專利名稱：井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦井下目標(biāo)定位領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是涉及一種煤礦井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
煤炭是我國(guó)的主要能源，但由于我國(guó)煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，生產(chǎn)條件惡劣，井下作業(yè)人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。一旦發(fā)生事故，地面人員需及時(shí)掌握井下人員的具體位置。因此，研究煤礦井下目標(biāo)精確定位方法與系統(tǒng)，對(duì)于保障井下安全生產(chǎn)、應(yīng)急救援都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，井下目標(biāo)定位系統(tǒng)精度的提高將極大地促進(jìn)煤礦井下安全生產(chǎn)水平的提升。由于巷道相對(duì)密閉，無(wú)法借助GPS等地面已有的衛(wèi)星定位來(lái)輔助井下的目標(biāo)定位；礦井定位目標(biāo)是在限定空間內(nèi)，定位設(shè)備的體積不能太大；井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，井下定位裝置必須是防爆型電氣設(shè)備；巷道內(nèi)的無(wú)線信道環(huán)境惡劣，存在著大量的反射、散射、衍射以及透射等現(xiàn)象。這些使地面成熟的定位方法不能直接應(yīng)用于煤礦井下。目前國(guó)內(nèi)外目標(biāo)定位技術(shù)采用的無(wú)線傳輸介質(zhì)主要以電磁波為主。以電磁波為傳輸介質(zhì)的定位方法主要分為基于測(cè)距(Range-based)的方法和基于非測(cè)距(Range-free)方法。Range-based方法通過(guò)測(cè)量點(diǎn)到點(diǎn)的距離和角度，使用三邊測(cè)量(Trilateration)、三角測(cè)量(Triangulation)或最大似然估計(jì)(Multilateration)算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置；Range-free方法則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通屬性估算節(jié)點(diǎn)位置。Range-based 方法主要有接收信號(hào)強(qiáng)度指不(Receiced Signal StrengthIndiction, RSSI)、到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival, TOF)、到達(dá)時(shí)間差(Time Difference ofArrival,TDOA)和到達(dá)角度(Angle of Arrival,A0A)等,后三種方法對(duì)硬件的要求都非常高，從成本角度考慮，不適合應(yīng)用于煤礦井下，基于RSSI方法進(jìn)行測(cè)距時(shí)，當(dāng)距離較小時(shí)對(duì)接收機(jī)的靈敏度要求很高，誤差難以保證。典型的Range-free定位算法包括DV-Hop、凸規(guī)劃、MDS-MAP等,Range-free方法無(wú)需測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離和到達(dá)角度，在無(wú)線節(jié)點(diǎn)的成本和功耗方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但是定位精度與錨節(jié)點(diǎn)的密度和布置策略有關(guān)，提高精度就需要增加錨節(jié)點(diǎn)的密度，但錨節(jié)點(diǎn)的布置受巷道和工作環(huán)境限制，一方面，狹窄的空間內(nèi)無(wú)法保證錨節(jié)點(diǎn)的隨意布置，另一方面，增加錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量除了意味著成本的提高外，還導(dǎo)致故障率的升高和可靠性的降低。目前國(guó)內(nèi)取得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證的井下目標(biāo)定位系統(tǒng)(有些稱為位置檢測(cè)系統(tǒng)或作業(yè)人員管理系統(tǒng)等)，均采用電磁波作為無(wú)線傳輸介質(zhì)，有基于RFID、藍(lán)牙、WiFi和ZigBee等不同技術(shù)和協(xié)議，其中以RFID技術(shù)最普遍，但RFID的技術(shù)特點(diǎn)決定了定位精度取決于讀卡器的密度，這就限制了定位精度的提高，所以很多基于RFID技術(shù)的系統(tǒng)嚴(yán)格地說(shuō)并不具備“定位”功能，而只是“位置檢測(cè)”，只能確定井下人員的大致區(qū)域；藍(lán)牙技術(shù)傳輸距離短，抗干擾能力差，礦井環(huán)境中穩(wěn)定性較差；目前，在國(guó)內(nèi)使用的目標(biāo)定位系統(tǒng)的精度均、大于5米，目前國(guó)內(nèi)礦井巷道的寬度一般不大于10米，也就是說(shuō)，目前礦井目標(biāo)定位系統(tǒng)只能給出定位目標(biāo)在巷道縱向上的信息。國(guó)內(nèi)礦井目標(biāo)定位系統(tǒng)傳輸介質(zhì)全部是電磁波，如采用基于測(cè)距的TDOA和AOA定位算法，對(duì)硬件要求很高，井下的硬件條件基本無(wú)法滿足，如采用基于測(cè)距的RSSI方法，在近距離范圍內(nèi)精度很難保證，如采用基于非測(cè)距方法，對(duì)錨節(jié)點(diǎn)的密度和布置策略有很高的要求，這在煤礦井下工作環(huán)境中是難以實(shí)現(xiàn)的。利用超聲波進(jìn)行較近目標(biāo)測(cè)距時(shí)可以達(dá)到較高的精度；超聲波的傳播速度遠(yuǎn)低于電磁波，對(duì)硬件要求較低；超聲波分辨率較高，對(duì)光照度和電磁場(chǎng)不敏感，適應(yīng)煤礦井下惡劣環(huán)境；超聲波測(cè)距只需一端發(fā)射信號(hào)，另一端無(wú)需安裝其他裝置，只通過(guò)檢測(cè)反射回來(lái)的超聲波到達(dá)的時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)非常精確的測(cè)距，超聲波測(cè)距結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于小型化與集成化。但是，超聲波在空氣中的衰減較大，只適用于較小距離內(nèi)的測(cè)距。綜上所述，電磁波和超聲波有各自的優(yōu)勢(shì)，單純的使用一種無(wú)線介質(zhì)難以實(shí)現(xiàn)井下目標(biāo)精確定位。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的井下目標(biāo)定位系統(tǒng)和一種定位精度高，算法簡(jiǎn)單的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法。該系統(tǒng)及方法根據(jù)電磁波、超聲波的特性，并結(jié)合巷道的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用少量的錨節(jié)點(diǎn)和簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的目標(biāo)定位，可以很好的滿足礦井目標(biāo)定位的需要。本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)和方法的實(shí)現(xiàn)思想如下井下移動(dòng)目標(biāo)(包括井下工作人員和其他移動(dòng)設(shè)備)攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)安置在巷道頂板，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)向一側(cè)巷道壁發(fā)射超聲波信號(hào)測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的橫向坐標(biāo)，通過(guò)向巷道底面發(fā)射超聲波信號(hào)，測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的高度，并通過(guò)接收錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波定位信號(hào)，測(cè)得其信號(hào)強(qiáng)度來(lái)獲得錨節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的算法即可得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)的坐標(biāo)位置。