专利名称：基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及煤矿井下安全监控领域，具体地说，是涉及一种基于几何约束的煤矿井下电磁波超声联合定位系统及方法。
背景技术：
煤炭是我国的主要能源，但由于我国煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，井下作业人员的生命安全受到严重威胁。一旦发生事故，地面人员需及时掌握井下人员的具体位置。因此，研究煤矿井下目标精确定位方法与系统，对于保障井下安全生产、应急救援都具有重要的现实意义，井下目标定位系统精度的提高将极大地促进煤矿井下安全生产水平的提
升。 由于巷道相对密闭，无法借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下的目标定位；矿井定位目标是在限定空间内，定位设备的体积不能太大；井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，井下定位装置必须是防爆型电气设备；巷道内的无线信道环境恶劣，存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。这些使地面成熟的定位方法不能直接应用于煤矿井下。目前国内外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)、三角测量(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,TDOA)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，当距离较小时对接收机的灵敏度要求很高，误差难以保证。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，提高精度就需要增加锚节点的密度，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，另一方面，增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。目前国内取得矿用产品安全标志证的井下目标定位系统(有些称为位置检测系统或作业人员管理系统等)，均采用电磁波作为无线传输介质，有基于RFID、蓝牙、WiFi和ZigBee等不同技术和协议，其中以RFID技术最普遍，但RFID的技术特点决定了定位精度取决于读卡器的密度，这就限制了定位精度的提高，所以很多基于RFID技术的系统严格地说并不具备“定位”功能，而只是“位置检测”，只能确定井下人员的大致区域；蓝牙技术传输距离短，抗干扰能力差，矿井环境中稳定性较差；目前，在国内使用的目标定位系统的精度均大于5米，目前国内矿井巷道的宽度一般不大于10米，也就是说，目前矿井目标定位系统只能给出定位目标在巷道纵向上的信息。国内矿井目标定位系统传输介质全部是电磁波，如采用基于测距的TDOA和AOA定位算法，对硬件要求很高，井下的硬件条件基本无法满足，如采用基于测距的RSSI方法，在近距离范围内精度很难保证，如采用基于非测距方法，对锚节点的密度和布置策略有很高的要求，这在煤矿井下工作环境中是难以实现的。利用超声波进行较近目标测距时可以达到较高的精度；超声波的传播速度远低于电磁波，对硬件要求较低；超声波分辨率较高，对光照度和电磁场不敏感，适应煤矿井下恶劣环境；超声波测距只需一端发射信号，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，超声波测距结构简单，易于小型化与集成化。但是，超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小距离内的测距。 综上所述，电磁波和超声波有各自的优势，单纯的使用一种无线介质难以实现井下目标精确定位。
发明内容
本发明的目的在于，针对井下目标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，公开一种结构简单的井下目标定位系统和一种定位精度高，算法简单的基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法。该系统及方法根据电磁波、超声波的特性，并结合巷道的空间结构特点，利用少量的锚节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，可以很好的满足矿井目标定位的需要。本发明的基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法的实现思想如下井下移动目标(包括井下工作人员和其他移动设备)佩戴移动节点，锚节点安置在巷道顶板，移动节点通过向一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波测得移动节点的横向坐标，通过接收前后两个锚节点发射的电磁波信号，根据已知的两个锚节点之间的距离这一约束条件，得到移动节点的纵向坐标，进而得到移动节点在巷道内的二维位置坐标。