基于三向加速度數據的井下移動通信設備定位

劉毅

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京　100083)

?

經驗交流

基于三向加速度數據的井下移動通信設備定位

劉毅

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京100083)

摘要：針對基于RSSI技術的人員定位系統定位誤差較大的問題，提出利用智能手機內置的三軸加速度傳感器采集井下工作人員活動振動信號，參照人體運動特點，通過分析處理數據得到人體的步行運動規律，從而實現計步運算。以所經過的無線接入基站為參考點，結合RSSI測距方法實現較為準確的定位。測試結果表明，將RSSI技術和計步測距相結合，可有效提高定位精度。

關鍵詞：人員定位； 三軸加速度傳感器； RSSI技術； 計步測距

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1134.017.html

0引言

煤礦井下人員位置監測系統是煤礦井下安全避險六大系統之一，是礦井安全生產的重要保障和應急救援必要手段。隨著技術的發展，各種井下無線通信設備已廣泛應用于煤礦，將這些設備接入煤礦井下人員位置監測系統是發展的必然趨勢[1-2]。由于煤礦井下不能使用GPS定位，所以常用的定位方法是基于接收信號強度指示(RSSI)的基站定位法。井下為長距離且狹窄的空間環境，一般基站沿巷道線狀安裝分布，與地面蜂窩覆蓋方式不同，所以如要在井下使用基站定位法，需對定位算法進行改進。基于RSSI技術的人員定位系統易受包括天線方向、遮擋物等外界影響，雖然定位精度高于RFID系統，但仍有較大的定位誤差。因此，本文提出利用智能手機內置的三軸加速度傳感器采集井下工作人員活動振動信號，通過處理3個方向的振動信號，得到工作人員的行走步數，將步數轉換為行走距離，以基站為參考點實現精確定位。

1手機定位APP程序設計

手機定位APP結構如圖1所示。

圖1　手機定位APP結構

1.1采集計步程序

采集計步程序負責三軸加速度傳感器信號的采集處理。安卓系統智能手機編程時使用SensorEventListener的onSensorChanged事件，將返回SensorEvent對象，包含各傳感器的最新數據，通過event.values獲得長度為3的三軸加速度傳感器數組float[]，其中的3個值分別代表X，Y和Z方向的數值。

根據人行走步態的特點定義了如圖2(a)所示的3個方向軸，圖2(b)為三軸加速度輸出數據曲線。分析圖2可以看出，垂直方向的軸波形有明顯的周期變化，為上向軸，其他軸波形變化幅度和周期性沒有上向軸明顯，所以以上向軸作為計步依據。由于使用人員可將手機隨意放置攜帶，X，Y和Z軸都可能是上向軸，所以在進行計步判斷處理前應先進行軸向判斷，先采集一段時間的加速度數據，將3個軸上的所有加速度數據絕對值求和，絕對值最大的軸即為上向軸。根據統計，人行走時左右腳各走一步的頻率為0.5～5 Hz[3]，可以此為依據濾除高頻噪聲。計步處理流程如圖3所示。

(a)方向軸(b)輸出數據曲線

圖2方向軸及三軸加速度數據曲線

圖4(a)為沒有明確上向軸的情況，各軸均有符合行走規律的數據特征，所以在此情況下運用以上的計步方法，也可實現計步。井下工作人員移動方式除步行外還可以乘坐交通工具，圖4(b)為乘坐地鐵的三軸加速度數據曲線，可以看出，在垂直軸上的加速度有一定的周期變化，而其他2個軸上的數據曲線沒有太大波動。所以計步判斷時除了對垂直方向的數據進行處理外，還要判斷其他軸的數據規律，防止計步誤差。

圖3　計步處理流程

圖4特殊三軸加速度數據曲線

1.2通信程序

通信程序負責移動通信裝置與井上定位服務器之間的通信。Android系統與服務器主要采用Http和Socket通信方式。http連接采用“請求-響應方式”，即在請求時建立連接通道，當客戶端向服務器發送請求后，服務器端才能向客戶端返回數據。該方式用于BS模式的服務中。本文采用Socket通信方式和CS程序模式，終端設備與井上服務器采用不基于連接的UDP對等方式通信，定時向系統服務器的固定IP地址及端口發送設備ID及自身位置信息；也可從服務器獲得井下其他人員的位置信息。地理信息和位置信息都由設備本身處理得到，不需向服務器獲取。采用這種方案的優勢在于當設備與服務器通信出現故障時，仍可正常顯示地理信息。

1.3顯示程序

顯示程序負責讀取手機內置礦井地理信息并在屏幕上顯示，同時根據定位程序獲得的自身位置信息，在地圖上相應位置顯示。井下地圖顯示界面如圖5所示。

圖5　井下地圖顯示界面

Android系統提供了較為完善的地圖相關控件，如用來顯示地圖的Mapview，控制地圖移動、伸縮的MapController等，其他公司也提供了支持離線顯示的地圖引擎，如Osmdroid，GMapCatcher等。本系統使用UCMap開發組件，用Mapgis將礦用CAD工程圖轉換為shp格式的GIS地圖文件，再使用UCMap地圖配置程序將shp格式的地圖配置成UCMap特定的地圖格式；將生成的文件拷貝到單獨的文件夾下，再將此文件夾拷貝至SD卡根目錄，即可使用UCMap調取顯示地圖。在定位程序獲取的自身位置坐標在屏幕顯示的坐標區域內，則使用繪圖函數DrawPolygon在相應位置繪制特定符號，在函數使用時涉及到地圖坐標和屏幕坐標的轉換。同理，可在地圖的相應位置繪制并顯示井下其他人員的位置。

