基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统.pdf

第 4 2卷 第 5期 2 0 1 6年 5 月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ．4 2 No ． 5 M a y 2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 6 0 5 0 0 1 9 0 5 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 5 ． 0 0 5 马京 ， 胡青松 ， 宋泊明， 等． 基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 5 1 9 2 3 ． 基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统 马 京 ， 胡青松 ， 宋泊明 ， 张 申 。 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业大学 物联网 感知矿山 研究 中心，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 矿山互联网应用技术 国家地方联合工程实验室 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对 R S S I 指纹膜定位方法受矿并环境影响较大， 而基于航迹推算的定位方法易形成误差 累积的 问题 ， 设计 了基 于指纹膜与航迹推算的井下人 员定位 系统。该 系统周期性采集人 员的位置信息与运动姿态 信息， 利用 K 近邻和峰值检测方法求解指纹定位结果和航迹推算结果， 并对定位结果进行加权融合得到 目 标位置。测试结果表明， 该 系统明显提 高了定位精度和稳定性 ， 对煤矿巷道复杂环境具有较 强的适应能力。 关键词 井下人 员定位；指纹膜 ； 航迹推算；融合算法 中图分类号 T D 6 5 5 ． 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 2 9 l 1 1 7 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 6 0 4 2 9 ． 1 1 1 7 ． 0 0 5 ． h t ml Un de r g r o u n d p e r s o n ne l p o s i t i o ni n g s y s t e m b a s e d o n f i n g e r pr i nt a nd d e a d r e c k o ni n g MA J i n g 一， HU Qi n g s o n g 。 ， S ONG Bo mi n g ， ZHANG S h e n 。 1 ． S c h o o 1 o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l E n 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 o g y， Xuz h ou 2 21 0 0 8，Chi n a；2． I o T Pe r c e pt i on M i ne Re s e a r c h Ce nt e r ，Chi na U n 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 o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8， Ch i n a ；3 ． Th e Na t i o n a l a n d Lo c a l J o i n t En g i n e e r i n g La bo r a t or y o f I n t e r ne t Ap pl i c a t i on Te c h no l o gy o n M i ne，Chi n a U ni ve r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ， 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 RS S I b a s e d f i n g e r p r i n t p o s i t i o n i n g me t h o d i s g r e a t l y i n f l u