井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法

李宗偉，　李起偉，　溫良，　孟慶勇

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京　100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013； 3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京　100013)

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實(shí)驗(yàn)研究

井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法

李宗偉1,2,3，李起偉1,2,3，溫良1,2,3，孟慶勇1,2,3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013； 3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京100013)

摘要：針對現(xiàn)有井下人員定位技術(shù)定位精度較低的問題，通過分析電磁波、超聲波測距原理及在井下巷道的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了一種井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法。該方法根據(jù)對數(shù)-常態(tài)分布模型，通過近似運(yùn)算得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之比，以電磁波測距方法得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的縱向坐標(biāo)，以超聲波測距方法得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的橫向坐標(biāo)。Matlab仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性及精確度。

關(guān)鍵詞：井下人員定位； 電磁波測距； 超聲波測距； 電磁波超聲聯(lián)合定位

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1458.008.html

0引言

目前，國內(nèi)礦井大多采用基于無線電磁波通信的井下人員管理系統(tǒng)，實(shí)際定位誤差均在5 m以上，且只能給出定位目標(biāo)在巷道縱向上的信息，不能滿足安全生產(chǎn)及應(yīng)急救援的要求[1]。國內(nèi)外很多文獻(xiàn)針對使用無線信號實(shí)現(xiàn)煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)位置監(jiān)測進(jìn)行了研究[2-6]。參考文獻(xiàn)[7]利用無線電磁波信號強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的自定位，并提出了提高定位精度的節(jié)點(diǎn)定位方法。參考文獻(xiàn)[8]提出了井下超聲定位系統(tǒng)，并用Matlab進(jìn)行了仿真，證明其可對井下人員進(jìn)行精確定位。以上研究均基于某一種無線介質(zhì)，定位精度較低。本文提出一種井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法，充分利用了電磁波測距距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性高和超聲波測距誤差低的優(yōu)勢，提高了井下定位精度。

1電磁波、超聲波測距原理

1.1電磁波測距

電磁波傳播速度極快，接近光速，傳播時(shí)延極低，因此電磁波測距方法實(shí)時(shí)性高。

電磁波測距方法主要有基于接收信號強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)、基于到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)、基于到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)等[9]。TOA和TDOA方法對硬件的要求高，遠(yuǎn)距離測距效果好，近距離測距效果較差。RSSI方法最早應(yīng)用于煤礦井下，相關(guān)研究較多，且硬件成本較低，所以井下應(yīng)用時(shí)優(yōu)先選擇RSSI方法。但RSSI方法中無線信號傳輸損耗模型受環(huán)境影響較大，因此單純使用RSSI方法難以實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)定位。

常用的無線信號傳輸損耗模型有自由空間傳播模型，對數(shù)距離路徑衰減模型、對數(shù)-常態(tài)分布模型等[10]。對數(shù)-常態(tài)分布模型較適用于煤礦巷道，其表達(dá)式為

(1)

式中：PL(d)為電磁波傳播距離d后的路徑損耗，dB·m；d0為錨節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，一般取1 m；δ為路徑衰減因子，其值取決于無線信號的傳播環(huán)境，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值；Xσ為標(biāo)準(zhǔn)差為σ的零均值正態(tài)分布隨機(jī)變量，dB·m。

PL(d0)可根據(jù)自由空間模型求取。自由空間傳播模型為

(2)

式中：LOSS為電磁波傳播損耗，dB·m；f為載波工作頻率，MHz。

設(shè)錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為PT，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波信號強(qiáng)度為PR，則PL(d)=PT-PR。根據(jù)式(1)可獲得錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離為

(3)

1.2超聲波測距

超聲波測距具有以下特點(diǎn)：

(1) 超聲波信號波速相對較小，且在空氣中衰減較大，適合較短距離的測距，測距精度較高，達(dá)cm級[11]。

(2) 超聲波縱向分辨率較高，對光照度和電磁場不敏感，短距離內(nèi)可適應(yīng)井下惡劣環(huán)境。

(3) 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化[12]。

(4) 超聲波測距只需設(shè)置發(fā)射裝置，無需接收裝置，即通過檢測反射回波到達(dá)的時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)精確測距。

超聲波測距采用渡越時(shí)間(Time of Flight，TOF)法。其基本原理：超聲傳感器向外發(fā)射超聲波，超聲波遇到被測物體后形成反射回波；超聲傳感器接收反射回波，根據(jù)發(fā)射時(shí)間與接收時(shí)間的差值來計(jì)算被測物體的距離。測距公式：

