煤矿井下精确定位技术现状及应用

煤矿智能化建设要求采用井下精确定位技术,实现井下人、车等目标的精确定位、人员状态分析、考勤、调度管理,满足井下复杂巷道的全覆盖需求。井下定位按定位机制可分为惯导定位和通信式定位,指出对矿井中数量众多的被定位目标进行定位,可行的技术是通信式定位技术,目前井下使用的通信式定位技术按定位精度从低到高依次是RFID、ZigBee和UWB技术。分析了井下精确定位原理,并结合在矿井人员定位系统、车辆及交通管理系统、井下物流管理系统、井下接近监测、远程/无人车辆驾驶/掘进/综采系统中的具体应用,指出各应用对井下精确定位系统的技术要求。     

煤矿井下精确定位系统研究

针对现有基于RFID,ZigBee,WiFi等技术的煤矿井下人员定位系统定位精度较低的问题,提出了融合可见光通信和惯性导航系统的煤矿井下精确定位系统。该系统以煤矿井下LED照明灯作为LED可见光定位基站,利用智能信息矿灯内置CMOS摄像头接收可见光信号进行定位,利用智能信息矿灯内置加速度传感器和陀螺仪数据进行时间积分得到井下人员运动轨迹和方向,并通过智能信息矿灯识别LED可见光定位基站的ID编码信息重新定位来修正惯性导航数据,从而实现精确定位。在煤矿井下布置8个LED可见光定位基站,通过5台智能信息矿灯以正常速度移动来测试系统定位精度,结果表明系统定位误差小于1m,满足煤矿井下人员定位精度要求。     

基于区域判定的超宽带井下高精度定位

为满足煤矿井下对高精度定位日益增长的需求,应用高精度无线收发芯片DW1000,设计实现了一套基于超宽带（UWB）通信的井下定位基站与标签。为提高基站和标签之间的测距精度,采用非对称双边双向测距（ADS-TWR）算法,抑制节点时钟偏移引起的测距误差;针对井下多基站定位中,标签的每一次定位都需广播请求帧而产生大量无效通信的问题,提出一种基于ADS-TWR的标签区域判定策略,使得标签只与所在区域基站通信便可完成定位,并引入标签的区域异常自检和区域校正机制,保证系统的高效稳定运行;在标签坐标解析阶段,采用三角形质心算法,在高精度测距基础上进一步提高定位精度,减少定位处理时间。实验结果表明：标签的定位精度在15 cm以内,满足井下高精度定位要求。     

基于超宽带技术的井下人员定位系统

针对目前常用的井下人员定位技术存在传输距离短、抗多径效应差、定位精度低等问题,采用基于到达时间差的超宽带定位技术,提出了一种井下人员定位系统。该系统通过多个定位传感器发送测距信号,井下人员携带的目标节点接收信号并进行处理后回传给定位传感器,主定位传感器通过WiFi网络接收定位传感器发送的测距信息,并通过有线以太网发送至定位服务器来实现井下人员实时定位,有效提高了井下人员定位精度。     

多干扰源下煤矿井下移动目标精确定位仿真

由于煤矿井下岩层结构复杂、环境恶劣,信号传输中会经过各种设备,并对信号产生多种干扰,导致移动目标不能精准定位,容易出现误报警或者断电等现象.针对上述问题,通过分析多干扰源和移动目标之间的联系,完成煤矿井下移动目标精确定位.对多干扰源进行分类分析,了解煤矿井下各设备产生干扰的原因,使用网格区域划分方法,设计多干扰源下矿井...     

煤矿井下超宽带定位混合解算方法

超宽带定位是根据基站测定的标记点距离,基于一组非线性定位方程组,通过泰勒(Taylor)级数展开算法、Chan算法或最小二乘法解算获得精确的设备位置。其中,Taylor级数展开算法的求解精度高,但是对初始值具有很强的依赖性,如果初始值选择不恰当,会导致算法不收敛。针对上述问题,提出了一种结合头脑风暴优化(BSO)和Taylor级数展开的混合解算(BSO-Taylor)方法。采用BSO算法求解移动站到基站的误差函数最小化的最优解,将最优个体的到达时间差(TDOA)值作为Taylor级数展开算法的初始值,进行Taylor展开解算得到定位信息,解决了Taylor级数展开算法需要较好初始值的问题。对Chan算法、Taylor级数展开算法和BSO-Taylor混合解算方法的结果进行了对比实验,结果表明,BSO-Taylor混合解算方法通过全局搜索策略,获得了接近于真实位置的迭代初始值,既可以获得接近真值的定位性能,又解决了Taylor级数展开算法对不良初始值的敏感性;相较于Chan算法,BSO-Taylor混合解算方法的解算结果更加稳定,且准确性更好;相较于初始位置为真实位置的Taylor级数展开算法,BSO-Taylor混合解算方法的解算误差稍大;定位距离的变化和TDOA测量值标准差的变化对Taylor级数展开算法和BSOTaylor混合解算方法的影响基本一致,而对Chan算法的影响较大。     