上述系統(tǒng)是一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下目標(biāo)定位系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控中心、上層終端、井下中心站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，定位錨節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備包括井下中心站，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，總線，定位錨節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，全部是本質(zhì)安全型設(shè)備。所述地面監(jiān)控中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。地面監(jiān)控中心從井下中心站接收從井下發(fā)來(lái)的定位數(shù)據(jù)包,處理定位數(shù)據(jù)包，并且，地面監(jiān)控中心通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)連接上層終端，將實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上層終端。所述上層終端是處在遠(yuǎn)地的監(jiān)控中心，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心連接，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。所述井下中心站是本質(zhì)安全型交換機(jī)，負(fù)責(zé)匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線發(fā)過(guò)來(lái)的信息，并通過(guò)光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源及總線模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)支持IEEE802. 15. 4等協(xié)議，錨節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信采用IEEE802. 15. 4等協(xié)議，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)布設(shè)在每條支巷道的末端負(fù)責(zé)接收錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，、并將其通過(guò)總線傳送到井下中心站。所述錨節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源。錨節(jié)點(diǎn)懸掛于在巷道的頂板，到兩側(cè)巷道壁的距離相等，并且所有錨節(jié)點(diǎn)與巷道底面的距離都相同，錨節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波定位信號(hào)，接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的電磁波定位請(qǐng)求信號(hào)和定位數(shù)據(jù)包，錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信采用IEEE802. Ilb協(xié)議，錨節(jié)點(diǎn)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)包發(fā)送至相鄰錨節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收相鄰錨節(jié)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)包并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)至相鄰的另一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，接力轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)包直至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間以及錨節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信均采用IEEE802. 15. 4等協(xié)議，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的數(shù)字編號(hào)N，與其坐標(biāo)位置相對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)于地面監(jiān)控中心；規(guī)定井下巷道縱向坐標(biāo)軸坐標(biāo)增大的方向?yàn)檎较?，N的數(shù)值沿著正方向增大。所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元、電磁波收發(fā)單元、超聲波收發(fā)單元、傳感器、電源，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的識(shí)別碼，對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)于地面監(jiān)控中心。移動(dòng)節(jié)點(diǎn) 使用超聲波測(cè)量其與巷道壁和巷道底面的距離，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用IEEE802. Ilb協(xié)議與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的接收強(qiáng)度和錨節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)，處理形成定位數(shù)據(jù)包；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)同樣采用IEEE802. Ilb協(xié)議將定位數(shù)據(jù)包發(fā)送給最近的貓節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)錨節(jié)點(diǎn)間的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)控中心。所述總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線，連接網(wǎng)關(guān)與井下中心站，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與井下中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸。所述光纖連接井下中心站與地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)井下中心站與地面監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上的傳感器，用于檢測(cè)周圍環(huán)境信息，采用與定位數(shù)據(jù)相同的傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控中心。所述井下電磁波超聲波聯(lián)合目標(biāo)定位方法，包括以下步驟A.根據(jù)巷道空間結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，布設(shè)錨節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及井下中心站；B.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向一側(cè)巷道壁及巷道底面發(fā)射超聲波信號(hào),分別接收超聲波反射回波，記錄發(fā)射超聲波時(shí)刻h，記錄接收到巷道壁反射回波的時(shí)刻t21和巷道底面反射回波的時(shí)刻t22 ；C.