專(zhuān)利名稱(chēng)：基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦井下目標(biāo)定位方法，具體地說(shuō)是涉及一種基于認(rèn)知的井下無(wú) 線定位方法。
背景技術(shù)：
井下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)越來(lái)越受到,泛的關(guān)注，井下移動(dòng)定位業(yè) 務(wù)主要的應(yīng)用包括有井下人員位置定位，井下安全定位，井下個(gè)人服務(wù)定位， 井下設(shè)備定位，井下交通定位，井下生產(chǎn)資料定位，井下礦產(chǎn)資源定位等。
全球定位系統(tǒng)GPS是目前應(yīng)用的最廣泛最成熟的定位系統(tǒng),它利用多顆高軌 衛(wèi)星，通過(guò)測(cè)量距離與距離變化率來(lái)確定用戶(hù)的位置,具有定位精度高、實(shí)時(shí)性 好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量非常多,因此人工部
署和為所有節(jié)點(diǎn)安裝GP S接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)自身定位,成本太高。另外,傳感器網(wǎng)絡(luò)
節(jié)點(diǎn)采用電池供電,能量有限,因此節(jié)點(diǎn)上不適宜裝備高能耗的GP S設(shè)備。節(jié)點(diǎn)
之間的無(wú)線通信所消耗的電能比其它部件所消耗的電能要大很多,所以要盡量減
少節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信量，也不宜將大量的通信和計(jì)算固定于某個(gè)或者某些節(jié)點(diǎn),
否則,這些節(jié)點(diǎn)的電能會(huì)很快耗盡,在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)空穴。由于傳感器網(wǎng)
絡(luò)的這些特點(diǎn),在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的自身定位時(shí),要盡量采用分布式的定位算法,盡量延
長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期。
目前提出的一些傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自身定位算法主要是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中 少量已知自身位置的節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得其他未知節(jié)點(diǎn)的位置信息,主要有兩類(lèi): 基于距離(Range-based)的定位方法和不基于距離(Range-free)的定位方法。信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以是被預(yù)先放置好的,也可以采用GPS或其他方法獲取自己的位置信
息。未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息計(jì)算出自己的位置。常用的定位方法是
Range-based方法,這種方法需要先測(cè)量出節(jié)點(diǎn)之間的距離或角度信息,再通過(guò)數(shù) 學(xué)方法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)自身的位置。測(cè)量節(jié)點(diǎn)間距離或者角度信息時(shí)通常采用的方 法有:TOA,TDOS,RSSI和AOA等。TOA的測(cè)距原理是已知信號(hào)的傳播速度，根 據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離,這種算法要求節(jié)點(diǎn)有非常精確的時(shí)鐘, 同時(shí)節(jié)點(diǎn)的硬件尺寸價(jià)格和功耗的限制也決定了這種方法適用于無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò);TDOA的測(cè)距原理是發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無(wú)線信號(hào),接收 節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差以及己知這兩種信號(hào)的傳播速度來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間 的距離，這種方法受到超聲波傳播距離的限制和非視距問(wèn)題對(duì)超聲波信號(hào)傳播的 影響,不僅需要精確的時(shí)鐘記錄兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差異，也需要傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)同時(shí)具備感知兩種信號(hào)的能力;RSSI的測(cè)距原理是已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào) 強(qiáng)度,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算傳播損耗從而進(jìn)行測(cè)距,這種方法受環(huán)境 影響和信號(hào)模型的復(fù)雜性影響,給測(cè)距帶來(lái)較大誤差;AOA的定位原理是接收節(jié) 點(diǎn)通過(guò)特殊設(shè)備感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向,計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的 相對(duì)角度,從而進(jìn)一步求得節(jié)點(diǎn)的位置，這種方法的硬件設(shè)備復(fù)雜并需要節(jié)點(diǎn)之 間存在視距傳輸,因此也不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Range-free定位方法無(wú)需測(cè) 量距離或角度信息,僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自身定位。這 種方法降低了對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件的要求,在成本和功耗方面比Range-based方法具有優(yōu) 勢(shì),但定位的誤差也相應(yīng)有所增加。
目前提出的算法主要有:質(zhì)心算法、DV-H叩算法、Amorphous算法、API 算法等。質(zhì)心算法首先確定包含未知節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，計(jì)算這個(gè)區(qū)域的質(zhì)心并將其作 為未知節(jié)點(diǎn)的位置，該算法完全基于網(wǎng)絡(luò)連通性,無(wú)需信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)之間 的協(xié)調(diào),容易實(shí)現(xiàn)，但是定位精度與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度以及分布有很大關(guān)系,導(dǎo)致定
位精度不高;DV-HOP定位機(jī)制是未知節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，然后
