本发明专利技术公开了一种用于煤矿井下的基于模式匹配的井下超宽带电磁波超声联合定位系统与方法。本系统包括地面监控中心，传输基站，网关节点，光纤，总线，锚节点，移动节点，训练节点，以及处在远地的远程监控终端。本定位方法分两个阶段：训练阶段，训练节点与锚节点配合在地面监控中心生成定位模式数据库；定位阶段，移动节点向指定的一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波，同时使用超宽带电磁波信号与锚节点进行通信，形成定位数据包，转发至地面监控中心，地面监控中心将定位数据包与存储的定位模式数据库进行模式匹配计算，得到移动节点的位置坐标，实现精确定位。本发明专利技术的定位系统及方法定位精度高，成本低，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，是涉及一种基于模式匹配的煤矿井下超宽带电磁波超声联合定位系统与方法。
技术介绍
矿山井下是一个特殊的工作环境，地质条件复杂，生产条件恶劣，安全隐患较多。我国开采技术水平相对落后，井下生产人员素质较低，导致我国煤矿生产的事故频发。一旦事故发生，地面人员需及时动态掌握井下人员的具体位置及作业情况，进行安全救护。因此，研究切实可行的煤矿井下目标精确定位方法与系统，对于保障井下人员的人身安全、灾后及时施救都具有非常高的现实意义。并且精确的井下人员定位系统也在井下的日常生 产、管理调度中发挥着关键的作用。目前，国内外关于井下定位方法中应用中，完全基于电磁波传输技术的很多,有基于WiFi、ZigBee, RFID、蓝牙等。但是这些方法都有各自的缺点RFID方法信号不稳定，漏读本身决定了定位精度取决于井下中心站的密度，这就限制了定位精度的提高；无线局域网技术要求被定位的物体必须支持无线局域网，且定位精度低；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；基于Zigbee、WiFi等技术的计算电磁波能量的定位系统，目前国内已有相关产品出现，如KJ361等，由于这些技术自身的特点决定，在用于位置检测时这类系统难以达到很好的精度，基于Zigbee、WiFi等技术的定位系统在地面室内环境的应用情况也不理本巨ο近来，超宽带(Ultra-Wideband，UffB)技术成为当前无线通信研究中的热点，它是一种非传统的、新颖的无线传输技术，可以在非常宽的带宽内，使用脉冲无线电(ImpulseRadio, IR)传输技术，发送噪音以下的低功率信号，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低等优点。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量，多径分辨能力强。所以，UWB能在极低功率消耗情况下同时提供通信和高精度测距和定位能力，测距定位精度高，非常适合对功率限制要求高并且多径干扰严重的煤矿井下的人员定位的应用。UffB定位技术中最常用的主要有信号到达角度测量(AOA)、到达时间定位(TOA)及到达时间差定位(TDOA)等。但是由于基于接收时间和信号到达角度的定位方法对于硬件的要求非常高，使得完全使用基于UWB的定位方案，需要使用大量高要求的定位节点，很大的程度上提高了定位的成本。除了电磁波以外，超声波的传播速度远低于电磁波，能够降低对硬件的要求，并且，对环境的敏感程度比红外要小，因此也受到了比较多研究。超声波的主要优点有超声波信号波速相对较小，对硬件要求较低；超声波可以测量较近目标的距离，精度高，在毫米级甚至更高，完全满足井下定位的要求；超声波纵向分辨率较高，对光照度和电磁场不敏感，适应环境恶劣的场所；超声波传感器的结构接单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化。另外，使用超声波测距还有一个优点，只需要一端发射信号，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。但是，单纯的使用超声波实现井下定位，也存在很多弊端。超声波的速度小，使得测量较长距离时，时延比较大；超声波也存在多径效应，且超声波在多径环境下效果差，需要对其进行编码或者其他方式来客服多径效应，这又会使定位的时延加大，有可能不能满足实时监控的要求；超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小距离内的测距应用，如果在煤矿井下完全使用超声定位，需要布置大量的锚节点，可能造成成本的提高；另外，全矿范围内的超声定位，对于超声波收发探头的选择要求较高，这又是一个很大的挑战。综上所述，目前的井下人员定位技术的研究受到井下环境和成本的双重制约，使 得定位精度不能满足实际应用的需要。