專利名稱：井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及煤礦井下安全監(jiān)控領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種煤礦井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤炭是我國的主要能源，但由于我國煤田地質(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)，對于保障井下安全生產(chǎn)、應(yīng)急救援都具有重要的現(xiàn)實意義，井下目標(biāo)定位系統(tǒng)精度的提高將極大地促進煤礦井下安全生產(chǎn)水平的提升。由于巷道相對密閉，無法借助GPS等地面已有的衛(wèi)星定位來輔助井下的目標(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。目前國內(nèi)外目標(biāo)定位技術(shù)采用的無線傳輸介質(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距(Range-based)的方法和基于非測距(Range-free)方法。Range-based方法通過測量點到點的距離和角度，使用三邊測量(Trilateration)、三角測量(Triangulation)或最大似然估計(Multilateration)算法計算節(jié)點的位置；Range-free方法則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通屬性估算節(jié)點位置。Range-based 方法主要有接收信號強度指不(Receiced Signal StrengthIndiction, RSSI)、到達時間(Time of Arrival, TOF)、到達時間差(Time Difference ofArrival,TDOA)和到達角度(Angle of Arrival,Α0Α)等,后三種方法對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方法進行測距時，當(dāng)距離較小時對接收機的靈敏度要求很高，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方法無需測量節(jié)點間的距離和到達角度，在無線節(jié)點的成本和功耗方面有一定的優(yōu)勢，但是定位精度與錨節(jié)點的密度和布置策略有關(guān)，提高精度就需要增加錨節(jié)點的密度，但錨節(jié)點的布置受巷道和工作環(huán)境限制，一方面，狹窄的空間內(nèi)無法保證錨節(jié)點的隨意布置，另一方面，增加錨節(jié)點的數(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)(有些稱為位置檢測系統(tǒng)或作業(yè)人員管理系統(tǒng)等)，均采用電磁波作為無線傳輸介質(zhì)，有基于RFID、藍牙、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)格地說并不具備“定位”功能，而只是“位置檢測”，只能確定井下人員的大致區(qū)域；藍牙技術(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，在國內(nèi)使用的目標(biāo)定位系統(tǒng)的精度均大于5米，目前國內(nèi)礦井巷道的寬度一般不大于10米，也就是說，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，如采用基于測距的TDOA和AOA定位算法，對硬件要求很高，井下的硬件條件基本無法滿足，如采用基于測距的RSSI方法，在近距離范圍內(nèi)精度很難保證，如采用基于非測距方法，對錨節(jié)點的密度和布置策略有很高的要求，這在煤礦井下工作環(huán)境中是難以實現(xiàn)的。利用超聲波進行較近目標(biāo)測距時可以達到較高的精度；超聲波的傳播速度遠(yuǎn)低于電磁波，對硬件要求較低；超聲波分辨率較高，對光照度和電磁場不敏感，適應(yīng)煤礦井下惡劣環(huán)境；超聲波測距只需一端發(fā)射信號，另一端無需安裝其他裝置，只通過檢測反射回來的超聲波到達的時間，就可以實現(xiàn)非常精確的測距，超聲波測距結(jié)構(gòu)簡單，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)的測距。綜上所述，電磁波和超聲波有各自的優(yōu)勢，單純的使用一種無線介質(zhì)難以實現(xiàn)井下目標(biāo)精確定位。

實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型公開了一種定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的井下目標(biāo)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)電磁波、超聲波本身的物理屬性特點，并結(jié)合巷道的空間結(jié)構(gòu)特點，利用少數(shù)的錨節(jié)點和簡單的算法實現(xiàn)實時精確的目標(biāo)定位，可以很好的滿足礦井生產(chǎn)調(diào)度和災(zāi)后及時救援的需要。