10n log10d)，然后计算已知节点的权值(跟传播距离d有关)协助求出定位终端的坐标实现定位，在已知的室内环境中能取得较好效果。然而，这个算法里面的两个参数A和n受环境影响较大，对于矿井特别是发生矿难时的矿井，环境复杂、情况不明，由于节点能量变化或者障碍物遮挡等原因导致接收信号强度存在较大的差异，对信号造成不同程度的干扰，即使距离相同的节点之间接收信号强度并不完全相同，甚至差距很大。这就意味着同一个接收信号强度值，在不同的节点之间代表的距离不同，相应的权值也不同，因此造成定位不准的情况。
发明内容
为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种较高精度的矿井内人员定位方法及系统，使其解决现有同类方法及系统对信号强度值要求较高，定位较为不准的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。
一种较高精度的矿井内人员定位系统，该系统包括已知节点和定位终端，其特征在于所述已知节点在矿井中按一定距离等间隔的部署，已知节点内设有ID和位置信息，定位终端佩戴在矿工身上或者安装在车上，已知节点和定位终端组成一个自组织无线传感器网络。
根据上述系统特点，其定位方法具体如下：首先在矿井中按一定距离等间隔的部署已知节点，已知节点能够向其他节点发送自己的ID和位置信息，定位终端为未知节点，定位终端佩戴在矿工身上或者安装在车上，已知节点和定位终端组成一个自组织无线传感器网络；然后利用函数拟合的方法拟合出当前环境下节点间距与相应RSSI值的函数关系，最后求出定位终端的坐标。
具体定位过程如下：a)网络初始化，根据定位精度需要选取拟合函数多项式最高次次数，拟合精度最高；b)定位周期内，已知节点向网络中广播一个信标信息，包括自身ID和位置信息；所有节点接收并记录通信范围内已知节点发送的信息，并记下相应的信号接收功率，所有节点包括已知节点和定位终端；c)每个已知节点根据接收到的其他已知节点的位置信息和相应的RSSI值，对数据进行预处理后利用函数拟合的方法拟合出节点间距与相应RSSI值之间的关系；根据正常情况下RSSI值与距离成反比关系的原理，使用下述方法除去无用值；除去无用值后，然后，根据拟合函数最高次次数m，各已知节点根据以下公式拟合出以自身为中心的小网络内节点间距与相应RSSI值之间的函数关系，得出拟合函数的系数a0，a1，...，am；接着做误差的平方和，对于这些不同的数据点应赋予不同的权重，即其中作用大小，分别乘上大小不同的正系数w(xk)，求出数据点到本锚节点的距离；e)各已知节点向网络中广播拟合函数的系数a0，a1，...，am，定位终端接收此信息，并记录对应的信号接收功率；f)最后，定位终端i根据接收到的当前环境下各个相邻已知节点拟合函数的系数和相应的信号接收功率，再利用公式计算出到各个相邻已知节点的距离，并利用公式求出定位终端的坐标。
所述定位过程a)中拟合函数多项式最高次次数m＝3或4。
所述定位过程c)中预处理包括将已知节点之间的位置关系转换为距离，再除去非正常接收产生的无用值。
所述定位过程c)中已知节点按照距离由近至远排列所对应的RSSI值，若某个RSSI值不符合单调递减，则认为其是无用值，并将其除去。
所述定位过程c)中拟合函数如下所示，用一个m次多项式表示：
来拟合n+1个观测数据点(xk，yk)，k＝0，1，…，n；其中xk为接收信号强度值RSSI，yk为节点间距d，一般m远小于n。
所述定位过程c)中根据下式求出；dtk为第k个数据点到本锚节点的距离；
并且要求：
误差的平方和：
再分别对a0，a1，...，am求偏导数，并令其为零，得
其中j＝0，1，…m，即
即拟合函数系数a1，a0，...，am应满足如下方程组：
