基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法技术

本发明专利技术公开了基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，包括，获取矿井内部原有定位节点的节点位置信息，并对原有定位节点加装低频发射节点与振动传感器；矿井发生坍塌后，基于载有测量基站的无人机在矿场上方构建测量网络，低频发射节点启动并发射定位信号，通过测量基站接收低频发射节点的低频信号，获得事故后的重定位节点位置信息；建模比较原有定位节点的节点位置信息与事故后的重定位节点位置信息的节点位置变化，实时感知矿井态势变化。本发明专利技术提供一种更快捷、更准确的漂移节点重定位方案，能够实现更快速的救援。能够实现更快速的救援。能够实现更快速的救援。

【技术实现步骤摘要】
基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法


[0001]本专利技术属于应急通信领域，尤其涉及基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法。

技术介绍

[0002]在进行矿井事故救援时，救援人员必须掌握事故发生在哪里、受影响的巷道有哪些、被困人员在何处等与位置有关的重要问题。一旦发生煤矿事故，原有节点皆有可能受事故影响而被动偏离原来位置，即发生节点漂移。节点漂移一方面会造成节点自身的坐标位置变成未知量，另一方面也将造成以它为基准进行定位的节点无法获知参考位置而定位失败，因此，如何对漂移节点进行重定位是实施针对性事故救援必须要解决的基础性难题。尽管目前已有零星的重定位研究成果，但是这些方法不能解决煤矿井下，特别是矿井灾后救援场景面临的特殊难题。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提供了如下方案：基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，包括：
[0004]获取矿井内部原有定位节点的节点位置信息，并对所述原有定位节点加装低频发射节点与振动传感器；
[0005]基于载有测量基站的无人机在矿场上方构建测量网络，矿井发生坍塌后，所述振动传感器感知到震动，向控制板传输启动信号，启动所述低频发射节点并发射定位信号，通过所述测量基站接收低频发射节点的低频信号，获得事故后的重定位节点位置信息；
[0006]建模比较原有定位节点的节点位置信息与事故后的重定位节点位置信息的节点位置变化，实时感知矿井态势变化。
[0007]优选地，获取矿井内部原有定位节点的节点位置信息的过程包括，
[0008]根据电磁场在空间的分布信息，通过测量基站测量矿井内部原有定位节点的磁感应强度或磁场强度，基于所述磁感应强度或磁场强度计算获得原有定位节点的节点位置信息。
[0009]优选地，获取电磁场在空间的分布信息的过程包括，
[0010]通过旋转永磁式机械天线的永磁体在y1o1z1平面内绕原点O1进行逆时针旋转，由于频率极低，认为定位范围全部为近场通信，则磁场分布表达式为：
[0011][0012]其中，μ0＝4π
×
10
‑7N
·
A
‑2为真空中的磁导率，m0为磁偶极矩，j为虚数单位，为波数，r为空间中一点与原点的直线距离，θ为所述直线距离与空间三维坐标系中z轴的夹角，为所述直线距离在oxy平面内的投影与x轴的夹角，为三个相互正交的方向矢量，方向沿着r的方向，为空间中一点到z轴的距离作圆，其中圆的切
线方向，方向根据沿z轴的右手定则规定，方向为的方向。
[0013]优选地，通过测量基站测量矿井内部原有定位节点的磁感应强度或磁场强度的过程包括，
[0014]通过以发信源为原点的坐标系o1x1y1z1和以测量基站为原点的坐标系o2x2y2z2，在极坐标系的表示下，基于第二磁场分布公式，利用坐标系变换，由极坐标系的三个方向的磁感应强度矢量推导获得直角坐标系的三个方向的磁感应强度矢量(B
x1
，B
y1
，B
z1
)。
[0015]优选地，所述直角坐标系的三个方向的磁感应强度矢量(B
x1
，B
y1
，B
z1
)表达式为：
[0016][0017]优选地，通过所述测量基站接收低频发射节点的低频信号，获得事故后的重定位节点位置信息的过程包括，
[0018]利用磁通门计测量动态磁场的磁感应强度，获得磁通门计测量数据以及磁通门计有效测量数据
[0019]根据所述磁通门计测量数据以及磁通门计有效测量数据基于粒子群优化算法计算获得漂移节点的位置参数。
[0020]优选地，所述磁通门计有效测量数据的计算表达式为：
[0021][0022]其中，为磁通门计测量得到沿x轴方向的感应强度，为磁通门计测量得到沿y轴方向的感应强度，为磁通门计测量得到沿z轴方向的感应强度，V为旋转永磁体体积。
[0023]优选地，根据所述磁通门计测量数据以及磁通门计有效测量数据基于粒子群优化算法计算获得漂移节点的位置参数的过程包括，
[0024]基于粒子群优化算法初始化随机粒子，通过更新粒子的速度和位置迭代获得最优估计解，在每一次迭代过程中，粒子通过自己找到的第一最优估计解和整个粒子群当前的第二最优估计解来进行更新。
[0025]优选地，粒子通过自己找到的第一最优估计解和整个粒子群当前的第二最优估计解来进行更新的过程包括，
