基于WPT技术的井下定位系统关键技术研究.pdf

博士学位论文 基于 WPT 技术的井下定位系统 关键技术研究 Study on Key Technology of the Localization System in Coal Mine based on Wireless Power Transmission 作 者赵 端 导 师丁恩杰 教授 中国矿业大学 二 O 一三年四月 万方数据 中图分类号 TN92.4 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 基于 WPT 技术的井下定位系统 关键技术研究 Study on Key Technology of the Localization System in Coal Mine based on Wireless Power Transmission 作 者赵端 导 师丁恩杰 申请学位 工学博士 培养单位 信电学院 学科专业 通信与信息系统 研究方向 无线传感器网络 答辩委员会主席 评 阅 人 二 O 一三年四月 万方数据 95 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文基于 WPT 技术的井下定位系统关键技术 研究，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所 取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）。 作者签名 导师签名 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生赵端在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了 研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文 中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规 定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 四年的博士生活转瞬即逝，我的学生生涯至此也告一段落。这既是一个终点，也是一 个起点。我相信即使跨入社会多年以后，回想起这段求学时光，仍会感慨万千。因为她带 给了我很多的悲欢离合与喜怒哀乐，让我成长了很多。值此论文完成之际，诚挚的向所有 关心、帮助、支持我的老师、同学、朋友、亲人表示深深的谢意 本文是在我的导师丁恩杰教授的悉心指导下完成的， 谨此向我的导师致以最诚挚的谢 意丁老师不仅关心我博士期间的学习，还为我提供了很多科研和实践的机会，让我参与 到许多科研项目中，这对我的成长有着非常重要的帮助。除此之外，他还在生活上，时刻 关心我，特别是我两年在德国的联合培养期间，丁老师经常打电话关心我的研究进展，为 我提出宝贵的意见。除了手把手教给我很多知识以外，最重要的是教会了我学习，教会了 我探索，这两点我将受用终生。丁老师在学术方面的博学多识、治学严谨，在生活态度方 面的积极乐观、热情坦诚，都深深的影响了我。 同时，我还要感谢刘晓文老师、张申教授、胡延军老师，我四年的学习生涯中，他们 给了我许多热情的指导和多方面的关照，为我的论文的撰写和修改提出了许多宝贵意见。 感谢我的师弟师妹们，在我出国期间，是你们帮我完成了许多在校内的科研工作，帮 我查找了许多文献资料。在此衷心的谢谢你们 还要感谢我的母亲，我的妻子，还有我即将出生的孩子，你们的爱是我永远前进的动 力 最后，我还要感谢审阅本文的专家、学者，谢谢你们在百忙之中审阅本文，期待你们 的批评指正。 万方数据 I 摘摘 要要 我国煤矿井下自动化监控系统种类多、数量大，但各个系统自成体系，互不兼容，造 成了煤矿井下出现多套监控系统并存的局面，造成了资源的极大浪费。物联网技术的兴起 和发展，为这些系统的整合提供了统一的网络平台，同时也为实现全矿井的无线覆盖、人 员及设备的定位和感知提供了新的技术手段。作为感知矿山物联网系统的重要组成部分， 井下无线定位系统担负着井下人员和设备的实时定位、环境感知、以及指导灾后搜救等重 要任务，是保证煤矿安全生产的重要途径和手段。但无线定位节点一般采用电池供电，能 量有限，特别是物联网定位系统中的无线节点，有时还要担负音频甚至视频信号的采集和 传输，能量开销非常大。因此，能量的消耗是制约无线定位系统井下应用的主要因素。无 线电能传输技术的发展，为井下无线设备的供能提供了新的思路。通过无线输能系统，可 以保证井下无线节点的电量充足，不仅可以免去为数以千计无线节点更换电池的不变，还 可以保证救灾时所有定位节点都具有充足的电量，完成遇险人员搜救的任务。 为了实现上述目标，本文提出了能够应用于矿山物联网的基于 WPT 技术的无线定位 系统。本文将从五个方面对相关关键技术进行了阐述。首先，以感知矿山示范工程为研究 背景，以夹河煤矿为例，分析国内现有井下无线定位系统的现状，找出其存在的问题及不 足，提出并设计了一种可用于物联网的井下人员定位系统。其次，建立无线电磁波在工作 面传输的信道模型，提出了工作面无线电波的传输定律RTRWP Law，并仿真分析了无线 电磁波在工作面和巷道传播时的差异， 进而为无线定位系统设计了两种应用于不同巷道环 境的拓扑结构，此外，还给出了无线定位所需要的信号能量计算方法。第四，针对在两种 不同应用环境的拓扑结构，提出了两种相应的定位算法，并进行了仿真，结果表明，改进 的 RSSI 算法与经典的 RSSI 算法相比能够显著地减少误差。最后，也是最重要的部分，是 为井下无线定位系统设计了电能的无线传输系统， 为了将无线电能传输系统应用于煤矿井 下，本文提出了交叠圆式发送结构，实验结果表明，交叠圆式谐振耦合式电能传输系统能 够达到 50以上的传输效率，并且比传统的单线圈系统更能适应井下的移动式输能。 该论文有图 63 幅，表 10 个，参考文献 103 篇。 关键字关键字煤矿；工作面电磁波传输模型；无线定位；无线电能传输 万方数据 III AbstractAbstract There are majority of incompatible monitoring systems in coal mine underground which makes tremendous waste of network resources. With the development of Internet of the Things IOT, it provide a unified network plat to integrate such sytems and also provide the technology of wireless communication coverage, which makes the personnel and equipments sensoring and locating realized easily in coal mine underground. As animportant part of coal mine monitoring system, Localization System based on IOT is responsible for realtime locating and tracing of the personnel and equipments, for environment ination awareness as well as for the searching and rescuing the persons in distress, which is also an important guarantee to keep coal mine safety production. However, the battery of wireless nodes are energy constrained, especially for the IOT wireless nodes, which will cost more energy when sometimes transmitting audio and vedio datas. Therefore, the application of Wireless Power Transmission WPT technology in coal mine will overcome such problems that will make sure that all the wireless nodes underground can keep enough energy, even the disaster occurred. In order to achieve the above goals, this paper provides a wireless localization system base on WPT which can be applicated to coal mine’s IOT. This article is divided into five partsto research the related key technologies. First, we analyze the existing wireless positioning system in coal mine underground to identify its problems and deficiencies, then propose and design a personnel positioning system for coal mine IOT system. Secondly, establish of radio waves transmission channel model in the coal face and propose Ray-Tracing based Radio Waves Propagation Law RTRWP Law. Then simulate of wireless radio wave propagation characteristics in the coal face and coal mine tunnel, and design two kinds of different topologies for different application environment of wireless localization system. In addition, givethe calculation of the signal energy required by the