本實用新型的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)功能的實現(xiàn)思想如下井下移動目標(biāo)(包括井下工作人員和其他移動設(shè)備)攜帶移動節(jié)點，錨節(jié)點安置在巷道頂板，移動節(jié)點通過向一側(cè)巷道壁發(fā)射超聲波信號測得移動節(jié)點的橫向坐標(biāo)，通過向巷道底面發(fā)射超聲波信號，測得移動節(jié)點的高度，并通過接收錨節(jié)點發(fā)射的電磁波定位信號，測得其信號強度來獲得錨節(jié)點到移動節(jié)點的距離，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過簡單的算法即可得到移動節(jié)點在巷道內(nèi)的坐標(biāo)位置。上述系統(tǒng)是一種基于無線傳感器網(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，光纖，總線，定位錨節(jié)點，移動節(jié)點。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，總線，定位錨節(jié)點，移動節(jié)點，全部是本質(zhì)安全型設(shè)備。所述地面監(jiān)控中心是一臺計算機或者服務(wù)器，或者是多臺計算機或服務(wù)器組成的計算機網(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Internet網(wǎng)絡(luò)連接上層終端，將實時的監(jiān)測數(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Internet網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心連接，獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。所述井下中心站是本質(zhì)安全型交換機，負(fù)責(zé)匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點包括處理器存儲器單元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源及總線模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點支持IEEE802. 15. 4等協(xié)議，錨節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的無線通信采用IEEE802. 15. 4等協(xié)議，網(wǎng)關(guān)節(jié)點布設(shè)在每條支巷道的末端負(fù)責(zé)接收錨節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，并將其通過總線傳送到井下中心站。所述錨節(jié)點包括處理器存儲器單元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源。錨節(jié)點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)點與巷道底面的距離都相同，錨節(jié)點負(fù)責(zé)向移動節(jié)點發(fā)射電磁波定位信號，接收移動節(jié)點的電磁波定位請求信號和定位數(shù)據(jù)包，錨節(jié)點與移動節(jié)點的無線通信采用IEEE802. Ilb協(xié)議，錨節(jié)點將移動節(jié)點的定位數(shù)據(jù)包發(fā)送至相鄰錨節(jié)點或網(wǎng)關(guān)節(jié)點，每個錨節(jié)點接收相鄰錨節(jié)點的定位數(shù)據(jù)包并存儲轉(zhuǎn)發(fā)至相鄰的另一個錨節(jié)點，接力轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)包直至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，錨節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間以及錨節(jié)點與錨節(jié)點之間的無線通信均采用IEEE802. 15. 4等協(xié)議，每個錨節(jié)點分配一個唯一的數(shù)字編號N，與其坐標(biāo)位置相對應(yīng)，對應(yīng)關(guān)系存儲于地面監(jiān)控中心；規(guī)定井下巷道縱向坐標(biāo)軸坐標(biāo)增大的方向為正方向，N的數(shù)值沿著正方向增大。所述移動節(jié)點包括處理器存儲器單元、電磁波收發(fā)單元、超聲波收發(fā)單元、傳感
器、電源，每個移動節(jié)點對應(yīng)一個唯一的識別碼，對應(yīng)關(guān)系存儲于地面監(jiān)控中心。移動節(jié)點使用超聲波測量其與巷道壁和巷道底面的距離，移動節(jié)點采用IEEE802. Ilb協(xié)議與錨節(jié)點進行通信，獲取錨節(jié)點發(fā)射信號的接收強度和錨節(jié)點數(shù)字編號，處理形成定位數(shù)據(jù)包；移動節(jié)點同樣采用IEEE802. Ilb協(xié)議將定位數(shù)據(jù)包發(fā)送給最近的貓節(jié)點，數(shù)據(jù)包經(jīng)過錨節(jié)點間的存儲轉(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，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點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、錨節(jié)點和移動節(jié)點上的傳感器，用于檢測周圍環(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。本實用新型的有益效果是I.