[實用新型]基于距離約束的井下電磁波超聲聯合定位系統

有效

• 申請號: 201220330441.4
• 申請日: 2012-07-09
• 公開（公告）號: CN202870292U
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 孫繼平;李宗偉
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01S5/00
• 分類號: G01S5/00;G01S5/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及煤礦井下安全監控領域，具體地說，是涉及一種基于幾何約束的煤礦井下電磁波超聲聯合定位系統。?

背景技術

煤炭是我國的主要能源，但由于我國煤田地質條件復雜，生產條件惡劣，井下作業人員的生命安全受到嚴重威脅。一旦發生事故，地面人員需及時掌握井下人員的具體位置。因此，研究煤礦井下目標精確定位方法與系統，對于保障井下安全生產、應急救援都具有重要的現實意義，井下目標定位系統精度的提高將極大地促進煤礦井下安全生產水平的提升。?

由于巷道相對密閉，無法借助GPS等地面已有的衛星定位來輔助井下的目標定位；礦井定位目標是在限定空間內，定位設備的體積不能太大；井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，井下定位裝置必須是防爆型電氣設備；巷道內的無線信道環境惡劣，存在著大量的反射、散射、衍射以及透射等現象。這些使地面成熟的定位方法不能直接應用于煤礦井下。?

目前國內外目標定位技術采用的無線傳輸介質主要以電磁波為主。以電磁波為傳輸介質的定位方法主要分為基于測距(Range-based)的方法和基于非測距(Range-free)方法。Range-based方法通過測量點到點的距離和角度，使用三邊測量(Trilateration)、三角測量(Triangulation)或最大似然估計(Multilateration)算法計算節點的位置；Range-free方法則根據網絡的連通屬性估算節點位置。?

Range-based方法主要有接收信號強度指示(Receiced?Signal?Strength?Indiction，RSSI)、到達時間(Time?of?Arrival，TOF)、到達時間差(Time?Difference?of?Arrival，TDOA)和到達角度(Angle?of?Arrival，AOA)等，后三種方法對硬件的要求都非常高，從成本角度考慮，不適合應用于煤礦井下，基于RSSI方法進行測距時，當距離較小時對接收機的靈敏度要求很高，誤差難以保證。?

典型的Range-free定位算法包括DV-Hop、凸規劃、MDS-MAP等，Range-free方法無需測量節點間的距離和到達角度，在無線節點的成本和功耗方面有一定的優勢，但是定位精度與錨節點的密度和布置策略有關，提高精度就需要增加錨節點的密度，但錨節點的布置受巷道和工作環境限制，一方面，狹窄的空間內無法保證錨節點的隨意布置，另一方面，增加錨節點的數量除了意味著成本的提高外，還導致故障率的升高和可靠性的降低。?

目前國內取得礦用產品安全標志證的井下目標定位系統(有些稱為位置檢測系統或作業人員管理系統等)，均采用電磁波作為無線傳輸介質，有基于RFID、藍牙、WiFi和ZigBee等不同技術和協議，其中以RFID技術最普遍，但RFID的技術特點決定了定位精度取決于讀卡器的密度，這就限制了定位精度的提高，所以很多基于RFID技術的系統嚴格地說并不具備“定位”功能，而只是“位置檢測”，只能確定井下人員的大致區域；藍牙技術傳輸距離短，抗干擾能力差，礦井環境中穩定性較差；目前，在國內使用的目標定位系統的精度均大于5米，目前國內礦井巷道的寬度一般不大于10米，也就是說，目前礦井目標定位系統只能給出定位目標在巷道縱向上的信息。?

國內礦井目標定位系統傳輸介質全部是電磁波，如采用基于測距的TDOA和AOA定位算法，對硬件要求很高，井下的硬件條件基本無法滿足，如采用基于測距的RSSI方法，在近距離范圍內精度很難保證，如采用基于非測距方法，對錨節點的密度和布置策略有很高的要求，這在煤礦井下工作環境中是難以實現的。?

利用超聲波進行較近目標測距時可以達到較高的精度；超聲波的傳播速度遠低于電磁波，對硬件要求較低；超聲波分辨率較高，對光照度和電磁場不敏感，適應煤礦井下惡劣環境；超聲波測距只需一端發射信號，另一端無需安裝其他裝置，只通過檢測反射回來的超聲波到達的時間，就可以實現非常精確的測距，超聲波測距結構簡單，易于小型化與集成化。但是，超聲波在空氣中的衰減較大，只適用于較小距離內的測距。?

綜上所述，電磁波和超聲波有各自的優勢，單純的使用一種無線介質難以實現井下目標精確定位。?

實用新型內容