1.4定位程序

定位程序負責采集周邊無線通信基站的信號場強，并根據信號場強、基站位置信息，結合佩戴人員的步長步數進行運算，得到定位裝置的位置，通過通信程序上傳至系統定位服務器。定位流程如圖6所示。

定位步驟如下：

(1) 定位終端實時檢測三軸加速度傳感器數據，并進行計步判斷。

(2) 定時檢測基站信號場強，并對數據進行濾波處理。

(3) 信號場強達到設定值時，認為定位終端已到達基站所在位置，對計步數清零。

(4) 判斷是否到達定位間隔時間，如果間隔時間已到，計算定位終端與基站的距離。設使用者的身高為T，其平均步長為N，則N=1.85(T-1.32)[4]；設步數為M，定位裝置與計步參考基站的距離為L，則L=MN。

圖6　定位流程

(5) 計算終端設備與基站之間的距離z：

(1)

式中:W為基站信號的發射功率；wz為基站信號功率密度；Lz巷道電磁波的總衰減率。

對z進行合理性判斷，如果z大于兩基站間距離s，則z不參與定位運算。

(6) 設基站位置如圖7所示，判斷基站B的計步距離d的合理性，如果d不在設定范圍內，則d不參與定位運算；若z和d的值都合理，則根據z和d對定位終端到基站B的距離l進行算術平均運算。若定位終端在圖7中的位置2，定位終端的接入基站為基站B，則l的計算公式為式(2)，基站位置示意如圖8(a)所示。若定位終端在圖7中的位置3，定位終端的接入基站為基站C，則l的計算公式變為式(3)，基站位置示意如圖8(b)所示。若z值不合理，則l=d；若d值不合理，則l=z。

(2)

(3)

圖7　基站位置示意

(7) 將基站B、基站C的坐標(x1,y1),(x2,y2)

(a)定位終端在位置2(b)定位終端在位置3

圖8不同基站的綜合測距

和l代入由點到直線的距離公式、兩點式直線方程和線段約束條件組成的方程組，可得到終端設備的當前坐標(x,y)：

(4)

2誤差分析與實驗測試

基于計步的測距方法在短距離測距時較為準確，但用于長距離測距時由于計步誤差的累加，會使誤差逐漸增大。將RSSI測距的已知位置點作為計步測距的參考點，計步測距只需測量小于兩參考點間的距離，有效避免了計步累積誤差，從而實現了準確測距。表1為計步算法測試數據，可見運用在較短距離內時，不同的手機放置方向和位置均可得到較為準確的計步值。

表1　計步算法測試數據

圖9為RSSI測距定位與RSSI結合計步測距定位誤差比較。從圖9可以看出，由于20 m后信號衰減變化幅度不大，而計步測距在此距離內基本準確，在綜合計算設備到基站距離時，可將誤差減少一半，所以結合計步測距可有效減少RSSI的定位誤差。

圖9　RSSI測距定位與RSSI結合計步測距定位誤差比較

3結語

基于三向加速度數據的井下移動通信設備定位方法解決了智能手機在煤礦井下無法實現GPS定位，而通過基站RSSI定位誤差較大的問題；修正了天線方向、由于人體和其他物體遮擋而引起的定位坐標不穩定和跳變，穩定了坐標數據并提高了定位精度。所設計的設備程序不僅可定位并上報人員位置，還可為井下工作人員提供井下地圖顯示服務，同時可獲取井下其他工作人員的位置信息。

參考文獻：

[1]孫繼平.煤礦井下緊急避險與應急救援技術[J].工礦自動化,2014,40(1):1-4．

[2]孫繼平.煤礦井下安全避險“六大系統”的作用和配置方案[J].工礦自動化,2010,36(11):1-4.

[3]蘇麗娜,董金明,趙琦.基于加速度傳感器的計步器系統[J].測控技術,2007,26(增刊1):163-165.

[4]姚力,高以群,王輝.利用步長分析身高的實驗研究[J]. 刑事技術,1999(1):17-19.

[5]汪玉鳳，李凱，張月玲.基于加速度傳感器的井下電機車實時定位系統[J].計算機系統應用，2014(11)：251-255.

Positioning of underground mobile communication device based on three direction acceleration data

LIU Yi

(School of Mechanical Electronic and Information Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract：In view of the problem of big position error of personnel positioning system based on RSSI technology, the paper proposed to use triaxial acceleration sensor built-in smart phone to collect active vibration signal, and get walking motion law of the human through data analysis with reference to body movement, so as to achieve pedometer operations. The passed wireless access point was taken as a reference to achieve accurate positioning combined with RSSI ranging method. The test results show that the combination of RSSI ranging technology and pedometer ranging can effectively improve positioning accuracy.

Key words:personnel positioning; three axis acceleration sensor; RSSI technology; pedometer ranging

作者簡介：劉毅(1973-)，男，山西臨汾人，講師，從事煤礦圖像監控、井下人員定位理論與技術研究工作，E-mail:liu_y@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金資助重點項目(51134024)。

收稿日期：2015-11-26；修回日期：2016-02-19；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD655.3

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-04-05 11:34

文章編號：1671-251X(2016)04-0070-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.017

劉毅.基于三向加速度數據的井下移動通信設備定位[J].工礦自動化，2016,42(4)：70-73.