本實用新型采用基于TOF(time of flight)的超聲測距方法測得移動節(jié)點的橫向坐標(biāo)，超聲測距可以由移動節(jié)點獨立完成，無需其它錨節(jié)點配合，使得定位系統(tǒng)所需的錨節(jié)點數(shù)量大幅度減少，極大的減少了構(gòu)建整個系統(tǒng)的成本及能量開銷。2.本實用新型采用電磁測距測量較遠(yuǎn)范圍內(nèi)的距離，使用超聲波測距測量較近范圍內(nèi)的距離，超聲波測距的精度很高，可以達到毫米級，甚至更高，目前煤礦井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射頻識別技術(shù),只能確定移動節(jié)點是否通過某個讀卡器，本實用新型大大提高了定位的精度。3.本實用新型采用直接測得橫縱坐標(biāo)的方法，并且算法非常簡便，使得算法對硬件的要求大幅度降低，減小了因為復(fù)雜的算法帶來的電能消耗，算法的簡單使得系統(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。

圖I是本實用新型的定位系統(tǒng)組成框圖；圖2是本實用新型的定位系統(tǒng)井下布設(shè)示意圖；圖3是本實用新型的移動節(jié)點電路框圖；圖4是本實用新型的錨節(jié)點的電路框圖；[0032]圖5是本實用新型的網(wǎng)關(guān)節(jié)點的電路框圖；圖6是本實用新型的定位系統(tǒng)巷道內(nèi)俯視示意圖；圖7是本實用新型的定位系統(tǒng)巷道內(nèi)側(cè)面示意圖；圖8是本實用新型的定位系的移動節(jié)點錨節(jié)點位置關(guān)系示意圖；圖9是本實用新型的定位系統(tǒng)巷 道內(nèi)側(cè)面簡圖；圖10是本實用新型的定位系統(tǒng)巷道內(nèi)俯視簡圖；圖11是本實用新型的定位系統(tǒng)功能實現(xiàn)的立體簡圖。
具體實施方式
為了使本實用新型技術(shù)方案的內(nèi)容和優(yōu)勢更加清楚明了，
以下結(jié)合附圖，對本實用新型的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)進行進一步的詳細(xì)說明。本實用新型是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下目標(biāo)定位系統(tǒng)，主要針對在井下目標(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，提出一種適用于煤礦井下，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensor Network, WSN)的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)。本實用新型定位系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要用移動節(jié)點本身和一個錨節(jié)點來完成井下移動目標(biāo)(包括井下工作人員和其他移動設(shè)備)攜帶移動節(jié)點，錨節(jié)點安置在巷道頂板，其距兩側(cè)巷道壁的距離相等，兩個錨節(jié)點之間的距離根據(jù)移動節(jié)點發(fā)射的電磁波的信號覆蓋半徑設(shè)定，保證移動節(jié)點在巷道內(nèi)任意位置都至少有兩個錨節(jié)點能夠接收到其發(fā)射的電磁波信號；移動節(jié)點通過向一側(cè)巷道壁發(fā)射超聲波信號測得移動節(jié)點的橫向坐標(biāo)，通過向巷道底面發(fā)射超聲波信號，測得移動節(jié)點的高度，通過接收錨節(jié)點發(fā)射的電磁波定位信號，獲得其信號強度來測得錨節(jié)點到移動節(jié)點的距離，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過簡單的算法即可得到移動節(jié)點在巷道內(nèi)的位置坐標(biāo)。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本實用新型定位系統(tǒng)的構(gòu)成及其功能的實現(xiàn)方法。圖I是本實用新型的定位系統(tǒng)組成框圖。如圖I所示，本實用新型的定位系統(tǒng)包括地面監(jiān)控中心I、井下中心站2、網(wǎng)關(guān)節(jié)點3、光纖4、總線5、錨節(jié)點6、移動節(jié)點7、上層終端8。地面監(jiān)控中心是一臺計算機或者服務(wù)器，或者是多臺計算機或者服務(wù)器組成的計算機網(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Internet網(wǎng)絡(luò)連接上層終端，將實時的監(jiān)測數(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Internet網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心連接，獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。井下中心站2是交換機，負(fù)責(zé)匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過總線發(fā)過來的數(shù)據(jù)信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。