e n c e d b y e n v i r o n me n t o f c o a l mi n e t u n n e l ， a n d 1 o c a l i z a t i o n me t h o d b a s e d o n d e a d - r e c k o n i n g i s e a s y t o f o r m a c c u m u l a t i o n o f e r r o r s ，un de r g r ou nd pe r s o nne l po s i t i o ni n g s ys t e m b as e d o n f i ng e r pr i n t a n d d e a d r e c k on i ng wa s d e s i gn e d． The s ys t e m p e r i o di c a l l y c o l l e c t s l o c a t i o n a nd a t t i t u de i nf or ma t i on， u s e s KNN a n d p e a k d e t e c t i on me t ho d t o s o l ve r e s u l t o f f i n ge r pr i nt a nd de a d r e c ko ni n g，a n d t he t a r g e t p os i t i on wa s ob t a i ne d by we i g h t e d f u s i o n o f t h e t wo p o s i t i o n i n g r e s u l t s ．Th e t e s t r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e s y s t e m c a n o b v i o u s l y i mp r o v e p o s i t i o n i n g a c c u r a c y a n d s t a b i l i t y，a n d h a s s t r o n g a d a p t a b i l i t y t o t h e c o mp l e x e n v i r o n me n t o f c o a l mi ne t u nne 1 ． 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；f i n g e r p r i n t ；d e a d r e c k o n i n g；f u s i o n a l g o r i t h m 0 引 言 当前煤矿井下人员定位系统大多采用基于测距 的 定 位 方 法Ⅲ ， 其 核 心 是 采 用 AO A An g l e o f Ar r i v a 1 ， TOA Ti me o f Ar r i v a 1 ， TD0A Ti me Di f f e r e n c e o f Ar r i v a 1 ，RS S I Re c e i v e d S i g n a l 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 1 - 2 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 3 一 i 1 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 自然 科 学 基 金 项 目 5 1 2 0 4 1 7 7 ； 江 苏 省 自然 科 学 基 金 项 目 B K2 0 1 5 1 1 4 8 ； 中央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 基 金 项 目 2 0 1 5 XKMS0 9 7 。 作者简介 马京 1 9 9 1 一 ， 女， 山东菏泽 人 ， 硕 士研 究生 ， 主要 研究方 向为无线 传感 器 网络定位 ， E ma i l 1 1 4 8 5 8 7 6 5 2 q q ． c o rn。通信 作者 张 申 1 9 5 5 一 ， 男 ， 江苏兴 化人， 教授 ， 博士研究生导师 ， 主要研究方向为矿山通信 与信息化 ， E - ma i l y u n n a n 0 5 t o m． c o rn。 2 O 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 S t r e n g t h I n d i c a t o r 等方法测定 目标节点与定位锚 节 点 之 间 的 距 离 [ 2 ] 。