估算平均每條距離,從而得到節(jié)點(diǎn)間的距離,再通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算求得節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。該方 法對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求低,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是利用跳段距離代替直線距離,定位誤差較
大;Amorphous算法將節(jié)點(diǎn)的通信半徑作為平均每跳距離,網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性差，對(duì)信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度要求較高,而且定位誤差大;APIT算法首先確定多個(gè)包含未知節(jié)點(diǎn) 的三角形區(qū)域,這些三角形區(qū)域的交集是一個(gè)多邊形,它確定了更小的包含未知 節(jié)點(diǎn)的區(qū)域,然后計(jì)算這個(gè)多邊形區(qū)域的質(zhì)心,并將質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置,這 種方法定位精度高,性能穩(wěn)定,但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通性提出了較高的要求。這些定位 方法不能定位三維坐標(biāo)或不能精確的定位三維坐標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種能夠在 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)損壞或能源耗盡情況下通過(guò)遷移到井下的固定裝置或其它移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獲 知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法。
本發(fā)明一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法包括網(wǎng)絡(luò)管理中心和地面調(diào)度中心構(gòu)成 的管理層、路由器和交換機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)交換層、無(wú)線調(diào)度通信終端、井下固定 節(jié)點(diǎn)、井下非固定節(jié)點(diǎn)、巷道平面、設(shè)備損壞能源耗盡站點(diǎn)、能源耗盡服務(wù)遷
移站點(diǎn)，所述的定位方法包括如下步驟
1) 通過(guò)INTERNET連接網(wǎng)絡(luò)管理中心、地面調(diào)度中心、路由器、交換機(jī) 和無(wú)線調(diào)度通信終端，在井下巷道平面設(shè)置井下固定節(jié)點(diǎn)和井下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，建 立井上、井下有線、無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)；
2) 井下在固定節(jié)點(diǎn)中設(shè)置三維坐標(biāo)即為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；
3) 通過(guò)認(rèn)知測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離；
4) 通過(guò)認(rèn)知計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后，利用三邊測(cè)量 法或極大似然估計(jì)法通過(guò)認(rèn)知計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；
5) 通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知對(duì)求得的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行求精，提高定位精度。
本發(fā)明一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法與現(xiàn)有技術(shù)相比較有如下有益效
果本發(fā)明提出了一種移動(dòng)定位方法，采用認(rèn)知的多次遷移和分布式計(jì)算以滿(mǎn) 足井下定位中高精度、低能耗、抗損壞的需要，同時(shí)利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo) 和固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)達(dá)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的精確三維定位。井下環(huán)境根據(jù)是否移 動(dòng)分成移動(dòng)和固定兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)認(rèn)知選擇最優(yōu)的臨近節(jié)點(diǎn)，包括移動(dòng)和固定 節(jié)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離關(guān)系和固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)關(guān)系，以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和 固定節(jié)點(diǎn)之間的距離關(guān)系得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)使用認(rèn)知技術(shù)，該認(rèn) 知不同于傳統(tǒng)的過(guò)程調(diào)用，該認(rèn)知技術(shù)不僅可以在可靠和不可靠的節(jié)點(diǎn)間傳輸， 而且可以在本節(jié)點(diǎn)能源用盡或損壞的情況下選擇最可靠的節(jié)點(diǎn)。該技術(shù)減少對(duì) 服務(wù)器端的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)非中心化的定位，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸而直接面對(duì)要訪問(wèn)的服 務(wù)器資源，從而避免了大量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送,降低了系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的依賴(lài)。認(rèn)知 過(guò)程在多節(jié)點(diǎn)冗余遷移，保證在目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)損壞的情況下仍然可以進(jìn)行 服務(wù)，從而也保證了在井下突發(fā)情況下仍然可以得到人員精確三維位置。


本發(fā)明一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法有如下附圖 圖1為本發(fā)明基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法定位過(guò)程結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法利用固定節(jié)點(diǎn)定位移動(dòng)未知節(jié) 點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)圖4為本發(fā)明基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法巷道通信無(wú)線定位示意圖5為本發(fā)明基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法定位信息遷移示意圖。