圖2是本實用新型的定位系統(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，便于通過總線匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送的信息和通過光纖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，12為錨節(jié)點，13為移動節(jié)點，在巷道內(nèi)錨節(jié)點沿巷道縱向一字排開吊掛在巷道頂板，錨節(jié)點到兩側(cè)巷道壁的距離相等，所有錨節(jié)點到巷道底面的距離相同，任意兩個相鄰錨節(jié)點的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點間無線通信距離，不大于移動節(jié)點電磁波信號的覆蓋半徑，保證移動節(jié)點在巷道內(nèi)任意位置都至少有兩個錨節(jié)點接收到其發(fā)射的電磁波信號，網(wǎng)關(guān)節(jié)點布設(shè)在支巷道的端點，其與巷道端點處的錨節(jié)點的距離應(yīng)不大于錨節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的無線通信距離，以保證每條支巷道至少有一個錨節(jié)點可以通過視距的電磁波傳輸將移動節(jié)點發(fā)射的定位數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點；11為總線，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過總線與井下中心站連接，分支巷道內(nèi)移動節(jié)點發(fā)射的定位數(shù)據(jù)包由錨節(jié)點間通過無線電磁波接力轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再將定位數(shù)據(jù)包通過總線匯總至井下中心站。圖3是本實用新型的移動節(jié)點電路框圖。如圖3所示，移動節(jié)點包括處理器存儲器單元12、無線收發(fā)單元13、傳感器14、電池15。其中無線收發(fā)單元13、傳感器14都和處理器存儲器單元12相連。無線收發(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和超聲波信號，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，對環(huán)境進行實時的監(jiān)測；處理器與存儲器的聯(lián)系最為緊密所以看為一個單元12，負(fù)責(zé)對接收數(shù)據(jù)的存儲、處理和控制其它單元的運行，另外，在移動節(jié)點存儲器內(nèi)存儲著節(jié)點的識別碼；電源15與每個單元連接，負(fù)責(zé)為各個單元提供電能。圖4是本實用新型的錨節(jié)點的電路框圖。如圖4所示，錨節(jié)點包括處理器存儲器單元16、電磁波收發(fā)單元17、傳感器18、電池19。其與移動節(jié)點的電路框圖相比只是將移動節(jié)點的無線收發(fā)單元變?yōu)殡姶挪ㄊ瞻l(fā)單元，因為錨節(jié)點只發(fā)射和接收電磁波信號，其它部分與移動節(jié)點的各部分功能相同。圖5是本實用新型的網(wǎng)關(guān)節(jié)點的電路框圖。如圖5所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點包括處理器存儲器單元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)點的電路框圖與錨節(jié)點電路框圖相比，只多了一個總線模塊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是本實用新型的定位系統(tǒng)巷道內(nèi)俯視示意圖，圖7是本實用新型定位系統(tǒng)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，26、30表示移動節(jié)點與錨節(jié)點相互發(fā)射的電磁波信號，27、31均為移動節(jié)點，28為移動節(jié)點向巷道壁發(fā)射的超聲波信號以及反射回波，32表示移動節(jié)點向巷道底面發(fā)射的超聲波信號以及反射回波。移動節(jié)點周期性向錨節(jié)點發(fā)射電磁波定位請求信號，同時向巷道壁及巷道底面發(fā)射超聲波信號，錨節(jié)點接收到移動節(jié)點發(fā)射的電磁波定位請求信號后，向移動節(jié)點發(fā)射電磁波定位信號，移動節(jié)點接收到錨節(jié)點的電磁波定位信號后，首先測得各錨節(jié)點的接收信號強度，記為PKi，I = 1,2,…η，η為接收到的錨節(jié)點的信號數(shù)，選擇信號強度最大前兩個信號，提取這兩個定位信號中的錨節(jié)點數(shù)字編號K、N2，拋棄其它信號，N1表示信號強度最大的錨節(jié)點的數(shù)字編號，N2表示信號強度第二大的錨節(jié)點的數(shù)字編號，設(shè)其中最大的信號強度記為PKmax。這里還要產(chǎn)生用于判斷移動節(jié)點在錨節(jié)點的正負(fù)方向的方向指數(shù)k，產(chǎn)生方法在后面介紹。設(shè)發(fā)射超聲波的時刻為h，接收到巷道壁反射波的時刻為t21，接收到巷道底面反射回波的時刻為t22，則超聲波的渡越時間分別為t21-ti和t22-ti，根據(jù)TOF(timeof flight)渡越時間檢測法即可求得移動節(jié)點到巷道壁和到巷道底面的距離。移動節(jié)點將Pe x、ti、t21、t22、N1、移動節(jié)點的識別碼和方向指數(shù)k打成定位數(shù)據(jù)包，通過臨近的錨節(jié)點向上轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)控端。圖8是本實用新型的移動節(jié)點錨節(jié)點位置關(guān)系示意圖。如圖8所示，在錨節(jié)點33和錨節(jié)點34之間存在兩個移動節(jié)點，分別是35和36，移動節(jié)點35距離錨節(jié)點33較近，移動節(jié)點36距離錨節(jié)點34較近，在定位移動節(jié)點時，需要判斷移動節(jié)點是在所選的錨節(jié)點的前方還是后方，井下巷道縱向坐標(biāo)軸坐標(biāo)增大的方向為正方向，則需要判斷移動節(jié)點是在錨節(jié)點的正方向還是負(fù)方向。本發(fā)明采取如下方法移動節(jié)點接收到附近錨節(jié)點的定位信號后，測出各定位信號到達時的信號強度，選擇信號強度最大的兩個信號，提取信號中錨節(jié)點的數(shù)字編號NpN2，拋棄其它信號，N1表示信號強度最大的錨節(jié)點的數(shù)字編號，N2表示信號強度第二大的錨節(jié)點的數(shù)字編號，設(shè)一個
