水下环境安全监测无线磁感应通信技术研究

针对复杂水下环境中安全监测的应用需求,采用无线磁感应通信技术作为信息传输技术;介绍了水下无线磁感应通信原理,阐述了基于FSK调制方式的水下无线磁感应通信平台设计方案,并在模拟水下环境中进行了通信试验。试验结果表明:水下无线磁感应通信平台能够实现在水下环境中的无线信息传输;采用单向天线的水下无线磁感应通信平台在接收天线位置、角度变化情况下会出现通信中断现象,而采用全向天线的水下无线磁感应通信平台在接收天线位置、角度变化过程中能正常通信,提高了通信可靠性。     

基于802.11ah井下监测传感网的RAW重分组研究

现有的ZigBee、超宽带、WiFi等井下无线传感网通信技术或传输距离短,或传输速率较低,或覆盖范围与接入设备数量受限,而IEEE 802.11ah协议满足井下无线传感网对传输范围、功耗、网络容量、传输速率等的要求,可用于井下监测传感网传输周期性监测数据。针对802.11ah协议中MAC层标准限制接入窗口(RAW)机制在进行传感节点分组时不灵活、易导致组间负载不平衡的问题,提出了一种基于时延优化的RAW重分组方法:根据数据包预计传输时间对所有传感节点重新分组,通过3次分组来减少RAW组内节点碰撞、降低传输时延。为实现RAW重分组,提出了关联标识符(AID)分组重分配方法:采用部分传感节点断开关联的方式,按重分组后的RAW组分批次为节点重新分配AID,并将AID与节点MAC映射,从而减小RAW重分组时间开销,避免AID重分配过程中因数据无法传输而导致网络性能下降。仿真结果表明,随着井下监测传感网中传感节点增多,RAW重分组方法较标准RAW机制的网络时延更小、吞吐量更大、丢包率更低,且重分组过程对网络性能影响较小。     

基于工业以太网的H.264煤矿视频监控系统

在分析视频监控系统网络化趋势和实时性要求的基础上，采用DSP TMS320C6416和ARM微控制器，设计并实现了支持煤矿井下工业以太网传输的嵌入式H.264视频编码器。给出了系统结构原理及硬件设计，实现了DSP编码算法和面向RTP/UDP/IP的NAL接口。测试表明，系统能够进行高质量的视频网络化传输。     

面向应急救援的多输入单输出磁感应透地通信

为提高磁感应透地通信系统的传输性能,扩大磁感应透地通信系统的传输距离,研究了多输入单输出(MISO)磁感应透地通信系统:建立了MISO模型,并根据基尔霍夫定律建立KCL方程,获得了MISO模型的收发功率,分析了MISO磁感应透地通信系统的路径损耗;研究了MISO模型磁感应强度分布特性,得出了MISO磁感应透地通信系统的信号传输特点。研究结果表明:当发射线圈具有相同电流时,MISO模型较单输入单输出(SISO)模型的路径损耗明显降低,发射线圈越多,则路径损耗越小;当发射功率相同时,接收功率近似与发射线圈个数呈正比,接收端磁感应强度随发射线圈个数的增加而增大;MISO模型能够有效提高磁感应透地通信系统的传输距离,当各发射线圈通有相同电流时,MISO_((1,2))模型的传输距离约为SISO模型的1.11倍,MISO_((2,2))模型的传输距离约为SISO模型的1.26倍。     

矿井无人驾驶环境感知技术研究现状及展望

矿井辅助运输系统是煤矿企业运输人员和重要物料、装备的必备系统,实现矿井无人驾驶是提高运输效率、保障运输安全的必然要求,也是落实国家煤矿智能化建设部署的必由之路。矿井无人驾驶依赖于准确实时的环境感知,即利用激光雷达、毫米波雷达等车载感知器件和车联网支持下的协同感知,实现车辆局部甚至矿井全局的精确详尽感知。对矿井无人驾驶环境感知技术的研究现状进行了系统梳理,指出巷道特殊环境使得矿井车载感知设备的性能都将出现不同程度的下降,并对各种车载感知设备的优劣进行了总结归纳;详细阐述了矿井无人驾驶环境感知的关键技术,包括基于可见光图像或激光点云的单传感器障碍物识别方法,多传感器融合感知的分类及可见光图像+激光点云、可见光图像+毫米波点云、可见光图像+激光点云+毫米波点云、4D毫米波雷达+其他感知器件等多传感器融合方式,智能网联协同感知的实现方式、数据处理方法及其对无人驾驶的促进作用,井下巷道交通标志检测与识别方法,井下无轨胶轮车和有轨机车的巷道可行驶区域分割方法等;对矿井无人驾驶环境感知技术的发展方向进行了展望,建议提高矿井多传感器融合性能、研究矿井自适应感知算法并突破矿井智能网联协同感知技术。     