公式(6)中xk已知，w(xk)通过公式(2)求得，因此解出a0，a1，...，am，然后代入拟合函数式(1)中，即可得到由观测数据点(xk，yk)(k＝0，1，…，n)所确定的拟合函数。
所述定位过程f)中利用公式(7)计算出到各个相邻已知节点的距离；若相邻已知节点个数k≥3，则利用公式(8)计算出定位终端坐标，否则直接利用公式(9)求得定位终端坐标；公式(7)、公式(8)和公式(9)具体如下：
以上为具体公式算法。
本发明的定位方法可行，定位结果精确，定位方便、快捷，应用范围广；其适合作为矿井内人员定位方法及系统的应用，以及同类定位方法的改进。
具体实施方式
本发明的具体实施和工作原理如下：
具体定位过程如下：
a)网络初始化，根据定位精度需要选取拟合函数多项式最高次次数，一般取m＝3或4，拟合精度最高；
b)定位周期内，已知节点向网络中广播一个信标信息，包括自身ID和位置信息；所有节点(包括已知节点和定位终端)接收并记录通信范围内已知节点发送的信息，并记下相应的信号接收功率；
c)每个已知节点根据接收到的其他已知节点的位置信息和相应的RSSI值，对数据进行预处理后利用函数拟合的方法拟合出节点间距与相应RSSI值之间的关系；预处理包括将已知节点之间的位置关系转换为距离，再除去非正常接收产生的无用值；根据正常情况下RSSI值与距离成反比关系的原理，使用下述方法除去无用值；即已知节点按照距离由近至远排列所对应的RSSI值，若某个RSSI值不符合单调递减，则认为其是无用值，并将其除去；
除去无用值后，然后，根据拟合函数最高次次数m，各已知节点根据以下公式拟合出以自身为中心的小网络内节点间距与相应RSSI值之间的函数关系，得出拟合函数的系数a0，a1，...，am；
拟合函数如下所示，用一个m次多项式表示：
来拟合n+1个观测数据点(xk，yk)，k＝0，1，…，n；其中xk为接收信号强度值RSSI，yk为节点间距d，一般m远小于n；
接着做误差的平方和，考虑到每个观测数据对产生平方误差的作用不一样；一般总是希望作用小一些的数据所引起的影响较小，而作用大一些的数据所引起的影响较大；因此，对于这些不同的数据点应赋予不同的权重，即其中作用大小，分别乘上大小不同的正系数w(xk)，根据下式求出；dtk为第k个数据点到本锚节点的距离；
并且要求：
误差的平方和：
再分别对a0，a1，...，am求偏导数，并令其为零，得
其中j＝0，1，…m，即
即拟合函数系数a0，a1，...，am应满足如下方程组：
公式(6)中xk已知，w(xk)通过公式(2)求得，因此解出a0，a1，...，am，然后代入拟合函数式(1)中，即可得到由观测数据点(xk，yk)(k＝0，1，…，n)所确定的拟合函数；
e)各已知节点向网络中广播拟合函数的系数a0，a1，...，am，定位终端接收此信息，并记录对应的信号接收功率；
f)最后，定位终端i根据接收到的当前环境下各个相邻已知节点拟合函数的系数和相应的信号接收功率，再利用公式(7)计算出到各个相邻已知节点的距离；若相邻已知节点个数k≥3，则利用公式(8)计算出定位终端坐标，否则直接利用公式(9)求得定位终端坐标；
从而求出定位终端的坐标。
综上所述，该方法及系统是一种改进的基于RSSI的矿井定位方法，针对矿井这种地质构造内部环境复杂多变情况，利用函数拟合的方法拟合出当前环境下节点间距与相应RSSI值的函数关系，最后求得定位终端的坐标。其优点是不需要计算环境参数A和n便能充分反映每个已知节点所处环境的影响，最后根据公式求得定位终端的坐标，相比传统方法环境适应性强，定位精度更高，提高节点间的测距精度，从而获得更精确的权值以提高定位精度。

Claims (8)