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中移動節(jié)點35為例，其測得信號強度最大的錨節(jié)點肯定是33，第二大的是34，則33的數(shù)字編號為N1, 34的數(shù)字編號為N2,設(shè)34在33的正方向，N1 < N2，則可判斷k = 2，即移動節(jié)點35在錨節(jié)點33的正方向。圖9是本實用新型的定位系統(tǒng)巷道內(nèi)側(cè)面簡圖，圖10是本實用新型的定位系統(tǒng)巷道內(nèi)俯視簡圖。如圖9、圖10所示，A代表錨節(jié)點，B和K代表兩個不同位置的移動節(jié)點，計算K點坐標(biāo)的方法與計算B的方法相同，下面主要以B點為例闡述，，圖9中AD表示錨節(jié)點的高度，BE表示移動節(jié)點的高度，因為移動節(jié)點在礦工或者井下設(shè)備上，與錨節(jié)點有一定的高度差，精確的定位算法不能忽略這個高度差，BE = CD，則AC為錨節(jié)點與移動節(jié)點的高度差。AB表示移動節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離，通過錨節(jié)點發(fā)射到移動節(jié)點的電磁波定位信號的強度來求出，BE通過移動節(jié)點向巷道底面超聲波信號并接收反射回波的時間求出，設(shè)BC的長度為1，則的I的計算式為(I)式。
_4] I = 4AB 2 - AC2 二 -Jab 2 - (AD - BE )2⑴ 圖10中GI和y軸都表示兩個巷道壁，設(shè)兩個巷道壁之間的距離為m，因為錨節(jié)點到兩側(cè)巷道壁的距離相同，設(shè)錨節(jié)點A為的坐標(biāo)為< Y，^ )，則圖10中C點的坐標(biāo)也為
(~ y 為橫向坐標(biāo)，y為縱向坐標(biāo)，Y為已知量，AH為錨節(jié)點到巷道壁的距離，且
AH=CG=^~為巷道壁之間距離的一半，BI為移動節(jié)點到巷道壁的距離，為移動節(jié)點的橫坐標(biāo)，由圖10可知，獲得CF的長度即可獲得移動節(jié)點的縱向坐標(biāo)，則CF計算如⑵式。 則移動節(jié)點B的坐標(biāo)為
_8] (m-BI，^ + (-1)'-^AB2-[AD-BEf-^BI)k = I時說明移動節(jié)點在所選錨節(jié)點的負(fù)方向，k = 2時說明移動節(jié)點在所選錨節(jié)點的正方向。在井下通過電磁波信號的路徑損耗求距離使用對數(shù)-常態(tài)分布模型最合適，對數(shù)-常態(tài)分布模型的表達式如式(3)，式中I\(d)表示經(jīng)過距離d后的路徑損耗，單位是dB ；δ為路徑PL(d) = PL(d0)+10 δ lg(d/d0)+X。(3)衰減因子，其數(shù)值取決于無線信號的傳播環(huán)境，它是一個經(jīng)驗值Mtl為發(fā)射節(jié)點和參考節(jié)點之間的距離，一般取Im ;X。為標(biāo)準(zhǔn)差為σ的零均值正態(tài)分布隨機變量，單位是dB。PJdtl)可由自由空間模型取d= Im求出，自由空間傳播模型公式如式(4)，在(4)式中，f為載波工作頻率，單位是MHz，Loss表示自由空間中電磁波經(jīng)過距離d后的衰減量。Loss = 32. 44+10 δ lgd+10 δ Igf(4)設(shè)錨節(jié)點的發(fā)射功率為Pt，上面已經(jīng)介紹，移動節(jié)點接收到距離其最近的錨節(jié)點發(fā)射的電磁波信號強度為Pftliax，則Pt (d) =Pt-Pemx，則根據(jù)公式(3)很容易獲得錨節(jié)點與移動節(jié)點之間的距離為
權(quán)利要求1.ー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，光纖，總線，錨節(jié)點，移動節(jié)點； 所述地面監(jiān)控中心是一臺計算機或者服務(wù)器，或者是多臺計算機或者服務(wù)器組成的計算機網(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，匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過總線發(fā)過來的定位數(shù)據(jù)包，通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心； 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點布設(shè)在支巷道的端點，接收錨節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的移動節(jié)點發(fā)射的定位數(shù)據(jù)包，通過總線傳送到井下中心站； 