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向周圍錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)，接收到該請(qǐng)求信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射包含錨節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)的電磁波定位信號(hào)；D.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到附近錨節(jié)點(diǎn)的電磁波定位信號(hào)，處理形成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位數(shù)據(jù)包并發(fā)給錨節(jié)點(diǎn)，通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)的接力轉(zhuǎn)發(fā)，最終傳至地面監(jiān)控中心；E.地面監(jiān)控中心接收到轉(zhuǎn)發(fā)上來(lái)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)包后，提取其中的信息，計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。所述步驟A包括下列步驟Al.在巷道內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)沿巷道縱向一字排開吊掛在巷道頂板，錨節(jié)點(diǎn)到兩側(cè)巷道壁的距離相等，所有錨節(jié)點(diǎn)到巷道底面的距離相同，任意兩個(gè)相鄰錨節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信距離，不大于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電磁波信號(hào)的覆蓋半徑，保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)任意位置都至少有兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收到其發(fā)射的電磁波信號(hào)；A2.根據(jù)井下巷道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在每條支巷道的端點(diǎn)布設(shè)一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與巷道端點(diǎn)處的錨節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信距離；A3.根據(jù)井下巷道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，選擇既便于通過(guò)光纖連接地面監(jiān)控中心又便于通過(guò)總線連接各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的地點(diǎn)安置井下中心站，井下中心站通過(guò)總線與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，通過(guò)光纖與地面監(jiān)控中心相連。
所述步驟B中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波信號(hào)采用碼分多址的方法提高信號(hào)的抗干擾能力，根據(jù)井下移動(dòng)目標(biāo)的數(shù)量，生成PN碼，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)一個(gè)PN碼，與其名稱或身份相對(duì)應(yīng)。所述步驟D包括下列步驟Dl.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到附近錨節(jié)點(diǎn)的電磁波定位信號(hào)，首先測(cè)得各信號(hào)到達(dá)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，記為PKi，i = 1,2,…n，n為接收到的錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)數(shù)，選擇信號(hào)強(qiáng)度最大的兩個(gè)信號(hào)，記兩個(gè)中最大的信號(hào)強(qiáng)度為Pftliax，提取兩個(gè)信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)NpN2，拋棄其它信號(hào)，N1表示信號(hào)強(qiáng)度最大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，N2表示信號(hào)強(qiáng)度第二大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，設(shè)一個(gè)方向指數(shù)k，規(guī)定如果N1 > N2，方向指數(shù)k = 1，如果N1 < N2，方向指數(shù)k = 2 ；D2.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將Psmax' t21、t22、N1、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)識(shí)別碼和方向指數(shù)k組成定位數(shù)據(jù)包，發(fā)送給N1錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)再通過(guò)接力轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)包至所在巷道端點(diǎn)處的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；D3.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到定位數(shù)據(jù)包后，通過(guò)總線轉(zhuǎn)發(fā)給井下中心站，井下中心站通過(guò)光纖發(fā)送至地面監(jiān)控中心。所述步驟E包括下列步驟El.地面監(jiān)控中心從井下中心站接收轉(zhuǎn)發(fā)上來(lái)的定位數(shù)據(jù)包，提取數(shù)據(jù)包中的錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度PK_，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射超聲波時(shí)刻h及接收到從巷道壁和巷道底面反射回波的時(shí)刻t21、t22，方向指數(shù)k ；E2.地面監(jiān)控中心根據(jù)存儲(chǔ)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)與移動(dòng)目標(biāo)的名稱或身份的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提取移動(dòng)目標(biāo)的名稱或身份；E3.地面監(jiān)控中心根據(jù)存儲(chǔ)的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)與其位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包中的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，提取錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，設(shè)該位置的二維坐標(biāo)為
' y )，m*兩巷道壁之間的距離，■^為橫向坐標(biāo)，y為縱向坐標(biāo)；E4.地面監(jiān)控中心根據(jù)無(wú)線信號(hào)傳播理論模型的對(duì)數(shù)-常態(tài)模型，通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度Pftliax求出錨節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離，設(shè)為山~ Pr ^nax _ 尸尤0 ^ g = 10 10 ^其中Pt為錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，5為路徑衰減因子，其數(shù)值取決于無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，Cltl為自由空間模型中發(fā)射節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，取lm，X0為標(biāo)準(zhǔn)差為O的零均值正態(tài)分布隨機(jī)變量，Pl(d0)為自由空間模型中Cltl = Im的參考點(diǎn)處的信號(hào)強(qiáng)度；帶入坐標(biāo)式
