基于距離約束的井下目標(biāo)定位方法

劉曉陽(yáng),李宗偉,方 軻,田子建

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭科學(xué)研究總院安全裝備技術(shù)研究分院,北京 100013)

基于距離約束的井下目標(biāo)定位方法

劉曉陽(yáng)1,李宗偉2,方 軻1,田子建1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭科學(xué)研究總院安全裝備技術(shù)研究分院,北京 100013)

煤礦井下巷道為狹長(zhǎng)的條狀結(jié)構(gòu),信號(hào)衰減較大,地面已有的目標(biāo)定位方法和技術(shù)難以直接應(yīng)用于井下,現(xiàn)有的礦井目標(biāo)定位主要采取基于時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距方法,而這些方法并沒(méi)有考慮到井下巷道的條狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn),定位誤差較大,依據(jù)礦井巷道的條狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出一種基于距離約束的井下目標(biāo)定位方法。在巷道內(nèi)每4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)矩形區(qū)域,將固定的兩錨節(jié)點(diǎn)之間的距離作為約束條件,結(jié)合垂直向量乘積為零的原理,矩形對(duì)角線的長(zhǎng)度已知,通過(guò)基于RSSI的測(cè)距原理獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到矩形區(qū)域兩對(duì)角線上錨節(jié)點(diǎn)的距離之比公式,進(jìn)而通過(guò)合理的近似運(yùn)算和向量乘法定理得到向量方程組,通過(guò)求解向量方程組可以得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法可以有效地降低定位誤差。

距離約束;礦井;目標(biāo)定位;RSSI

煤炭是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ),占一次能源的70%左右。據(jù)全國(guó)能源工作會(huì)議的預(yù)測(cè),到“十二五”末期,我國(guó)煤炭產(chǎn)量將占全球總產(chǎn)量的50%[1－2]。但是,井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,工作人員及設(shè)備的監(jiān)管調(diào)配難度大,且安全隱患較多,導(dǎo)致礦難頻繁發(fā)生,實(shí)現(xiàn)井下人員、機(jī)車的實(shí)時(shí)定位,不僅有利于資源的合理調(diào)配,而且對(duì)礦難發(fā)生時(shí)的及時(shí)搶救,減少生命財(cái)產(chǎn)損失有著重要的意義。目前取得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證的煤礦位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用RFID技術(shù),部分系統(tǒng)采用漏泄、WiFi、ZigBee等技術(shù),這些技術(shù)自身特點(diǎn)決定了定位精度都較粗,難以滿足安全生產(chǎn)及應(yīng)急救援的需求,所以,迫切需要研究適合煤礦井下環(huán)境的高精度定位方法。

1 礦井目標(biāo)定位需求

根據(jù)定位機(jī)制的不同,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法可分為兩類:基于測(cè)距(range-based)和非測(cè)距(rangefree)。前者通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置;后者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實(shí)現(xiàn)定位。后者在成本、功耗等方面具有一定優(yōu)勢(shì),并且其受硬件限制小,但定位精度相對(duì)較低,且對(duì)節(jié)點(diǎn)密度的要求很高[3－5]。所以,煤礦井下適合使用基于測(cè)距的定位技術(shù)?；跍y(cè)距的定位技術(shù)主要包括測(cè)量到達(dá)時(shí)間(TOA)[6]、測(cè)量時(shí)間差(TDOA)[7]、測(cè)量到達(dá)角度(AOA)[8]以及測(cè)量信號(hào)接收強(qiáng)度指示(RSSI)[9]等方法。前3種方法雖然在理論上具有較高的測(cè)距精度,但是由于硬件條件的限制,目前在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中難以得到實(shí)際應(yīng)用。而基于RSSI的測(cè)距方法不需要添加額外的硬件,是煤礦安全監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的方法[10]。

2 RSSI測(cè)距

使用信號(hào)接收強(qiáng)度指示(RSSI)方法測(cè)量距離,選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)線傳輸模型是至關(guān)重要的。常用的無(wú)線電波傳播路徑損耗模型有:自由空間傳播模型,對(duì)數(shù)距離路徑衰減模型、對(duì)數(shù)－常態(tài)分布模型等[11],考慮井下巷道的實(shí)際環(huán)境,選擇對(duì)數(shù)－常態(tài)分布模型較為合理。