在 这 些 测 距 方 法 中 ， 基 于 T OA和 TD OA 的定位方法简单 、 易于实现且精度 较高 。但是 ， 由于定位对收发节点之间的时间准确 性有严格要求 ， 所以， 该方法对硬件要求较高 。基于 R S S I 的定位 方法无需额外 的传感器设 备 ， 成本 较 低 ， 在矿井中得到了广泛应用 。但是 ， R S S I 受环境 影 响较 大 ， 定 位精 度 相 对 较 低 。基 于 AOA 的定 位 方 法要 求 节 点 配备 天 线 阵 列或 智 能 天线 _ 3 ] ， 成本 较 高 ， 在矿井中尚未得到较多应用 。 由于加速度计、 磁力计 、 陀螺仪等运动传感器能 够捕捉运动者运动姿态信息， 辅 以恰当的解算方法 ， 有望实现较为准确的矿井 目标定位[ 4 ] 。航 迹推算 定位不依赖外部其他设备 ， 受环境因素影响小 ， 但是 定位误差会随时间累积 ， 且需要提供定位初始位置， 不适于长期 单独 工作。为此 ， 本 文综合基 于 RS S I 的指纹定位方法和航迹推算定位方法 的优势 ， 设计 了煤 矿井 下人 员定 位 系统 ， 较 好 地 兼 顾 了定 位 精 度 与系统成本等因素 的平衡。实验结果表 明， 该 系统 有 效提 高 了人员 定位 精 度 ， 具 有 较 强 的煤 矿巷 道 环 境 适应 能力 。 1 系统结 构 基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统 由 定位人员随身携带的标签、 锚节点 也称定位基站或 基站 、 以太网有线传输网络以及上位机解算软件构 成 ， 如 图 1 所 示 。 图 1井 下 人 员 定 位 系统 结 构 系统 定位 过程 井 下 人 员 携 带标 签在 煤 矿 巷 道 移动 的时候 ， 标签 中的传感器周期性采集人体运动 信息并传输给锚节点 ； 锚节点接收到信号后 ， 根据数 据距离模型计算出该信号 的 RS S I 值 ， 随后将 R S S I 值与人员运动信息重新整合成一个新的数据包 ， 通 过 以太 网传输至位于地面的上位机解算软件进行定 位信息解算 ， 得到人员的空间位置 。 定位标签 以 C C 2 5 3 0作为主控制 芯片， 辅以加 速度计、 磁力计和 电源等模块 ， 其结构如 图 2所示 。 其 中 ， 加速 度计 AD XL 3 4 5的量程 为 1 6 g ， 磁力 计 HMC 5 8 8 3的量 程 为 8 Ga 。 由于锚 节 点不 需 要进 行数据 采集 工 作， 所 以 ， 无 需包 含加 速 度计 和磁 力计 。 图 2定位标签结构 2 R S S I 指纹 膜定位 与 航迹推 算 2 ． 1 RS S I指 纹 膜 定 位 R S S I 指 纹膜 定位 过 程 主 要 分 为 离 线 数 据 采 集 阶段和在线实时定位阶段 ， 如图 3所示 。 量定 位 标 签 ’ Y ‘ ‘I 。。‘R 。。 。S‘。 ‘S。 。I I。,。 。R’ 。S。。 S I z , 。“ , R S’ S I n 匹配算法H 定位方法 离线数据采集 段 在线买时定位阶段 图 3指纹膜定位过程 离线数据采集阶段的主要 目标是构建指纹数据 库 。需将待定位区域按照一定规则划分为若干子 区 域 ， 在每 个子 区域 内选 取一个 参考 位置 ， 测量 该 位置 处 的标 签 节 点 所 发 送 的 信 号 到 达 各 个 锚 节 点 的 RS S I 值 ， 所有子 区域的信号强度值与其对应的参考 点位 置构成 离线 指纹 数据 库 。 在线实时定位阶段将实测 RS S I 值与指纹数据 库 中的 R S S I 值 进 行 匹 配 ， 并 将 指 纹 数 据 库 中 匹 配 项所对应的位置作为 目标节点 的估计位置。指纹数 据库 匹配 算 法 包 括 确 定 性 算 法、 神 经 网络 算 法 等 ] ， 其中， 最为典型的是确定性方法 中的 K近邻 算法 。在该方法中， 匹配标准为 厂 一 D 一 ．／ R S S I R S S I ， i 一1 ， 2 ， ⋯， 百 1 式中 D 为 目标节点与第 i个参考点的信号强度欧 氏距离 ； 为锚节点个数； i 为参考点个数； R S S I 为 指纹 库 中第 i个锚节 点对 应的信号强度 ； RS S I 为 第 i 个锚节点在实时定位阶段测量到的信号强度平 均 值 。 2 0 1 6年第 5期 马京等 基 于指纹膜与航迹推算的井下人 员定位 系统 2 1 在所有的欧氏距离计算完成后 ， 选取其中 K 个 最小的欧 氏距离， 其对应 的参考点 即为 目标节点 的 K 个相距最近的参考节点， 它们 的质心即为 目标节 点的估计位置 。