一种基于rssi测距的井下人员定位的改进方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿井安全领域，具体涉及一种基于RSSI测距的井下人员定位的改进 方法。
【背景技术】
[0002] 由于煤矿的生产作业大多数是在地下进行，矿井下的地质条件复杂，造成了无线 通信质量差，多径效应、多址效应明显、信号衰落快等，给井下的通信带来诸多的困难。一旦 事故发生，不能及时准确的确定被困人员位置，对有效营救造成很大的困难。
[0003] 在现阶段井下的人员定位过程中大范围应用的是基于测距技术的人员定位算法， 节点之间的距离的测定主要是通过对提取接收信号中的特征参数的处理实现的，通过测量 节点间距离后再利用三边定位算法求出可能未知节点位置。
[0004] 由于矿井下的特殊环境，无线网络的已知节点（信标节点）都分布在矿井下的巷 道两侧，巷道可以类似看成一个长方形，当工作人员进入巷道内，通过现阶段比较成熟的 RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)测距法测量出未知节点（即是移动的矿工） 到三个信标节点的距离，进而利用三边定位算法来定位人员位置。这就需要分成各个三角 形的定位小区来对未知节点进行定位，但是在各自三角形定位小区中，未知节点容易受到 其他节点的信号的干扰。而且由于受到井下环境因素的影响，测出的距离会和实际距离总 是有一定的误差，造成三边定位算法失效。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种定位准确的基于RSSI测距的 井下人员定位的改进方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
[0007] -种基于RSSI测距的井下人员定位的改进方法，通过RSSI测距算法测量移动节 点即移动的矿工到三个参考节点的距离，进而利用定位算法来定位人员的位置，具体包括 如下步骤：
[0008] 步骤1.工作人员事先将若干参考节点摆放到巷道两侧，工作开始时网络协调器 电源打开，进行zigbee无线网络树状组网模式，zigbee组建网络初始化；
[0009] 步骤2.当作业人员进入进行无线网络覆盖区域时，参考节点在一个统一时间周 期向周围发送无线信号，无线信号包括自身的坐标信息和信号强度RSSI值；
[0010] 步骤3.移动节点在它的通信范围内收集所有参考节点的RSSI信号值，将信号最 强的相邻三个参考节点组成三角形的定位小区；
[0011] 步骤4.在移动节点上利用具有方向性判断的信号接收天线，实现对参考节点信 号到达角度的测量，利用角度信息过滤掉其他干扰信号，进一步确定移动节点所在的定位 小区；
[0012] 步骤5?将接收到的RSSI值带入公式[RSSI]dBni=A-lOnlgd，
[0013] 式中，[RSSI]dBni为接收节点接受到的功率，A为参考距离为Im时接受节点受到的 信号功率，d为移动节点到参考节点的距离，n为和实验环境相关的路径损耗指数值，2 <n < 4 ;
[0014] 步骤6.计算定位小区的三个参考节点距离移动节点的距离山、d2、d3;
[0015] 步骤7.利用定位算法计算以三个参考节点为圆心、移动节点与三个参考节点的 距离为半径的三个圆相交的位置坐标，该坐标就是人员即移动节点的位置坐标。
[0016] 进一步的，所述步骤3中，对于采集到的RSSI值，进行滤波处理以提高测距的准确 性。
[0017] 进一步的，对采集到的RSSI值进行中值滤波处理：
[0018] a.移动节点在固定位置接收到参考节点的n个信号强度值，通过中值滤波过滤掉 该组强度值数据中的小概率的信号和大干扰信号，公式如下：
[0023] 式中f(x)表示概率的取值，X表示RSSI值，n表示移动节点在固定位置接收到参 考节点信号个数，〇 2表示此随机变量的方差，y表示服从正态分布的随机变量的均值；
