井下電磁波超聲聯合定位方法

李宗偉，　李起偉，　溫良，　孟慶勇

(1.煤炭科學技術研究院有限公司， 北京　100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室， 北京 100013； 3.北京市煤礦安全工程技術研究中心， 北京　100013)

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實驗研究

井下電磁波超聲聯合定位方法

李宗偉1,2,3，李起偉1,2,3，溫良1,2,3，孟慶勇1,2,3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司， 北京100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室， 北京 100013； 3.北京市煤礦安全工程技術研究中心， 北京100013)

摘要：針對現有井下人員定位技術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用特點，提出了一種井下電磁波超聲聯合定位方法。該方法根據對數-常態分布模型，通過近似運算得到移動節點到2個錨節點的距離之比，以電磁波測距方法得到移動節點的縱向坐標，以超聲波測距方法得到移動節點的橫向坐標。Matlab仿真結果驗證了該方法的可行性及精確度。

關鍵詞：井下人員定位； 電磁波測距； 超聲波測距； 電磁波超聲聯合定位

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1458.008.html

0引言

目前，國內礦井大多采用基于無線電磁波通信的井下人員管理系統，實際定位誤差均在5 m以上，且只能給出定位目標在巷道縱向上的信息，不能滿足安全生產及應急救援的要求[1]。國內外很多文獻針對使用無線信號實現煤礦井下移動目標位置監測進行了研究[2-6]。參考文獻[7]利用無線電磁波信號強度實現了煤礦安全監測系統無線傳感器網絡節點間的自定位，并提出了提高定位精度的節點定位方法。參考文獻[8]提出了井下超聲定位系統，并用Matlab進行了仿真，證明其可對井下人員進行精確定位。以上研究均基于某一種無線介質，定位精度較低。本文提出一種井下電磁波超聲聯合定位方法，充分利用了電磁波測距距離遠、實時性高和超聲波測距誤差低的優勢，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，傳播時延極低，因此電磁波測距方法實時性高。

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

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

(1)

式中：PL(d)為電磁波傳播距離d后的路徑損耗，dB·m；d0為錨節點和參考節點之間的距離，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境，是一個經驗值；Xσ為標準差為σ的零均值正態分布隨機變量，dB·m。

PL(d0)可根據自由空間模型求取。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。

設錨節點的發射功率為PT，移動節點接收到錨節點發射的電磁波信號強度為PR，則PL(d)=PT-PR。根據式(1)可獲得錨節點與移動節點之間的距離為

(3)

1.2超聲波測距

超聲波測距具有以下特點：

(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，短距離內可適應井下惡劣環境。

(3) 超聲波傳感器結構簡單，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) 超聲波測距只需設置發射裝置，無需接收裝置，即通過檢測反射回波到達的時間即可實現精確測距。

超聲波測距采用渡越時間(Time of Flight，TOF)法。其基本原理：超聲傳感器向外發射超聲波，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，根據發射時間與接收時間的差值來計算被測物體的距離。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為渡越時間，s[13]。

由于溫度變化會對超聲波傳播速度產生一定影響，為了得到較高的測量精度，可增加1個溫度傳感器采集實時溫度，從而進行實時補償。溫度補償公式：

c=c0+0.607T

(5)

式中：c0為0 ℃時的超聲波傳播速度，m/s；T為溫度，℃[14]。

根據式(4)、式(5)可得到溫度補償的TOF測距公式：

(6)

2電磁波超聲聯合定位方法

2.1錨節點部署

圖1為井下巷道內錨節點與移動節點分布。錨節點懸掛于巷道頂板，呈一字排開的鏈式部署，每個錨節點到兩側巷道壁的距離相等，相鄰2個錨節點之間的距離不大于錨節點間無線通信距離，且不大于移動節點電磁波信號的覆蓋半徑，保證相鄰2個錨節點間能夠通信，以及移動節點在巷道內任意位置，至少有2個錨節點能夠接收到其發射的電磁波信號。