本发明的定位系统是一种基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)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。在系统中涉及的井下设备包括井下中心站，网关节点，总线，定位锚节点，移动节点，全部是本质安全型设备。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，并且，地面监控中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。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，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单元、电磁波收发单元、传感器、电源及总线�？�。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定位数据包，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识别码，识别码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-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。所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统的网关节点、锚节点、移动节点中的传感器、电磁波收发单元、移动节点中的超声波收发单元和网关节点中的总线�？榉直鹩敫鹘诘阒械拇砥鞔娲⑵鞯ピ嗔桓鹘诘愕牡绱挪ㄊ辗⒌ピ邮蘸头⑺臀尴叩绱挪ㄐ藕牛贫诘阒械某ㄊ辗⒌ピ邮蘸头⑺统ㄐ藕牛煌亟诘�、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，检测结果用与定位数据相同的传 输方式，传送到地面监控中心；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。所述基于距离约束的井下电磁波超声波联合定位方法，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、网关节点及井下中心站；B.移动节点周期性向一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波，记录发射超声波的时刻h，记录接收到巷道壁反射回波的时刻t2，同时记录传感器测得的环境温度T ；C.发射超声波信号的同时，移动节点向周围锚节点发送电磁波定位请求信号，信号中包含移动节点的识别码，接收到该请求信号的锚节点予以响应，向移动节点发射包含移动节点识别码和锚节点数字编号的电磁波定位信号；D.移动节点选择接收附近锚节点响应其请求信号发射的电磁波定位信号中包含自己识别码的定位信号，处理形成定位数据包发送给距其最近的锚节点，定位数据包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。所述步骤A包括下列步骤
Al.在巷道内锚节点沿巷道纵向一字排开吊挂在巷道顶板，锚节点到两侧巷道壁的距离相等，任意两个相邻锚节点的距离应不大于锚节点间无线通信距离，不大于移动节点电磁波信号的覆盖半径，保证移动节点在巷道内任意位置都至少有两个锚节点接收到其发射的电磁波信号；A2.根据井下巷道的结构特点，在每条支巷道的端点布设一个网关节点，网关节点与巷道端点处的锚节点的距离应不大于锚节点和网关节点之间的无线通信距离；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B中移动节点发射的超声波信号采用码分多址的方法提高信号的抗干扰能力，根据井下移动目标的数量，生成PN码，每个移动节点一个PN码，与移动节点的识别码相对应，移动节点发射的超声波信号包含自己的PN码，只接收包含自己PN码的反射回波。所述步骤D包括下列步骤Dl.移动节点选择接收附近锚节点响应其定位请求信号发射的电磁波定位信号中
包含移动节点识别码的定位信号，首先测得各定位信号的信号强度，记为i = 1，2，…
n，n为选择接收的锚节点的电磁波定位信号数，选择信号强度最大的两个信号，提取信号中锚节点的数字编号，记为H N1 < N2，抛弃其它信号，N1的信号强度记为PK1，N2的信号强度为Pk2 ;D2.移动节点将PK1、PE2> t2、T、N1, N2和移动节点识别码打成定位数据包，发送给N1或N2锚节点，如果Pki > Pe2则发送给N1锚节点，反之则发送给N2锚节点，锚节点再通过接力转发定位数据包至所在巷道端点处的网关节点；D3.网关节点收到定位数据包后，通过总线转发给井下中心站，井下中心站通过光纤发送至地面监控中心。所述步骤E包括下列步骤El.地面监控中心从井下中心站接收转发上来的定位数据包，提取数据包中的Pei> Pr2> t2、T、N1, N2和移动节点的识别码；E2.地面监控中心根据存储的移动节点的识别码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.地面监控中心根据存储的锚节点数字编号与其位置坐标的对应关系，提取锚节点％、N2的纵向坐标，设纵坐标分别为yi、y2,将t2、T、Pei> Pe2带入移动节点坐标式