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10 咖 -{h-v(t22-tl)/2f - ^2,-0/2--)
得到移動(dòng)目標(biāo)的二維坐標(biāo)，V為超聲波在井下空氣中的傳播速度，h為錨節(jié)點(diǎn)到巷道底面的距離。本發(fā)明的有益效果是I.本發(fā)明采用基于TOF(time of flight)的超聲測(cè)距方法測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的橫向坐標(biāo)，超聲測(cè)距可以由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成，無(wú)需其它錨節(jié)點(diǎn)配合，使得定位系統(tǒng)所需的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅度減少，極大的減少了構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的成本及能量開銷。2.本發(fā)明采用電磁測(cè)距測(cè)量較遠(yuǎn)范圍內(nèi)的距離，使用超聲波測(cè)距測(cè)量較近范圍內(nèi)的距離，超聲波測(cè)距的精度很高，可以達(dá)到毫米級(jí)，甚至更高，目前煤礦井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射頻識(shí)別技術(shù),只能確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是否通過(guò)某個(gè)讀卡器，本發(fā)明大大提高了定位的精度。3.本發(fā)明采用直接測(cè)得橫縱坐標(biāo)的方法，并且算法非常簡(jiǎn)便，使得算法對(duì)硬件的要求大幅度降低，減小了因?yàn)閺?fù)雜的算法帶來(lái)的電能消耗，算法的簡(jiǎn)單使得系統(tǒng)中傳送到數(shù)據(jù)很少，減小了定位數(shù)據(jù)占用的帶寬，也減小了定位的延時(shí)。


圖I是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)的組成框圖；圖2是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)井下布設(shè)示意圖；圖3是本發(fā)明的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電路框圖；圖4是本發(fā)明的錨節(jié)點(diǎn)的電路框圖；圖5是本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電路框圖；圖6是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法的巷道內(nèi)俯視示意圖；圖7是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法的巷道內(nèi)側(cè)面示意圖；圖8是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)錨節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系示意圖；圖9是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法的巷道內(nèi)側(cè)面簡(jiǎn)圖；圖10是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法的巷道內(nèi)俯視簡(jiǎn)圖；圖11是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法的立體簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容和優(yōu)勢(shì)更加清楚明了，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)及方法進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)及方法，是一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下目標(biāo)定位系統(tǒng)及方法，主要針對(duì)在井下目標(biāo)定位方面現(xiàn)有技術(shù)在定位精度、成本限制等方面的不足，基于電磁波、超聲波的本身屬性及井下巷道的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種采用電磁波超聲聯(lián)合的高精度定位方法，和一種結(jié)合該方法構(gòu)成的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)井下目標(biāo)定位系統(tǒng)。定位方法的實(shí)現(xiàn)主要由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本身和一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來(lái)完成井下移動(dòng)目標(biāo)(包括井下工作人員和其他移動(dòng)設(shè)備)攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)安置在巷道頂板，其距兩側(cè)巷道壁的距離相等，兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波的信號(hào)覆蓋半徑設(shè)定，保、證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)任意位置都至少有兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)能夠接收到其發(fā)射的電磁波信號(hào)；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)向一側(cè)巷道壁發(fā)射超聲波信號(hào)測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的橫向坐標(biāo)，通過(guò)向巷道底面發(fā)射超聲波信號(hào)，測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的高度，通過(guò)接收錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波定位信號(hào)，獲得其信號(hào)強(qiáng)度來(lái)測(cè)得錨節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的算法即可得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)的位置坐標(biāo)。下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)及方法。圖I是井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)的組成框圖。如圖I所示，本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控中心I、井下中心站2、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)3、光纖4、總線5、錨節(jié)點(diǎn)6、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)7、上層終端8。 地面監(jiān)控中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。地面監(jiān)控中心從井下中心站接收從井下發(fā)來(lái)的定位數(shù)據(jù)包,并處理定位數(shù)據(jù)包。并且，地面監(jiān)控中心通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)連接上層終端，將實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上層終端。上層終端8是處在遠(yuǎn)地的監(jiān)控終端，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心連接，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。