所述每個移動節(jié)點分配ー個識別碼，與移動目標(biāo)唯一對應(yīng)，對應(yīng)關(guān)系存儲于地面監(jiān)控中心；移動節(jié)點以超聲波為傳輸介質(zhì)向ー側(cè)巷道壁及巷道底面發(fā)射超聲波信號并接收反射回波，測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)點進行通信，獲取錨節(jié)點發(fā)射信號的接收強度和錨節(jié)點數(shù)字編號，處理形成定位數(shù)據(jù)包；移動節(jié)點將定位數(shù)據(jù)包發(fā)送給最近的錨節(jié)點，定位數(shù)據(jù)包經(jīng)過錨節(jié)點間的存儲轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)控中心; 所述錨節(jié)點懸掛于巷道頂板，距兩側(cè)巷道壁距離相等，所有錨節(jié)點到巷道底面距離相同；錨節(jié)點向移動節(jié)點發(fā)射電磁波定位信號，接收移動節(jié)點發(fā)射的電磁波定位請求信號和定位數(shù)據(jù)包，將移動節(jié)點的定位數(shù)據(jù)包發(fā)送至相鄰錨節(jié)點或網(wǎng)關(guān)節(jié)點，每個錨節(jié)點接收相鄰錨節(jié)點的數(shù)據(jù)包并存儲轉(zhuǎn)發(fā)至相鄰的另一個錨節(jié)點，接力轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包直至到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，每個錨節(jié)點分配ー個數(shù)字編號N，數(shù)字編號與其位置坐標(biāo)對應(yīng)，對應(yīng)關(guān)系存儲于地面監(jiān)控中心；規(guī)定井下巷道縱向坐標(biāo)軸坐標(biāo)增大的方向為正方向，N的數(shù)值沿著正方向増大； 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)點與井下中心站，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點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、錨節(jié)點和移動節(jié)點上安裝傳感器，檢測周圍的環(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Internet網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心連接，獲取實時監(jiān)測數(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、總線、錨節(jié)點、移動節(jié)點，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)點包括處理器存儲器単元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源、總線模塊； 所述錨節(jié)點包括處理器存儲器単元、電磁波收發(fā)單元、傳感器、電源； 所述移動節(jié)點包括處理器存儲器単元、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)，其特征在干，網(wǎng)關(guān)節(jié)點、錨節(jié) 點、移動節(jié)點中的傳感器、電磁波收發(fā)單元、移動節(jié)點中的超聲波收發(fā)單元和網(wǎng)關(guān)節(jié)點中的總線模塊分別與各節(jié)點中的處理器存儲器単元相連；各節(jié)點的電磁波收發(fā)單元接收和發(fā)送無線電磁波信號，移動節(jié)點中的超聲波收發(fā)單元接收和發(fā)送超聲波信號；網(wǎng)關(guān)節(jié)點、錨節(jié)點和移動節(jié)點中的傳感器檢測周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度信息；各節(jié)點中的處理器存儲 器単元存儲、處理接收的數(shù)據(jù)，控制其它單元的運行；網(wǎng)關(guān)節(jié)點中的總線模塊連接總線；各節(jié)點中的電源提供電能。
專利摘要本實用新型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)。本系統(tǒng)包括設(shè)在井上的地面監(jiān)控中心，設(shè)在井下的中心站，多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，光纖，總線，多個錨節(jié)點，多個移動節(jié)點，設(shè)在遠(yuǎn)地的上層終端，其中應(yīng)用于井下的設(shè)備均是本質(zhì)安全型的。本定位系統(tǒng)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，使用可以同時發(fā)射電磁波和超聲波兩種無線信號的移動節(jié)點，根據(jù)對數(shù)-常態(tài)模型，使用電磁波測得移動節(jié)點與錨節(jié)點的距離，根據(jù)TOF測距原理，使用超聲波測得移動節(jié)點到巷道壁的距離及巷道底面的距離，進而使用簡單的算法直接得到移動節(jié)點的坐標(biāo)位置，實現(xiàn)精確定位。本實用新型的井下電磁波超聲聯(lián)合定位系統(tǒng)定位精度高，成本低，并且耗能少，系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號G01S5/00GK202583451SQ20122019596
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者田子建, 李宗偉 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)