CN202772928U - 基于距离约束的井下目标定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于距离约束的井下目标定位系统。本系统包括设在井上的地面监控中心，设在井下的井下中心站，网关节点，光纤，总线，锚节点，移动节点，以及设在远地的远程终端，其中应用于井下的设备均是本质安全型设备。本系统利用两个锚节点之间的距离已知这一约束条件，获得更高的定位精度，根据巷道的结构特点进行合理的近似计算，以简化计算的复杂度，并根据垂直向量乘积为零的原理，得到移动节点在井下巷道的二维位置坐标。本实用新型的井下人员定位系统定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。

Description

基于距离约束的井下目标定位系统

技术领域

本实用新型涉及煤矿井下安全监控领域，特别涉及一种基于距离约束的井下目标位系统。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，但多年以来，煤矿井下的工作环境恶劣，地质环境复杂，一直存在着多种地质灾难的隐患，并且，我国开采技术相对落后，井下生产人员素质较低，导致各种由于人为原因引起的矿井恶性事故不断发生，井下工作人员的生命安全受到严重威胁。随着科学技术的不断进步，人们在井下布设了多种探测系统和监控系统，以便获知井下工作人员的位置，方便在发生矿难时及时开展救援工作以及日常生产中的管理调度。

为实现井下人员的定位，中国专利申请01122258.1公开了一种井下人员智能定位安全管理系统，它由电子识别卡、巷道询问接收装置和管理调度中心构成。井下工作人员佩戴电子识别卡，识别卡写入员工的电子编号，由矿灯电瓶供电，当识别卡收到巷道询问接收装置的询问信号后，应答发射井下工作人员的编号信号，巷道询问接收装置收到应达的信号传送给管理调度中心，管理调度中心记录该信号及发生的时间。通过多点定位接收可以对井下工作人员进行跟踪定位，有利于调度指挥、安全监督和人员的统计考勤，特别是可以在事故发生时为救援提供人员位置信息。

但是，此发明只能确定井下工作人员的位置在询问装置的接收范围内，而一般的井下无线通信距离都在几十米的数量级，所以该定位系统的定位精度也在几十米的数量级。另外，要提高定位精度就必须增大询问装置的布设密度，这样则会定位系统的成本增加，因此定位精度受到成本的限制。

现有的井下定位系统大多是采用基于RFID(Radio Frequency Identification)射频识别技术的定位系统，所用的方法也和上述专利类似，因此，都存在定位精度不够、精度受成本限制等问题。

目前国内外研究的目标定位技术采用的无线传输介质主要以电磁波为主。以电磁波为传输介质的定位方法主要分为基于测距(Range-based)的方法和基于非测距(Range-free)方法。Range-based方法通过测量点到点的距离和角度，使用三边测量(Trilateration)、三角测量(Triangulation)或最大似然估计(Multilateration)算法计算节点的位置；Range-free方法则根据网络的连通属性估算节点位置。

Range-based方法主要有接收信号强度指示(Receiced Signal StrengthIndiction，RSSI)、到达时间(Time of Arrival，TOF)、到达时间差(Time Difference ofArrival，TDOA)和到达角度(Angle of Arrival，AOA)等，后三种方法对硬件的要求都非常高，从成本角度考虑，不适合应用于煤矿井下，基于RSSI方法进行测距时，由于收电磁环境影响严重，使得一般基于此技术的定位方法精度不高。

典型的Range-free定位算法包括DV-Hop、凸规划、MDS-MAP等，Range-free方法无需测量节点间的距离和到达角度，在无线节点的成本和功耗方面有一定的优势，但是定位精度与锚节点的密度和布置策略有关，提高精度就需要增加锚节点的密度，但锚节点的布置受巷道和工作环境限制，一方面，狭窄的空间内无法保证锚节点的随意布置，另一方面，增加锚节点的数量除了意味着成本的提高外，还导致故障率的升高和可靠性的降低。

综上所述，煤矿井下定位技术存在定位精度不高，且受成本限制的问题，并且现有的技术水平只有依靠基于RSSI的定位方法能得到实际的应用，但是基于此技术的一般方法的定位精度也不够理想。

实用新型内容

针对现有技术的不足，特别是针对矿井定位技术定位精度不够、精度受成本限制的问题，本实用新型公开了一种结构简单的井下目标定位系统。该系统结合巷道空间的特点，利用少量的参考节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。