Pr 2
II Q 10 ^(了(￡；0 + 0.607 T). O2 - 6)，yl + (^2 - yx)---—)
10 + 10得到移动目标的坐标位置，C0表示超声波在0°C的速度，表示两巷道壁之间的距离，S为对数-常态分布模型中的路径衰减因子，均为已知量。本发明的有益效果是、
I.本发明采用基于TOF(time of flight)的超声测距方法测得移动节点的横向坐标，超声测距可以由移动节点独立完成，无需其它锚节点配合，使得定位系统所需的锚节点数量大幅度减少，极大的减少了构建整个系统的成本及能量开销。2.本发明采用电磁测距测量较远范围内的距离，使用超声波测距测量较近范围内的距离，超声波测距的精度很高，可以达到毫米级，甚至更高，目前煤矿井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射频识别技术,只能确定移动节点是否通过某个读卡器，本发明大大提高了定位的精度。3.本发明采用直接测得横纵坐标的方法，并且算法非常简便，使得算法对硬件的要求大幅度降低，减小了因为复杂的算法带来的电能消耗。算法的简单使得系统中传送到数据很少，减小了定位数据占用的带宽，也减小了定位的延时。4.本发明采用基于距离约束的方法测得移动节点的纵向坐标，而不是通过对数-常态分布模型直接测得锚节点到移动节点的距离，通过使用两锚节点之间固定的距离为约束条件，加上适当的近似算法，得到移动节点的纵坐标，这样使得定位更加精确。
图I是本发明的定位系统的组成框图；图2是本发明的定位系统井下布设示意图；图3是本发明的移动节点电路框图；图4是本发明的锚节点的电路框图；图5是本发明的网关节点的电路框图；图6是本发明的定位方法的移动节点锚节点位置关系示意图；图7是本发明的定位方法的示意图；图8是本发明的定位方法的示意简图。
具体实施例方式为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本发明的基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统及方法进行进一步的详细说明。本发明的基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统及方法，是一种基于无线传感器网络的井下目标定位系统及方法，主要针对在井下目标定位方面现有技术在定位精度、成本限制等方面的不足，基于电磁波、超声波的本身属性及井下巷道的空间结构特点，提出一种采用电磁波超声联合的高精度定位方法，和一种结合该方法构成的基于无线传感器网络井下目标定位系统。定位方法的实现主要由移动节点本身和与其临近的两个锚节点来完成井下移动目标(包括井下工作人员和其他移动设备)佩戴可以发射和接收超声波和电磁波两种无线信号的移动节点，移动节点通过向一侧巷道壁发射超声波信号测得移动节点的横向坐标，通过接收前后两个锚节点发射的电磁波定位信号获得其信号强度，利用已知的锚节点之间的距离，得到移动节点的纵向坐标，进而获得移动节点在巷道内的二维坐标。下面结合附图，详细说明本发明的基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统及方法。图I是本发明的定位系统的组成框图。如图I所示，本发明的井下电磁波超声联合定位系统，包括地面监控中心I、井下中心站2、网关节点3、光纤4、总线5、锚节点6、移动节点7、上层终端8。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,并处理定位数据包。并且，地面监控中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。上层终端8是处在远地的监控终端，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据。井下中心站2是交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的数据信息，并通过光纤传输到地面监控中心。图2是本发明的定位系统井下布设示意图。 