基于三向加速度数据的井下移动通信设备定位.pdf

第 4 2卷 第 4期 2 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 Ap r ． 2 0 1 6 ． ll“ ’ ’ ⋯ ‘ 经验交流 ．⋯◆ ◆ ．⋯ ◆’ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 4 0 0 7 0 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 6 ． 0 4 ． 0 1 7 刘毅． 基于三向加速度数据的井下移动通信设备定位[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 7 0 7 3 ． 基于三向加速度数据的井下移动通信设备定位 刘毅 中国矿业 大学 北 京机 电与信 息 工程 学 院 ， 北 京1 0 0 0 8 3 摘 要 针 对基 于 RS S I 技 术的人 员定位 系统 定位误 差 较 大的 问题 ， 提 出利 用智 能手 机 内置的 三 轴加 速度 传感器采集井下工作人 员活动振动信号， 参照人体运动特点， 通过分析处理数据得到人体的步行运动规律 ， 从而 实现计步运算。以所经过的无线接入基站为参考点 ， 结合 RS S I 测距方法实现较为准确的定位 。测试 结果表 明 ， 将 R S S I 技 术 和计 步测距 相 结合 ， 可有 效提 高定位精 度 。 关键 词 人 员定位 ；三 轴加 速度 传 感器 ；R S S I 技 术 ； 计 步 测距 中图分 类 号 TD 6 5 5 ． 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 4 0 5 1 1 3 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k e ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 1 1 3 4 ． 0 1 7 ． h t ml P o s i t i o n i n g o f u n d e r g r o u n d mo b i l e c o mmu n i c a t i o n d e v i c e b a s e d o n t hr e e d i r e c t i o n a c c e 1 e r a t i o n da t a LI U Yi S c h o o l o f M e c h a n i c a l E l e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l 0 g y B e i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e p r o b l e m o f b i g p o s i t i o n e r r o r o f 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 b a s e d o n RS S I t e c h n o l o g y ，t h e p a p e r p r o p o s e d t o u s e t r i a x i a l a c c e l e r a t i o n s e n s o r b u i l t i n s ma r t p h o n e t o c o l l e c t a c t i v e v i br a t i on s i gn a l ，a n d g e t wa l ki ng m o t i on l a w of t he hu ma n t hr o ug h da t a a n a l y s i s wi t h r e f e r e nc e t o bo dy m o v e me nt ， S O a s t o a c hi e ve p e do me t e r o pe r a t i o ns． The pa s s e d wi r e l e s s a c c e s s po i n t wa s t a k e n a s a r e f e r e nc e t o a c h i e v e a c c ur a t e p os i t i o n i ng c ombi n e d wi t h RSSI r a ng i ng me t h od．