上述系统是一种基于无线传感器网络的井下目标定位系统，包括地面监控中心、上层终端、井下中心站、网关节点，光纤，总线，定位锚节点，移动节点。

所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包。

所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据。

所述井下中心站是交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心。

所述网关节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源及总线模块。网关节点布设在每条支巷道的末端负责接收锚节点转发的数据包，并将其通过总线传送到井下中心站。

所述锚节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源。锚节点置于在巷道侧壁，每四个锚节点构成一个矩形区块，每个区块分配一个区块编号，编号按巷道纵坐标增大的方向增大，四个锚节点分别为矩形区块的四个顶点；锚节点接收移动节点的定位请求信号后予以响应，向移动节点发射定位信号；锚节点接收移动节点发射的定位数据包，通过锚节点与锚节点之间的接力转发将移动节点的定位数据包发送至所在巷道端点处的网关节点；每个锚节点分配唯一的一组数字编号，编号与锚节点的位置坐标相对应，对应关系存储于底面监控中心，编号包括两部分：区块组合编号N和区块内编号M；N由两部分组成，一部分为上一个区块的编号，一部分为下一个区块的编号；区块内编号的编号方式为：一侧巷道壁上的锚节点的区块内编号全为单数，另一侧巷道壁上的锚节点的区块内编号全部为双数，编号按照区块编号增大的方向增大；锚节点数字编号与其位置坐标相对应，对应关系存储于地面监控中心。锚节点负责转发移动节点发送的定位数据包时，每个锚节点只转发首部包含自身数字编号的定位数据包至其对角位置的锚节点，此对角位置为距离所在巷道端点的网关节点较近一侧的对角位置，每个锚节点内存储其对角位置的锚节点的数字编号。

所述移动节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源，移动节点置于井下移动目标上，每个移动节点分配一个唯一的识别码，与井下移动目标的名称或身份唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点与锚节点进行通信，获取锚节点发射的定位信号中包含的锚节点数字编号并测得其信号强度，处理形成定位数据包；移动节点将定位数据包发送给最大信号强度对应的猫节点，即距离其最近的锚节点，实现方式是在定位数据包的首部添加该锚节点的数字编号，定位数据包经过锚节点间的存储转发最终发送至地面监控中心。

所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线，连接网关与井下中心站，实现网关节点与井下中心站之间的数据传输。

所述光纤连接井下中心站与地面监控中心，实现井下中心站与地面监控中心之间的数据传输。

所述井下基于距离约束的井下目标定位系统的网关节点、锚节点和移动节点上的传感器，用于检测周围环境信息，采用与定位数据相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心。

所述网关节点、锚节点、移动节点中的传感器、电磁波收发单元和网关节点中的总线模块分别与各自节点中的处理器存储器单元相连；各节点的电磁波收发单元接收和发送无线电磁波信号；网关节点、锚节点和移动节点中的传感器检测周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息；各节点中的处理器存储器单元存储、处理接收的数据，控制其它单元的运行；网关节点中的总线模块连接总线；各节点中的电源提供电能

所述系统中涉及的井下设备，包括井下中心站，网关节点，总线，锚节点，移动节点，全部是本质安全型设备。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型能够测得移动节点在巷道内的二维坐标，相比于现在煤矿井下普遍使用的基于RFID(Radio Frequency Identification)射频识别技术，只能确定移动节点在某个读卡器附近的定位方式，极大的提高了定位的精度。

2.本实用新型采用基于距离约束的方法测得移动节点的在巷道内的坐标，而不是通过对数-常态分布模型直接测得锚节点到移动节点的距离，通过使用两锚节点之间固定的距离为约束条件，加上适当的近似算法，得到移动节点的纵坐标，这样使得定位更加精确。

3.本实用新型使用的锚节点数量少，锚节点的利用率高，且使用已有的通信协议进行数据传输，对于降低系统的构建成本和降低系统维护难度非常有利。

附图说明

图1是本实用新型的组成框图；

图2是本实用新型的井下布设示意图；

图3是本实用新型移动节点与锚节点相同的电路框图；

图4是本实用新型网关节点的电路框图；

图5是本实用新型锚节点的编号方式与定位数据包传输方式示意图；

图6是一个移动节点接收两个锚节点信号示意图；

图7是本实用新型的定位方式两种情况的巷道内俯视示意图；

图8是本实用新型的定位方式的其它情况的巷道内俯视示意图；

图9是图7所示矩形区块的对角线交点处的局部示意图；

具体实施方式

为了使本实用新型技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本实用新型进行进一步的详细说明。

本实用新型是一种基于无线传感器网络的井下目标定位系统。本实用新型是针对在井下目标定位方面现有技术在定位精度、成本限制等方面的不足而提出，本实用新型定位功能的实现原理是以已知的两个锚节点的距离为约束条件，通过无线信号传播理论模型的对数-常态模型公式得到距离之比公式，并根据向量垂直理论得到移动节点二维坐标。

