基于测距技术的井下动目标精确定位方法.pdf

第 4 1卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I ndus t r y a nd M i ne Aut o mat i o n Vo 1 ． 4 1 No． 5 M a y 2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 0 0 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 3 李正东 ， 张科帆 ， 包建军． 基于测距技术 的井下动 目标精确定位方法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 5 9 - 1 2 ． 基于测距技术的井下动目标精确定位方法 李 正 东 ， 张科 帆 ， 包建 军 天地 常州 自动化股份有限公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对 现有 煤矿 井下人 员定 位 系统 定位精 度 不 高、 不 能 满足精 确 定 位 场合 需 求 的 问题 ， 提 出 了一种 基于测距技术的井下动 目标精确定位方法。该方法利用 RS S I 和 T OF测距技 术计算动 目标的精确位置 ， 在 因通信 障碍 导 致测 距 失败 时 ， 利 用历 史数 据估 计 目标 的 当前 位 置 。实验 结果表 明 ， 该方 法可 以有 效获取 动 目 标 位 置 ， 且 运 算复 杂度 低 ， 实时性 好 ， 可 用 于井 下精 确 定位 等场合 。 关 键词 井下人 员定位 ； 精 确 定位 ；测距技 术 ；坐标估 计 ；最 小二 乘法 中 图分 类 号 TD6 5 5 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 4 3 0 0 8 2 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 4 3 0 ． 0 8 2 8 ． 0 0 3 ． h t ml Pr e c i s e p os i t i o n i n g me t h o d o f un d e r gr o un d mo v i n g t a r g e t b a s e d o n d i s t a nc e me a s u r e me n t t e c hn o l o gy L I Z h e n g d o n g ， Z HA NG Ke f a n ， B AO J i a n j u n Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m t h a t t h e a c c u r a c y o f e x i s t i n g p e r s o n n e l p o s i t i o n i n g s y s t e m i s n o t h i g h a n d c a n t m e e t de m a n d o f pr e c i s e po s i t i o ni n g，a p r e c i s e p os i t i on i ng m e t ho d o f u nd e r gr o un d mo vi n g t a r ge t ba s e d on di s t a n c e m e a s u r e m e nt t e a c hn ol o gy wa s p r o p os e d．The m e t ho d u s e s RSS I a n d TOF r a ng i n g t e c h no l o gy t o c a l c ul a t e a c c ur a t e p o s i t i on o f mo v i ng t a r g e t ，a nd c a n u s e hi s t o r i c al da t a t o e s t i ma t e c u r r e nt l oc a t i o n of t h e t a r g e t i n f a i l u r e r a n g i n g c a u s e d b y c o mmu n i c a t i o n b a r r i e r s ．