The t e s t r e s u l t s s how t h a t t he c o mbi na t i o n o f RSSI r a ng i ng t e c hn ol o gy a nd pe d o m e t e r r a ng i n g c a n e f f e c t i ve l y i m p r ov e p o s i t i on i ng acc ur ac y． Ke y wo r d s p e r s on ne l po s i t i o ni n g；t hr e e ax i s a c c e l e r a t i o n s e ns or；RS SI t e c hno l o gy；p e d o m e t e r r a ng i ng 0 引言 煤矿井下人员位置监测系统是煤矿井下安全避 险六大系统之一， 是矿井安全生产的重要保 障和应 急救援必要手段。随着技术的发展 ， 各种井下无线 通信设备已广泛应用于煤矿 ， 将这些设备接人煤矿 井下人员位置 监测 系统是发展的必然趋势_ 1 ] 。由 于煤矿井下不能使用 G P S定位 ， 所以常用的定位方 法是 基 于接收 信号 强度 指 示 RS S I 的基 站 定位 法 。 井下为长距离且狭 窄的空 间环境 ， 一般基站沿巷道 线状 安装 分布 ， 与 地 面蜂窝 覆盖 方式 不 同 ， 所 以如 要 在井下使用基站 定位法 ， 需对定位算 法进行改进 。 基于 RS S I 技术 的人员 定位 系统 易受包 括天线 方 向、 遮挡物等外界影响 ， 虽然定位精度高于 R F I D系 统 ， 但仍有较大的定位误差。因此 ， 本文提出利用智 能手机内置的三轴加速度传感器采集井下工作人员 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 - 2 6 ； 修 回 日期 2 0 1 6 0 2 1 9 ； 责任编辑 胡娴 。 基 金项 目 国家 自然科学基金资助重点项 目 5 1 1 3 4 0 2 4 。 作者简介 刘毅 1 9 7 3 ～ ， 男 ， 山西临汾人 ， 讲师 ， 从事煤矿 图像监控 、 井下人员定位理论与技术研究工作 ， E ma i l l i u y s i n a ． c o rn。 2 0 1 6年第 4期 刘毅 基 于三 向加速 度数 据 的 井下移 动通信 设备 定位 7 1 活动振动信号 ， 通过处理 3个方向的振动信号 ， 得到 工作人员的行走步数 ， 将步数转换为行走距离 ， 以基 站为参考点实现精确定位 。 1手机 定位 A P P程 序设计 手机定位 AP P结构如图 1所示 。 -t 采 集 计 步 程 序H三 轴 加 速 度 传 感 器 定位 一 定 位 程 序 l A P P 一 { 通 信 程 序 H通 显 示 程 序 卜 _ 厂 i语 图 1 手 机 定 位 AP P结 构 1 ． 1 采集计 步程序 采集计步程序负责三轴加速度传感器信号的采 集 处 理 。 安 卓 系 统 智 能 手 机 编 程 时 使 用 S e n s o r E v e n t L i s t e n e r的 o n s e n s o r C h a n g e d事件， 将 返回 S e n s o r E v e n t 对象， 包含各传感器的最新数据 ， 通过 e v e n t ． v a l u e s 获得长度为 3的三轴加速度传感 器数组 f l o a t [ ] ， 其 中的 3个值分别代表 X， y和 z 方向的数值。 根据人行走步态 的特点定义 了如图 2 a 所示 的 3个 方 向轴， 图 2 b 为三轴加 速度输 出数据 曲 线 。分 析 图 2可 以看 出， 垂 直方 向 的轴 波 形 有 明显 的周期变化 ， 为上向轴， 其他轴波形变化幅度和周期 性没有上 向轴明显 ， 所以 以上 向轴作 为计步依据。 由于使用人员可将手机随意放置携带 ， X， y和 Z轴 都可能是上向轴， 所 以在进行计步判断处理前应先 进行轴向判断 ， 先 采集 一段时间 的加速度数 据， 将 3个轴上的所有加速度数据绝对值求和 ， 绝对值最 大的轴即为上向轴。根据统计 ， 人行走时左右脚各 走一步的频率为 0 ． 5 ～5 Hz _ 3 ] ， 可以此为依据滤除 高频 噪声 。计 步处理 流程 如 图 3所示 。 侧 向轴 l ∞ 宣 曩 a 方 向轴 b 输 出数据 曲线 图 2 方 向轴及 三轴加速度数据 曲线 图 4 a 为没有明确上向轴的情况 ， 各轴均有符 合行走规律的数据特征， 所以在此情况下运用 以上 的计步方法 ， 也可实现计步 。井下工作人员移动方 式除步行外还可以乘坐交通工具 ， 图 4 b 为乘坐地 铁 的三轴 加速 度数据 曲线 ， 可以看 出 ， 在 垂 直轴 上 的 加速度有一定的周期变化 ， 而其他 2个轴上 的数据 曲线没有太大波动 。所 以计步判断时除了对垂直方 向的数据进行处理外 ， 还要判断其他轴的数据规律 ， 防止 计步 误差 。 