下面结合附图，详细说明本实用新型的构成及其功能的实现方式。

图1是本实用新型的组成框图；

如图1所示，本实用新型是基于距离约束的井下目标定位系统，包括地面监控中心1、井下中心站2、网关节点3、光纤4、总线5、锚节点6、移动节点7、上层终端8，其中系统中涉及的井下设备全部是本质安全型设备。

地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络。地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包，并处理定位数据包。

上层终端8是处在远地的监控终端，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据。

井下中心站2是交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的数据信息，并通过光纤传输到地面监控中心。

图2是本实用新型定位系统井下布设示意图。

如图2所示，9为井下中心站，它位于井下大巷的枢纽位置，便于通过总线汇聚网关节点发送的信息和通过光纤将井下的信息传输到地面监控中心；10为网关节点，12为锚节点，13为移动节点，锚节点置于巷道侧壁，每四个锚节点构成一个矩形区块，四个锚节点分别为矩形区块的四个顶点，所有锚节点到巷道底面的距离相同，矩形区块对角线的长度不大于锚节点及移动节点电磁波信号的有效无线通信距离，以保证锚节点间的有效通信，同时保证移动节点在巷道内任意位置都至少有4个锚节点接收到其发射的电磁波信号；网关节点布设在支巷道的端点，其与巷道端点处的锚节点的距离应不大于锚节点和网关节点之间的有效无线通信距离，以保证每条支巷道至少有一个锚节点可以通过视距的电磁波传输与网关节点进行通信；11为总线，网关节点通过总线与井下中心站连接，分支巷道内移动节点发射的定位数据包通过锚节点间无线电磁波接力转发至网关节点，网关节点再将定位数据包通过总线汇总至井下中心站。

图3是本实用新型移动节点和锚节点相同的电路框图的电路框图。

如图4所示，移动节点和锚节点的电路框图是相同的(但个单元所使用的具体部件根据不同的节点需要而不同)，包括处理器存储器单元12、电磁波收发单元13、传感器14、电源15；其中传感器、电磁波收发单元都与处理器存储器单元相连；电磁波收发单元负责发送和接收无线电磁波信号；传感器负责感知周围环境的温度、湿度、甲烷浓度等信息，对环境进行实时的监测；处理器与存储器的联系最为紧密所以看为一个单元，负责对接收数据的存储、处理和控制其它单元的运行；电源为各个单元提供电能。移动节点置于井下移动目标上，每个移动节点分配一个唯一的识别码，与井下移动目标的名称或身份唯一对应，对应关系存储于地面监控中心。移动节点采用IEEE802.11b协议与锚节点进行通信，获取锚节点发射的定位信号中包含的锚节点数字编号并测得其信号强度，处理形成定位数据包；移动节点同样采用IEEE802.11b协议将定位数据包发送给最大信号强度对应的锚节点，即距离其最近的锚节点，实现方式是在定位数据包的首部添加该锚节点的数字编号，锚节点通过锚节点与锚节点之间的接力转发将移动节点的定位数据包发送至所在巷道端点处的网关节点，锚节点与网关节点之间以及锚节点与锚节点之间的无线通信均采用IEEE802.15.4协议。

图4是本实用新型网关节点的电路框图。

如图5所示，网关节点包括处理器存储器单元16、总线模块17，电磁波收发单元18、传感器19、电源20；网关节点的电路框图与图4的电路框图相比，只多了一个总线模块17，它的作用是连接总线，其它单元的作用与上面所述图4中的各单元作用相同。网关节点支持IEEE802.15.4等协议，锚节点与网关节点之间的无线通信采用IEEE802.15.4等协议。