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e m e t hod c a n e f f e c t i ve l y o bt a i n t he mo vi ng t a r g e t l o c a t i o n，a nd ha s l o w c o mpu t a t i o n c o m p l e xi t y a n d g o od r e a l t i me p e r f o r ma n c e ，S O i t c a n b e u s e d f o r a c c u r a t e p e r s o n n e l p o s i t i o n i n g i n mi n e u n d e r g r o u n d． Ke y wo r d s u n d e r g r o u n d p e r s o n n e l p o s i t i o n i n g；p r e c i s e p o s i t i o n i n g； d i s t a n c e me a s u r e me n t t e c h n o l o g y； c o or di n a t e e s t i ma t e；l e a s t s qu a r e s me t h od 0 引 言 井 下人 员 和设 备定 位技 术在 保 障煤矿 安 全生产 方 面起着 至 关 重 要 的作 用 。 目前 ， 国 内外 市 场上 用 于矿 井 人员 和设 备 定 位 的 系 统 主要 分 为 2类 基 于 R F I D 技术 的 区 域 定 位 系 统[ 1 与 基 于 测 距 技 术 的 一 维 精 确定 位 系统[ 。 基于 RF I D技术的区域定位 系统 由阅读器 、 标 签、 井下定位分站及井上服务器等组成 。标签由耦 合元件及芯片组成 ， 每个标签有唯一的标志码 ， 阅读 器可以通过天线读取标签信息 ， 传递给井下定位分 站 ， 并 由分 站上 传 至 井 上 服 务 器 。该类 定位 系统 通 过在矿井井 口及一些关键通道布置阅读器 ， 对经过 阅读 器 的标签 进行 记 录和跟 踪 。 由于 采用 区域 定位 方法 ， 基 于 R F I D技 术 的 定位 系统 的定 位 精 度 十 分 有 限[ 5 - 9 ] ， 只能 得到标 签 在某 阅读器 可探 测 范 围 内的 信息 。 由于区域定位存在的局限性， 近年来基于测距 技术的一维精确定位系统逐渐获得广泛应用 。基于 测距技术 的一维精确定位系统 由定位主站、 定位辅 收 稿 日期 2 0 1 4 1 1 0 3 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 3 1 7 ； 责 任 编 辑 张 强 。 基金 项 目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项 目 2 0 1 3 Z D0 0 1 ～ 0 2， 2 0 1 4 MS 0 1 1 ； 天地科技技术创新基金项 目 K J 一 2 0 1 4 一 C Z GF 一 0 4 。 作者 简介 李正东 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东l临沂人 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 研究方 向为矿用无线 、 有线通信系统 ， E - ma i l l i z h d 3 1 9 1 6 3 ． c o m。 l O 工矿 自动化 2 O 1 5年 第 4 1卷 站 、 标 志 卡及井 上 服 务 器组 成 。 由定 位 主 站 根 据定 位 主站 与标志 卡之 问 、 定 位 辅 站 与标 志 卡 之 间 的距 离判 断标 志卡 方 向 ， 对 标 志 卡 进 行精 确 定 位 并将 定 位结果通过有线方式传递到井上服务器。～维精确 定 位 系统 较好地 解 决 了区域定 位系统 只 能获得 移动 点 区域信 息 的不 足 ， 提高 了定位 精度 。但是 ， 这 种定 位系统 只能获得移动点的一维坐标信 息， 无法应用 于需要更精确的位置信息的场合 。 本文针对上述 2类 定 位系 统 的不足 ， 提 出 了 一 种井 下 动 目标 精 确定 位 方 法 。该方 法 基 于 R S S I R e c e i v e d S i g n a l S t r e n g t h I n d i c a t o r ， 接收信号强度 指 示器 和 TO F Ti me o f F l i g h t， 飞行时差 测距 技 术计算动 目标精确位置， 在因通信障碍导致测距失 败时 ， 利用历史数据估计 目标的当前位置 。实验结 果 表 明 ， 该 方法 可 以有 效获 取动 目标位 置 ， 且运算 复 杂度低 ， 实 时性 好 ， 可 用于 井下 动 目标 精确 定位 。 