如图2所示，9为井下中心站，它位于井下大巷的枢纽位置，便于通过总线汇聚网关节点发送的信息和通过光纤4将井下的信息传输到地面监控中心；10为网关节点，12为锚节点，13为移动节点，在巷道内锚节点沿巷道纵向一字排开吊挂在巷道顶板，锚节点到两侧巷道壁的距离相等，任意两个相邻锚节点的距离应不大于锚节点间无线通信距离，不大于移动节点电磁波信号的覆盖半径，保证相邻两个锚节点间可以通信，并且移动节点在巷道内任意位置都至少有两个锚节点接收到其发射的电磁波信号，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应不大于锚节点和网关节点之间的无线通信距离，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将移动节点发射的定位数据包转发给网关节点；11为总线，网关节点通过总线与井下中心站连接，分支巷道内移动节点发射的定位数据包由锚节点间通过无线电磁波接力转发至网关节点，网关节点再将定位数据包通过总线汇总至井下中心站。图3是本发明的定位系统的移动节点电路框图。如图3所示，移动节点包括处理器存储器单元12、无线收发单元13、传感器14、电池15。其中无线收发单元13、传感器14都和处理器存储器单元12相连。无线收发单元13包括电磁波收发单元和超声波收发单元两部分，分别负责发送和接收电磁波信号和超声波信号，传感器14负责感知周围环境的温度、湿度、甲烷浓度等信息，对环境进行实时的监测；处理器与存储器的联系最为紧密所以看为一个单元12，负责对接收数据的存储、处理和控制其它单元的运行，另外，在移动节点存储器内存储着节点的识别码；电源15与每个单元连接，负责为各个单元提供电能；每个移动节点对应一个唯一的识别码，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巷道壁和巷道底面的距离，移动节点采用IEEE802. Ilb协议与锚节点进行通信，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；移动节点同样采用IEEE802. Ilb协议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，最终发至地面监控中心。图4是本发明的定位系统的锚节点的电路框图。如图4所示，锚节点包括处理器存储器单元16、电磁波收发单元17、传感器18、电池19。其与移动节点的电路框图相比只是将移动节点的无线收发单元变为电磁波收发单元，因为锚节点只发射和接收电磁波信号，其它部分与移动节点的各部分功能相同；锚节点悬挂于在巷道的顶板，到两侧巷道壁的距离相等，锚节点接收到移动节点发射的电磁波定位请求信号并予以响应，向移动节点发射电磁波定位信号，接收移动节点处理形成的定位数据包，锚节点与移动节点的无线通信采用IEEE802. Ilb协议，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，锚节点与网关节点之间以及锚节点与锚节点之间的无线通信均采用IEEE802. 15. 4等协议，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。图5是本发明的定位系统的网关节点的电路框图。如图5所示，网关节点包括处理器存储器单元20、总线模块21，电磁波收发单元22、传感器23、电源24。网关节点的电路框图与锚节点电路框图相比，只多了一个总线�？�21，它的作用是连接总线，其它单元的作用与上面所述图4中的各单元作用相同；网关节点支持IEEE802. 15. 4等协议，锚节点与网关节点之间的无线通信采用IEEE802. 15. 4等协议，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。图6是本发明的定位系统的移动节点锚节点巷道内位置关系示意图；图7是本发明定位方法的示意图，图8是本发明的定位方法的示意简图。如图7所示，对于一个移动节点32的定位，需要与30、31两个锚节点配合完成。点33为从移动节点32到锚节点30、31连线的垂足，双向箭头虚线34表示移动节点32向巷道壁发射的超声波信号和接收的反射回波，双线箭头虚线35、36表示移动节点发射的电磁波定位请求信号和锚节点30、31接收到该请求信号予以响应，向移动节点32发射的的电磁波定位信号；移动节点周期性地向一侧巷道壁发射超声波信号，并接收反射回波，记录发射超声波的时间h，接收到巷道壁反射回波的时间t2，同时记录此时传感器测得的环境温度T (°C );由于巷道内移动节点很多，并且巷道内超声波信号也存在严重的多径效应，所以本发明的移动节点发射的超声波采用码分多址的思想，根据井下移动目标的数量生成PN码，每个移动目标一个PN码，与其名称或身份相对应；移动节点在巷道中周期性向一侧巷道壁发射超声波信号的同时，主动向周围发射电磁波定位请求信号，信号中包含移动节点识别码，收到定位请求信号的锚节点予以响应，向移动节点发射电磁波定位信号，信号中包含移动节点识别码和锚节点的数字编号；移动节点选择接收包含自己数字编号的电磁波定位信
号，测出所有选择接收信号的信号强度，记为尽,，i = 1,2,…n，n为选择接收的锚节点的