井下中心站2是交換機(jī)，負(fù)責(zé)匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。圖2是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)井下布設(shè)示意圖。如圖2所示，9為井下中心站，它位于井下大巷的樞紐位置，便于通過(guò)總線匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息和通過(guò)光纖4將井下的信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心；10為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，12為錨節(jié)點(diǎn)，13為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，在巷道內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)沿巷道縱向一字排開吊掛在巷道頂板，錨節(jié)點(diǎn)到兩側(cè)巷道壁的距離相等，所有錨節(jié)點(diǎn)到巷道底面的距離相同，任意兩個(gè)相鄰錨節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信距離，不大于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電磁波信號(hào)的覆蓋半徑，保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)任意位置都至少有兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收到其發(fā)射的電磁波信號(hào)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)布設(shè)在支巷道的端點(diǎn)，其與巷道端點(diǎn)處的錨節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信距離，以保證每條支巷道至少有一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)視距的電磁波傳輸將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；11為總線，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線與井下中心站連接，分支巷道內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位數(shù)據(jù)包由錨節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線電磁波接力轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再將定位數(shù)據(jù)包通過(guò)總線匯總至井下中心站。圖3是本發(fā)明的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電路框圖。如圖3所示，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元12、無(wú)線收發(fā)單元13、傳感器14、電池15。其中無(wú)線收發(fā)單元13、傳感器14都和處理器存儲(chǔ)器單元12相連。無(wú)線收發(fā)單元13包括電磁波收發(fā)單元和超聲波收發(fā)單元兩部分，分別負(fù)責(zé)發(fā)送和接收電磁波信號(hào)和超聲波信號(hào)，傳感器14負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度等信息，對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)；處理器與存儲(chǔ)器的聯(lián)系最為緊密所以看為一個(gè)單元12，負(fù)責(zé)對(duì)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和控制其它單元的運(yùn)行，另外，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)著節(jié)點(diǎn)的識(shí)別碼；電源15與每個(gè)單元連接，負(fù)責(zé)為各個(gè)單元提供電能。圖4是本發(fā)明的錨節(jié)點(diǎn)的電路框圖。
如圖4所示，錨節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元16、電磁波收發(fā)單元17、傳感器18、電池19。其與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的電路框圖相比只是將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)單元變?yōu)殡姶挪ㄊ瞻l(fā)單元，因?yàn)殄^節(jié)點(diǎn)只發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，其它部分與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的各部分功能相同。圖5是本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電路框圖。如圖5所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元20、總線模塊21，電磁波收發(fā)單元22、傳感器23、電源24。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電路框圖與錨節(jié)點(diǎn)電路框圖相比，只多了一個(gè)總線模塊21，它的作用是連接總線，其它單元的作用與上面所述圖4中的各單元作用相同。圖6是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位算法的巷道內(nèi)俯視示意圖，圖7是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位算法的巷道內(nèi)側(cè)面示意圖。如圖6、圖7所示，25、29均為錨節(jié)點(diǎn)，26、30表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)相互發(fā)射的電磁波信號(hào)，27、31均為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，28為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向巷道壁發(fā)射的超聲波信號(hào)以及反射回波，32表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向巷道底面發(fā)射的超聲波信號(hào)以及反射回波。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波定位請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)向巷道壁及巷道底面發(fā)射超聲波信號(hào)，錨節(jié)點(diǎn)接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波定位請(qǐng)求信號(hào)后，向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波定位信號(hào)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)的電磁波定位信號(hào)后，首先測(cè)得各錨節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度，記為PKi，i = 1,2,…n，n為接收到的錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)數(shù)，選擇信號(hào)強(qiáng)度最大前兩個(gè)信號(hào)，提取這兩個(gè)定位信號(hào)中的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)K、N2，拋棄其它信號(hào)，N1表示信號(hào)強(qiáng)度最大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，N2表示信號(hào)強(qiáng)度第二大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，設(shè)其中最大的信號(hào)強(qiáng)度記為PK_。