其中1、網(wǎng)絡(luò)管理中心；2、地面調(diào)度中心；3、 Internet; 4、路由器；5、 交換機(jī)；6、無(wú)線調(diào)度通信終端；7、固定節(jié)點(diǎn)；8、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；9、巷道平面； 10、設(shè)備損壞能源耗盡站點(diǎn)；11、能源耗盡服務(wù)遷移站點(diǎn)；12、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；13、 遷移信道；14、主服務(wù)信道；Pl、 P2、 P3為固定節(jié)點(diǎn)；Sl、 S2、 S3為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法技術(shù)方 案作進(jìn)一步描述。
如圖l一圖5所示，本發(fā)明一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法包括網(wǎng)絡(luò)管理 中心1和地面調(diào)度中心2構(gòu)成的管理層、路由器4和交換機(jī)5構(gòu)成的數(shù)據(jù)交換 層、無(wú)線調(diào)度通信終端6、井下固定節(jié)點(diǎn)7、井下非固定節(jié)點(diǎn)S、巷道平面9、 設(shè)備損壞能源耗盡站點(diǎn)10、能源耗盡服務(wù)遷移站點(diǎn)11、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12、遷移信道
13、主服務(wù)信道14，所述的定位方法包括如下步驟
1) 通過(guò)INTERNET 3連接網(wǎng)絡(luò)管理中心1、地面調(diào)度中心2、路由器4、 交換機(jī)5和無(wú)線調(diào)度通信終端6，在井下巷道平面9設(shè)置井下固定節(jié)點(diǎn)7和井下 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8，建立井上、井下有線、無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)；
2) 井下在固定節(jié)點(diǎn)7中設(shè)置三維坐標(biāo)即為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12;
3) 通過(guò)認(rèn)知測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12和鄰居節(jié)點(diǎn)8之間的距離；
4) 通過(guò)認(rèn)知計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12的距離后，利用三邊 測(cè)量法或極大似然估計(jì)法通過(guò)認(rèn)知計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；
5) 通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知對(duì)求得的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行求精，提高定位精度。 所述的測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離的主要方法是從信標(biāo)
節(jié)點(diǎn)12發(fā)送一個(gè)包含自身位置信息和發(fā)送時(shí)間t 1的移動(dòng)認(rèn)知，接收認(rèn)知的鄰
居節(jié)點(diǎn)記錄認(rèn)知到達(dá)的時(shí)間t 2,通過(guò)計(jì)算t 2- t 1得到認(rèn)知從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12移動(dòng)
過(guò)來(lái)的傳播時(shí)間t ;假設(shè)移動(dòng)認(rèn)知S的傳播速度是v ,那么可以通過(guò)計(jì)算v X t得 到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12到某鄰居節(jié)點(diǎn)的距離d 。
所述的測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離的算法是在移動(dòng)認(rèn)知8 中設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器,一個(gè)用來(lái)記錄認(rèn)知的移動(dòng)次數(shù),設(shè)置其初始值為a;另一個(gè)是時(shí) 鐘計(jì)數(shù)器,設(shè)置其初始值為b(b〉a);讓認(rèn)知在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12和某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間來(lái) 回移動(dòng)；當(dāng)認(rèn)知開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)候,時(shí)鐘計(jì)數(shù)器便開(kāi)始倒數(shù)計(jì)時(shí);當(dāng)認(rèn)知到達(dá)鄰居節(jié) 點(diǎn)的時(shí)候，移動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)器加l;當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器中值減為0時(shí)，認(rèn)知到達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn) 后不再移動(dòng)；假設(shè)移動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)器中值為n,那么可以計(jì)算出移動(dòng)認(rèn)知8從信標(biāo) 節(jié)點(diǎn)12傳播到某鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為t氣b-a)/n，則可以計(jì)算出它們之間的距離為 d = v (b-a)/ n 。
所述的距離信息通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知8計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)在一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng) 中，已知未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12的距離就可以唯一確定這個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)； 因此,反復(fù)通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知進(jìn)行測(cè)距,測(cè)量出一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離, 就可以通過(guò)傳遞認(rèn)知過(guò)程用三邊測(cè)量法來(lái)計(jì)算其自身坐標(biāo)。