信号数，取其中信号强度最大的两个信号，设其数字编号分别为NpN2，且N1 < N2，并抛弃其它信号，这样移动节点找到了离其最近的两个锚节点，如图6所示，对于移动节点28，设其可以接收到包括锚节点25、26、27在内的多个锚节点发射的电磁波定位信号，则信号强度最大的两个电磁波定位信号一定是分别由锚节点25和锚节点26所发射的，则锚节点27及其它锚节点发射的电磁波定位信号被抛弃，进而可以判断移动节点28在锚节点25和锚节点26之间，设图6中右方为巷道内纵坐标的正方向，根据上面所述，则锚节点25的数字编号为N1，锚节点26的数字编号为N2，设锚节点N1的接收信号强度为Pki，锚节点N2的接收信号强度为PK2，移动节点将PK1、PE2> h、t2、％、N2、T和移动节点识别码打成定位数据包，发送给距其最近的锚节点，如果Pki > Pe2,说明移动节点距离锚节点N1较近，则发送给锚节点N1,反之则发送给锚节点N2，如图6所示，移动节点28距离锚节点25较近，则发送定位数据包给锚节点25，移动节点距离锚节点27较近，则发送定位数据包给锚节点27。
锚节点通过接力转发将定位数据包发送至所在巷道端点的网关节点，网关节点将定位数据包通过总线发送至井下中心站，井下中心站通过光纤将定位数据包发送至地面监控中心；地面监控中心接收到从井下转发上来的定位数据包，提取收据包中的信息，通过计算得到移动节点的在井下的二维坐标，计算移动节点二维坐标的原理如下计算移动节点横坐标超声波总的渡越时间为t2_ti，设移动节点到巷道壁的距离为X，即移动节点的横向坐标，则根据TOF(Time of Flight)渡越时间检测法得X = c (^t2-I1) /2其中c为超声波的速度。为使测距的精度进一步提高，在移动节点上配置可以实时检测甲烷浓度、温度等周围环境信息的传感器，设传感器检测的周围环境的温度为T (°C )，使用温度T对声速进行实时补偿，其近似公式为c = c0+0. 607T式中C(I为温度为零度时超声波的传播速度。则移动节点横坐标的公式为(I)式。X= (c0+0. 607T) (1^-1^)/2(I)计算移动节点纵坐标通过基于距离约束的电磁波测距获得移动节点的纵向坐标。在巷道内通过RSSI方法测距需要使用对数-常态分布模型，其表达式为
权利要求
1.一种基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，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； 所述每个移动节点分配一个识别码，与移动目标唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点以超声波为传输介质向一侧巷道壁及巷道底面发射超声波信号并接收反射回波，测量其与巷道壁的距离和其与巷道底面的距离，以电磁波为传输介质与锚节点进行通信，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锚节点，定位数据包经过锚节点间的存储转发至地面监控中心； 所述锚节点悬挂于巷道顶板，距两侧巷道壁距离相等；锚节点向移动节点发射电磁波定位信号，接收移动节点发射的电磁波定位请求信号和定位数据包，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数据包并存储转发至相邻的另一个锚节点，接力转发数据包直至到网关节点，每个锚节点分配一个数字编号N，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；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，实现地面监控中心与井下中心站的数据传输; 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； 所述井下电磁波超声联合定位系统中的井下设备，包括网关节点、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电磁波超声联合定位系统，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�？椋� 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、超声波收发单元、传感器、电源。
3.根据权利要求2所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，其特征在于，网关节点、锚节点、移动节点中的传感器、电磁波收发单元、移动节点中的超声波收发单元和网关节点中的总线�？榉直鹩敫鹘诘阒械拇砥鞔娲⑵鞯ピ嗔桓鹘诘愕牡绱挪ㄊ辗⒌ピ邮蘸头⑺臀尴叩绱挪ㄐ藕牛贫诘阒械某ㄊ辗⒌ピ邮蘸头⑺统ㄐ藕牛煌亟诘�、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，检测结果用与定位数据相同的传输方式，传送到地面监控中心；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�？榱幼芟撸桓鹘诘阒械牡缭刺峁┑缒�。