为 了进一步提高定位精度 ， 使用基 于欧氏距离的加权质心算法计算质心位置 z， z， 一 ￡ J f ， 2 式 中 叫 i 为 加 权 因 子 ，∞ 一 去 ／ 皇 1 。 2 ． 2 航 迹推 算 航迹 推算是利用 已知 的初始位置信息， 根据运 动传感器提供 的航 向角和加速度变化信息 ， 推算运 动 节 点下 一 时 刻位 置 的一 种惯 性 导 航 定位 方 法 [ 9 ] ， 其定位原理如图 4所示 。 图 4 航迹推算原理 假 定 节 点 的初 始 位 置 点为 P 。 。 ， Y 。 ， 沿航 向 角 移动， 移动距离 f o 后到达位置点 P ， ， 则点 P 。 和点 P 之间的关系如下 X o l 棚 o s i n 节点 以航 向角 0 移 动距离 l P 2 z 2 ， z ， 则 有 x2 x l l l s i n O 1 一 3 后 到达 位置点 继续 按照节点 的航 迹进行 推算 ， 可 得到点 的坐 标为 k - - 1 z 。 ∑l i s in 0 l O { 卜 5 【 挑一 。 ∑1 舯s 0 从航迹推算过程可 以看出 ， 航迹推算定位模型 的关键是准确获取移动 目标的移动距离和航 向角。 由于普通加速计 的精度较低 ， 不能根据传统惯性导 航算法通过加速度 积分求 运动距离m] ， 所 以， 行走 距离 z 无法直接测得 。为此 ， 本文根据被测人员 的 行走特征 ， 使用峰值 检测法[ 1 妇检测行走 的步频 ， 再 通过估算 目标 运动 中每一 步 的步 幅来 计 算运 动 距离 。 3 联 合 指纹膜 和 航迹推 算 的 目标位 置解 算 本节将指纹定位算法和航迹推算技术进行融 合 ， 解决初始位置获取 困难和航迹推算误差累积 的 问题 ， 以获得更 好 的定位效 果 。 3 ． 1 目标位 置解 算 混合定位算法流程如图 5所示 。在定位起始阶 段 ， 利用 RS S I 指纹定位算法求解 目标位置， 作为 目 标航迹推算的初始坐标 。在定位过程中， 锚节点接 收 目标运动姿态信息和 R S S I 值 ， 分别利用 K 近邻 和峰值检测方法求解指纹定位结果 和航迹推算结 果 ， 最后对 2 种定位结果进行加权融合 ， 得到最终的 目标位置 。 图 5混 合 定 位 算 法 流 程 假定 目标 节点 与 个 参考 节点 的 R S S I 欧 氏距 离为[ D ， Dz ， ⋯， D ] 。由于 目标节点与锚节点之 间的欧氏距离越小 ， 指纹定位结果越精确 ， 所 以， 定 义加 权 因子 ∞ 1 1 ／ mi n F Dl ， D2 ， ⋯ ， D ] 6 另外 ， 注意到 目标航迹推算误差会 随着时间而 累积 ， 因此 ， 定 义加 权 因子 叫 2 1 ／ T 7 式中 T为定位时间。 将指纹定位与航迹推算的位置求解结果加权求 和 ， 得到最终的定位结果为 P 一 P跚 ￡ PP D R 8 O 91 T∞ 2 1 1_ 2 式中 P ￡ 为 t 时刻最终定位位置； P ￡ 为 t时 刻 R S S I 指纹法估计位置 ； P P D ￡ 为 t 时刻航迹推 4 { 宝 S C ∑ ∑ 2 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 算估计位置 。 3 ． 2 基 于 R S S I 衰减 特性 的误 差控制 基于指纹膜与航迹推算的混合定位算法利用指 纹定位降低 了航迹 推算 的累积误差 。不过 ， 由于航 迹推算的初始位置是 由 R S S I 指纹膜方法求得 的， 所以， 其本身不太精确 ， 且误 差是随机 、 不可控 的。 考虑 到定 位环境 中 的锚 节 点位 置 固定 不 变 ， 本 文提 出根据接收信号的 R S S I 值与距离 的变化特性 ， 利 用锚 节点 位置更 新 初始位 置 。 3次实测 得 到 的 R S S I值 与距离 关 系 曲线 如 图 6所示 。从图 6可看 出， 当 目标节点与锚节点相 距较近时 ， R S S I 值 与 目标位置对应关 系比较好 ； 随 着距离的增大 ， R S S I 值 的随机误差不 断增大 。因 此 ， 可以根据 R S S I 值 的衰 减特性进行 短距离辅助 定位 。设定信号强度阈值 R 本文设 R一一5 5 d B ， 当锚 节点 收 到 的 目标 节 点 R S S I 值 大 于 阈值 时 ， 认 为运动 目标与锚节点距离较短 如 3 m ， 将 当前锚 节点的位置作为 目标节点 的实际位置， 并将航迹推 算的定位 时间 T置零。