井下电磁波超声联合定位方法.pdf

第 4 2卷 第 7期 2 0 1 6年 7月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Au t o m a t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 6 ． _ ’。 ’’ ⋯ ’ i实验研究 n． ⋯ 『◆ 文章 编号 1 6 7 l 一 2 5 1 X 2 O 1 6 0 7 0 0 3 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 7 ． 0 0 8 李宗伟 ， 李起伟 ， 温 良， 等． 井下电磁波超声联合定位方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 3 0 3 3 ． 井下电磁波超声联合定位方法 李 宗伟 。 ， 李起 伟 ， 温 良 ～， 孟庆 勇 。 1 ． 煤 炭科 学技 术研 究 院有 限公 司 ， 北 京 1 0 0 0 1 3 ；2 ． 煤 炭 资源高 效 开采与 洁净 利用 国家 重点 实验室 ， 北 京 1 0 0 0 1 3 ； 3 ． 北 京 市煤矿 安全 工程 技术 研究 中心 ，北京 i 0 0 0 1 3 摘 要 针 对现 有 井下人 员定位技 术定位 精 度较低 的 问题 ， 通 过 分析 电磁 波 、 超 声波 测 距原 理 及在 并 下巷 道 的应 用特 点 ． 提 出 了一种 井 下 电磁 波超 声联 合 定位方 法 。该方 法根 据 对数 一常 态分布 模 型 ， 通过 近 似 运 算 得 到移 动 节点到 2个锚 节点 的距 离之 比 ， 以电磁 波测距 方 法得到 移动 节 点的纵 向 坐标 ， 以超 声波测 距 方法得 到移动 节 点的横 向 坐标 。Ma t l a b仿 真结果 验讧 了该 方 法的 可行性及 精 确度 。 关键 词 井下人 员定位 ；电磁 波测距 ；超 声波测 距 ；电磁 波超 声联 合定 位 中图分 类号 T D6 7 文献 标志 码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 - 0 7 0 5 1 4 5 8 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 l 6 0 7 0 5 ． 1 4 5 8 ． 0 0 8 ． h t ml Un d e r g r o u n d j o i n t l o c a l i z a t i o n me t h o d b a s e d o n e l e c t r o ma g n e t i c wa v e a n d u l t r a s o n i c I ． I Z o n g we i ’ 。 一．L I Qi we i ’ 一． W EN Li a n g 。 。 1 ． Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Re s o u r c e Ef f i c i e n t Mi n i n g a n d Cl e a n Ut i l i z a t i o n ，B e i j i n g Sa f e t y En gi n e e r i n g Te c hn o l og y Re s e a r c h Ce nt e r， ． MENG Qi n g y o n g ， ， 。 2． St a t e Ke y La bo r a t o r y of Coa l 1 0 0 0 1 3，Ch i n a ；3 ． Be i j i n g Mi n e Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r l o w l o c a l i z a t i o n pr e c i s i o n o f e xi s t i n g u nd e r gr o un d p e r s o nn e l l oc a l i z a t i on t e c h no l og i