wireless localization system. Fourth, for the two kinds of topologysin different environments application, provide two type of positioning algorithm corresponding, and the simulation results show that the improved RSSI algorithm is better than the classical RSSI algorithm in reducing thepositioning error. Finally, but the most important part of this paper, design the wireless power transmission system underground wireless localization system. In order to apply the wireless power transmission system in the coal mine underground, this paper presents the the overlapping circular structure, experimental and simulation results show that the resonant coupling power transmission system overlapping circle structure is able to achieve more than 万方数据 IV 50 transfer efficiency, and more adaptable than the traditional singlecoil system in underground power transmission. This article contains 63 figures and 10 tables, and 103 references. Keywords coal mine; coal face radio model; wireless localization; wireless power transmission 万方数据 V 目目 录录 摘要摘要 ............................................................................................................................................ I I 目录目录 ............................................................................................................................................ V V 图清单图清单 ...................................................................................................................................... IXIX 表情单表情单 ................................................................................................................................. . XIIIXIII 1 1 绪论绪论 ........................................................................................................................................ 1 1 1.1 引言 .................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................... 3 1.3 研究的目的和意义 ........................................................ 7 1.4 论文的研究方法 .......................................................... 8 1.5 论文框架 ................................................................ 8 2 2 基于物联网的井下人员定位系统模型基于物联网的井下人员定位系统模型 ................................................................................ 9 9 2.1 概述 .................................................................... 9 2.2 夹河煤矿及“感知矿山”示范工程 .......................................... 9 2.3 基于物联网的井下人员定位系统的设计 ..................................... 13 2.4 本章小结 ............................................................... 17 3 3 井下无线信道建模井下无线信道建模 .............................................................................................................. 1818 3.1 井下信道 ............................................................... 18 3.2 井下信道模型 ........................................................... 18 3.3 采煤工作面无线电波传波模型 ............................................. 23 3.4 仿真模型 ............................................................... 27 3.5 仿真结果 ............................................................... 31 3.6 井下无线定位系统的拓扑结构 ............................................. 34 3.7 本章小结 ............................................................... 36 4 4 无线定位和井下无线定位方法无线定位和井下无线定位方法 .......................................................................................... 3737 4.1 概述 ................................................................... 37 4.2 基本概念和术语 ......................................................... 37 4.2 定位原理、评价标准及常见的定位技术 .................................... 38 万方数据 VI 4.3 常见的节点间距离或角度测量技术 ......................................... 40 4.4 节点位置估计算法 ....................................................... 44 4.5 井下人员定位方法 ....................................................... 47 4.6 基于直线型拓扑的定位算法及仿真 ......................................... 49 4.7 基于网格型拓扑的定位算法及仿真 ......................................... 52 4.8 本章小结 ............................................................... 55 5 5 定位系统的定位系统的无线能量传输无线能量传输 .................................................................................................. 5757 5.1 引言 ................................................................... 57 5.2 无线电能传输系统的分类及性能分析 ....................................... 57 5.3 谐振耦合式电能传输机理 ................................................. 62 5.4 定位系统的无线能量供应的方式 ........................................... 65 5.5 谐振耦合式电能传输井下应用的设计 ....................................... 67 5.6 仿真分析和试验验证 ..................................................... 74 5.7 本章小结 ............................................................... 81 6 6 总结和展望总结和展望 ............................................................................................................................ 