這里還要產(chǎn)生用于判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在錨節(jié)點(diǎn)的正負(fù)方向的方向指數(shù)k，產(chǎn)生方法在后面介紹。設(shè)發(fā)射超聲波的時(shí)刻為h，接收到巷道壁反射波的時(shí)刻為t21，接收到巷道底面反射回波的時(shí)刻為t22，則超聲波的渡越時(shí)間分別為t21-ti和t22-ti，根據(jù)TOF(timeof flight)渡越時(shí)間檢測(cè)法即可求得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到巷道壁和到巷道底面的距離。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將Pe x、h、t21、t22、N1、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別碼和方向指數(shù)k打成定位數(shù)據(jù)包，通過(guò)臨近的錨節(jié)點(diǎn)向上轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)控端。圖8是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)錨節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系示意圖。如圖8所示，在錨節(jié)點(diǎn)33和錨節(jié)點(diǎn)34之間存在兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，分別是35和36，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)35距離錨節(jié)點(diǎn)33較近，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)36距離錨節(jié)點(diǎn)34較近，在定位移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是在所選的錨節(jié)點(diǎn)的前方還是后方，井下巷道縱向坐標(biāo)軸坐標(biāo)增大的方向?yàn)檎较颍瑒t需要判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是在錨節(jié)點(diǎn)的正方向還是負(fù)方向。本發(fā)明采取如下方法移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到附近錨節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)后，測(cè)出各定位信號(hào)到達(dá)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，選擇信號(hào)強(qiáng)度最大的兩個(gè)信號(hào)，提取信號(hào)中錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)NpN2，拋棄其它信號(hào)，N1表示信號(hào)強(qiáng)度最大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，N2表示信號(hào)強(qiáng)度第二大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，設(shè)一個(gè)方向指數(shù)k，如果N1 > N2，則方向指數(shù)k = I，如果N1 < N2，則方向指數(shù)k = 2 ;以圖8中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)35為例，其測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度最大的錨節(jié)點(diǎn)肯定是33，第二大的是34，則33的數(shù)字編號(hào)為N1, 34的數(shù)字編號(hào)為N2,設(shè)34在33的正方向，N1 < N2，則可判斷k = 2，即移動(dòng)節(jié)點(diǎn)35在錨節(jié)點(diǎn)33的正方向。圖9是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位算法的巷道內(nèi)側(cè)面簡(jiǎn)圖，圖10是本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位算法的巷道內(nèi)俯視簡(jiǎn)圖。、
如圖9、圖10所示，A代表錨節(jié)點(diǎn)，B和B'代表兩個(gè)不同位置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算B'點(diǎn)坐標(biāo)的方法與計(jì)算B的方法相同，下面主要以B點(diǎn)為例闡述，，圖9中AD表示錨節(jié)點(diǎn)的高度，BE表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的高度，因?yàn)橐苿?dòng)節(jié)點(diǎn)在礦工或者井下設(shè)備上，與錨節(jié)點(diǎn)有一定的高度差，精確的定位算法不能忽略這個(gè)高度差，BE = CD，則AC為錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的高度差。AB表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的電磁波定位信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)求出，BE通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向巷道底面超聲波信號(hào)并接收反射回波的時(shí)間求出，設(shè)BC的長(zhǎng)度為1，則的I的計(jì)算式為(I)式。
權(quán)利要求
1.一種井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)，其特征在于，包括地面監(jiān)控中心，上層終端，井下中心站，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，錨節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)； 所述地面監(jiān)控中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；地面監(jiān)控中心從井下中心站接收從井下發(fā)來(lái)的定位數(shù)據(jù)包,處理定位數(shù)據(jù)包；所述井下中心站是交換機(jī)，匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線發(fā)過(guò)來(lái)的定位數(shù)據(jù)包，通過(guò)光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心； 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)布設(shè)在支巷道的端點(diǎn)，接收錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位數(shù)據(jù)包，通過(guò)總線傳送到井下中心站； 所述每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)識(shí)別碼，與移動(dòng)目標(biāo)唯一對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)于地面監(jiān)控中心；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以超聲波為傳輸介質(zhì)向一側(cè)巷道壁及巷道底面發(fā)射超聲波信號(hào)并接收反射回波，測(cè)量其與巷道壁的距離和其與巷道底面的距離，以電磁波為傳輸介質(zhì)與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的接收強(qiáng)度和錨節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)，處理形成定位數(shù)據(jù)包；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將定位數(shù)據(jù)包發(fā)送給最近的錨節(jié)點(diǎn)，定位數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)錨節(jié)點(diǎn)間的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)控中心; 