圖1　井下巷道內錨節點與移動節點分布

2.2聯合定位方法

電磁波超聲聯合定位方法如圖2所示。移動節點可同時發射超聲波和電磁波2種無線信號。移動節點周期性地向一側巷道壁發射超聲波信號并接收反射回波，測得移動節點在巷道內的橫向坐標(x方向)。

圖2　電磁波超聲聯合定位方法

記錄發射超聲波信號的時刻為tT，接收巷道壁反射回波的時刻為tR，則超聲波渡越時間t=tR-tT。移動節點發射超射波信號時溫度傳感器檢測到的溫度為T，則根據式(6)可得移動節點在巷道內的橫坐標為

(7)

移動節點在發射超聲波信號的同時，向附近錨節點發射電磁波定位請求信號。接收到該定位請求信號的錨節點向移動節點發射電磁波定位響應信號。移動節點測得各電磁波定位響應信號的接收強度，選擇強度最大的2個信號，拋棄其他信號，從而找到距其最近的2個相鄰的錨節點，如圖2中的錨節點1和錨節點2。

設移動節點接收到錨節點1、錨節點2發射的電磁波信號強度分別為PR1和PR2，移動節點到錨節點1、錨節點2的距離分別為d1和d2。通過仿真計算得Xσ對于計算結果的影響不大[15]，因此采用簡化模型逼近對數-常態模型[16]，即省略Xσ。根據式(3)可得

(8)

(9)

由式(8)、式(9)可得

(10)

作移動節點到錨節點1與錨節點2連線的垂線，設垂線段長度為h，錨節點1、錨節點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。巷道延伸距離為數百米甚至更長，根據井下允許的電磁波發射功率，測距范圍可達50 m以上，即2個錨節點之間的距離可達50 m以上。考慮到井下巷道目標定位精度要求為m級，設h與l1，l2相比可忽略，即

(14)

由式(10)和式(14)可得

(15)

則

(16)

規定巷道內以縱坐標(y軸方向)增大的方向為正方向，設圖2中以向右為正方向，則錨節點2在錨節點1的正方向。設錨節點1的縱坐標為y1，錨節點2的縱坐標為y2，則錨節點1與錨節點2之間的距離為y2-y1，有

(17)

3仿真實驗

在Matlab7.0仿真平臺對電磁波超聲聯合定位方法進行實驗驗證。

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，所以認為巷道內節點的橫向測距是準確的。設井下采用2.4 GHz電磁波進行測距，路徑衰減因子δ=1.6，Xσ的標準差σ=4。巷道寬度為5 m，在坐標(2.5,0)和坐標(2.5,100)處分別設置錨節點1和錨節點2。設移動節點的信號覆蓋半徑為100 m，隨機選取5個橫向坐標值，縱向每隔5 m取一個坐標值，選取的橫、縱坐標值共組成200個移動節點位置。圖3為δ在變化0.5時移動節點定位結果。圖3忽略了橫向定位誤差，可看出電磁波超聲聯合定位效果較理想。

圖3　移動節點定位結果

圖4為定位誤差的縱向分布。可看出定位誤差小于5 m，滿足井下移動目標定位精度要求；縱向誤差分布是規律變化的，在距離2個錨節點20 m處，即縱坐標分別為20和80的位置，定位誤差最大，在中間位置時定位誤差最小，該規律可為優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中的移動節點靠近巷道壁，同時縱向接近錨節點1或錨節點2時，式(14)誤差較大。考慮到2個錨節點間距為100 m，而h不超過3 m，該誤差可接受。仿真結果表明，在所述位置的情況出現了明顯的規律性特征，可根據該特征進行誤差補償。限于篇幅，本文不再贅述誤差補償算法，作為下一步的研究內容。

4結語

井下電磁波超聲聯合定位方法充分利用了電磁波、超聲波定位的優勢，算法簡單，精度高，成本低。該方法為全新的井下精細定位方案，本文僅從可行性及實驗角度對該方法進行了研究，下一步將完善設計方案，特別是對電磁波測距進行優化，對井下聲場及超聲波收發探頭進行深入研究。

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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；責任編輯：李明。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(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的研發工作，E-mail：lizongwei@ccrise.cn。

中圖分類號：TD67

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 14:58

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