e s ，a n u n d e r g r o u n d j o i n t l o c a l i z a t i o n me t h o d b a s e d o n e l e c t r o ma g n e t i c wa v e a n d u l t r a s o n i c wa s p r o p o s e d b y a na l y z i ng r a ng i ng pr i n c i p l e of e l e c t r o m a g ne t i c wa ve a nd u l t r a s on i c wa v e a s we l l a s a pp l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s i n u nde r gr o un d t un ne l s ．I n t h e m e t ho d，a r a t i o o f d i s t a n c e be t we e n a m o bi l e n od e a nd t wo a nc ho r n od e s i s ob t a i ne d by a p pr o xi ma t e c a l c u l a t i on a c c or d i ng t o l o g a r i t hmi c n or m a l di s t r i b ut i on mo de 1 ． Ve r t i c a l c o or d i na t e o f t h e m o bi l e no de i s o bt a i ne d by e l e c t r o m a gne t i c wa v e r a ngi ng m e t ho d，a nd ho r i z on t a l c o o r di n a t e i s g ot t e n b y u l t r a s on i c wa ve r a ng i ng me t ho d． The M a t l a b s i mul a t i on r e s u l t ve r i f i e s f e a s i b i l i t y a nd l o c a l i z a t i o n pr e c i s i o n o f t he m e t hod． Ke y wo r d sun de r gr o und pe r s o nne l l oc a l i z a t i on； e l e c t r o ma gn e t i c wa v e r a n gi n g； ul t r a s o ni c wa ve r a n g i n g；j o i n t 1 o c a l i z a t i o n b a s e d o n e l e c t r o ma g n e t i c wa v e a n d u l t r a s o n i c 0 引言 目前 ， 国 内矿 井 大 多采 用基 于无 线 电磁 波 通 信 的井下 人 员 管 理 系 统 ， 实 际 定 位 误 差 均 在 5 m 以 上 ， 且 只能 给 出定位 目标 在巷 道纵 向上 的信 息 ， 不 能 满 足安全 生产 及应 急救 援 的要求 。 国内外很 多 文 献针对使用无线信号实现煤矿井下移动 目标位置监 测进行了研究 。参考文献[ 7 1 5 1J 用无线电磁波信 号 强度 实现 了煤矿 安 全监测 系 统无线 传 感器 网络 节 点 间 的 自定 位 ， 并 提 出 了提 高定 位 精度 的节 点 定 位 收稿 日期 2 0 l 6 一 O 3 一 l O ； 修 回日期 2 O 1 6 0 6 0 l ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 3 B AK 0 6 B 0 5 。 作者简 介 李宗伟 1 9 8 7 ， 男， 河北唐山人 ， 硕士 ， 主要从事煤矿井 下人员定位技术的研发 f 作 ， Ema i l l i z o n g w e i c e r is e ． e n 。 