一種基于rssi測距的井下人員定位的改進方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦井安全領域，具體涉及一種基于RSSI測距的井下人員定位的改進 方法。
【背景技術】
[0002] 由于煤礦的生產作業(yè)大多數是在地下進行，礦井下的地質條件復雜，造成了無線 通信質量差，多徑效應、多址效應明顯、信號衰落快等，給井下的通信帶來諸多的困難。一旦 事故發(fā)生，不能及時準確的確定被困人員位置，對有效營救造成很大的困難。
[0003] 在現階段井下的人員定位過程中大范圍應用的是基于測距技術的人員定位算法， 節(jié)點之間的距離的測定主要是通過對提取接收信號中的特征參數的處理實現的，通過測量 節(jié)點間距離后再利用三邊定位算法求出可能未知節(jié)點位置。
[0004] 由于礦井下的特殊環(huán)境，無線網絡的已知節(jié)點（信標節(jié)點）都分布在礦井下的巷 道兩側，巷道可以類似看成一個長方形，當工作人員進入巷道內，通過現階段比較成熟的 RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)測距法測量出未知節(jié)點（即是移動的礦工） 到三個信標節(jié)點的距離，進而利用三邊定位算法來定位人員位置。這就需要分成各個三角 形的定位小區(qū)來對未知節(jié)點進行定位，但是在各自三角形定位小區(qū)中，未知節(jié)點容易受到 其他節(jié)點的信號的干擾。而且由于受到井下環(huán)境因素的影響，測出的距離會和實際距離總 是有一定的誤差，造成三邊定位算法失效。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現有技術中的不足，提供一種定位準確的基于RSSI測距的 井下人員定位的改進方法。
[0006] 為實現上述目的，本發(fā)明公開了如下技術方案：
[0007] -種基于RSSI測距的井下人員定位的改進方法，通過RSSI測距算法測量移動節(jié) 點即移動的礦工到三個參考節(jié)點的距離，進而利用定位算法來定位人員的位置，具體包括 如下步驟：
[0008] 步驟1.工作人員事先將若干參考節(jié)點擺放到巷道兩側，工作開始時網絡協調器 電源打開，進行zigbee無線網絡樹狀組網模式，zigbee組建網絡初始化；
[0009] 步驟2.當作業(yè)人員進入進行無線網絡覆蓋區(qū)域時，參考節(jié)點在一個統(tǒng)一時間周 期向周圍發(fā)送無線信號，無線信號包括自身的坐標信息和信號強度RSSI值；
[0010] 步驟3.移動節(jié)點在它的通信范圍內收集所有參考節(jié)點的RSSI信號值，將信號最 強的相鄰三個參考節(jié)點組成三角形的定位小區(qū)；
[0011] 步驟4.在移動節(jié)點上利用具有方向性判斷的信號接收天線，實現對參考節(jié)點信 號到達角度的測量，利用角度信息過濾掉其他干擾信號，進一步確定移動節(jié)點所在的定位 小區(qū)；
[0012] 步驟5?將接收到的RSSI值帶入公式[RSSI]dBni=A-lOnlgd，
[0013] 式中，[RSSI]dBni為接收節(jié)點接受到的功率，A為參考距離為Im時接受節(jié)點受到的 信號功率，d為移動節(jié)點到參考節(jié)點的距離，n為和實驗環(huán)境相關的路徑損耗指數值，2 <n < 4 ;
[0014] 步驟6.計算定位小區(qū)的三個參考節(jié)點距離移動節(jié)點的距離山、d2、d3;
[0015] 步驟7.利用定位算法計算以三個參考節(jié)點為圓心、移動節(jié)點與三個參考節(jié)點的 距離為半徑的三個圓相交的位置坐標，該坐標就是人員即移動節(jié)點的位置坐標。
[0016] 進一步的，所述步驟3中，對于采集到的RSSI值，進行濾波處理以提高測距的準確 性。
[0017] 進一步的，對采集到的RSSI值進行中值濾波處理：
[0018] a.移動節(jié)點在固定位置接收到參考節(jié)點的n個信號強度值，通過中值濾波過濾掉 該組強度值數據中的小概率的信號和大干擾信號，公式如下：
[0023] 式中f(x)表示概率的取值，X表示RSSI值，n表示移動節(jié)點在固定位置接收到參 考節(jié)點信號個數，〇 2表示此隨機變量的方差，y表示服從正態(tài)分布的隨機變量的均值；