[0024] b.将上式中f(x)的取值范围限定为0. 6 <f(x) < 1，求解得 0. 15 〇 +y彡X彡3. 09 〇 +y，即RSSI值在经过中值滤波之后可得取值范围为[0. 15 0 +y， 3. 09 0+y]，其中
[0027] c.把经过中值滤波后在选择范围内的RSSI值求出均值；
[0028] d?该均值即为最终准确的RSSI数值。
[0029] 进一步的，所述步骤4中，为了减少储存和计算量，测量出的节点间的角度信息不 做保存，只需要使用该角度来确定移动节点是否处于容易受到干扰的小区边缘。
[0030] 进一步的，所述步骤7中，由于在实际矿井环境中各种干扰因素的影响，计算出的 距离和现实距离必定是存在误差，所以在井下巷道内设置固定距离的参考节点，测量出井 下环境的误差范围，定位开始后利用RSSI进行一次测距，然后在实际测的距离山、d2、(13的 基础上反向加上环境的范围内随机误差来进行校正，取n组校正距离数据。
[0031] 进一步的，所述步骤7中，以三个参考节点为圆心的三个圆由于干扰因素的影响 不可能相交于一点，从而造成方程无解，所以在三个圆心两两相交时，
[0032] (1)根据公式：
[0034] 求得O1 (X1,Y1)、O2 (x2,y2)两个圆的相交点CpC2,然后计算两个交点与O3节点的 距离，取距离近的一点C1保留，距离远的舍去；同理求得0 :和0 3的交点取距离0 2点相近的 交点B1, 02、O3的交点距离0i最近的A力，组成移动节点的可能区域AAAC1;
[0035] (2)根据n组的校正距离数据，逐个解出nX3个圆两两相交的三个点做AAnBnCn;
[0036] (3)利用网格扫描法对重叠部分进行标记，计算出由n个三角形相交重叠的部分， 阴影部分的网格点最高重叠部分，即是缩小定位范围后未知节点最可能的坐标位置；
[0037] (4)对重叠区域的所有网格点采用如下公式进行质心算法计算，
[0039] 得出重叠部分的质心即是未知节点的估计位置（Xni，yj。
[0040] 进一步的，当井下某些节点因电池没电或者因为意外事故造成节点损坏的状况 时，会出现可利用节点短缺，移动节点到达该活动区域时搜集到的节点信息少于三个，无法 计算出离移动节点最近的三个参考节点的距离C^dpd3，在此应急情况下，找出两圆的相交 区域进行质心算法计算出坐标。
[0041] 进一步的，所述找出两圆的相交区域进行质心算法计算出坐标的详细方法为：选 择已知的A1J2两个节点的坐标位置AJx1,Y1),A2 (x2,y2)，用RSSI测距方法测出移动节点M1 分别到4、A2节点的距离rpr2，根据公式
[0043] 求得两个圆的相交点A12(x12,y12)、A21 (x21,y21)，然后计算出两圆重叠部分的质心坐 标就是移动节点的位置。
[0044] 本发明公开的一种基于RSSI测距的井下人员定位的改进方法，具有以下有益效 果：
[0045] 本发明将对矿井下定位小区间的干扰造成定位混乱进行解决，对三边定位算法由 于测距不准确引起的误差进行改进，尤其解决了传统定位算法在小区边缘稳定性差的缺 点，增加了井下人员定位的可靠性。
【附图说明】
[0046] 图1是本发明的定位方法流程图，
[0047] 图2是没有经过滤波处理的一组RSSI值，
[0048] 图3是经过滤波处理的一组RSSI值，
[0049] 图4是井下节点摆放图，
[0050] 图5是第一种节点间信号干扰示意图，
[0051] 图6是第二种节点间信号干扰示意图，
[0052] 图7是第一种三圆两两相交示意图，
[0053] 图8是第二种二圆两两相交不意图，
[0054] 图9是重叠部分标记示意图，
[0055] 图10是有节点被损坏情况时的示意图，
[0056] 图11是两边定位示意图，
[0057] 图12是准确人员定位仿真图，
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