2 O 1 6年第 7 期 李宗伟等 井下电磁波超声联合定位方法 3 l 方法 。参 考 文献 [ 8 ] 提 出 了井 下超 声定 位 系统 ， 并用 Ma t l a b进行了仿真 ， 证 明其可对井下人员进行精确 定位 。以上研究均基于某一种无线介质 ， 定位精度 较 低 。本文 提 出 一 种 井 下 电 磁 波 超 声 联 合 定 位 方 法 ， 充分 利用 了电磁 波测 距距 离远 、 实 时性 高 和超声 波 测距误 差 低 的优势 ， 提 高 了井下 定位 精 度 。 1 电磁 波 、 超 声波测 距 原理 1 ．1 电 磁 波 测 距 电磁波传播 速度极快 ， 接近光 速， 传播 时延 极 低 ， 因此 电磁波测 距 方法 实 时性 高 。 电磁波测距方法 主要有基于接收信号强度指示 Re 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 i o n， RS S I 、 基 于 到 达 时间 T i me o f Ar r i v a l ， TOA 、 基 于 到达 时 间差 Ti me Di f f e r e n c e o f Ar r i v a l ， TDOA等 。 TOA 和 T DO A 方 法 对 硬 件 的要 求 高 ， 远 距 离 测 距 效 果 好 ， 近 距离 测距 效果 较 差 。R S S I 方 法最 早应 用 于 煤 矿 井 下 ， 相 关研 究 较 多 ， 且 硬 件 成 本 较 低 ， 所 以井 下 应 用 时优 先 选 择 R S S I 方 法 。但 RS S I 方 法 中 无 线 信号传输损耗模型受环境影响较大 ， 因此单纯使用 RS S I 方 法难 以实 现 高精度 的实时定 位 。 常用的无线信号传输损耗模型有 自由空间传播 模型 ， 对数距离路径衰减模 型、 对数一常态分布模型 等[ 1 。对数 一 常 态分 布模 型较 适 用 于煤 矿 巷 道 ， 其 表达 式为 P 一 PI 。 1 0 8 1 g d／ d 。 X。 1 式 中 P d 为 电 磁 波 传 播 距 离 后 的路 径 损 耗 ， d B m； d 。为锚 节点 和参 考 节 点之 间 的距 离 ， 一 般 取 1 m； 为路径衰减 因子 ， 其值取决 于无线信号的传 播 环境 ， 是 一个 经 验值 ；X 为 标 准差 为 的零 均 值 正 态 分布 随机 变量 ， d B m。 P 。 。 可 根 据 自由 空 间 模 型 求 取 。 自由 空 间 传 播 模 型为 ， r Lo s s一 3 2 44 1 0 8 1 g a 1 0 8 1 g 2 式 中 L 【 】 为 电磁 波 传播 损 耗 ， d B m； f为 载 波 工 作 频 率 ， MHz 。 设 锚 节点 的发 射 功率 为 P ， 移动 节点 接 收到 锚 节 点 发 射 的 电 磁 波 信 号 强 度 为 P ， 则 P d 一 P 一P 。根 据式 1 可获 得锚 节点 与移 动 节点 之 间 的距 离 为 d do 1 0 1 ． 2 超 声 波测显 巨 超声 波 测距 具有 以下 特点 3 1 超 声波 信 号 波 速 相 对 较 小 ， 且 在 空气 中 衰 减 较 大 ， 适 合 较 短 距 离 的 测 距 ， 测 距 精 度 较 高 ， 达 c m 级 l l 1 l 。 2 超 声波 纵 向分 辨 率 较 高 ， 对 光 照度 和 电磁 场不 敏感 ， 短 距离 内可 适应井 下 恶劣 环境 。 3 超 声 波 传感 器 结 构 简 单 ， 体 积 小 ， 成 本 低 ， 信 息处 理简 单可靠 ， 易 于小 型化 与集 成化 口 。 4 超 声波 测 距 只需 设 置 发 射 装 置 ， 无 需 接 收 装 置 ， 即通过 检测 反 射 回波 到达 的时 间 即可 实现 精 确 测距 。 超声 波 测 距 采 用 渡 越 时 间 Ti me o f F l i g h t ， TO F 法 。其 基 本 原 理 超 声 传 感 器 向 外 发 射 超 声 波 ， 超声 波遇 到被 测物 体后 形成 反射 回波 ； 超声 传感 器接收反射 回波 ， 根据发射时间与接 收时间的差值 来 计算 被测 物体 的距 离 。