[0026]基于D维的搜索空间和由n个粒子组成的一个群落，每个粒子表示为一个D维向量
x
i
＝(x
i1
，x
i2
，
…
x
iD
)，i＝1，2，
…
n，其中i＝1，2，
…
n，每个粒子对应的D维速度向量v
i
＝(v
i1
，v
i2
，
…
v
iD
)，i＝1，2，
…
n；
[0027]粒子i的当前最优估计解为P
best
＝(P
i1
，P
i2
，
…
P
iD
)，i＝1，2，
…
n，整个粒子群当前找到的最优估计解为g
best
＝(P
g1
，P
g2
，
…
P
gD
)；
[0028]优选地，更新粒子的速度和位置时的表达式为：
[0029][0030][0031]其中，c1和c2为学习因子，学习因子决定了粒子本身和其他粒子对该粒子的影响；w为惯性因子，r1和r2为(0,1)范围内的随机数，是粒子在第k(k＝1，2，
…
m)次更新或迭代时的速度；
[0032]基于压缩因子φ的PSO
‑
X模型平衡全局搜索和局部搜索之间的关系，表达式为：
[0033][0034][0035]其中，c1+c2＞4，c1＝3而c2＝3。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
[0037]本专利技术能够为井下态势感知提供一种新方案，通过旋转永磁天线可以直接透地通信的特性，在井下原有通信网络未恢复时实现对原有感知节点的重定位，实现对井下态势的感知，为救援工作提供有力支撑。
附图说明
[0038]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0039]图1为本专利技术实施例的坍塌前矿井结构示意图；
[0040]图2为本专利技术实施例的坍塌后矿井结构示意图；
[0041]图3为本专利技术实施例的旋转永磁天线旋转方向图；
[0042]图4为本专利技术实施例的三维空间定位坐标系的示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，其特征在于，包括：获取矿井内部原有定位节点的节点位置信息，并对所述原有定位节点加装低频发射节点与振动传感器；基于载有测量基站的无人机在矿场上方构建测量网络，矿井发生坍塌后，所述振动传感器感知到震动，向控制板传输启动信号，启动所述低频发射节点并发射定位信号，通过所述测量基站接收低频发射节点的低频信号，获得事故后的重定位节点位置信息；建模比较原有定位节点的节点位置信息与事故后的重定位节点位置信息的节点位置变化，实时感知矿井态势变化。2.根据权利要求1所述的基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，其特征在于，获取矿井内部原有定位节点的节点位置信息的过程包括，根据电磁场在空间的分布信息，通过测量基站测量矿井内部原有定位节点的磁感应强度或磁场强度，基于所述磁感应强度或磁场强度计算获得原有定位节点的节点位置信息。3.根据权利要求2所述的基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，其特征在于，获取电磁场在空间的分布信息的过程包括，通过旋转永磁式机械天线的永磁体在y1o1z1平面内绕原点O1进行逆时针旋转，由于频率极低，认为定位范围全部为近场通信，则磁场分布表达式为：其中，μ0＝4π
×
10
‑7N
·
A
‑2为真空中的磁导率，m0为磁偶极矩，j为虚数单位，为波数，r为空间中一点与原点的直线距离，θ为所述直线距离与空间三维坐标系中z轴的夹角，为所述直线距离在oxy平面内的投影与x轴的夹角，为三个相互正交的方向矢量，方向沿着r的方向，为空间中一点到z轴的距离作圆，其中圆的切线方向，方向根据沿z轴的右手定则规定，方向为的方向。4.根据权利要求2所述的基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，其特征在于，通过测量基站测量矿井内部原有定位节点的磁感应强度或磁场强度的过程包括，通过以发信源为原点的坐标系o1x1y1z1和以测量基站为原点的坐标系o2x2y2z2，在极坐标系的表示下，基于第二磁场分布公式，利用坐标系变换，由极坐标系的三个方向的磁感应强度矢量推导获得直角坐标系的三个方向的磁感应强度矢量(B
x1
，B
y1
，B
z1
)。5.根据权利要求4所述的基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，其特征在于，所述直角坐标系的三个方向的磁感应强度矢量(B
x1
，B
y1
，B
z1
)表达式为：6.根据权利要求1所述的基于机械天线的矿用漂移节点重定位方法，其特征在于，通过所述测量基站接收低频发射节点的低频信号，获得事故后的重定位节点位置信息的过程包
括，利用磁通门计测量动态磁场的磁感应强度，获得磁通门计测量数据以及磁通门计有效测量数据根据所述磁通门计测量数据以及磁通门计有效测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔勇，朱映臻，贾慧姝，汤万钧，刘梦薇，裴宇，崔智，
申请(专利权)人：中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：