上面所述各节点的处理器可采用51系列、AVR系统以及MSP430系列的单片机处理起来实现；所述各节点的无线收发器可采用CC1000、CC2420、CC2500、RF905等射频芯片来实现；所述各节点的存储器可用FLASH或者EEPROM等存储设备实现；所述总线模块可用广州周立功公司生产的CAN232MB模块实现；所述地面监控中心的数据库可采用微软的SQL Server2000等现有的各种数据库软件系统实现。

图5是本实用新型的锚节点的编号方式与定位数据包传输方式示意图。

如图5所示，21、22、23、24、25、26为锚节点，27、28、29为移动节点，图中锚节点21、22、23、24组成一个矩形区块，锚节点23、24又与锚节点25、26组成一个相邻的模块，每个区块分配一个区块编号，编号按照巷道纵坐标增大的方向增大，图5中以右侧为巷道纵坐标增大的方向；设锚节点21、22、23、24组成的矩形区块的编号为u，则锚节点23、24、25、26组成的矩形区块的编号为u+1；每个锚节点都有唯一的一组数字编号，编号包括两部分：区块组合编号N和区块内编号M，由于每个锚节点都在包括在相邻的两个矩形区块内(每条支巷道两端的锚节点除外)，所以N由两部分组成，一部分为上一个区块的编号，一部分为下一个区块的编号，所以锚节点21、22的区块组合编号为u-1，u，锚节点23、24的区块组合编号为u，u+1，锚节点25、26的区块组合编号为u+1，u+2；每个区块内四个锚节点的区块内编号方式如下：

一侧巷道壁的区块内编号全部为单数，另一侧巷道壁的区块内编号全部为双数，且编号按照区块编号增大的方向增大，设锚节点21的区块内编号为v，为单数，则锚节点22的区块内编号为v+1，则锚节点23的区块内编号为v+2，锚节点24的区块内编号为v+3，锚节点25的区块内编号为v+4，锚节点26的区块内编号为v+5。

综上所述，锚节点21的数字编号为u-1，u，v，锚节点22的数字编号为u-1，u，v+1，锚节点23的数字编号为u，u+1，v+2，锚节点24的数字编号为u，u+1，v+3，锚节点25的数字编号为u+1，u+2，v+4，锚节点25的数字编号为u+1，u+2，v+5，以此类推，为每个锚节点编号。编号与锚节点的位置坐标唯一对应，对应关系存储于底面监控中心。定位时首先判断移动节点在哪个区块内，判断方法如下：

移动节点选择接收包含自身识别码信息的定位信号，分别提取定位信号中包含的锚节点的数字编号并测出对应定位信号的信号强度，信号按照信号强度从大到小排列，会出现以下几种情况：

(1)只有到四组数字编号(最少可以接收到四个信号)，则这个四组数字编号对应锚节点一定属于同一个区块，即其区块组合编号中肯定有一个相同的部分，该部分为发送这个四个定位信号的锚节点构成的矩形区块的区块编号，只收到四个信号说明移动节点在这个矩形区块内，移动节点直接保留这四组锚节点数字编号和对应的信号强度；

(2)有五组数字编号信号，则移动节点一定在发射其中四个定位信号的锚节点组成的矩形区块内，只是可能比较靠近相邻区块，接收到了相邻区块内一个较远的锚节点发射的定位信号，这五组数字编号中有四组的区块组合编号包含一个相同的部分，为这四组数字编号对应的锚节点组成的矩形区块的编号，移动节点保留这四组数字编号及对应的信号强度；

(3)有六组或六组以上个数的数字编号，首先保留对应的信号强度较大的前六组数字编号，抛弃其它数字编号及对应的信号强度；保留的数字编号对应的锚节点肯定是构成相邻两个区块的锚节点，如果排第四的信号强度与排第五的信号强度差别很小，说明移动节点处在两个区块相接的地方，则只保留排第一和第二的前两个信号强度及对应的数字编号；如果排第四的信号强度与排第五的信号强度差别很大，说明移动节点在排前四的信号强度对应的锚节点组成的矩形区块内，只是可能比较靠近相邻区块，接收到了相邻区块内两个较远的锚节点发射的定位信号，移动节点保留前四个信号强度及对应的数字编号。

经过以上处理，移动节点获得了足够的信息定位自身位置，移动节点将自身识别码信息、保留的定位信号的信号强度与对应的锚节点的数字编号打成定位数据包通过锚节点向上转发至地面监控中心，锚节点的转发方式如下：