8282 6.1 论文主要工作 ........................................................... 82 6.2 论文的创新点 ........................................................... 82 6.3 展望 ................................................................... 83 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 85 作者简历作者简历94 论文原创性声明论文原创性声明95 学位论文数据集学位论文数据集96 万方数据 VII Contents ABSTRACT .................................................................................................................................. I CONTENTS ................................................................................................................................. V LIST OF FIGURES .................................................................................................................... IX LIST OF TABLES .................................................................................................................. XIII 1.1 INTRODUCTION .......................................................................................................................... 1 1.2 DOMESTIC AND INTERNATIONAL RESEARCH STATUS ................................................................ 3 1.3 RESEARCH SIGNIFICANCE AND RESEARCH OBJECTIVES ............................................................ 7 1.4 RESEARCHING ............................................................................................................ 8 1.5 CONTENT AND ARCHITECTURE OF THESIS ................................................................................. 8 2 DESIGN BACKGROUNDS OF THE PERSONAL LOCALIZATION SYSTEM BASED ON IOT ......................................................................................................................................... 9 2.1INTRODUCTION ........................................................................................................................... 9 2.2 JIAHE COAL MINE AND THE DEMONSTRATION PROJECT OF COAL MINING AWARENESS ......... 9 2.3 COVERAGE OF WIRELESS NETWORKS ..................................................................................... 13 2.4 SUMMARY ............................................................................................................................... 17 3 CHANNEL MODEL OF WORKING FACE ........................................................................ 18 3.1 COAL MINE UNDERGROUND CHANNEL ................................................................................... 18 3.2 THE STUDY MODEL OF WAVE RADIO PROPAGATING IN THE CONFINED SPACE ........................ 18 3.3 MODEL OF RADIO WAVE PROPAGATION IN THE COAL FACE ..................................................... 23 3.4 SIMULATION MODEL ............................................................................................................... 27 3.5 SIMULATION ............................................................................................................................ 31 3.6 TOPOLOGY OF WIRELESS LOCALIZATION SYSTEM ................................................................... 34 3.7 SUMMARY ............................................................................................................................... 36 4 WIRELESS LOCALIZATION AND LOCATING ALGORITHM IN COAL MINE UNDERGROUND ...................................................................................................................... 37 万方数据 VIII 4.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................ 37 4.2 BASIC CONCEPTS AND TERMS .................................................................................................. 37 4.2 POSITIONING ALGORITHM, UATION CRITERION AND COMMON LOCATION TECHNIQUE . 38 4.3 COMMON MEASUREMENT TECHNIQUES ABOUT DISTANCE AND ANGLE AMONG SENSOR NODES ...................................................................................................................................................... 40 4.4 BASIC POSITION CALCULATION S OF SENSOR NODES ................................................ 44 4.5 LOCATION OF PERSONAL LOCATION SYSTEM IN COAL MINE .................................... 47 4.6 LOCATION ALGORITHM OF PERSONAL LOCATION SYSTEM BASED ON LINE TOPOLOGY .......... 49 4.7 LOCATION ALGORITHM OF PERSONAL LOCATION SYSTEM BASED ON MESH TOPOLOGY ......... 52 4.8 SUMMARY ............................................................................................................................... 55 5 WIRELESS POWER TRANSMISSION OF LOCALIZATION SYSTEM ...................... 57 5.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................ 57 5.2 ANALYSIS OF WIRELESS POW