所述錨節(jié)點(diǎn)懸掛于巷道頂板，距兩側(cè)巷道壁距離相等，所有錨節(jié)點(diǎn)到巷道底面距離相同； 錨節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波定位信號(hào)，接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波定位請(qǐng)求信號(hào)和定位數(shù)據(jù)包，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)包發(fā)送至相鄰錨節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收相鄰錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)至相鄰的另一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，接力轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包直至到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)數(shù)字編號(hào)N，數(shù)字編號(hào)與其位置坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)于地面監(jiān)控中心；規(guī)定井下巷道縱向坐標(biāo)軸坐標(biāo)增大的方向?yàn)檎较?，N的數(shù)值沿著正方向增大； 所述總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線，連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與井下中心站，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與井下中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸； 所述光纖連接井下中心站與地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心與井下中心站的數(shù)據(jù)傳輸; 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上安裝傳感器，檢測(cè)周圍的環(huán)境信息，采用與定位數(shù)據(jù)信息相同的傳輸方式,將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控中心； 所述上層終端是處在遠(yuǎn)地的監(jiān)控中心，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心連接，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)； 所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)中的井下設(shè)備，包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線、錨節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，全是本質(zhì)安全型設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源、總線模塊； 所述錨節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源； 所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元、電磁波收發(fā)單元、超聲波收發(fā)單元、傳感器、電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)，其特征在于，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器、電磁波收發(fā)單元、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的超聲波收發(fā)單元和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊分別與各節(jié)點(diǎn)中的處理器存儲(chǔ)器單元相連；各節(jié)點(diǎn)的電磁波收發(fā)單元接收和發(fā)送無(wú)線電磁波信號(hào)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的超聲波收發(fā)單元接收和發(fā)送超聲波信號(hào)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度信息；各節(jié)點(diǎn)中的處理器存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)、處理接收的數(shù)據(jù)，控制其它單元的運(yùn)行；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊連接總線；各節(jié)點(diǎn)中的電源提供電能。
4.一種井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法，其特征在于，包括下列步驟 A.根據(jù)巷道空間結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，布設(shè)錨節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及井下中心站； B.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性向一側(cè)巷道壁及巷道底面發(fā)射超聲波信號(hào)，分別接收超聲波反射回波，記錄發(fā)射超聲波時(shí)刻h，記錄接收到巷道壁反射回波的時(shí)刻t21，記錄接收到巷道底面反射回波的時(shí)刻t22 ； C.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向周圍錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波定位請(qǐng)求信號(hào)，接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位請(qǐng)求信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射包含錨節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)的電磁波定位信號(hào)； D.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到附近錨節(jié)點(diǎn)的電磁波定位信號(hào)，處理形成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位數(shù)據(jù)包并通過(guò)電磁波信號(hào)發(fā)給錨節(jié)點(diǎn)，通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)的接力轉(zhuǎn)發(fā)，最終傳至地面監(jiān)控中心； E.地面監(jiān)控中心接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)包后，根據(jù)其中的定位信息計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法，其特征在于，所述步驟A包括下列步驟 Al.在巷道內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)沿巷道縱向一字排開吊掛在巷道頂板，錨節(jié)點(diǎn)到兩側(cè)巷道壁的距離相等，所有錨節(jié)點(diǎn)到巷道底面的距離相同，任意兩個(gè)相鄰錨節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信距離，不大于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電磁波信號(hào)的覆蓋半徑，保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)任意位置都至少有兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收到其發(fā)射的電磁波信號(hào)； A2.