(1)移动节点将定位数据包发射给信号强度最大的锚节点，即距其最近的锚节点，实现方式是在发送信号的首部加上信号强度最大的锚节点的数字编号，锚节点只转发首部包含自身数字编号的定位数据包，如图5中移动节点27的定位数据包会发送给锚节点21，而移动节点29的定位数据包将发送给锚节点22；

(2)每个锚节点只转发首部包含自身数字编号的定位数据包至其对角位置的锚节点，此对角位置为距离所在巷道端点的网关节点较近一侧的对角位置，不是发送给离它较近的矩形区块同侧长边上的锚节点，这样可以减小巷道侧壁对锚节点发射的信号的菲涅耳区的影响，以保证信号传输质量。如图5中锚节点21将定位数据包转发给锚节点24，锚节点24再将定位数据包转发给锚节点25，而锚节点22将定位数据包转发给锚节点23，锚节点23再将定位数据包转发给锚节点26，，每个锚节点内都存储着自己的下一转发目标锚节点(也就是其对角位置的锚节点)的数字编号，接收到定位数据包后，锚节点首先去掉数据包上的自身数字编号，然后添加上目标锚节点的数字编号发射出去即可成功完成转发。

(3)定位数据包经过锚节点间的接力转发最终转发至巷道末端的网关节点，网关节点通过总线将定位数据包发送至井下中心站，井下中心站再通过光纤将定位数据包转发至地面监控中心。

图6是一个移动节点接收两个锚节点信号示意图。

如图6所示，30、31为两个锚节点，32为移动节点，34、35表示移动节点接收两个锚节点的定位信号，同时34和35的长度表示移动节点到两个锚节点的距离，从移动节点向两个锚节点的连线作垂线，33为垂足。

设34的长度d₁，35的长度为d₂，规定两个锚节点的信号发射强度相同，移动节点接收到锚节点30的信号强度为P_R1，移动节点接收到锚节点32的信号强度为P_R2。

常用的无线电波传播路径损耗模型有：自由空间传播模型，对数距离路径衰减模型、对数-常态分布模型等考虑井下巷道的实际环境，选择对数-常态分布模型比较合理。

对数-常态分布模型的表达式如式(1)，式中P(d)是收发节点距离为d时的

$P\left(d\right)=P\left(d_0\right)-10\mathrm{\δlg}\left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

接收信号强度，单位是dBm；δ为路径衰减因子，其数值取决于无线信号的传播环境，它是一个经验值；d₀为发射节点和参考节点之间的距离，一般取1m；X_σ为标准差为σ的零均值正态分布随机变量，单位是dBm。P(d₀)可由自由空间模型求出，自由空间传播模型为

L_OSS＝32.44+10δlgd+10δlgf

式中，f为载波工作频率，单位是MHz。

本实用新型使用简化模型，即省略X_σ，使用式(2)

$P\left(d\right)=P\left(d_0\right)-10\mathrm{\δlg}\left(\frac{d}{d_0}\right)---\left(2\right)$

设移动节点接收到锚节点发射的电磁波信号强度为P_R，则根据公式(2)很容易获得锚节点与移动节点之间的距离公式为

$d=d_0{10}^{\frac{P\left(d_0\right)-P_R}{10\mathrm{\δ}}}---\left(3\right)$

图6中根据公式(3)可以得d₁、d₂的表达式，分别为(4)式和(5)式。

$d_1=d_0{10}^{\frac{P\left(d_0\right)-P_{R1}}{10\mathrm{\δ}}}---\left(4\right)$

$d_2=d_0{10}^{\frac{P\left(d_0\right)-P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}---\left(5\right)$

则可得出下列推到：

$\frac{d_1}{d_2}=\frac{d_0{10}^{\frac{P\left(d_0\right)-P_{R1}}{10\mathrm{\δ}}}}{d_0{10}^{\frac{P\left(d_0\right)-P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}}$

$={10}^{\frac{P_{R2}-P_{R1}}{10\mathrm{\δ}}}$

即有

$\frac{d_1}{d_2}=\frac{{10}^{\frac{P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}}{{10}^{\frac{P_{R1}}{10\mathrm{\δ}}}}---\left(6\right)$

如图6所示，作移动节点到锚节点30至锚节点31连线的垂线，垂足为33，设移动节点为点C，锚节点30为点A，锚节点31为点C，则AC和BC分别在直角三角形ACD和直角三角形ABD中，则有