测距 公式 D 一 4 式 中 D 为 被测 距离 ， m； c为超 声 波传 播 速 度 ， m／ s ； t 为渡 越时 问 ， S [ 1 。 ] 。 由于温 度变 化会 对超 声波 传播 速度 产生 一定 影 响， 为了得到较高的测量精度 ， 可增加 1个温度传感 器 采 集 实 时 温 度 ， 从 而 进 行 实 时 补 偿 。温 度 补 偿 公 式 C c 0． 6 07 T 5 式 中 为 0℃ 时 的 超 声 波传 播 速 度 ， m／ s ； T 为 温 度 ， ℃E l 4 ] 。 根 据式 4 、 式 5 可 得 到 温 度 补 偿 的 T OF测 距 公式 D 一 c 。 0 ． 6 0 7 T t 6 2 电磁 波超 声 联合定 位 方法 2 ． 1锚 节点部 署 图 1 为 井下 巷道 内锚 节点 与移 动节 点分 布 。锚 节 点悬 挂 于巷道 顶板 ， 呈 一字排 开 的链式 部署 ， 每 个 锚节点到两侧巷道壁的距离相等 ， 相邻 2个锚节点 之 间 的距离 不 大于 锚节 点 间无 线 通 信 距 离 ， 且 不 大 于移动 节点 电磁 波 信号 的覆 盖 半 径 ， 保 证 相 邻 2个 锚 节点间能够通信 ， 以及移动节点在巷道内任意位 图 1 井 下巷道内锚节 点与移动节点分布 3 2 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 置 ， 至少有 2 个 锚节 点 能 够 接 收 到其 发射 的 电磁 波 信号 。 2 ． 2联 合 定 位 方 法 电磁 波超 声联 合定 位方 法如 图 2 所 示 。移动 节 点可 同时发射 超声 波和 电磁 波 2种无线 信号 。移 动 节点周期性地 向一侧巷道壁发射超声波信号并接收 反射 回波 ， 测 得 移 动 节 点 在 巷 道 内 的 横 向 坐 标 z 方 向 。 图 2 电磁波超声联合定位方法 记 录发射 超声 波 信 号 的 时刻 为 t ， 接 收巷 道 壁 反射 回波 的 时 刻 为 t ， 则 超 声 波 渡 越 时 间 t t 一 t 。移动节点发射超射波信号时温度传感器检测到 的温 度 为 丁， 则根据 式 6 可 得移 动节点 在巷 道 内 的 横 坐标 为 1 3 7 f o 0 ． 6 0 7 T t R t T 7 移 动节点 在 发射 超 声 波 信 号 的 同 时 ， 向 附 近锚 节 点发 射 电磁波 定位请 求信 号 。接 收到该 定位请 求 信号的锚节点向移动节点发射 电磁 波定位响应信 号 。移动节点测得各电磁波定位响应信号的接收强 度 ， 选择强度最大的 2个信号 ， 抛弃其他信号 ， 从 而 找到距其最近的 2个相邻 的锚节点， 如图 2中的锚 节 点 1和锚 节点 2 。 设移动节点接收到锚节点 1 、 锚节点 2发射 的 电磁波 信号 强度 分别 为 P 和 P ， 移动节 点 到锚节 点 1 、 锚节 点 2的距 离分 别 为 d 和 d 。通 过仿 真计 算 得 X。 对 于计 算 结果 的影 响不 大 口 ， 因 此采 用 简 化 模 型 逼 近 对 数 一 常 态 模 型 l l 引， 即省 略 X。 。根 据 式 3 可得 dl do 1 O 一 8 P T P R l P L d O d2一 do1 0 一 9 T P R 2 一 P I d 0 由式 8 、 式 9 可得 一 d。 1 o 一 dz d 1 0 1 0 1 鲢 10 一 1 l O 而P R 2 1 O 一 一 1 0 而V R 1 作移动节 点到锚节点 1与锚节点 2连线 的垂 线 ， 设垂 线段 长度 为 h ， 锚节 点 1 、 锚 节点 2到垂足 的 距 离分 别为 ￡ ， l ， 则有 d 一 d。一 d 一 a z 喂 干 1 1 1 2 1 3 在 煤 矿 井 F， 两巷 道 壁 之 间 的距 离 很 小 ， 一 般 为 3 ～5 I n ， 则 h为 1 ． 5 ～2 ． 5 m。巷道延伸距离为数百 米 甚 至更长 ， 根 据井下 允 许 的电磁 波发射 功 率 ， 测 距 范 围可达 5 0 1T I 以上 ， 即 2个锚 节 点之 问 的距 离 可达 5 O r n以上。