所述的測(cè)量計(jì)算方法是通過(guò)多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知進(jìn)行多次測(cè)距計(jì)算,對(duì)得到 的坐標(biāo)求數(shù)學(xué)期望，從而得到較為精確的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；將該未知節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)為新的信 標(biāo)節(jié)點(diǎn),參與其他未知節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算。
所述的定位方法是利用固定節(jié)點(diǎn)7的三維坐標(biāo)，以認(rèn)知中定位的距離為基 礎(chǔ)，定位未知節(jié)點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)；可以利用認(rèn)知的多次遷移，多個(gè)節(jié)點(diǎn) 間合作，求出唯一的三維坐標(biāo)；設(shè)三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)為(al,bl，cl)、 (a2,b2，c2)、 (a3,b3,c3),—個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的和三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)間的距離為x、 y、 z;通 過(guò)認(rèn)知過(guò)程可以得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)間的距離A、 B、 C，得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的
坐標(biāo)。
所述的定位方法說(shuō)明當(dāng)待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)IO的能量耗盡，或設(shè)備有損時(shí)，通過(guò) 遷移認(rèn)知，將該節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息遷移到鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算。
所述的定位信息的遷移可以進(jìn)行多次的遷移，能夠容忍多節(jié)點(diǎn)的損壞，既
在最壞情況下仍可以通過(guò)遷移信道13或主服務(wù)信道14向主服務(wù)器節(jié)點(diǎn)無(wú)線調(diào) 度通信終端6遷移。
實(shí)施例1 。
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于認(rèn)知的井下三維無(wú)線定位方法，井 下環(huán)境根據(jù)是否移動(dòng)分成移動(dòng)和固定兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)認(rèn)知選擇最優(yōu)的臨近節(jié)點(diǎn)， 包括移動(dòng)和固定節(jié)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離關(guān)系和固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)關(guān)系， 以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)之間的距離關(guān)系得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)使用 認(rèn)知技術(shù)，該認(rèn)知不同于傳統(tǒng)的過(guò)程調(diào)用，該認(rèn)知技術(shù)不僅可以在可靠和不可 靠的節(jié)點(diǎn)間傳輸，而且可以在本節(jié)點(diǎn)能源用盡或損壞的情況下選擇最可靠的節(jié) 點(diǎn)。該技術(shù)減少對(duì)服務(wù)器端的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)非中心化的定位，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸而直 接面對(duì)要訪問(wèn)的服務(wù)器資源,從而避免了大量數(shù)據(jù),的網(wǎng)絡(luò)傳送,降低了系統(tǒng)對(duì)網(wǎng) 絡(luò)帶寬的依賴(lài)。認(rèn)知過(guò)程在多節(jié)點(diǎn)冗余遷移，保證在目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)損壞的 情況下仍然可以進(jìn)行服務(wù)，從而也保證了在井下突發(fā)情況下仍然可以得到人員 精確三維位置。
本發(fā)明方法包含以下的步驟
(1) 建立井上井下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；
(2) 將井下環(huán)境中各節(jié)點(diǎn)分成固定節(jié)點(diǎn)7和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8即一個(gè)定位裝置，將 固定節(jié)點(diǎn)7的三維坐標(biāo)確定。設(shè)計(jì)認(rèn)知過(guò)程駐留到,節(jié)點(diǎn)中。
(3) 散布一些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12，該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12是用來(lái)確定其他節(jié)點(diǎn)位置的一個(gè)基
準(zhǔn)，從這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12開(kāi)始，通過(guò)認(rèn)知的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能,找到鄰居節(jié)8，計(jì)算它 們的位置，然后把己經(jīng)確定位置的節(jié)點(diǎn)都作為信標(biāo)節(jié),12，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)并計(jì)算其他未 知節(jié)點(diǎn)的位置，最終對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位。
(4) 利用固定節(jié)7的三維坐標(biāo)定位未知節(jié)點(diǎn)8的三維坐標(biāo)。
(5) 在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)10或11損壞或能源耗盡前，將該節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息遷移到其 他節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可以是中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)也可以是鄰居節(jié)點(diǎn)，如移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8或固定 節(jié)點(diǎn)7。