$\mathrm{AC}=\sqrt{{\mathrm{AD}}^2+{\mathrm{CD}}^2}$

$\mathrm{BC}=\sqrt{{\mathrm{BD}}^2+{\mathrm{CD}}^2}$

则

$\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}=\frac{\sqrt{{\mathrm{AD}}^2+{\mathrm{CD}}^2}}{\sqrt{{\mathrm{BD}}^2+{\mathrm{CD}}^2}}---\left(7\right)$

在巷道内，两巷道壁之间的距离很短，一般在3m到5m之间，则CD的长度范围为1.5m与2.5m之间。巷道延伸方向的距离可到数百米甚至更长，依据井下允许的电磁波发射功率也可以使测距范围达到50m以上，则两锚节点之间的距离可达到50m以上，考虑井下巷道目标定位的精度要求为米数量级，所以本文假设CD的长度相对于AD和BD的长度是可以忽略的。则根据(7)式有

$\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}=\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}---\left(8\right)$

则根据式(6)和式(8)可得

$\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}=\frac{d_1}{d_2}=\frac{{10}^{\frac{P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}}{{10}^{\frac{P_{R1}}{10\mathrm{\δ}}}}$

则

$\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}+\mathrm{AD}}=\frac{d_1}{d_2+d_1}=\frac{{10}^{\frac{P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}}{{10}^{\frac{P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}+{10}^{\frac{P_{R1}}{10\mathrm{\δ}}}}$

设AB的长度为l，则

$\mathrm{AD}=\mathrm{AB}\·\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}+\mathrm{AD}}=l\·\frac{d_1}{d_2+d_1}=l\·\frac{{10}^{\frac{P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}}{{10}^{\frac{P_{R2}}{10\mathrm{\δ}}}+{10}^{\frac{P_{R1}}{10\mathrm{\δ}}}}---\left(9\right)$

图7是本实用新型定位方式两种情况的巷道内俯视示意图，图8是本实用新型定位方式其它情况的巷道内俯视示意图，图9为图7所示矩形区块的对角线交点处的局部示意图。

如图7所示，36、37、38、39为四个锚节点，构成一个矩形区块，40为移动节点，41为矩形区块对角线的交点，移动节点40接收四个锚节点发射的定位信号，设锚节点36发射定位信号的信号强度为P_R1′，锚节点36发射定位信号的信号强度为P_R2′，锚节点36发射定位信号的信号强度为P_R3′、锚节点36发射定位信号的信号强度为P_R4′，作移动节点40到锚节点37与38连线的垂线，垂足为42，作移动节点40到锚节点33与39连线的垂线，垂足为43，设矩形区块对角线的长度为l′，即锚节点36到39的距离以及锚节点37到38的距离为l′，根据(9)式得锚节点36到43点的距离为

${d_1}^{\′}=l^{\′}\·\frac{{10}^{\frac{{P_{R4}}^{\′}}{10\mathrm{\δ}}}}{{10}^{\frac{{P_{R1}}^{\′}}{10\mathrm{\δ}}}+{10}^{\frac{{P_{R4}}^{\′}}{10\mathrm{\δ}}}}$

同理，锚节点37到点42的距离为

${d_2}^{\′}=l^{\′}\·\frac{{10}^{\frac{{P_{R3}}^{\′}}{10\mathrm{\δ}}}}{{10}^{\frac{{P_{R2}}^{\′}}{10\mathrm{\δ}}}+{10}^{\frac{{P_{R3}}^{\′}}{10\mathrm{\δ}}}}$

如图7所示，建立坐标系，以36点为坐标原点，36、38在x(横)轴上，36、37在y(纵)轴上，则点36的坐标为(0，0)，点37的坐标为(0，l′·cosα)，38点的坐标为(l′·sinα，0)，39点的坐标为(l′·sinα，l′·cosα)，点41的坐标为(

)，图7中44点是另一个移动节点的位置，44点的情况与点40的情况相同，α为矩形区块对角线与巷道纵向坐标轴的夹角。图7只画出移动节点与锚节点相对位置关系的两种情况，其它所有情况如图8所示。

所有情况下均可设点43到点41的长度为a，点42到点41的长度为b，则有

$a=|\frac{l^{\′}}{2}-{d_1}^{\′}|$

$b=|\frac{l^{\′}}{2}-{d_2}^{\′}|$

设垂足43和点42分别用I和J表示，设I的坐标为(I_x，I_y)，J的坐标为(J_x，J_y)。图9为图7所示矩形区块的对角线交点处局部图，45为与矩形区块长边平行且穿过点41的直线，可知点I和点J的坐标可根据a、b和角α求出，即