1 测 距算 法 节 点 问测距 通过 提取接 收信 号 中的有 用特征 来 实现 ， 可分 为基 于场 强 的测 量方 法 和 基 于 时 间 的测 量 方法 ] 。 RS S I 测距 是基 于场 强 的测 量算 法 ， 不 需 要额 外 的硬件 设备 ， 具 有 实 现简 单 的特 点 。通 过 测量 接 收 节点的接收信号强度 ， 依据信号传播过程 中的衰减 经验公式获得节点距离。 TOF测距是基于时间测量方法 中的经典算法。 发送 节点 发送信 号 到 接 收节 点 ， 接 收节 点 将 该信 号 加上 一定 的时 间参 数 等 信 息 发 回到 发 送 节 点 ， 根据 所 得 TO F值获取 节 点间距 离信 息 。 R S S I 信号传播衰减模型固定 ， 在井下环境 中受 环境噪声影响较大， 信号随距离增加衰减严重 ， 适用 于非 视距 及短 距离 的测 距 ； TOF测 距技 术 采用 电磁 波 ， 传播 距离 远 ， 在 远 距 离 测 量 中精 度 较 高 ， 但 近距 离 测量 误 差 较 大 。 因此 ， 实 用 的 测 距 技 术 应 该 是 两者相结合 ， 以保证在近距离和远距离时都达到较 高的精度。 2动 目标 三维坐 标估 计 2 ． 1 空 间 三 维 坐 标 定 位 设 动 目标坐 标 为 P ， Y ， ， 在 其 周 围布 置 若 干 参考 节 点 ， 各 参 考 节 点 坐 标 分 别 为 A z ， Y ， 1 ， A2 z 2 ， 2 ， 2 ， ⋯ ， A Iz ， Y ， z ， 各 参 考 节 点 到移 动节 点 的距 离分 别 为 d ， d 。 ， ⋯ ， d ， 得 到 关 于 移动 节点 坐标 z， ， z 、 参 考 节 点坐 标 ， ， 及 距离 d 的方程 组 一1 ， 2 ， ⋯ ， 一 y 一 用 式 1 中第 1个 方 程依 次 减 去 后 面 的每 个 方 程 并进 行化 简后 得到式 2 Ax b 2 式中 系数矩 阵 A Z l 2 1 一, 2 7 3 3 5 “ 1 一x n Y 1一 2 ．y1 一 Y3 l 一 3 ， ； 待 ] l I 求未知向量 一 1 } ； 两者的积向量 b I fy l r ； 一r z ； 一z 十 --y ； ； r ； 一r z 一z ； 一 ； i ； ； r 一r z 一-z Y z j i 对 移 动 目标 进行 三维 坐标定 位 即转化 为求 上述 线 性 方程组 的解 的 问题 。当 A 可 逆 时 ， 式 2 的解 为 A。 。 b 。在 不 考 虑 任何 误 差 的前 提 下 ， 当参 考 节点数 目为 4时方程组有精确解 。然 而， 各参考节 点的坐标及距离不可避免地存在测量误差 ， 导致此 时 的计 算结 果 有较 大 误 差 。 为解 决这 一 问题 ， 通 常 需要 多布 置参 考节点 ， 为解 方程 组提 供冗 余信 息 ， 此 时得 到 的式 2 为超 定方 程组 。为此 ， 可 限定 在最小 二 乘 准 则 下 求 超 定 方 程 组 的 锯 ， 即 最 小 二 乘 解E l 0 1 2 ] 。 另一方面 ， 煤矿井下通信环境复杂 ， 存在各种电 力 和机 械设备 ， 电磁 波传 播 过 程 中不 可 避 免 受 到各 种 干扰 和阻碍 ， 导 致某 些 时 刻 移 动节 点 无 法 收 到所 有参考节点的信息。当探测到的参考节点数 目小于 4时 ， 式 2 欠 定 ， 没 有 唯 一 解 ， 即定 位 失 败 。实 际 上 ， 对移动节点的定位是一个不断重复的过程 ， 无法 获 得方 程组 唯一解 时可 以考 虑利 用前几 次定 位 的结 果 来对 该 时刻 的 目标 坐标 进 行 估计 ， 也 即利 用 已知 数 据来 拟合 移动 节 点运 动 轨 迹 ， 预 测 目标 当前 时 刻 所 处位 置 。 2 ． 2 最 小二乘 法 当参考 节点 数超 过 4时 ， 式 2 超定 ， 尽管 不 能 2 0 1 5年 第 5期 李正 东等 基 于 测距技 术 的井 下动 目标精 确 定位 方法 1 l 找到 一个 解 ， 使 得 Ax b成 立 ， 但 可 以找 到一 个 ， 使得 误 差 向 量 e A 一 b 的模 的 平 方 和 J一 P 一 A ～6 A 一6 取 得 极 小 值 。使 J取 得 极 小值 的解称为最小二乘解 ， 记为 。 。在最小二乘意 义 下 ， 式 2 的唯一 解 为 一 A A A b 3 2 ． 3 定 位 失败 时移动 点 坐标 的估 计 当移 动 节 点 探测 到 的参 考 节 点数 目小 于 4时 ， 无 法通 过 2 ． 2节 中所 述 方 法 来 获 取 移 动 节 点 坐 标 ， 因此 ， 考虑 通过 对 目标 运 动 轨 迹 的追 踪 来 估 计 目标 实 际位 置 。 对 目标轨迹的拟合需确定拟合时所用的曲线模 型 。