如圖1所示，該井下定位系統(tǒng)分成4個(gè)層次，分別為管理層次即地面調(diào)度 中心2和網(wǎng)絡(luò)管理中心1、數(shù)據(jù)交換層即路由器4和交換機(jī)5、無(wú)線調(diào)度通信終 端6、井下節(jié)點(diǎn)，將井下節(jié)點(diǎn)分成固定節(jié)點(diǎn)7，例如大型機(jī)械設(shè)備、抽水排風(fēng)設(shè) 備和非固定節(jié)點(diǎn)8，預(yù)先設(shè)置固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)到固定節(jié)點(diǎn)7中。在正常情況 下無(wú)線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8和固定節(jié)點(diǎn)7可以通過(guò)無(wú)線通信終端6和主服務(wù)器即地面調(diào) 度中心2、網(wǎng)絡(luò)管理中心l進(jìn)行聯(lián)系，如圖中左邊的巷道。在終端設(shè)備發(fā)生損壞 的情況下，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇最近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系；在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能源即將耗盡情況 下，遷移服務(wù)信息到多個(gè)固定節(jié)點(diǎn)設(shè)備或無(wú)線終端設(shè)備上，如圖中的右邊巷道。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的眾多節(jié)點(diǎn)中,首先預(yù)先散布一些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12,從這些信標(biāo) 節(jié)點(diǎn)12開(kāi)始，通過(guò)認(rèn)知的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能，找到鄰居節(jié)點(diǎn),計(jì)算它們的位置，然后 把己經(jīng)確定位置的節(jié)點(diǎn)都作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)并計(jì)算其他未知節(jié)點(diǎn)的位 置，最終對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位。
具體基于認(rèn)知的自身定位過(guò)程包括選擇、吸收、操作和使用信息，在選擇 過(guò)程中固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)尋找最近范圍內(nèi)的有用無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)， 當(dāng)物理范圍最近無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)損壞，選擇下一個(gè)次鄰接節(jié)點(diǎn)。在吸 收過(guò)程中井下固定節(jié)點(diǎn)吸收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信息，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的信息遷移到固定
節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，按照需要返回源移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或提交地面中心節(jié)點(diǎn)。
如圖2在節(jié)點(diǎn)的操作過(guò)程中包含三個(gè)過(guò)程，分別是測(cè)距、定位和修正等三
個(gè)連續(xù)階段在測(cè)距階段中,通過(guò)認(rèn)知測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12和鄰居節(jié)點(diǎn)8之間的距離; 在定位階段中,未知節(jié)點(diǎn)在計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12的距離后，利 用三邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)法通過(guò)認(rèn)知計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);在修正階段中， 通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知對(duì)求得的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行求精，提高定位精度,減少誤差。
測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)8之間的距離的主要方法是從信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 12發(fā)送一個(gè)包含自身位置信息和發(fā)送時(shí)間t 1的移動(dòng)認(rèn)知，接收認(rèn)知的鄰居節(jié) 點(diǎn)記錄認(rèn)知到達(dá)的時(shí)間t 2,通過(guò)計(jì)算t 2- t 1得到認(rèn)知從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12移動(dòng)過(guò)來(lái) 的傳播時(shí)間t ;假設(shè)移動(dòng)認(rèn)知的傳播速度是v ，那么可以通過(guò)計(jì)算v X t得到信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)12到某鄰居節(jié)點(diǎn)的距離d 。
但是考慮到移動(dòng)認(rèn)知的傳播速度比較快,為了得到比較精確的傳送時(shí)間,將 上述算法進(jìn)行改進(jìn)。在移動(dòng)認(rèn)知中設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器,一個(gè)用來(lái)記錄認(rèn)知的移動(dòng)次 數(shù),設(shè)置其初始值為a;另一個(gè)是時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，設(shè)置其初始值為b(b>a)。讓認(rèn)知在信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)12和某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間來(lái)回移動(dòng)。當(dāng)認(rèn)知開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)候,時(shí)鐘計(jì)數(shù)器便 開(kāi)始倒數(shù)計(jì)時(shí);當(dāng)認(rèn)知到達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,移動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)器加l;當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 中值減為0時(shí)，認(rèn)知到達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn)后不再移動(dòng)。這時(shí)假設(shè)移動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)器中值為 n,那么可以計(jì)算出移動(dòng)認(rèn)知從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)12傳播到某鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為t =(b-a)/ n ,則可以計(jì)算出它們之間的距離為d = v (b-a)/ n 。