考虑到井下巷道 目标定位精度要求为 I n级 ， 设 h与 f ， f 相 比可忽略 ， 即 dl Z 1 1 4 ， Z ， ⋯ 由式 1 O 和式 1 4 可得 一 d l 1 5 Z 2 d 1 0而P R I ⋯ 则 l 一 d d一 。_ Z 21 2 1 0 而P R 2一 -1 0 而P R I 、 ⋯ 规定 巷道 内以纵 坐标 轴 方 向 增 大 的方 向为 正方 向 ， 设 图 2中以 向右 为正 方 向 ， 则锚 节 点 2在锚 节点 1的正方 向 。设 锚 节 点 1的纵 坐标 为 y ， 锚 节 点 2的纵 坐标 为 y ， 则锚 节 点 1与锚 节 点 2之 间 的 距离 为 一Y ， 有 一 蕊 d l 一 蒜 1 7 则 移 动 节 点 的 纵 坐 标 为Y 一 互 _一 。 移 动 节 点 的 坐 标 为 1 c 。 1 O 而 1 0 面 0 ． 6 0 7 T tR -- tT ,Y l 讹z 一 纛 *R2 。 3仿 真 实 验 在 Ma t l a b 7 ． 0仿真平台对电磁波超声联合定位 方 法进 行实 验验 证 。 由于 超声 波 测 距 的精 度 很 高 ， 且 超 声波 测 距 受 巷 道 电磁环 境 、 光照度 等影 响较 小 ， 巷道 横 向测距 误 r n 、 差很 小 ， 可 以忽 略 ， 所 以认 为巷 道 内节点 的横 向测 距 是 准确 的。设井 下 采用 2 ． 4 GHz电磁 波 进行 测距 ， 2 0 1 6年第 7期 李宗伟等 井下电磁波超声联合定位方法 3 3 路 径 衰减 因 子 一 1 ． 6 ， X 的 标 准 差 一4 。巷 道 宽 度为 5 m， 在坐标 2 ． 5 ， 0 和坐标 2 ． 5 ， i 0 0 处分别 设 置锚节 点 1和 锚节 点 2 。设 移动 节 点 的信号 覆 盖 半径为 1 0 0 m， 随机选取 5 个横 向坐标值 ， 纵 向每隔 5 m 取 一 个 坐 标 值 ， 选 取 的 横 、 纵 坐 标 值 共 组 成 2 0 0个 移 动节点 位 置 。图 3为 在 变 化 0 ． 5时移 动 节点 定位 结 果 。图 3忽 略 了横 向定 位 误 差 ， 可 看 出 电磁波 超声 联合 定位 效果 较理 想 。 U 20 4 0 b U U l UU m o一锚节点； 一移动节 点实际位 置； 一移动节 点定位位 置 图 3移动节点定位结果 图 4为 定位 误差 的纵 向分 布 。可 看 出定位误 差 小于 5 m， 满足井下移动 目标定位精度要求 ； 纵向误 差 分布 是规 律 变 化 的 ， 在 距 离 2个 锚 节 点 2 0 m 处 ， 即纵坐标 分 别 为 2 0和 8 O的位 置 ， 定位 误差 最 大 ， 在 中间位 置 时定位 误 差 最 小 ， 该 规 律 可 为 优 化 校正 研 究 提供参 考 。 4定 位 误 差 纵 向 分 布 需要指出的是 ， 图 2中的移动节点靠近巷道壁 ， 同时纵 向接 近锚 节 点 i或锚 节 点 2时 ， 式 1 4 误 差 较 大 。考 虑到 2个 锚 节 点 间距 为 1 0 0 m， 而 h不 超 过 3 m， 该误 差 可接 受 。仿真 结果 表 明 ， 在所 述 位 置 的情 况 出现 了明显 的规 律 性 特 征 ， 可 根 据 该 特 征 进 行 误差 补偿 。限 于篇 幅 ， 本 文 不 再 赘 述 误 差 补偿 算 法 ， 作 为下 一 步 的研 究 内容 。 4 结语 井下 电磁波超声联合定位方法充分利用了电磁 波 、 超 声 波 定 位 的优 势 ， 算 法 简 单 ， 精 度 高 ， 成本 低 。 该 方 法为 全新 的井下 精 细 定 位 方 案 ， 本 文 仅 从 可 行 性及实验角度对该方法进行 了研究 ， 下一步将完善 设 计 方案 ， 特 别是对 电磁波 测距 进行 优化 ， 对井 下声 场及超 声 波收发 探头 进 行深入 研究 。 参考文献 田子建 ， 李宗伟 ， 刘 晓 阳， 等． 基于 电磁波 及超声 波联 合测 距 的 井 下 定 位 方 法 [ J ] ． 北 京 理 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