这样既保障了 目标节点真 实 位置 与纠 正位 置 之 间 的距 离 不 超 过 3 m， 有 效 控 制 了更新 位 置 的误 差范 围 ， 同时 清 空 了航 迹 推 算 过 程 中的累积误差 ， 有效提高了定位精度。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 l 1 1 2 l 3 1 4 1 5 距 离／ m 图 6 R S S I 值与距离关系 曲线 基于误差控制 的混合定位算 法流程如 图 7所 示 ， 具体步骤如下 1 锚节点收到 目标节点 R S S I 信号之后 ， 比较 R S S I 值与信号强度 阈值 R 的大小关 系， 判断 目标 节点 是 否 在 锚 节 点 有效 范 围 内 ， 若 R S S I R， 则 执 行步 骤 2 ， 否 则 ， 执 行 步骤 3 。 2 选定接收到 的信号强度最大值 ， 确定距 目 标节点最近的锚节点 ， 将该锚节点 的物理位置坐标 设定为 目标节点的定位结果 。 3 分别利用传感数据和信号强度值进行航迹 推算定位和指纹定位 ， 得到 2种定位结果后进行加 权融合 ， 将 融合 结果设 定 为 目标节 点 的定位 结果 。 4 利用定位结果更新航迹推算的初始位置。 图 7基 于 误 差 控 制 的 混 合 定 位算 法 流 程 4测试 分析 在某模拟巷道内进行系统测试， 模拟巷道为直 线结构 ， 宽为 2 ． 8 m， 选取的测 试区域巷道 长度 为 1 0 0 m， 区域 内有 2个 相 距 约 3 0 m 的硐 室 ， 如 图 8 所 示 。 3 0m 3 0m 点 图 8模 拟 巷 遭 结 构 实 际测试 中 ， 在选 取 的 测试 区域 两 端 分别 放 置 1 个锚节点。在离线采样阶段 ， 以锚节点 1为初始 零点 位置 ， 每 隔 3 m 进 行 一 次 指 纹 采 样 ， 并 遍 历 所 需定位区域 ， 将采集到 的数据按 图 3要求建立指纹 数据库。在线定位 阶段 ， 用户携带定位标签 由锚节 点 1向锚节点 2方向移动 ， 行走路程为 1 0 0 r n ， 历时 7 0 S 。移动过程 中数据采样周期为 1 5 0 ms ， 定位周 期为 1 5 0 0 ms ， 共进行 2 O组实验。 指纹定位算法 、 航迹推算法、 混合定位算法的定 位 误差 如 图 9所 示 。从 图 9可 以看 出 ， 指 纹 定 位 结 果存在一定的位置偏移 ， 其误差在靠近锚节点位置 处较小 ， 远离锚节点位置处较大。航迹推算 的定位 误差随着采样时间的增加而增大 ， 存在误差累积现 象。当定位标签靠近锚节点 2 即采样 时间在 7 0 S 2 0 1 6年 第 5期 马 京等 基 于指纹 膜与航 迹推 算 的井 下人 员定位 系统 2 3 左右 时， 航迹推算误差大幅度减小 ， 误差累积现象 明显改 善 。 1 O 9 8 7 6 s 3 2 1 O 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 采样时间／ s 图 9 各算法定位误差 经过 2 O组测 试 得 到 的定 位 平 均 误 差 和标 准差 见表 1 。从表 1可以看出， 混合定位算法明显减小 了定位误差 ， 提高了系统的定位精度和稳定性。 表 1 各算法平均误差和标 准差 5 结 语 为了提高煤矿人员安全保障 ， 设计了基于指纹 膜与航迹推算的井下人员定位系统 。该系统将基于 RS S I的指 纹 定 位方 法 和 航迹 推 算 相结 合 ， 根 据 RS S I 衰减特性对航迹推算进行误差控制 。测试结 果表明， 该系统解决 了航迹推算法初始位置获取困 难和误差累积问题 ， 有效提高了定位精度和稳定性 。 参考 文献 [ 1] 姜华， 袁晓兵， 付耀先， 等． 无线传感器网络中信道 仿 真模 型 的 研 究 [ J ] ． 计 算 机 仿 真 ， 2 0 0 6 ， 2 3 I I 1 29 13 3 ． [2 ] AF Z AL S ．A r e v i e w o f l o c a l i z a t i o n t e c h n i q u e s f o r w i r e l e s s s e n s o r n e t wo r k s [ J ] ．J o u r n a l o f B a s i c a n d Ap p l i e d S c i e n t i f i c Re s e a r c h，2 0 1 2 ，2 8 7 7 9 5 7 8 0 1 ． [3] 翟彦蓉 ， 黄欢 ， 张 申 ， 等 ． 