對(duì)數(shù)－常態(tài)分布模型的表達(dá)式為

式中,P(d)為是收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離為d時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度,dB·m;δ為路徑衰減因子,其數(shù)值取決于無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境,是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值;d0為發(fā)射節(jié)點(diǎn)和參考點(diǎn)之間的距離,一般取1 m;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;P(d0)為參考點(diǎn)處的接收信號(hào)強(qiáng)度。

根據(jù)文獻(xiàn)[12－13],對(duì)數(shù)－常態(tài)分布模型可以使用簡(jiǎn)化模型逼近,即省略Xσ:

設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波信號(hào)強(qiáng)度為PR,則根據(jù)式(2)獲得錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離為

3 距離比公式

考慮一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射電磁波的情況,如圖1所示,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)C收到錨節(jié)點(diǎn)A和錨節(jié)點(diǎn)B兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波信號(hào),設(shè)AC長(zhǎng)度為d1,BC長(zhǎng)度為d2,設(shè)錨節(jié)點(diǎn)A和錨節(jié)點(diǎn)B發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度相同,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)A的信號(hào)強(qiáng)度為PR1,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)B的信號(hào)強(qiáng)度為PR2,則根據(jù)式(3)可以得d1,d2的表達(dá)式,分別為

圖1 一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)的情況Fig.1 One mobile receives signal of two anchor nodes

4 距離約束方法

如圖1所示,作移動(dòng)節(jié)點(diǎn)C到錨節(jié)點(diǎn)A和錨節(jié)點(diǎn)B連線的垂線,設(shè)垂足為D,則AC和BC分別在直角三角形ACD和直角三角形CBD中,則有

在狹窄巷道兩,巷道壁之間的距離很短,一般在3～6 m[14],則CD的長(zhǎng)度為1.5～3.0 m;在寬大巷道(或井下車庫(kù)等)可以通過(guò)并排鋪設(shè)多條矩形區(qū)塊的方法實(shí)現(xiàn)全覆蓋,并使CD控制在1.5～3.0 m。巷道延伸方向的距離可達(dá)數(shù)百米甚至更長(zhǎng),依據(jù)井下允許的電磁波發(fā)射功率也可以使測(cè)距范圍達(dá)到50 m以上,則兩錨節(jié)點(diǎn)之間的距離可達(dá)到50 m以上,考慮井下巷道目標(biāo)定位的精度要求為米數(shù)量級(jí),所以假設(shè)CD的長(zhǎng)度相對(duì)于AD和BD的長(zhǎng)度是可以忽略的。則根據(jù)式(7)有

錨節(jié)點(diǎn)一旦鋪設(shè),位置不再改變,故AB長(zhǎng)度是固定的,設(shè)為l,以這個(gè)長(zhǎng)度為約束條件,即D點(diǎn)位置任意改變,永遠(yuǎn)有

5 距離約束在矩形區(qū)塊的應(yīng)用

為了得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)的二維坐標(biāo),錨節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方式如圖2所示。

圖2 錨節(jié)點(diǎn)布設(shè)方式Fig.2 The distribution mode of the anchor nodes

圖2中,E,F,G,H為4個(gè)錨節(jié)點(diǎn),EFGH構(gòu)成一個(gè)矩形;M為移動(dòng)節(jié)點(diǎn),EH與FG的連線相交于點(diǎn)K。圖2中的虛線EM,FM,GM,HM表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M接收E,F,G,H四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波定位信號(hào), MI為點(diǎn)M到EH的垂線,垂足為I,MJ為點(diǎn)M到FG的垂線,垂足為J。設(shè)FG與GH的夾角為α,當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)布設(shè)好,這個(gè)角是固定值。

4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度相同,均為PT,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M接收到錨節(jié)點(diǎn)E發(fā)射的電磁波定位信號(hào)強(qiáng)度為PRE,接收到錨節(jié)點(diǎn)F發(fā)射的電磁波定位信號(hào)強(qiáng)度為PRF,接收到錨節(jié)點(diǎn)G發(fā)射的電磁波定位信號(hào)強(qiáng)度為PRG,接收到錨節(jié)點(diǎn)E發(fā)射的電磁波定位信號(hào)強(qiáng)度為PRH,設(shè)EH=FG=l′,則根據(jù)式(9)得