測(cè)距過(guò)程完成后，就要利用這些距離信息通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 在一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng)中,己知未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離就可以唯一確定這 個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。因此，反復(fù)通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知進(jìn)行測(cè)距,測(cè)量出一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，就可以通過(guò)傳遞認(rèn)知過(guò)程用三邊測(cè)量法來(lái)計(jì)算其自身坐標(biāo)。為了
使節(jié)點(diǎn)的定位更為精確，可以通過(guò)多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知進(jìn)行多次測(cè)距計(jì)算，對(duì)得 到的坐標(biāo)求數(shù)學(xué)期望，從而得到較為精確的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。此時(shí)，可以將該未知節(jié)點(diǎn)標(biāo) 識(shí)為新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，參與其他未知節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算。
如圖3示，利用固定節(jié)點(diǎn)7的三維坐標(biāo)，以認(rèn)知中定位的距離為基礎(chǔ)，定 位未知節(jié)點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)?？梢岳谜J(rèn)知的多次遷移，多個(gè)節(jié)點(diǎn)間合作，
求出唯一的三維坐標(biāo)。設(shè)三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)為(al,bl,cl)、 (a2,b2,c2)、 (a3,b3,c3),—個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的和三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)間的距離為x、 y、 z。通過(guò)認(rèn)知過(guò)程 可以得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)間的距離A、 B、 C。'可以得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
如圖4所示，當(dāng)待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，或設(shè)備有損時(shí)，通過(guò)遷移認(rèn)知， 將該節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息遷移到鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算。
如圖5所示，定位信息的遷移可以進(jìn)行多次的遷移，能夠容忍多節(jié)點(diǎn)的損 壞，既在最壞情況下仍可以通過(guò)遷移信道13或主服務(wù)信道14向主服務(wù)器節(jié)點(diǎn) 即無(wú)線調(diào)度通信終端6遷移。
權(quán)利要求
1、一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，包括網(wǎng)絡(luò)管理中心(1)和地面調(diào)度中心(2)構(gòu)成的管理層、路由器(4)和交換機(jī)(5)構(gòu)成的數(shù)據(jù)交換層、無(wú)線調(diào)度通信終端(6)、井下固定節(jié)點(diǎn)(7)、井下非固定節(jié)點(diǎn)(8)、巷道平面(9)、設(shè)備損壞能源耗盡站點(diǎn)(10)、能源耗盡服務(wù)遷移站點(diǎn)(11)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)、遷移信道(13)、主服務(wù)信道(14)，其特征在于所述的定位方法包括如下步驟1)通過(guò)INTERNET(3)連接網(wǎng)絡(luò)管理中心(1)、地面調(diào)度中心(2)、路由器(4)、交換機(jī)(5)和無(wú)線調(diào)度通信終端(6)，在井下巷道平面(9)設(shè)置井下固定節(jié)點(diǎn)(7)和井下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(8)，建立井上、井下有線、無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)；2)井下在固定節(jié)點(diǎn)(7)中設(shè)置三維坐標(biāo)即為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)；3)通過(guò)認(rèn)知測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)和鄰居節(jié)點(diǎn)(8)之間的距離；4)通過(guò)認(rèn)知計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)的距離后，利用三邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)法通過(guò)認(rèn)知計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；5)通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知對(duì)求得的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行求精，提高定位精度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，其特征在于所 述的測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)(8)之間的距離的主要方法是從信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)發(fā)送一個(gè)包含自身位置信息和發(fā)送時(shí)間t 1的移動(dòng)認(rèn)知(8),接收 認(rèn)知的鄰居節(jié)點(diǎn)記錄認(rèn)知到達(dá)的時(shí)間t 2,通過(guò)計(jì)算t 2- t 1得到認(rèn)知從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)移動(dòng)過(guò)來(lái)的傳播時(shí)間t ;假設(shè)移動(dòng)認(rèn)知的傳播速度是v,那么可以通過(guò)計(jì)算 v X t得到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)到某鄰居節(jié)點(diǎn)的距離d 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，其特征在于 所述的測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離的算法是在移動(dòng)認(rèn)知中 設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器,一個(gè)用來(lái)記錄認(rèn)知的移動(dòng)次數(shù),設(shè)置其初始值為a;另一個(gè)是時(shí)鐘 