$I_x=-a\·\sin \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\sin \mathrm{\α}$

$I_y=-a\·\cos \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\cos \mathrm{\α}$

$J_x=-b\·\sin \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\sin \mathrm{\α}$

$J_y=b\·\cos \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\cos \mathrm{\α}$

但考虑图8中的几种情况需要为坐标式加上符号变量λ₁和λ₂，使其不失一般性。即 $I_x={\mathrm{\λ}}_1\·a\·\sin \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\sin \mathrm{\α},$ $I_y={\mathrm{\λ}}_1\·a\·\cos \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\cos \mathrm{\α},$ ${\mathrm{\λ}}_1=-1\·\frac{\frac{l^{\′}}{2}-{d_1}^{\′}}{|\frac{l^{\′}}{2}-{d_1}^{\′}|}$ $J_x={\mathrm{\λ}}_2\·b\·\sin \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\sin \mathrm{\α},$ $J_y={-\mathrm{\λ}}_2\·b\·\cos \mathrm{\α}+\frac{l^{\′}}{2}\·\cos \mathrm{\α},$ ${\mathrm{\λ}}_2=-1\·\frac{\frac{l^{\′}}{2}-{d_2}^{\′}}{|\frac{l^{\′}}{2}-{d_2}^{\′}|}$

移动节点40用M表示，设M的二维坐标为(M_x，M_y)，设锚节点36为点E，锚节点37为点F，锚节点38为点G，锚节点39为点H，根据向量垂直的定理有

$\stackrel{\→}{\mathrm{EI}}=(I_x,I_y)$ $\stackrel{\→}{\mathrm{MI}}=(I_x-M_x,I_y-M_y),$ $\stackrel{\→}{\mathrm{GJ}}=(J_x-l^{\′}\·\sin \mathrm{\α},J_y),$ $\stackrel{\→}{\mathrm{MJ}}=(J_x,M_x,$ $J_y-M_y),$ 则得到向量垂直方程组(10)

$\left\{\begin{array}{c}{I}_x\·(I_x-M_x)+I_y\·(I_y-M_y)=0\\ (J_x-l^{\′}\·\sin \mathrm{\α})\·(J_x-M_y)+J_y\·(J_y-M_y)=0\end{array}\right.---\left(10\right)$

使用计算机解该方程组即可得到移动节点在矩形区块内的二维坐标。

此时解出的移动节点在区块内的二维坐标，其纵坐标需要加上矩形区块内锚节点纵坐标中较小的纵坐标，设为ancy，即得到最终的移动节点在巷道内的二维坐标为(M_x，M_y+anc_y)。

本实用新型定位功能实现的完整过程如下：

步骤1，移动节点周期性向周围发射定位请求信号，信号中包含移动节点的识别码信息，接收到该定位请求信号的锚节点均予以响应，向周围发射定位信号，定位信号中包含所响应的移动节点的识别码信息和锚节点的数字编号；

步骤2，移动节点选择接收包含自身识别码信息的定位信号，记录定位信号中的锚节点数字编号和对应定位信号的信号强度；

步骤3，移动节点将接收的定位信号按照信号强度从大到小排列，按照前面所述的方法判断移动节点在哪个区块内，确定保留的定位信号，抛弃其他信号，将自身识别码信息、保留的定位信号中锚节点的数字编号及对应的信号强度打成定位数据包；

步骤4：移动节点发射定位数据包至距其最近的锚节点，按照前面所述的方法利用锚节点的接力转发将定位数据包转发至所在巷道端点的网关节点，网关节点通过总线将定位数据包发送至井下中心站，井下中心站将定位数据包通过光纤传送至地面监控中心；

