专利名称：基于距离约束的井下目标定位系统及方法
技术领域：
本发明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及方法。
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. I公开了ー种井下人员智能定 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，识别卡写入员エ的电子编号，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、安全监瞀和人员的统计考勤，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カロ，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)、三角測量(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,TD0A)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，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，提高精度就需要増加锚节点的密度，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，另ー方面，増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。
发明内容
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，本发明公开了ー种结构简单的井下目标定位系统和ー种精确度高，算法简单的定位方法。该系统及方法结合巷道空间的特点，利用少量的參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。上述系统是ー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換机，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単元、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単元、电磁波收发单元、传感器、电源。锚节点置于在巷道侧壁，每四个锚节点构成ー个矩形区块，每个区块分配ー个区块编号，编号按巷道纵坐标増大的方向増大，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ー组数字编号，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，一部分为上ー个区块的编号，一部分为下ー个区块的编号；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，另ー侧巷道壁上的锚节点的区块内编号全部为双数，编号按照区块编号増大的方向増大；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ー侧的对角位置，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単元、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，每个移动节点分配ー个唯一的识别码，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強度，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強度对应的锚节点，即距其最近的猫节点，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単元相连；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単元存储、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。所述基于距离约束的井下目标定位方法，包括以下步骤A.根据巷道空间结构和工作环境，布设锚节点、网关节点、总线及井下中心站；B.移动节点向周围空间发射定位请求信号，信号中包含移动节点的识别码信息，附近的锚节点接收到该定位请求信号予以响应，向移动节点发射定位信号，信号中包含锚节点所响应的移动节点的识别码信息和锚节点的数字编号。C.移动节点选择接收包含自身识别码信息的定位信号，提取定位信号中包含的锚节点的数字编号并测出对应的信号強度，移动节点根据接收到的定位信号个数和信号強度确定需要保留的定位信号，抛弃多余的定位信号；D.移动节点处理保留的定位信号，形成定位数据包发给距离其最近的锚节点，通过锚节点的接カ转发，最終传至地面监控中心；E.地面监控中心接收到转发上来的移动节点的定位数据包后，提取其中的信息，计算出移动节点的坐标。所述步骤A包括下列步骤Al.在巷道内锚节点置于巷道侧壁上，所有锚节点到巷道底面的距离相同，每四个锚节点构成ー个矩形区块，四个锚节点分别为矩形区块的四个顶点，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个锚节点可以接收到其发射的电磁波信号；A2.根据井下巷道的结构特点，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；A3.根据井下巷道的结构特点及各网关节点的位置，选择既便于通过光纤连接地面监控中心又便于通过总线连接各网关节点的地点安置井下中心站，井下中心站通过总线与网关节点相连，通过光纤与地面监控中心相连。所述步骤C包括下列步骤Cl.移动节点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強度，信号按照信号強度从大到小排列；C2.根据信号強度排列及数字编号的个数，会出现以下3种情况，分别作如下处理(I)只有到四组数字编号，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，移动节点保留五组数字编号中包含一个相 同部分的四组数字编号及对应的信号強度；(3)有六组或六组以上个数的数字编号，首先保留对应信号強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強度；若排第四的信号強度与排第五的信号強度差别很小，只保留排第一和第二的前两个信号強度及对应的数字编号；若排第四的信号强度与排第五的信号強度差别很大，保留前四个信号強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。所述步骤D包括下列步骤Dl.移动节点将自身的识别码信息、保留的定位信号中包含的数字编号及对应的信号強度打成定位数据包；D2.移动节点在定位数据包的首部加上信号強度最大的锚节点的数字编号向周围发射，锚节点只转发首部包含自身数字编号的定位数据包；D3.接收到首部包含自身数字编号的定位数据包的锚节点将首部用存储的其对角位置的锚节点的数字编号替换，发送给其对角位置的锚节点；D4.