邑 镧 舞 图 3 计 步处理 流程 时间／ s 县 瑙 曩 时间／ s a 没 有 明确 上 向轴 的情 况 b 乘 坐 地 铁 时 三 轴 加 速 度 数 据 曲 线 图 4 特殊三轴加速度数据 曲线 1 ． 2通信 程 序 通信程序负责移动通信装置与井上定位服务器 之间 的 通 信 。An d r o i d系 统 与 服 务 器 主 要 采 用 Ht t p和 S o c k e t 通信方式 。h t t p连接采用“ 请求 一 响 应方式” ， 即在请求时建立连接通道 ， 当客户端 向服 务器 发送请 求 后 ， 服务 器端 才能 向客 户端 返 回数 据 。 该方 式用 于 B S模式 的服 务 中 。本 文采 用 S o c k e t 通 信方式和 C S程序模式 ， 终 端设 备与井上服务器采 用不基于连接 的 UDP对 等方式通信 ， 定 时 向系统 服务器的固定 I P地址及端 口发送设备 I D及 自身位 置信息 ； 也可从服务器获得井下其他人员的位置信 息。地理信息和位置信息都 由设备本 身处理得到 ， 不需向服务器获取 。采用这种方案的优势在于当设 备与服务器通 信 出现 故 障时 ， 仍 可正常 显示 地理 信 息 。 1 ． 3显 示程序 显示程序负责读取手机内置矿井地理信息并在 2 0 1 6年 第 4期 刘毅 基 于三 向加 速度 数据 的 井下移 动通 信设备 定 位 7 3 基站C 基站B 基站C 基站B a 定位终端在位置 2 b 定位终端在位置 3 图 8 不 同基站 的综合测距 和 z 代入 由点到直线 的距离公式 、 两点式直线方程 和线段约束条件组成的方程组 ， 可得到终端设备 的 当前 坐标 z， f Y 一 1 一z 1 I 2一 1 X2一 z 一 j l 2≤ z≤ z 1 2误 差分 析与 实验测 试 基于计步的测 距方法在短距 离测距时较为准 确， 但用于长距离测距时由于计步误差的累加 ， 会使 误差逐渐增大。将 R S S I 测距 的已知位置点作为计 步测距 的参考点 ， 计步测距只需测量小于两参考点 问的距离 ， 有效避免了计步累积误差 ， 从而实现了准 确测距 。表 1 为计步算法测试数据 ， 可见运用在较 短距离内时， 不同的手机放置方 向和位置均可得到 较为准确的计步值 。 表 1 计 步算法 测试 数据 图 9为 R S S I 测距定位与 R S S I 结合计步测距 定 位 误差 比较 。从 图 9可 以看 出 ， 由于 2 0 m 后 信号 衰减变化幅度不大 ， 而计步测距在此距离内基本准 确， 在综合计算设备到基站距离时， 可将误差减少一 半 ， 所 以结合 计 步测 距 可 有效 减 少 R S S I的定 位 误 差 。 图 9 R S S I 测距 定位 与 R S S I 结合计步测距定 位误 差 比较 3 结语 基于三向加速度数据的井下移动通信设备定位 方法解决了智能手机在煤矿井下无法实现 GP S定 位 ， 而通过基站 RS S I 定位误差较大的问题 ； 修正 了 天线方向、 由于人体 和其他物体遮挡而引起 的定位 坐标不稳定和跳变 ， 稳定 了坐标数据并提高了定位 精度 。所设计的设备程序不仅可定位并上报人员位 置 ， 还可为井下工作人员提供井下地图显示服务 ， 同 时可获取井下其他工作人员的位置信息。 参 考文献 E 1 3 孙继平． 煤 矿井 下 紧急避险 与应 急救 援技术 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 1 - 4 ． E 2 3 孙继平． 煤 矿井下 安全避 险“ 六 大系统 ” 的作用 和配置 方案[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 1 1 - 4 ． E 3 J 苏丽娜 ， 董金 明 ， 赵琦． 基于加 速度传 感器 的计 步器 系 统[ J ] ． 测控技术 ， 2 0 0 7 ， 2 6 增 刊 1 1 6 3 1 6 5 ． [ 4 ] 姚 力 ， 高 以群 ， 王辉 ． 利 用步 长 分 析 身高 的实 验 研究 [ J ] ．刑事技术， 1 9 9 9 1 1 7 1 9 ． [ 5 ] 汪玉凤 ， 李 凯 ， 张 月玲． 基于 加速度传 感器 的井下 电机 车实 时 定 位 系 统 [ J ] ． 计 算 机 系 统 应 用 ， 2 0 1 4 1 1 25 】 一 2 5 5． O O O 2 5 5 5 5 0 9 9 O 5 4 4 5 O O O l 5 5 5 5 9 9 O 1 4 4 5 5 0 0 9 O 5 5 4 5 0 0 O 1 5 5 u 5 O 9 O 0 5 4 5 5 9 O 0 2 5 u 5 0 9 9 2 5 4 4 5 O O O 1 5 5 5 5 y X Z 斜 持 手