1.一种较高精度的矿井内人员定位系统，该系统包括已知节点和定位终端，其特征在于所述已知节点在矿井中按一定距离等间隔的部署，已知节点内设有ID和位置信息，定位终端佩戴在矿工身上或者安装在车上，已知节点和定位终端组成一个自组织无线传感器网络。
2.根据权利要求1所述的较高精度的矿井内人员定位方法，其特征在于首先在矿井中按一定距离等间隔的部署已知节点，已知节点能够向其他节点发送自己的ID和位置信息，定位终端为未知节点，定位终端佩戴在矿工身上或者安装在车上，已知节点和定位终端组成一个自组织无线传感器网络；然后利用函数拟合的方法拟合出当前环境下节点间距与相应RSSI值的函数关系，最后求出定位终端的坐标。
3.根据权利要求2所述的较高精度的矿井内人员定位方法，其特征在于该定位方法的具体定位过程如下：
a)网络初始化，根据定位精度需要选取拟合函数多项式最高次次数，拟合精度最高；
b)定位周期内，已知节点向网络中广播一个信标信息，包括自身ID和位置信息；所有节点接收并记录通信范围内已知节点发送的信息，并记下相应的信号接收功率，所有节点包括已知节点和定位终端；
c)每个已知节点根据接收到的其他已知节点的位置信息和相应的RSSI值，对数据进行预处理后利用函数拟合的方法拟合出节点间距与相应RSSI值之间的关系；根据正常情况下RSSI值与距离成反比关系的原理，使用下述方法除去无用值；除去无用值后，然后，根据拟合函数最高次次数m，各已知节点根据以下公式拟合出以自身为中心的小网络内节点间距与相应RSSI值之间的函数关系，得出拟合函数的系数a0，a1，...，am；
接着做误差的平方和，对于这些不同的数据点应赋予不同的权重，即其中作用大小，分别乘上大小不同的正系数w(xk)，求出数据点到本锚节点的距离；
e)各已知节点向网络中广播拟合函数的系数a0，a1，...，am，定位终端接收此信息，并记录对应的信号接收功率；
f)最后，定位终端i根据接收到的当前环境下各个相邻已知节点拟合函数的系数和相应的信号接收功率，再利用公式计算出到各个相邻已知节点的距离，并利用公式求出定位终端的坐标。
4.根据权利要求3所述的较高精度的矿井内人员定位方法，其特征在于所述定位过程a)中拟合函数多项式最高次次数m＝3或4。
5.根据权利要求3所述的较高精度的矿井内人员定位方法，其特征在于所述定位过程c)中预处理包括将已知节点之间的位置关系转换为距离，再除去非正常接收产生的无用值。
6.根据权利要求3所述的较高精度的矿井内人员定位方法，其特征在于所述定位过程c)中已知节点按照距离由近至远排列所对应的RSSI值，若某个RSSI值不符合单调递减，则认为其是无用值，并将其除去。
7.根据权利要求3所述的较高精度的矿井内人员定位方法，其特征在于所述定位过程c)中拟合函数如下所示，用一个m次多项式表示：
来拟合n+1个观测数据点(xk，yk)，k＝0，1，…，n；其中xk为接收信号强度值RSSI，yk为节点间距d，一般m远小于n。
所述定位过程c)中根据下式求出；dtk为第k个数据点到本锚节点的距离；
并且要求：
误差的平方和：
再分别对a0，a1，...，am求偏导数，并令其为零，得
其中j＝0，1，…m，即
即拟合函数系数a0，a1，...，am应满足如下方程组：
公式(6)中xk已知，w(xk)通过公式(2)求得，因此解出a0，a1，...，am，然后代入拟合函数式(1)中，即可得到由观测数据点(xk，yk)(k＝0，1，…，n)所确定的拟合函数。
8.根据权利要求3所述的较高精度的矿井内人员定位方法，其特征在于所述定位过程f)中利用公式(7)计算出到各个相邻已知节点的距离；若相邻已知节点个数k≥3，则利用公式(8)计算出定位终端坐标，否则直接利用公式(9)求得定位终端坐标；公式(7)、公式(8)和公式(9)具体如下：
以上为具体公式算法。
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