基于UWB的PDOA与TOF煤矿井下联合定位方法

煤矿井下人员和车辆精确定位是煤矿安全高效生产的重要保障。目前矿井人员和车辆精确定位主要采用超宽带（UWB）无线通信技术,其中仅采用飞行时间（TOF）的定位方法需2个定位分站或天线联合测距和定向,存在天线间距大、不便于安装维护、定位误差大等问题。针对上述问题,提出了应用于煤矿巷道一维定位场景的基于UWB的到达相位差（PDOA）与TOF煤矿井下联合定位方法。该方法通过TOF测量定位卡与定位分站之间的距离,通过PDOA判断定位卡的方位,再根据测得的定位卡与定位分站之间的距离和方位,对定位卡进行定位。该方法根据从定位卡发送的无线电信号到达定位分站的2根天线的相位差判断定位卡的到达角度（AOA）,不需要很大的天线间距即可确定定位卡的方位,缩短了定位分站的2根天线之间的距离,可将2根天线一体化,便于安装维护,提高了定位精度。煤矿井下测试结果表明,该方法定位精度在15 cm以内;在200 m测试距离范围内,定位精度不受距离远近影响;TOF测距数值稳定在相对其均值±10 cm的范围内,具有很好的稳定性。     

基于TDOA和AOA的煤矿井下三维定位算法

针对煤矿井下现有定位算法的定位精度难以满足实际需求的问题,结合煤矿井下特殊的环境条件,提出了一种基于TDOA和AOA的煤矿井下三维定位算法。该算法利用巷道中的传感器基站测量未知节点发出的辐射到达不同基站的时间差和它们之间的相对角度,通过包含未知节点的坐标信息并结合基站本身的坐标信息进行定位。仿真结果表明,通过与定位模型的结合,基于TDOA和AOA的算法可有效消除测量值中的噪声干扰与随机误差,定位精度高。     

基于UWB与激光测距的综采工作面定位系统

传统的无线定位技术精度低,UWB定位技术可实现厘米级高精度定位,满足综采工作面定位系统的精确度要求,但现有研究忽略了安装在液压支架上的基站位置变化对定位效果的影响。针对上述问题,将激光测距技术应用到矿山环境中,设计了一种基于UWB与激光测距的综采工作面定位系统。定位基站安装在液压支架上,液压支架位置变动,基站位置随之变动,采用矿用本安型激光测距传感器测量定位基站之间的距离。定位基站外接天线,发射固定功率的UWB无线信号,与佩戴在人员身上或安装在设备上的定位标志卡通信,通过飞行时间测距方法确定移动目标的位置信息。定位基站通过矿井环网将位置信息数据上传至地面数据中心。在高河煤矿E2308工作面进行了系统测试,结果表明:该系统定位精度达0.193m,定位精度较高,系统基站位置校准精度在0.011m左右,有效解决了基站位置校准问题。     

超宽带室内定位无线时钟同步设计与实现

为解决基于到达时间差(TDOA)的超宽带(UWB)室内定位系统中不同定位基站的本地时钟不同步问题,设计并实现了一种单区域定位的无线时钟同步方式,并在此基础上进行了多区域定位无线时钟同步的扩展.首先利用UWB定位基站和待定位节点之间的无线通信,获取各基站的时间戳数据,之后服务器端的时钟同步模块利用该时间戳数据和基站位置数...     

基于粒子群并行优化的煤矿井下机器人路径规划

路径规划是煤矿井下搜救探测机器人自主导航的关键步骤,矿井是三维的非机构化的环境,机器人行走过程应该具有高度智能的路径规划,传统的自适应能力与处理非线性的问题能力较差,路径规划误差较大,提出基于粒子群并行优化的煤矿井下机器人路径规划方法,充分考虑井下的环境高低变化,采用栅格法对环境建模,将粒子群独立分布在不同容器中分别进行路径建模,不同容器中粒子分别进行优化操作;因为速度和最优子群被分别保留,在机器人路径规划实验阶段,路径规划的时间较传统方法降低20%,避障成功率高达95%,最优路径的出现概率能保持在99%,这种方法具有很强的指导性与实用价值。     

路径损耗对无人车遥控通信的分析与仿真

针对无线通信中路径损耗对无人车遥控通信的影响,从电台、天线在多种工况环境下的合理选择,遥控端与车载端之间稳定通讯策略以及车体信息(包括周围环境信息)采集情况等3个方面进行了探讨和分析;分析了电台天线在无人车遥控通讯系统稳定性中的作用,并以路径损耗程度作为遥控通信质量的判定标准,通过调整通信距离d、载波频率f等参数,在Matlab软件平台上仿真;结果表明当通信距离超过300m时,路径损耗已达100dB,此时可以通过提高天线增益达到降低路径损耗的目的。     