根據(jù)井下巷道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在每條支巷道的端點(diǎn)布設(shè)一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與巷道端點(diǎn)處的錨節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信距離； A3.根據(jù)井下巷道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，選擇既便于通過(guò)光纖連接地面監(jiān)控中心又便于通過(guò)總線連接各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的地點(diǎn)安置井下中心站，井下中心站通過(guò)總線與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，通過(guò)光纖與地面監(jiān)控中心相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法，其特征在于，所述步驟B中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波信號(hào)采用碼分多址的方法提高信號(hào)的抗干擾能力，根據(jù)井下移動(dòng)目標(biāo)的數(shù)量，生成PN碼，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)唯一的PN碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法，其特征在于，所述步驟D包括下列步驟 Dl.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到附近錨節(jié)點(diǎn)的電磁波定位信號(hào)，首先測(cè)得各信號(hào)到達(dá)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，記為PKi，i = 1,2,…n，n為接收到的錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)數(shù)，選擇信號(hào)強(qiáng)度最大的兩個(gè)信號(hào)，記兩個(gè)中最大的信號(hào)強(qiáng)度為PKmax，提取兩個(gè)信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)NpN2，拋棄其它信號(hào)，N1表示信號(hào)強(qiáng)度最大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，N2表示信號(hào)強(qiáng)度第二大的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，設(shè)一個(gè)方向指數(shù)k，規(guī)定如果N1 > N2，方向指數(shù)k = 1，如果N1 < N2，方向指數(shù)k = 2 ; D2.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將PKmax、t21、t22、K、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)識(shí)別碼和方向指數(shù)k組成定位數(shù)據(jù)包，發(fā)送給N1錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)再通過(guò)接力轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)包至所在巷道端點(diǎn)處的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)； D3.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到定位數(shù)據(jù)包后，通過(guò)總線轉(zhuǎn)發(fā)給井下中心站，井下中心站通過(guò)光纖發(fā)送至地面監(jiān)控中心。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法，其特征在于，所述步驟E包括下列步驟 El.地面監(jiān)控中心提取移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包中的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別碼，錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度Psmax，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射超聲波時(shí)刻^及接收到從巷道壁和巷道底面反射回波的時(shí)刻t21、t22，方向指數(shù)k ; E2.地面監(jiān)控中心根據(jù)存儲(chǔ)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)識(shí)別碼與其身份的對(duì)應(yīng)關(guān)系和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)識(shí)別碼，確定移動(dòng)目標(biāo)的身份； E3.地面監(jiān)控中心根據(jù)存儲(chǔ)的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)與其位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù) 據(jù)包中的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)字編號(hào)，提取錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，設(shè)該位置的二維坐標(biāo)為(|，y )，m為兩巷道壁之間的距離，I為橫向坐標(biāo)，y為縱向坐標(biāo)； E4.地面監(jiān)控中心根據(jù)無(wú)線信號(hào)傳播理論模型的對(duì)數(shù)-常態(tài)模型，通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度Pftliax求出錨節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離，設(shè)為山
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于煤礦井下的電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)及方法。本系統(tǒng)包括設(shè)在井上的地面監(jiān)控終端，設(shè)在井下的中心站，多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，設(shè)在遠(yuǎn)地點(diǎn)上層終端，其中應(yīng)用于井下的設(shè)備均是本質(zhì)安全型設(shè)備。本方法是一種使用電磁波和超聲波配合的聯(lián)合定位方法，根據(jù)巷道的空間結(jié)構(gòu)和電磁波、超聲波的本身屬性特點(diǎn)，使用可以同時(shí)發(fā)射電磁波和超聲波兩種無(wú)線信號(hào)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)對(duì)數(shù)-常態(tài)模型，使用電磁波測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)TOF測(cè)距原理，使用超聲波測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到巷道壁的距離和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到巷道底面的距離，進(jìn)而使用簡(jiǎn)單的算法直接得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)精確定位。本發(fā)明的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)及方法定位精度高，成本低，并且耗能少，系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H04W4/04GK102638763SQ20121013504
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者李宗偉, 田子建 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京), 李宗偉