6 坐標(biāo)建立及定位算法

圖3 以E為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系Fig.3 Established coordinate system with E as the origin

圖4 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置的其他所有情況Fig.4 All other positions that one mobile node would be at

所有情況下均可設(shè)IK的長(zhǎng)度為a,JK的長(zhǎng)度為b,則有

設(shè)I的坐標(biāo)為(Ix,Iy),J的坐標(biāo)為(Jx,Jy),圖5為在圖3所示情況下的K點(diǎn)處的局部圖,OQ為與GH平行且穿過(guò)點(diǎn)K的直線,可知點(diǎn)I和點(diǎn)J的坐標(biāo)可根據(jù)a,b和角α求出,即

圖5 K點(diǎn)處的局部Fig.5 The details near K point

代入數(shù)據(jù),使用計(jì)算機(jī)解該方程組即可得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)。

7 仿真及設(shè)計(jì)的優(yōu)化

采用計(jì)算機(jī)仿真方法驗(yàn)證方法的可行性,假設(shè)某煤礦安全檢測(cè)局部無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?yàn)? m×50 m的矩形范圍。

7.1 理想情況下的算法仿真

由于本方法采用了近似算法,所以存在理論誤差,為使本方法的理論誤差降到最小,首先在理想的環(huán)境下進(jìn)行仿真,設(shè)井下采用2.4 GHz的電磁波,在路徑衰減因子不變的情況下進(jìn)行仿真。巷道橫向?qū)挾葹? m,即橫向兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離為6 m,設(shè)置縱向兩錨節(jié)點(diǎn)的距離為50 m,即4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為一個(gè)長(zhǎng)50 m、寬6 m矩形的4個(gè)頂點(diǎn)。在4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的矩形范圍內(nèi)均勻選取3×24=72個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置,如圖6所示,4個(gè)圓圈表示4個(gè)錨節(jié)點(diǎn),黑色圓點(diǎn)為待定位的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置。

圖6 錨節(jié)點(diǎn)及待定位移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布Fig.6 The distribution mode of anchor nodes and mobile to be positioned

圖7為理想情況下仿真結(jié)果,圖中黑色八線符為使用基于距離約束的定位算法得到的定位點(diǎn),可以觀察到縱向的定位效果很好,而橫向的定位效果在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)比較近的位置時(shí)很差,這是由于算法本身包含的近似運(yùn)算造成的。將圖1中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)C向一側(cè)錨節(jié)點(diǎn)A(或B)移動(dòng),如圖8所示,當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)C距離錨節(jié)點(diǎn)A很近時(shí),CD的長(zhǎng)度相對(duì)于AC的長(zhǎng)度已經(jīng)不能省略,所以會(huì)出現(xiàn)很大的理論誤差。

在井下狹窄巷道,縱向定位精度的參考價(jià)值很大,而橫向定位精度的參考價(jià)值不大,所以本方法用在狹窄巷道有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖7 理想情況下的仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results in ideal situation

圖8 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)較近的情況Fig.8 The situation that the mobile node closed to one anchor node

而對(duì)于井下寬大巷道,如井下洗煤廠的車庫(kù)等,橫向和縱向的定位精度都具有很大的參考價(jià)值,但是由于本方法橫向的理論誤差在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)比較近時(shí)很大,所以規(guī)定當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)非常接近某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)時(shí),自動(dòng)切換到其他在這種情況下定位精度較高的定位方法,所使用的方法必須能夠在本定位方法中錨節(jié)點(diǎn)的鋪設(shè)方式下實(shí)現(xiàn),可知已有的方法和文獻(xiàn)中有很多這種定位方法,如文獻(xiàn)[12,15]等。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)很接近某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為接收到某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度很大,可以設(shè)置適當(dāng)?shù)男盘?hào)接收強(qiáng)度門限值,判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是否在距離某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)很近的位置。

作移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度與平均定位誤差的關(guān)系如圖9所示。

圖9 接收錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度與平均定位誤差的關(guān)系Fig.9 The relationship between the RSSI of anchor node and average localization error