步骤5：地面监控中心根据转发上来的定位数据包里的定位信息计算出移动节点在井下的二维坐标，具体处理方法如下：

(1)地面监控中心提取数据包中的锚节点所在的区块编号、锚节点的信号强度，移动节点的识别码信息；

(2)地面监控中心根据存储的移动节点识别码信息与移动目标的名称或身份的对应关系，提取移动目标的名称或身份；

(3)地面监控中心根据定位数据包中区块编号数的不同作不同处理：如果共有两个区块编号，则说明移动节点处在两个区块相邻的位置，两个锚节点的纵坐标相同，一个锚节点的横坐标为0，另一个锚节点的横坐标为l′·sinα.首先根据锚节点区块编号与其位置的对应关系确定锚节点的位置，并将锚节点的纵坐标定位移动节点的纵坐标，设横坐标为0的锚节点的对应的信号强度为P_R1′，横坐为l′·sinα的锚节点对应的信号强度为P_R2′，则根据公式(9)得到移动节点的横坐标为

如果共有四个区块编号，则说明移动节点在某个区块内，首先根据锚节点区块编号与其位置的对应关系确定区块的位置，设四个锚节点对应的信号强度分别为P_R1′、P_R2′、P_R3′、P_R4′，通过解方程组(10)得到移动节点的坐标，此时解出的移动节点的二维坐标的纵坐标为相对坐标，需要加上矩形区块内锚节点纵坐标中较小的纵坐标，最终得到移动节点准确的二维坐标。

Claims (3)

1.一种基于距离约束的井下目标定位系统，其特征在于，包括地面监控中心，上层终端，井下中心站，网关节点，光纤，总线，锚节点，移动节点；

所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络；地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包；

所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据；

所述井下中心站是交换机，汇聚网关节点通过总线发过来的定位数据包，通过光纤传输到地面监控中心；

所述网关节点布设在支巷道的端点，接收锚节点转发的移动节点发射的定位数据包，通过总线传送到井下中心站；

所述锚节点置于在巷道侧壁，每四个锚节点构成一个矩形区块，每个区块分配一个区块编号，编号按巷道纵坐标增大的方向增大，四个锚节点分别为矩形区块的四个顶点；锚节点接收移动节点的定位请求信号后予以响应，向移动节点发射定位信号；锚节点接收移动节点发射的定位数据包，通过锚节点与锚节点之间的接力转发将移动节点的定位数据包发送至所在巷道端点处的网关节点；每个锚节点分配唯一的一组数字编号，编号与锚节点的位置坐标相对应，对应关系存储于底面监控中心；编号包括两部分：区块组合编号N和区块内编号M；N由两部分组成，一部分为上一个区块的编号，一部分为下一个区块的编号；区块内编号方式为：一侧巷道壁上锚节点的区块内编号全为单数，另一侧巷道壁上锚节点的区块内编号全为双数，编号按照区块编号增大的方向增大；锚节点数字编号与其位置坐标对应，对应关系存储于地面监控中心；每个锚节点只转发首部包含自身数字编号的定位数据包至其对角位置的锚节点，此对角位置为距离所在巷道端点的网关节点较近一侧的对角位置，每个锚节点内存储其对角位置的锚节点的数字编号；

所述移动节点置于井下移动目标上，每个移动节点分配一个唯一的识别码，与井下移动目标的名称或身份唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点与锚节点进行通信，获取锚节点发射的定位信号中包含的锚节点数字编号，测得其信号强度，处理形成定位数据包；移动节点将定位数据包发送给最大的信号强度对应的锚节点，实现方式是在定位数据包的首部添加该锚节点的数字编号，定位数据包经过锚节点间的存储转发，发送至地面监控中心；

所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线，连接网关节点与井下中心站，实现网关节点与井下中心站之间的数据传输；

所述光纤连接井下中心站与地面监控中心，实现井下中心站与地面监控中心的数据传输；

所述网关节点、锚节点和移动节点上安装传感器，检测周围的环境信息，采用与定位数据信息相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心；

所述系统中涉及的井下设备，包括井下中心站，网关节点、总线、锚节点、移动节点，全是本质安全型设备。

2.根据权利要求1所述基于距离约束的井下目标定位系统，其特征在于，所述网关节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源、总线模块；

所述锚节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源；

所述移动节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源。

3.根据权利要求2所述基于距离约束的井下目标定位系统，其特征在于，所述网关节点、锚节点、移动节点中的传感器、电磁波收发单元和网关节点中的总线模块分别与各自节点中的处理器存储器单元相连；各节点的电磁波收发单元接收和发送无线电磁波信号；网关节点、锚节点和移动节点中的传感器检测周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息；各节点中的处理器存储器单元存储、处理接收的数据，控制其它单元的运行；网关节点中的总线模块连接总线；各节点中的电源提供电能。

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