(4)

式中：D為被測距離，m；c為超聲波傳播速度，m/s；t為渡越時(shí)間，s[13]。

由于溫度變化會(huì)對超聲波傳播速度產(chǎn)生一定影響，為了得到較高的測量精度，可增加1個(gè)溫度傳感器采集實(shí)時(shí)溫度，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償公式：

c=c0+0.607T

(5)

式中：c0為0 ℃時(shí)的超聲波傳播速度，m/s；T為溫度，℃[14]。

根據(jù)式(4)、式(5)可得到溫度補(bǔ)償?shù)腡OF測距公式：

(6)

2電磁波超聲聯(lián)合定位方法

2.1錨節(jié)點(diǎn)部署

圖1為井下巷道內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布。錨節(jié)點(diǎn)懸掛于巷道頂板，呈一字排開的鏈?zhǔn)讲渴?，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到兩側(cè)巷道壁的距離相等，相鄰2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離不大于錨節(jié)點(diǎn)間無線通信距離，且不大于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電磁波信號的覆蓋半徑，保證相鄰2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)間能夠通信，以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)任意位置，至少有2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)能夠接收到其發(fā)射的電磁波信號。

圖1　井下巷道內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布

2.2聯(lián)合定位方法

電磁波超聲聯(lián)合定位方法如圖2所示。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可同時(shí)發(fā)射超聲波和電磁波2種無線信號。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地向一側(cè)巷道壁發(fā)射超聲波信號并接收反射回波，測得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)的橫向坐標(biāo)(x方向)。

圖2　電磁波超聲聯(lián)合定位方法

記錄發(fā)射超聲波信號的時(shí)刻為tT，接收巷道壁反射回波的時(shí)刻為tR，則超聲波渡越時(shí)間t=tR-tT。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射超射波信號時(shí)溫度傳感器檢測到的溫度為T，則根據(jù)式(6)可得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)的橫坐標(biāo)為

(7)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)射超聲波信號的同時(shí)，向附近錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波定位請求信號。接收到該定位請求信號的錨節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波定位響應(yīng)信號。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)測得各電磁波定位響應(yīng)信號的接收強(qiáng)度，選擇強(qiáng)度最大的2個(gè)信號，拋棄其他信號，從而找到距其最近的2個(gè)相鄰的錨節(jié)點(diǎn)，如圖2中的錨節(jié)點(diǎn)1和錨節(jié)點(diǎn)2。

設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)1、錨節(jié)點(diǎn)2發(fā)射的電磁波信號強(qiáng)度分別為PR1和PR2，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)1、錨節(jié)點(diǎn)2的距離分別為d1和d2。通過仿真計(jì)算得Xσ對于計(jì)算結(jié)果的影響不大[15]，因此采用簡化模型逼近對數(shù)-常態(tài)模型[16]，即省略Xσ。根據(jù)式(3)可得

(8)

(9)

由式(8)、式(9)可得

(10)

作移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)1與錨節(jié)點(diǎn)2連線的垂線，設(shè)垂線段長度為h，錨節(jié)點(diǎn)1、錨節(jié)點(diǎn)2到垂足的距離分別為l1，l2，則有

(11)

(12)

(13)

在煤礦井下，兩巷道壁之間的距離很小，一般為3～5 m，則h為1.5～2.5 m。巷道延伸距離為數(shù)百米甚至更長，根據(jù)井下允許的電磁波發(fā)射功率，測距范圍可達(dá)50 m以上，即2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離可達(dá)50 m以上。考慮到井下巷道目標(biāo)定位精度要求為m級，設(shè)h與l1，l2相比可忽略，即

(14)

由式(10)和式(14)可得

(15)

則

(16)

規(guī)定巷道內(nèi)以縱坐標(biāo)(y軸方向)增大的方向?yàn)檎较颍O(shè)圖2中以向右為正方向，則錨節(jié)點(diǎn)2在錨節(jié)點(diǎn)1的正方向。設(shè)錨節(jié)點(diǎn)1的縱坐標(biāo)為y1，錨節(jié)點(diǎn)2的縱坐標(biāo)為y2，則錨節(jié)點(diǎn)1與錨節(jié)點(diǎn)2之間的距離為y2-y1，有

(17)

3仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab7.0仿真平臺對電磁波超聲聯(lián)合定位方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于超聲波測距的精度很高，且超聲波測距受巷道電磁環(huán)境、光照度等影響較小，巷道橫向測距誤差很小，可以忽略，所以認(rèn)為巷道內(nèi)節(jié)點(diǎn)的橫向測距是準(zhǔn)確的。設(shè)井下采用2.4 GHz電磁波進(jìn)行測距，路徑衰減因子δ=1.6，Xσ的標(biāo)準(zhǔn)差σ=4。巷道寬度為5 m，在坐標(biāo)(2.5,0)和坐標(biāo)(2.5,100)處分別設(shè)置錨節(jié)點(diǎn)1和錨節(jié)點(diǎn)2。設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號覆蓋半徑為100 m，隨機(jī)選取5個(gè)橫向坐標(biāo)值，縱向每隔5 m取一個(gè)坐標(biāo)值，選取的橫、縱坐標(biāo)值共組成200個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置。圖3為δ在變化0.5時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果。圖3忽略了橫向定位誤差，可看出電磁波超聲聯(lián)合定位效果較理想。

圖3　移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果

圖4為定位誤差的縱向分布?？煽闯龆ㄎ徽`差小于5 m，滿足井下移動(dòng)目標(biāo)定位精度要求；縱向誤差分布是規(guī)律變化的，在距離2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)20 m處，即縱坐標(biāo)分別為20和80的位置，定位誤差最大，在中間位置時(shí)定位誤差最小，該規(guī)律可為優(yōu)化校正研究提供參考。

圖4　定位誤差縱向分布

需要指出的是，圖2中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)靠近巷道壁，同時(shí)縱向接近錨節(jié)點(diǎn)1或錨節(jié)點(diǎn)2時(shí)，式(14)誤差較大?？紤]到2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)間距為100 m，而h不超過3 m，該誤差可接受。仿真結(jié)果表明，在所述位置的情況出現(xiàn)了明顯的規(guī)律性特征，可根據(jù)該特征進(jìn)行誤差補(bǔ)償。限于篇幅，本文不再贅述誤差補(bǔ)償算法，作為下一步的研究內(nèi)容。

4結(jié)語

井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法充分利用了電磁波、超聲波定位的優(yōu)勢，算法簡單，精度高，成本低。該方法為全新的井下精細(xì)定位方案，本文僅從可行性及實(shí)驗(yàn)角度對該方法進(jìn)行了研究，下一步將完善設(shè)計(jì)方案，特別是對電磁波測距進(jìn)行優(yōu)化，對井下聲場及超聲波收發(fā)探頭進(jìn)行深入研究。

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Underground joint localization method based on electromagnetic wave and ultrasonic

LI Zongwei1,2,3,LI Qiwei1,2,3,WEN Liang1,2,3,MENG Qingyong1,2,3

(1.China Coal Research Institute， Beijing 100013, China； 2.State Key Laboratory of Coal Resource Efficient Mining and Clean Utilization, Beijing 100013, China; 3.Beijing Mine Safety Engineering Technology Research Center, Beijing 100013, China)

Abstract：For low localization precision of existing underground personnel localization technologies, an underground joint localization method based on electromagnetic wave and ultrasonic was proposed by analyzing ranging principle of electromagnetic wave and ultrasonic wave as well as application characteristics in underground tunnels. In the method, a ratio of distance between a mobile node and two anchor nodes is obtained by approximate calculation according to logarithmic normal distribution model. Vertical coordinate of the mobile node is obtained by electromagnetic wave ranging method, and horizontal coordinate is gotten by ultrasonic wave ranging method. The Matlab simulation result verifies feasibility and localization precision of the method.

Key words:underground personnel localization; electromagnetic wave ranging; ultrasonic wave ranging; joint localization based on electromagnetic wave and ultrasonic

文章編號：1671-251X(2016)07-0030-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.008

收稿日期：2016-03-10；修回日期：2016-06-01；責(zé)任編輯：李明。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAK06B05)。

作者簡介：李宗偉(1987-)，男，河北唐山人，碩士，主要從事煤礦井下人員定位技術(shù)的研發(fā)工作，E-mail：lizongwei@ccrise.cn。

中圖分類號：TD67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-07-05 14:58

李宗偉，李起偉，溫良，等.井下電磁波超聲聯(lián)合定位方法[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(7)：30-33.