從圖9中可觀察到,當(dāng)信號(hào)接收強(qiáng)度下降到－57 dB·m時(shí),平均定位誤差在3 m左右,可以反推對(duì)應(yīng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離為7 m左右,當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度升到－57 dB·m以上時(shí),定位效果下降顯著,因此可以以－57 dB·m為門限值。

7.2 加入環(huán)境變量的仿真

考慮CC2420是目前應(yīng)用最廣泛的2.4 GHz無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)芯片,其最大標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射功率為－45 dB·m,接收靈敏度為－94 dB·m,所以采用煤礦井下2.4 GHz無(wú)線電波傳輸模型[15],各錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率相同,為－45 dB·m。為使仿真算法更接近實(shí)際應(yīng)用,使用蒙特卡羅仿真法[16],在矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取10 000個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置作為仿真點(diǎn),取其統(tǒng)計(jì)平均值作為最終結(jié)果。

使路徑衰減指數(shù)δ控制在1.1～3.0 s,圖10為平均定位誤差在巷道縱向的分布情況,從圖中可以觀察到,平均定位誤差基本控制在5 m以內(nèi),并且大部分在4 m以內(nèi),可以滿足煤礦井下的應(yīng)用,且定位誤差在兩端和中間很小,其他部分較大,此規(guī)律可以為以后進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖10 平均定位誤差在巷道縱向的分布情況Fig.10 The longitudinal distribution of average positioning error in roadway

使δ控制在1.1～3.0變化,δ每次增加0.2,每次進(jìn)行1 000次仿真實(shí)驗(yàn),得到的平均定位誤差、最大定位誤差和標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表1。

表1 δ不斷增大的仿真結(jié)果Table 1 The simulation results under the increasing of δ

由表1可以看出路徑衰減指數(shù)在0.1～1.3變化波動(dòng)時(shí),本定位方法能得到5 m以內(nèi)的平均定位誤差。

8 結(jié) 論

(1)基于距離約束的井下目標(biāo)定位方法充分利用了兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間固定不變的距離,以這個(gè)距離為約束條件,通過(guò)適當(dāng)?shù)慕七\(yùn)算,可以提高測(cè)距及定位精度。

(2)基于距離約束的井下目標(biāo)定位方法在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)很近時(shí),橫向定位精度下降顯著,但依據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方式,可以使用能夠在本定位方法中錨節(jié)點(diǎn)的鋪設(shè)方式下實(shí)現(xiàn)較高精度定位的方法作為補(bǔ)充方法。

(3)基于距離約束的井下目標(biāo)定位方法縱向定位精度高,可以直接應(yīng)用于狹窄巷道內(nèi),只取縱向定位坐標(biāo);在寬大巷道內(nèi)或井下車庫(kù)等,可以通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)男盘?hào)接收強(qiáng)度門限值,靈活切換定位方法,得到高精度的定位效果。

(4)當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度大于－57 dB·m時(shí),定位效果下降顯著,可以以－57 dB·m為門限值,靈活切換定位方法,多種定位方法配合使用,可以顯著提高定位精度。

[1] 孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)理念研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(2): 313－316.

Sun Jiping.Research on coal-mine safe production conception[J].Journal of China Coal Society,2011,36(2):313－316.

[2] 孫繼平.煤礦自動(dòng)化與信息化技術(shù)回顧與展望[J].工礦自動(dòng)化,2010(6):26－30.

Sun Jiping.Review and prospect of technologies of automation and informatization of coal mine[J].Industry and Mine Automation, 2010(6):26－30.

[3] 彭 剛,曹元大,孫利民.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004,40(35):27－29.

Peng Gang,Cao Yuanda,Sun Limin.Study of localization schemes for wireless sensor network[J].Computer Engineering and Applications,2004,40(35):27－29.

[4] 王福豹,史 龍,任豐原.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法[J].軟件學(xué)報(bào),2005,16(5):857－868.

Wang Fubao,Shi Long,Ren Fengyuan.Self-localization systems and algorithms for wireless sensor networks[J].Journal of Software, 2005,16(5):857－868.

[5] He T,Huang C,Blum B M.Range-free localization schemes in large scale sensor networks[A].Proceedings of the 9thAnnual International Conference on Mobile Computing and Networking[C].San Diego:ACM Press,2003:81－95.

[6] Capkun S,Hamdi M,Hubaux J.GPS-free positioning in mobile Ad-Hoc networks[A].Proceedings of the 34thHawaii International conference on System Sciences[C].2001:3481－3490.