超宽带电磁波虽然在井下定位方面拥有很好的应用前景，但是单纯的基于电磁波或者单纯的基于超声波的定位方法，一方面不能综合利用两种介质的优点，另一方面受到本身物理属性的限制，都不能从根本上解决井下环境、成本限制和定位精度等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有井下人员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、成本低廉的井下人员定位系统和一种定位精度高、算法简单的基于模式匹配的井下超宽带电磁波超声联合定位方法。该系统和方法根据电磁波、超声波本身的物理属性特点，并结合巷道的空间结构特点，利用少数的锚节点和简单的算法实现实时精确的人员定位，可以很好的满足矿井生产调度和灾后及时救援的需要。为实现上述目标，本专利技术采用以下技术方案上述系统是一种基于无线传感器网络的井下人员定位系统，包括地面监控中心，井下中心站，网关节点，光纤，总线，铺节点，训练节点，移动节点，上层终端。在系统中涉及的井下设备，包括井下中心站、网关节点、总线、无线锚节点、移动节点全部是本质安全型设备。上述本专利技术的定位方法是一种基于模式匹配的井下超宽带电磁波超声联合定位方法。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；地面监控中心存储定位模式数据库，并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，置于井下，汇聚网关节点通过总线发过来的定位数据包，通过光纤传输定位数据包到地面监控中心。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；网关节点布设在支巷道一端，接收锚节点转发的移动节点发射定位数据包，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。所述训练节点包括处理器存储器单元、显示器、键盘、电源；键盘用于输入训练节点所在的位置坐标，所以训练节点已知自身位置坐标，训练节点与锚节点配合，生成定位模式数据存储在地面监控中心，形成定位模式数据库。所述移动节点置于井下工作人员的安全帽上，使用矿灯电瓶作为移动节点的备 用电源；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数字编号，数字编号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，移动节点与锚节点进行通信，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猫节点，数据包经过锚节点间的存储转发至地面监控中心。所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于模式匹配的井下超宽带电磁波超声联合定位系统，其特征在于，包括地面监控中心，井下中心站，网关节点，光纤，总线，锚节点，训练节点，移动节点，上层终端；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；地面监控中心存储定位模式数据库，并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，置于井下，汇聚网关节点通过总线发过来的定位模式数据包，通过光纤传输定位数据包到地面监控中心；所述网关节点布设在支巷道一端，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；所述移动节点置于井下工作人员的安全帽上，使用矿灯电瓶作为移动节点的备用电源；每个移动节点分配一个独有的数字编号，与佩戴它的井下人员的身份对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点向一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波测量其与巷道壁的距离，同时向附近的锚节点发射超宽带电磁波定位请求信号，并接收锚节点响应发射的超宽带电磁波定位信号，处理形成定位数据包，通过锚节点向上转发定位数据包，最终至地面监控中心；所述锚节点悬挂于巷道顶板，到两侧巷道壁距离相等；每个锚节点分配一个唯一的数字编号，与其位置坐标对应，对应关系存储于地面监控中心；锚节点响应移动节点发射的超宽带你电磁波定位请求信号，向移动节点发射超宽带电磁波定位信号，并转发移动节点发送的定位模式数据包；所述训练节点已知自身位置坐标，锚节点配合，生成定位模式数据存储在地面监控中心，形成定位模式数据库。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往来；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往来；所述定位系统中的井下设备，包括井下中心站、网关节点、总线、锚节点、移动节点、训练节点，全是本质安全型设备。...
【技术特征摘要】
【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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。