井下 动 目标一 般 为低 速 行 进 的人 或 者 车 辆 ， 定 位间隔较短时 ， 可 以认 为在若干次定位时 间内 目标 服从匀速或者匀变速运动。当定位失败时 ， 基 于 目 标 运 动速 度 、 定 位 间 隔 和前 一 时 刻 目标 的位 置 可 估 计 移 动节 点在 该 时刻 的坐 标位 置 。 设 目标 在 定位 时 刻 t 。 ， t 1 ， ⋯ ， t 一 1 ， ￡ ， t 1 ， ⋯时 的坐 标分 别 为 o ， Y o ， z o ， z 1 ， Y 1 ， z 1 ， ⋯ ， z 一 1 ， y 一 1 ， z 一 1 ， z ， Y ， ， n 1 ， Y “ 1 ， Z n 1 ， ⋯， 定位 时问间隔为 T。目标在 时间内 一1 ， 2 ， ⋯ 沿各 坐标 轴 方 向的平 均速 度 分别 为 Z t X i -- 1 一 丁 一 4 ， 一 Zi -1 一 假设 t 。 ， t 时刻定位成功 ， t 时刻定位失败 ， 将 时 间 内 目标 的平 均 速度作 为 时 间 内 目 标 的运动速度 ， 则 t ， t 时间内 目标沿 z轴方向的 速 度 估计 值 为 5 一7 ～ 3 一 ’ 5 4 一 一 L 0 J 同理可求得 ， 。 。 t 时刻 目标 的坐标 为 z ， y ， z ， 则 时 刻 目 标 的坐标 为 z 5 ， Y 5 ， z 5 一 4 5 T， y 4 5 T， z 4 5 T 6 将这样求得的定位失败时刻的坐标估计值作为 已知数据 ， 认为该时刻定位成功， 该定位过程不断重 复 ， 获 得移 动节 点 在各 定位 时 刻 的坐标 值 。 3动 目标 坐标 计 算处 理流 程 获 取 移 动节 点 坐 标 位 置 的 处 理 流 程 如 图 1所 示 。系统上电后开始工作 ， 当移动节点距离参考点 阵较远 时测 距失 败 ， 此 时 对 移 动 节 点定 位 没 有 实 际 意 义 ； 当移 动节 点连 续 5个 定 位 时 刻均 成 功 获 得 了 自身坐 标后 ， 认 为该 节点 已进 入 了定位 可靠 区域 ， 开 始按 照 2 ． 2和 2 ． 3节 中所 述 方 法 获取 自身 位 置 ； 当 移动节点连续 1 o个定位 时刻均不能成功获取 自身 坐标后 ， 则 认 为该节 点 已远 离定位 可靠 区域 ， 不 再进 行 定位 。 图 1 获取移动节点坐标位置 的处 理流程 4 实验 验证 4 ． 1 动 目标 移 动 轨 迹 的 跟 踪 实 验 采用实测数据验证上述定位算法。在 1 5 r n 1 5 m 的通 道 内 由人 模 拟 移 动 节 点按 正 常 步行 速度 行进 进行 实验 。这 里将 移 动节点 和参 考节 点 布置在 同一 水平 面上 ， 则 三 维 坐标 定 位 退 化 为 二 维 坐标 定 位 ， 此时 为实 现成 功 定 位所 需 要 的参 考 节 点 数最 少 为 3 。在 平 面 区域 内建 立直 角坐 标系 x o y， 在该 坐标 系的第一象限内布置 1 O个参考节点 ， 各节点坐标固 定 为 A1 2 0 0 ， 2 5 0 ， A2 2 3 0 ， 8 2 0 ， A3 3 5 0 ， 6 7 5 ， A4 4 0 0 ，5 0 0，A5 5 4 0，1 5 0 ，A66 5 0，6 0 0 ， A7 8 0 0 ， 8 0 0 ， A8 8 5 0， 7 0 0 ， A9 1 0 0 0， 1 0 5 0 ， A 。 1 1 0 0 ， 6 0 0 ， 距 离单位为 c m， 人 的行走路线 大 致为直线 Yz 。设 定位间隔为 5 0 0 ms ， 记 录每个 定位 时刻 人 的实 际位 置 。 本文所提方法是基于各参考节点坐标和移动节 点 到参考 节点 间距 离 的 ， 因此 ， 计 算 结果 必然 受到 坐 标误 差 和测 距 误 差 的 影 响 。而 由 参 考 文 献 [ 1 3 ] 可 1 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 I卷 知 ， 坐 标误 差对 定位 效果 的影 响远小 于测距 误差 ， 因 而 ， 这 里 只 考 虑 测 距 误 差 。假 设 测 距 误 差 小 于 5 0 c m， 所需 移 动 节 点 到 参 考 节 点 的 距 离 由实 际 测 量值加上一定的误差求得 ， 该误差为计算机产生 的 0 ～ 5 0的随 机数 。某些 时刻 会 因探 测 到 的参 考节 点 数 目过少 而导致 定 位 失 败 ， 这些 时刻 的坐 标 由该 时 刻之 前 5次定 位成 功所获 取 到的数 据来估 计 。这里 假设 这 些 定 位 时 刻 为 6 ， 1 0 ， 1 3 ， 1 8 ， 2 3 。利 用 2 ． 2 ， 2 ． 