[7] Cheng X,Thaeler A,Xue G,et al.A time-based positioning scheme for outdoor sensor networks[A].INFOCOM[C].2004:2685－2696.

[8] Niculescu D,Nath B.Ad Hoc positioning system(APS)using AOA [A].INFOCOM[C].2003:1734－1743.

[9] GirodL,Estrin D.Robust range estimation using acoustic and multimodal sensing[A].Proceeding of IROS[C].2001:1312－1320.

[10] 楊 維,周嗣勇,喬 華.煤礦安全監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(6):652－656.

Yang Wei,Zhou Siyong,Qiao Hua.Node localization in wireless sensor networks for coal mine security monitoring[J].Journal of China Coal Society,2007,32(6):652－656.

[11] 郜麗鵬,朱梅冬,楊 丹.基于ZigBee的加權(quán)質(zhì)心定位算法的仿真與實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(1):149－152.

Gao Lipeng,Zhu Meidong,Yang Dan.Simulation and implement of weighted centroid localization algorithm based on ZigBee[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2010,23(1):149－152.

[12] 劉曉文,王振華,王淑涵,等.基于RSSI算法的礦井無(wú)線定位技術(shù)研究[J].煤礦機(jī)械,2009,30(3):59－60.

Liu Xiaowen,Wang Zhenhua,Wang Shuhan,et al.Study of WSN localization based on RSSI in coal mine[J].Coal Mine Machinery, 2009,30(3):59－60.

[13] 喬鋼柱,曾建潮.信標(biāo)節(jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)讲渴鸬木聼o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(7):1229－1232.

Qiao Gangzhu,Zeng Jianchao.Localiz ation algorithm of beacon nodes chain deployment based on coal mine underground wireless sensor networks[J].Journal of China Coal Society,2010,35(7): 1229－1232.

[14] 張榮立,何國(guó)緯,李 鐸.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003:2553－2571.

Zhang Rongli,He Guowei,Li Duo.Mining engineering design manual[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2003: 2553－2571.

[15] 張志斌,徐小玲,閻連龍.基于Zigbee井下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(1):125－128.

Zhang Zhibin,Xu Xiaoling,Yan Lianlong.Underground localization algorithm of wireless sensor network based on Zigbee[J].Journal of China Coal Society,2009,34(1):125－128.

[16] Nerguizian C,Despins C L.Rdio-channel characterization of an underground mine at 2.4GHz[J].IEEE Trans on Wireless Communications,2005,4(5):2441－2453.

Underground target location method based on distance constraint

LIU Xiao-yang1,LI Zong-wei2,FANG Ke1,TIAN Zi-jian1
(1.School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Safety Equipment and Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

The underground coal mine roadway is long and narrow strip structure,signal attenuation is bigger,the existing target positioning methods and techniques cannot be directly applied in underground,the existing mine target mainly adopts ranging method based on time and the signal strength,and these methods are not gave the underground coal mine roadway strip structure characteristics,positioning error is bigger.On the basis of the mine roadway strip structure characteristics,the fixed distance between two anchor nodes was viewed as a constraint condition.An underground target location method was put forward in this paper based on this condition.Every four anchor nodes constituted a rectangular area of which the diagonal’s length was known.A formula of the ratio of the distances between a mobile and two anchor nodes on the diagonal of the rectangular area was got through the ranging method based on RSSI,and then through the vector formula of vertical vector,a vector equations was acquired.The two-dimensional coordinates was obtained by solving the equations.Simulation experiments show that this method can effectively reduce the positioning error.

distance constraint;coal mine;target location;RSSI

TD76

A

0253－9993(2014)04－0789－06

劉曉陽(yáng),李宗偉,方 軻,等.基于距離約束的井下目標(biāo)定位方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(4):789－794.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0898

Liu Xiaoyang,Li Zongwei,Fang Ke,et al.Underground target location method based on distance constraint[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):789－794.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0898

2013－06－27 責(zé)任編輯:許書閣

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51134024);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助項(xiàng)目(Z20131402,Z20131403)

劉曉陽(yáng)(1968—),女,山西臨汾人,高級(jí)工程師,博士。E－mail:liuxy1225@163.com