4.一种基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，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.移动节点周期性向一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波，记录发射超声波的时刻h，记录接收到巷道壁反射回波的时刻t2，同时记录传感器测得的环境温度T ； C.发射超声波信号的同时，移动节点向周围锚节点发送电磁波定位请求信号，信号中包含移动节点的识别码，接收到该请求信号的锚节点予以响应，向移动节点发射包含移动节点识别码和锚节点数字编号的电磁波定位信号； D.移动节点选择接收附近锚节点响应其请求信号发射的电磁波定位信号中包含自己识别码的定位信号，处理形成定位数据包发送给距其最近的锚节点，定位数据包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发射的定位数据包后，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电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤A包括下列步骤 Al.在巷道内锚节点沿巷道纵向一字排开吊挂在巷道顶板，锚节点到两侧巷道壁的距离相等，任意两个相邻锚节点的距离应不大于锚节点间无线通信距离，不大于移动节点电磁波信号的覆盖半径，保证移动节点在巷道内任意位置都至少有两个锚节点接收到其发射的电磁波信号； A2.根据井下巷道的结构特点，在每条支巷道的端点布设一个网关节点，网关节点与巷道端点处的锚节点的距离应不大于锚节点和网关节点之间的无线通信距离； 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电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤B中移动节点发射的超声波信号采用码分多址的方法提高信号的抗干扰能力，根据井下移动目标的数量，生成PN码，每个移动节点一个PN码，与移动节点的识别码相对应，移动节点发射的超声波信号包含自己的PN码，只接收包含自己PN码的反射回波。
7.根据权利要求4所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤D包括下列步骤 Dl.移动节点选择接收附近锚节点响应其定位请求信号发射的电磁波定位信号中包含移动节点识别码的定位信号，测得各定位信号的信号强度，记为i = 1,2,…n，n为选择接收的锚节点的电磁波定位信号数，提取信号强度最大的两个信号中锚节点的数字编号，记为H N1 < N2，抛弃其它信号，N1的信号强度记为PK1，N2的信号强度为Pk2 ； D2.移动节点将PK1、PE2, t2、T、N1, N2和移动节点识别码打成定位数据包，发送给N1或N2锚节点，如果Pki > Pe2,发送给N1锚节点，反之，发送给N2锚节点，锚节点通过接力转发定位数据包至所在巷道端点处的网关节点； D3.网关节点收到定位数据包后，通过总线转发给井下中心站，井下中心站通过光纤发送至地面监控中心。
8.根据权利要求4所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤E包括下列步骤 El.地面监控中心从井下中心站接收转发上来的定位数据包，提取数据包中的PK1、PK2、V t2、T、N1, N2和移动节点的识别码； E2.地面监控中心根据存储的移动节点的识别码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.地面监控中心根据存储的锚节点数字编号与其位置坐标的对应关系，提取锚节点 NpN2的纵向坐标,设纵坐标分别为Ypy2Jf WLPk^Pk2带入移动节点坐标式
全文摘要
本发明公开了一种用于煤矿井下的基于距离约束的电磁波超声联合定位系统及方法。本发明根据巷道的空间结构和电磁波、超声波的本身属性特点，使用适当的近似算法，通过电磁波传播对数-常态模型公式，得到一个移动节点到两个锚节点距离之比的简化公式。由于两个锚节点之间的距离为已知量，以此距离为约束条件，得到移动节点在巷道内的纵向坐标。根据TOF测距原理，使用超声波测距获得移动节点到巷道壁的距离，得到移动节点在巷道内的横向坐标，进而得到移动节点的二维位置坐标，实现精确定位。本发明的定位方法定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。
文档编号G01S5/00GK102721944SQ20121023629
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者孙继平, 李宗伟 申请人:中国矿业大学(北京)
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