锚节点通过接カ转发将定位数据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，井下中心站通过光纤将定位数据包转发至地面监控中心。。所述步骤E包括下列步骤El.地面监控中心提取数据包中的锚节点所在的区块编号、锚节点的信号強度，移动节点的识别码信息；E2.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，确定移动目标的名称或身份；E3.地面监控中心根据定位数据包中锚节点数字编号数的不同作不同处理(I)如果共有两个区块编号，则认为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，另ー个锚节点的横坐标为两侧巷道之间的距离，设为g，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为移动节点的纵坐标，设横坐标为0的锚节点的对应的信号强度为P' K1，横坐为g的锚节点对应的信号强度为p' K2，根据电磁波传输的由对数-常态分布模型推出的一个移动节点到两个锚节点距离之比公式，得到移动节点的横坐标为
权利要求
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信号强度对应的锚节点，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I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。
4.一种基于距离约束的井下目标定位方法，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.移动节点向周围空间发射定位请求信号，信号中包含移动节点的识别码信息，附近的锚节点接收到该定位请求信号予以响应，向移动节点发射定位信号，信号中包含锚节点所响应的移动节点的识别码信息和锚节点的数字编号； C.移动节点选择接收包含自身识别码信息的定位信号，提取定位信号中包含的锚节点的数字编号，测出对应的信号强度，移动节点根据接收到的定位信号个数和信号强度确定需要保留的定位信号，抛弃多余的定位信号； D.移动节点处理保留的定位信号，形成定位数据包发给距离其最近的锚节点，通过锚节点的接力转发，最终传至地面监控中心； E.地面监控中心接收到转发上来的移动节点的定位数据包后，提取其中的信息，计算出移动节点的坐标。
5.根据权利要求4所述基于距离约束的井下目标定位方法，其特征在于，所述步骤A包括下列步骤 Al.在巷道内锚节点置于巷道侧壁上，所有锚节点到巷道底面距离相同，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，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通信距离，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个锚节点可以接收到其发射的电磁波信号； A2.根据井下巷道的结构特点，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不大于锚节点和网关节点之间的有效无线通信距离，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； A3.根据井下巷道的结构特点及各网关节点的位置，选择既便于通过光纤连接地面监控中心又便于通过总线连接各网关节点的地点安置井下中心站，井下中心站通过总线与网关节点相连，通过光纤与地面监控中心相连。
6.根据权利要求4所述基于距离约束的井下目标定位方法，其特征在于，所述步骤C包括下列步骤 Cl.移动节点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，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； C2.根据信号强度排列及数字编号的个数，会出现以下3种情况，分别作如下处理 (1)只有到四组数字编号，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，移动节点保留五组数字编号中包含一个相同部分的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；若排第四的信号强度与排第五的信号强度差别很小，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；若排第四的信号强度与排第五的信号强度差别很大，保留前四个信号强度及对应的数字编号。
7.根据权利要求4所述基于距离约束的井下目标定位方法，其特征在于，所述步骤D包括下列步骤 Dl.移动节点将自身的识别码信息、保留的定位信号中包含的数字编号及对应的信号强度打成定位数据包； D2.移动节点在定位数据包的首部加上信号强度最大的锚节点的数字编号向周围发射，锚节点只转发首部包含自身数字编号的定位数据包； D3.接收到首部包含自身数字编号的定位数据包的锚节点将首部用存储的其对角位置的锚节点的数字编号替换，发送给其对角位置的锚节点； D4.锚节点通过接力转发将定位数据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，井下中心站通过光纤将定位数据包转发至地面监控中心。
8.根据权利要求4所述基于距离约束的井下目标定位方法，其特征在于，所述步骤E包括下列步骤 El.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； E2.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； E3.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 (1)如果共有两个区块编号，则认为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O，另一个锚节点的横坐标为两侧巷道之间的距离，设为g，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为移动节点的纵坐标，设横坐标为O的锚节点的对应的信号强度为Pk/，横坐为g的 锚节点对应的信号强度为Pk2,，移动节点横坐标计算式为
全文摘要
本发明公开了一种基于距离约束的井下目标定位系统及方法。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。本方法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，以简化算法的复杂度，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。本发明的井下人员定位系统及方法定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。
文档编号H04L29/08GK102868751SQ201210358238
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者田子建, 李宗伟 申请人:中国矿业大学(北京)