本发明专利技术公开了一种用于煤矿井下的基于距离约束的电磁波超声联合定位系统及方法。本发明专利技术根据巷道的空间结构和电磁波、超声波的本身属性特点，使用适当的近似算法，通过电磁波传播对数-常态模型公式，得到一个移动节点到两个锚节点距离之比的简化公式。由于两个锚节点之间的距离为已知量，以此距离为约束条件，得到移动节点在巷道内的纵向坐标。根据TOF测距原理，使用超声波测距获得移动节点到巷道壁的距离，得到移动节点在巷道内的横向坐标，进而得到移动节点的二维位置坐标，实现精确定位。本发明专利技术的定位方法定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矿井下安全监控领域，具体地说，是涉及一种基于几何约束的煤矿井下电磁波超声联合定位系统及方法。
技术介绍
煤炭是我国的主要能源，但由于我国煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，井下作业人员的生命安全受到严重威胁。一旦发生事故，地面人员需及时掌握井下人员的具体位置。因此，研究煤矿井下目标精确定位方法与系统，对于保障井下安全生产、应急救援都具有重要的现实意义，井下目标定位系统精度的提高将极大地促进煤矿井下安全生产水平的提升。 由于巷道相对密闭，无法借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下的目标定位；矿井定位目标是在限定空间内，定位设备的体积不能太大；井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，井下定位装置必须是防爆型电气设备；巷道内的无线信道环境恶劣，存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。这些使地面成熟的定位方法不能直接应用于煤矿井下。目前国内外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不(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,A0A)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，当距离较小时对接收机的灵敏度要求很高，误差难以保证。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。目前国内取得矿用产品安全标志证的井下目标定位系统(有些称为位置检测系统或作业人员管理系统等)，均采用电磁波作为无线传输介质，有基于RFID、蓝牙、WiFi和ZigBee等不同技术和协议，其中以RFID技术最普遍，但RFID的技术特点决定了定位精度取决于读卡器的密度，这就限制了定位精度的提高，所以很多基于RFID技术的系统严格地说并不具备“定位”功能，而只是“位置检测”，只能确定井下人员的大致区域；蓝牙技术传输距离短，抗干扰能力差，矿井环境中稳定性较差；目前，在国内使用的目标定位系统的精度均大于5米，目前国内矿井巷道的宽度一般不大于10米，也就是说，目前矿井目标定位系统只能给出定位目标在巷道纵向上的信息。国内矿井目标定位系统传输介质全部是电磁波，如采用基于测距的TDOA和AOA定位算法，对硬件要求很高，井下的硬件条件基本无法满足，如采用基于测距的RSSI方法，在近距离范围内精度很难保证，如采用基于非测距方法，对锚节点的密度和布置策略有很高的要求，这在煤矿井下工作环境中是难以实现的。利用超声波进行较近目标测距时可以达到较高的精度；超声波的传播速度远低于电磁波，对硬件要求较低；超声波分辨率较高，对光照度和电磁场不敏感，适应煤矿井下恶劣环境；超声波测距只需一端发射信号，另一端无需安装其他装置，只通过检测反射回来的超声波到达的时间，就可以实现非常精确的测距，超声波测距结构简单，易于小型化与集成化。但是，超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小距离内的测距。 综上所述，电磁波和超声波有各自的优势，单纯的使用一种无线介质难以实现井下目标精确定位。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对井下目标定位技术存在的精度不够，且精度的提高受到井下环境和成本限制严重的问题，并考虑目前大多应用与研究均单纯基于一种物理传输介质，不能综合利用各传输介质的优点的现状，公开一种结构简单的井下目标定位系统和一种定位精度高，算法简单的基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法。该系统及方法根据电磁波、超声波的特性，并结合巷道的空间结构特点，利用少量的锚节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，可以很好的满足矿井目标定位的需要。本专利技术的基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法的实现思想如下井下移动目标(包括井下工作人员和其他移动设备)佩戴移动节点，锚节点安置在巷道顶板，移动节点通过向一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波测得移动节点的横向坐标，通过接收前后两个锚节点发射的电磁波信号，根据已知的两个锚节点之间的距离这一约束条件，得到移动节点的纵向坐标，进而得到移动节点在巷道内的二维位置坐标。本专利技术的定位系统是一种基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)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。在系统中涉及的井下设备包括井下中心站，网关节点，总线，定位锚节点，移动节点，全部是本质安全型设备。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，并且，地面监控中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。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定位数据包，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。锚节点悬挂于在巷道的顶板，到两侧巷道壁的距离相等，锚节点接收移动节点发射的电磁波定位请求信号，并响应该请求信号向移动节点发射电磁波定位信号，接收移动节点形成的定位数据包，锚节点将移动节点的定位数据包发送至相邻锚节点或网关节点，每个锚节点接收相邻锚节点的定位数据包并存储转发至相邻的另一个锚节点，接力转发定位数据包直至网关节点，每个锚节点分配一个唯一的数字编号N，与其坐标位置相对应，对应关系存储于地面监控中心；规定井下巷道纵向坐标轴坐标增大的方向为正方向，N的数值沿着正方向增大。所述移动节点包括处理器存储器单元、电磁波收发单元、超声波收发单元、传感器、电源，每个移动节点对应一个唯一的识别码，识别码与携带移动节点的人员身份或设备名称相对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点使用超声波测量其与一侧巷道壁的距离，得到移动节点在巷道内的横向坐标，移动与锚节点进行通信，获取锚节点发射信号的接收强度和锚节点数本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，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； 所述每个移动节点分配一个识别码，与移动目标唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点以超声波为传输介质向一侧巷道壁及巷道底面发射超声波信号并接收反射回波，测量其与巷道壁的距离和其与巷道底面的距离，以电磁波为传输介质与锚节点进行通信，获取锚节点发射信号的接收强度和锚节点数字编号，处理形成定位数据包；移动节点将定位数据包发送给最近的锚节点，定位数据包经过锚节点间的存储转发至地面监控中心； 所述锚节点悬挂于巷道顶板，距两侧巷道壁距离相等；锚节点向移动节点发射电磁波定位信号，接收移动节点发射的电磁波定位请求信号和定位数据包，将移动节点的定位数据包发送至相邻锚节点或网关节点，每个锚节点接收相邻锚节点的数据包并存储转发至相邻的另一个锚节点，接力转发数据包直至到网关节点，每个锚节点分配一个数字编号N，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；规定井下巷道纵向坐标轴坐标增大的方向为正方向，N的数值沿着正方向增大； 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，实现地面监控中心与井下中心站的数据传输; 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； 所述井下电磁波超声联合定位系统中的井下设备，包括网关节点、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I所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，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、超声波收发单元、传感器、电源。3.根据权利要求2所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，其特征在于，网关节点、锚节点、移动节点中的传感器、电磁波收发单元、移动节点中的超声波收发单元和网关节点中的总线模块分别与各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，移动节点中的超声波收发单元接收和发送超声波信号；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，检测结果用与定位数据相同的传输方式，传送到地面监控中心；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。4.一种基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，包括下列步骤 A.根据巷道空间结构和工作环境，布设锚节点、网关节点及井下中心站； B.移动节点周期性向一侧巷道壁...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙继平，李宗伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：
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