[0024] b.將上式中f(x)的取值范圍限定為0. 6 <f(x) < 1，求解得 0. 15 〇 +y彡X彡3. 09 〇 +y，即RSSI值在經過中值濾波之后可得取值范圍為[0. 15 0 +y， 3. 09 0+y]，其中
[0027] c.把經過中值濾波后在選擇范圍內的RSSI值求出均值；
[0028] d?該均值即為最終準確的RSSI數值。
[0029] 進一步的，所述步驟4中，為了減少儲存和計算量，測量出的節(jié)點間的角度信息不 做保存，只需要使用該角度來確定移動節(jié)點是否處于容易受到干擾的小區(qū)邊緣。
[0030] 進一步的，所述步驟7中，由于在實際礦井環(huán)境中各種干擾因素的影響，計算出的 距離和現實距離必定是存在誤差，所以在井下巷道內設置固定距離的參考節(jié)點，測量出井 下環(huán)境的誤差范圍，定位開始后利用RSSI進行一次測距，然后在實際測的距離山、d2、(13的 基礎上反向加上環(huán)境的范圍內隨機誤差來進行校正，取n組校正距離數據。
[0031] 進一步的，所述步驟7中，以三個參考節(jié)點為圓心的三個圓由于干擾因素的影響 不可能相交于一點，從而造成方程無解，所以在三個圓心兩兩相交時，
[0032] (1)根據公式：
[0034] 求得O1 (X1,Y1)、O2 (x2,y2)兩個圓的相交點CpC2,然后計算兩個交點與O3節(jié)點的 距離，取距離近的一點C1保留，距離遠的舍去；同理求得0 :和0 3的交點取距離0 2點相近的 交點B1, 02、O3的交點距離0i最近的A力，組成移動節(jié)點的可能區(qū)域AAAC1;
[0035] (2)根據n組的校正距離數據，逐個解出nX3個圓兩兩相交的三個點做AAnBnCn;
[0036] (3)利用網格掃描法對重疊部分進行標記，計算出由n個三角形相交重疊的部分， 陰影部分的網格點最高重疊部分，即是縮小定位范圍后未知節(jié)點最可能的坐標位置；
[0037] (4)對重疊區(qū)域的所有網格點采用如下公式進行質心算法計算，
[0039] 得出重疊部分的質心即是未知節(jié)點的估計位置（Xni，yj。
[0040] 進一步的，當井下某些節(jié)點因電池沒電或者因為意外事故造成節(jié)點損壞的狀況 時，會出現可利用節(jié)點短缺，移動節(jié)點到達該活動區(qū)域時搜集到的節(jié)點信息少于三個，無法 計算出離移動節(jié)點最近的三個參考節(jié)點的距離C^dpd3，在此應急情況下，找出兩圓的相交 區(qū)域進行質心算法計算出坐標。
[0041] 進一步的，所述找出兩圓的相交區(qū)域進行質心算法計算出坐標的詳細方法為：選 擇已知的A1J2兩個節(jié)點的坐標位置AJx1,Y1),A2 (x2,y2)，用RSSI測距方法測出移動節(jié)點M1 分別到4、A2節(jié)點的距離rpr2，根據公式
[0043] 求得兩個圓的相交點A12(x12,y12)、A21 (x21,y21)，然后計算出兩圓重疊部分的質心坐 標就是移動節(jié)點的位置。
[0044] 本發(fā)明公開的一種基于RSSI測距的井下人員定位的改進方法，具有以下有益效 果：
[0045] 本發(fā)明將對礦井下定位小區(qū)間的干擾造成定位混亂進行解決，對三邊定位算法由 于測距不準確引起的誤差進行改進，尤其解決了傳統(tǒng)定位算法在小區(qū)邊緣穩(wěn)定性差的缺 點，增加了井下人員定位的可靠性。
【附圖說明】
[0046] 圖1是本發(fā)明的定位方法流程圖，
[0047] 圖2是沒有經過濾波處理的一組RSSI值，
[0048] 圖3是經過濾波處理的一組RSSI值，
[0049] 圖4是井下節(jié)點擺放圖，
[0050] 圖5是第一種節(jié)點間信號干擾示意圖，
[0051] 圖6是第二種節(jié)點間信號干擾示意圖，
[0052] 圖7是第一種三圓兩兩相交示意圖，
[0053] 圖8是第二種二圓兩兩相交不意圖，
[0054] 圖9是重疊部分標記示意圖，
[0055] 圖10是有節(jié)點被損壞情況時的示意圖，
[0056] 圖11是兩邊定位示意圖，
[0057] 圖12是準確人員定位仿真圖，
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