基于RSSI路径损耗因子动态修正的三边质心定位算法

针对无线传感器网络节点定位受环境干扰精度较差的问题,提出了一种将路径损耗因子n根据实测环境进行动态修正的三边质心定位算法。前期由实际环境测出不同距离时RSSI与路径损耗因子n的对应关系,修正时由测得RSSI值及对应关系根据环境中干扰因素的局部相似性进行局部加权修正出动态路径损耗因子nR,使其更能体现出与实测环境本身及干扰因素的密切相关性,然后利用三边质心法定位。仿真表明,算法降低了环境干扰引起的误差,显著提高了定位精度。     

超宽带技术的信道模型和定位技术研究与分析

短距离无线系统是今后较长时间内通信界研究的热点,其中个人局域网（PAN）概念的提出,更推动了个人信息网络的发展。实现PAN的主要技术有：IEEES02．11b、HomeRF、蓝牙（Bluetooth）以及超宽带（UWB）等。其中高带宽、高速率、低功耗和抗干扰等特点使得UWB技术优势极为突出。本文系统地阐述了UWB的物理信道模型、定位技术和计算方法,并进行了必要的总结和概括。     

煤矿巷道多源数据融合定位算法研究

煤矿巷道非视距条件下单独使用飞行时间定位算法或接收信号强度算法存在方向判断不准确、定位误差较大等问题;飞行时间定位算法与接收信号强度算法联合定位,虽然在方向判断的准确率上较单独的飞行时间定位算法有所提高,但对于标签在非视距运动场景下的判断仍不够准确,定位轨迹不够平滑。针对上述问题,提出了一种基于飞行时间定位算法、接收信号强度及多项式插值方法的煤矿巷道多源数据融合定位算法。该算法首先测量标签与定位基站间的飞行时间,并计算接收信号强度,然后根据标签历史轨迹采用多项式插值方法拟合、预测当前时刻标签位置,根据预测位置、飞行时间和接收信号强度组合判定标签相对基站所在方向,最后通过加权数据融合优化定位结果,从而提高定位稳定性及准确度。实验结果表明,相比于单一飞行时间定位算法或接收信号强度算法,该算法有效提高了定位系统的精度和稳定性,可以更准确地判断标签相对基站的方向,方向判断准确率高达99%。     

煤矿井下人员安全疏散建模与仿真

针对煤矿井下出现安全事故时人员的安全疏散问题,建立了煤矿井下人员安全疏散模型。该模型中井下巷道被划分为网格,通过设置成员流势来反映网格距离疏散出口的位置,从而确定疏散人员移动方向和路径,同时结合疏散成员移动速度、成员响应时间、灾害检测时间获得疏散时间。仿真结果表明,该模型能直观呈现人员疏散动态过程,为制定安全疏散方案提供数据参考。     

基于5G和UWB融合基站的井下系统应用分析

针对井下作业的安全保障问题,提出来一种基于5G+UWB融合基站的井下定位优化方法。通过结合基于Taylor加权最小二分法与卡尔曼滤波算法,优化基于TOA的井下定位方式,并通过5G+UWB融合基站的无线网络通信定位,实现井下定位系统的优化设计。仿真实验证明,引入卡尔曼滤波的定位算法得到的定位坐标,相较于没有没有引入卡尔曼滤波算法得到的定位坐标,与真实位置的距离更近,仿真定位误差和均方根误差相较于没有引入卡尔曼滤波的定位算法分别下降了23.55和6.44,下降幅度明显。最终,基于5G+UWB融合基站的井下定位优化系统,在真实的井下挖掘环境中,测试的总体定位误差为0.794,定位精度在1 m之内,符合井下工作对人员定位技术的工程要求。     

煤矿井下人员定位系统安装、使用、维护与管理浅析

以某矿业集团公司的人员定位系统建设为例,给出了该系统拓扑结构,详细介绍了井口检卡系统的安装、调试注意事项,井下分站、读卡器的安装位置要求,确保系统可靠运行及监测人员信息准确性的关键点。该文对如何将煤矿井下人员定位系统建设好、使用好、维护好和管理好有着一定的借鉴作用。     

超宽带信号的非视距识别与测距误差抑制

针对超宽带信号在非视距环境下测距误差大等问题,基于首径和最强径的位置差、接收信号与首径的功率差及距离残差,提出一种计算简单、识别准确度高的非视距识别方法,并基于偏置卡尔曼滤波和极大似然估计算法,提出一种超宽带信号接收强度与信号达到时间相融合的非视距误差抑制方法,最后开展动、静态场景实验以验证算法的可靠性.实验结果表明,所提出的方法对于非视距场景的平均识别准确度达到95.42%,定位的平均距离误差在0.14m以内.     

基于UWB的三维定位分析与算法研究

为提高室内定位精度,打破室内定位空间限制,研究基于超宽带(UWB)的定位基站布设方法以及三维定位方法,设计多组不同障碍物遮挡对测距的影响试验,经多次试验分析测距误差,验证了UWB信号穿透力强、抗干扰能力好等优点,并且分析了基站布设方法,使得定位系统的稳定性和精度大大提高。同时,对直接矩阵求解算法进行优化,采用最小二乘拟合方法对定位距离数据进行处理,获得更加精确的定位坐标数据。实验结果表明：使用最小二乘法拟合矩阵求解算法后定位数据的精确度提升约26%。