基 于 D OA 和 T D OA 的井下 定位算法研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 1 5 7 6 0 ． [ 4] Z HANG Y，B RO WN A K，MAL I K W Q，e t a 1 ． Hi g h r e s o l u t i o n 3 - D a n g l e o f a r r i v a l d e t e r mi n a t i o n f o r i n d o o r UWB mu l t i p a t h p r o p a g a t i o n [ J] ． I E E E Tr a n s a c t i o n o n W i r e l e s s C o mmu n i c a t i o n s ， 2 0 0 8， 7 8 3 0 4 7 - 3 0 5 5 ． [ 5] HU Qi n g s o n g ， D I NG Y i s h a n ，wU L i x i n ， e t a 1 ．An e n h a n c e d l o c a l i z a t i o n me t h o d f o r mo v i n g t a r g e t s i n c o a l mi n e s b a s e d o n w i t n e s s n o d e s C J 3 ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Di s t r i b u t e d S e n s o r Ne t wo r k s ， 2 0 1 5 ， Ar t i c l e I D 8 7 6 7 2 1 1 - 1 0 ． [ 6] HAS T I E T，TI B S HI RA NI R．D i s c r i mi n a n t a d a p t i v e n e a r e s t n e i g h b o r c l a s s mc a t i o n 口] ．I E E E Tr a n s a c t i o n s o n P a t t e r n An a l y s i s a n d Ma c h i n e I n t e l l i g e n c e ，1 9 9 6 ， 1 8 6 6 0 7 6 1 6 ． [ 7] 李泽民 ， 段 风阳 ，李赞 平．基于 ME MS传 感器 的数 字式 航 姿 系 统 设 计 [- j - ] ．传 感 器 与微 系 统 ，2 0 1 2 ， 3 I 6 9 4 - 9 6 ． [8]LE E S， KI M B， KI M H ， e t a 1 ．I n e r t i a l s e n s o r - b a s e d i n d o o r p e d e s t r i a n l o c a l i z a t i o n wi t h mi mmu m 8 0 2 ． 1 5 ． 4 a c o n f i g u r a t i o n [ J 3 ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l I n f o r ma t i c s ， 2 0 1 1 ， 7 3 4 5 5 4 6 6 ． [9 ] 周亮 ， 付永 涛 ， 李广军．无线定位与惯性导航 结合 的 室 内定位系统设计 [ J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 1 4 ，4 0 4 7 3 7 6． [ - 1 0 ] 刘勇 ，罗宇锋 ， 王红旗 ，等．一种 新型井下人 员组合 定 位 系 统 设 计 [ J ] ．工 矿 自 动 化 ，2 0 1 4 ，4 O 2 11 15 ． [ 1 1 ] 陈 国良， 李 飞 ， 张言哲．一 种基 于 自适应 波峰检测 的 ME MS计 步 算 法 [ J ] ． 中 国 惯 性 技 术 学 报 ，2 0 1 5 ， 2 3 3 3 1 5 - 3 2 1 ． E 1 2 ] F A NG S H，L I N T N， L E E K C ．A n o v e l a l g o r i t h m f o r mu l t i p a t h f i n g e r p r i n t i n g i n i n d o o r W LAN e n v i r o n me n t s[ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n o n Wi r e l e s s Co mm u n i c a t i o n s ， 2 0 0 8， 7 9 3 5 7 9 3 5 8 8 ．