計(jì)數(shù)器,設(shè)置其初始值為b(b〉a);讓認(rèn)知在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)和某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間 來(lái)回移動(dòng)；當(dāng)認(rèn)知開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)候,時(shí)鐘計(jì)數(shù)器便開(kāi)始倒數(shù)計(jì)時(shí);當(dāng)認(rèn)知到達(dá)鄰居 節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,移動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)器加l;當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器中值減為0時(shí)，認(rèn)知到達(dá)鄰居節(jié) 點(diǎn)后不再移動(dòng)；假設(shè)移動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)器中值為n ,那么可以計(jì)算出移動(dòng)認(rèn)知從信標(biāo) 節(jié)點(diǎn)(12)傳播到某鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為t—b-a)/n，則可以計(jì)算出它們之間的距 離為d = v(b-a)/n 。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，其特征在于所述的距離信息通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)在一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng)中，已知 未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)的距離就可以唯一確定這個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；因此， 反復(fù)通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知進(jìn)行測(cè)距,測(cè)量出一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離,就可 以通過(guò)傳遞認(rèn)知過(guò)程用三邊測(cè)量法來(lái)計(jì)算其自身坐標(biāo)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，其特征在于所 述的測(cè)量計(jì)算方法是通過(guò)多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12)的認(rèn)知進(jìn)行多次測(cè)距計(jì)算,對(duì)得到 的坐標(biāo)求數(shù)學(xué)期望,從而得到較為精確的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；將該未知節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)為新的信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)(12),參與其他未知節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，其特征在于所 述的定位方法是利用固定節(jié)點(diǎn)(7)的三維坐標(biāo)，以認(rèn)知中定位的距離為基礎(chǔ)， 定位未知節(jié)點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)；可以利用認(rèn)知的多次遷移，多個(gè)節(jié)點(diǎn)間合 作，求出唯一的三維坐標(biāo)；設(shè)三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)為(al,bl,cl)、 (a2,b2,c2)、 (a3，b3，c3),—個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的和三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)間的距離為x、 y、 z;通過(guò)認(rèn)知過(guò)程 可以得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)間的距離A、 B、 C，得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，其特征在于所 述的定位方法說(shuō)明當(dāng)待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(10)的能量耗盡，或設(shè)備有損時(shí)，通過(guò)遷 移認(rèn)知，將該節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息遷移到鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法，其特征在于所 述的定位信息的遷移可以進(jìn)行多次的遷移，能夠容忍多節(jié)點(diǎn)的損壞，既在最壞 情況下仍可以通過(guò)遷移信道(13)或主服務(wù)信道(14)向主服務(wù)器節(jié)點(diǎn)無(wú)線調(diào)度通信終端(6)遷移。
全文摘要
本發(fā)明涉及礦井下目標(biāo)定位方法，具體地說(shuō)是涉及一種基于認(rèn)知的井下無(wú)線定位方法。本發(fā)明所述的定位方法包括如下步驟1)建立井上、井下有線、無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)；2)井下在固定節(jié)點(diǎn)中設(shè)置三維坐標(biāo)即為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；3)通過(guò)認(rèn)知測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離；4)通過(guò)認(rèn)知計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后，通過(guò)認(rèn)知計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；5)通過(guò)移動(dòng)認(rèn)知對(duì)求得的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行求精，提高定位精度。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是采用認(rèn)知的多次遷移和分布式計(jì)算以滿(mǎn)足井下定位中高精度、低能耗、抗損壞的需要，同時(shí)利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)和固定節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)達(dá)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的精確三維定位。
文檔編號(hào)G01S5/14GK101359047SQ20081004619
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者劉麗麗, 劉蘊(yùn)絡(luò), 建 周, 周賢偉 申請(qǐng)人:西部礦業(yè)股份有限公司