3 节 中所 述 方 法 ， 基 于 定 位 失 败 时 刻 前 所 获 取 的 连 续 5个时 刻的 定位 数 据 ， 计 算 该 时刻 移 动 节 点所 处位置。定位失败时刻移动节点的实际坐标与利用 本 文方 法所得 到 的估计 坐标 比较结 果见 表 1 。 表 1 定位 失败 时刻 移动节点 的实 际坐标 与 利 用本 文 方 法 所 得 到 的估 计 坐 标 比较 结 果 定位时刻 实际坐标 估计 坐标 由表 1可知 ， 在获取到参考节点信息不足 的定 位 失败 时刻 ， 利用 本 文 所 提方 法 可 以有效 估 计 移 动 节点 坐标 ， 误差 不超 过 5 0 c m。 4 ． 2 算 法的 时 间复杂度 实验 利用 最小 二乘 法求解 式 2 ， 设参 考节 点数 目为 M ， 待 确 定移动 节点 坐标 维 数 为 N ， 则 求 解式 2 过 程中要实现 A A x A b ， 乘法次数为 N M 一 1 N M 一 1 7 解方 程组 ， 需要 乘法 次数 为 辈 N z N 8 d 0 一 般 而言 ， M 与 N 二 者应 为 同一 数 量 级 ， 总 的 时 间复杂 度 为 0 N。 。 基 于 S T M3 2 F 1 o 3 C B T 6处 理 器 ， C P U 主 频 为 7 2 MHz ，S R AM 为 2 0 k B， F l a s h为 6 4 k B， 当 M 一 1 0 ， N 3时 ， 移 动节 点 计算 一次 坐 标所 需 时 间约 为 9 0 0 s ， 移 动节 点测距 的 时间也 在 s量级 ， 因此 ， 移 动节点 进行 自身 坐 标 定 位 的 时 间 为 ms 量 级 ， 完 全 满 足井 下 环境对 定位 实时性 的要 求 。 5 结 语 基于测 距技 术 的井 下 动 目标 精确定 位 方法利 用 RS S I 和 T OF相 结合 的方式 来获 取移 动节 点与参 考 节点问的距离信息 ， 通过多布置参考节点提供冗余 信 息 ， 利用最 小 二乘 法 和 运动 轨 迹 拟 合法 确 定 目标 实时 位置 。实验 结果表 明 ， 该方 法在定 位精 度 、 时间 复杂 度方 面有较 高 的性 能 ， 在 因环 境 恶 劣 导致 通 信 障碍时仍能有效估计移动节点坐标 ， 在需要精确定 位 的场合 有工 程实用 价值 。 参考文献 [1 ] N I L M， Z HA NG D， S OUR Y AL M R． R F I I Nb a s e d l o c a l i z a t i o n a n d t r a c k i n g t e c h n o l o g i e s[ J] ．I E E E W i r e l e s s Commu ni c a t i on s， 2 01 1， 1 8 4 45 51 ． [2 ] 李文仲 ， 段朝玉． Z i g B e e 2 0 0 6无线 网络 与无 线定位 实 战[ M] ． 北京 北京航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 8 3 - 1 0 ． [3 ] 徐 辉 霞 ，包 建 军 ，谭 达 克 ，等．基 于R F I D 的 L A ND MAR C井下 定位 技 术研 究 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 01 4， 4 0 5 l 8 21 ． [ 4] 孙瑜 ， 范平 志． 射频识 别技 术及其在 室内定位 中的应 用E J ] ． 计算机应用 ， 2 0 0 5 ， 2 5 5 1 2 0 5 1 2 0 8 ． [5] 沈志广． 基 于 Z i g B e e的井下 人员定 位 系统基 站设 计 与研究1- D ] ． 焦作 河南理工大学 ， 2 0 0 9 3 - 6 ． [6] 包建军 ， 霍 振龙 ， 徐炜 ， 等． 一种 高精 度井下 人员 无线 定位算法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 1 0 1 8 2 1 ． [7] 黄 晓冬 ， 刘 晓娣 ， 丁兆明． RS S I 及 T OF测距技 术及仿 真研究 1- J ] ． 海 军航 空 工 程 学 院学 报 ， 2 0 1 2 ， 2 7 5 56 7 5 7 0． [ 8] 陈红 阳． 基于测距技术的无线传感 网络 定位 技术研究 [ D ] ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 6 1 5 ． [ 9] 李军． 室 内定位算法改进及 应用研究 [ D] 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