基波-谐波双通路并行感应耦合电能传输系统

为解决现有感应耦合电能传输(ICPT)系统主要利用逆变器输出方波中的基波分量进行电能传输所带来的输出调压范围不够宽、调压精度及系统效率不够高等问题,基于谐波的高频特性与能量特性,提出一种基波—谐波双通路并行ICPT系统,通过在逆变器输出之后建立基波能量通路与谐波能量通路,对逆变方波中的基波及谐波分量进行提取、利用,以拓宽系统的调压范围,同时提高了系统效率。首先,阐述了基波—谐波双通路并行ICPT系统的工作机理;接着,分析了系统关键参数对系统效率与选频特性的影响;然后,结合该系统基本思想,提出一种宽范围调压方法;最后,通过实验验证了基波—谐波双通路并行ICPT系统原理的正确性与调压方法的可行性。     

嵌入式井下网络智能分站的研究与实现

运用以开放性和高速率为特征的嵌入式网络技术,研究并设计了一种新型井下网络智能分站.开放的TCP/IP协议的引入消除了不同监控分站间的协议壁垒.此外,率先将32位网络处理器和嵌入式实时操作系统VxWorks应用到井下网络分站,这不仅提升了系统容量和信息处理速度,也增加了系统的先进性和稳定性.     

WSN中基于虚拟静电场的多sink路由算法

根据无线传感器网络(WSN)中数据转发与静电场中电荷移动的相似性,将sink节点和传感器节点的监测数据分别抽象成正、负电荷,无线传感器网络被抽象成由sink激发的虚拟静电场.以最大化网络生存时间为目标,以虚拟静电场中的静电引力作为路由选择标准,提出了多sink无线传感器网络路由算法.算法综合考虑传感器节点能耗的有效性和均衡性,以及sink的负载平衡,根据sink的邻居节点和传感器节点的剩余能量,为sink和传感器节点的数据分配相当电量的正、负电荷,依据电荷间的静电引力进行路由选择.理论分析与仿真实验结果表明:该路由算法具有较低的时间复杂性,能够有效的均衡节点的能量消耗,延长网络生存时间.     

基于资源回收的实时任务同步算法

在服务器算法中,传统的任务同步机制很少考虑空闲预算回收的问题,造成处理器资源的极大浪费,或在资源回收算法中,若任务相互独立,则很难满足实际情况的需要.针对此问题,通过分析带宽遗传算法,提出基于资源回收的实时任务同步算法.在资源同收算法的基础上引入任务同步机制,利用带宽遗传算法同步任务,同时将服务器中的空闲预算优先分配给有资源限制的任务.仿真证明,算法可以减少系统延迟,提高任务调度成功率,避免优先级翻转和死锁的发生.     

全源矿井定位:一种智能煤矿位置服务新范式

矿山动目标定位系统为煤矿智能化建设提供基于位置的服务。而传统的矿井定位系统中定位信标与定位标签之间大多采用单一或组合通信技术,结构不灵活,覆盖范围受限,鲁棒性不高,定位精度有限;使用单一或组合测距技术,无法根据使用场景的不同自适应选择最优测距技术;位置求解算法固定,无法根据使用场景的不同和信号变化自适应选择最优求解算法。提出了全源矿井定位新范式,可根据定位环境和目标承载平台的变化,从所有可用定位信号测量设备中动态选择满足当前需求的最优设备组合,自适应地从可用的测距算法、位置解算算法、结果优化算法中选择最优的算法组合,计算出目标节点的最优位置。给出了全源矿井定位系统架构,探讨了矿井中可用的定位信号测量设备和可用于定位的测量属性值类型,对比了单一矿井定位与全源矿井定位在定位服务器方面的功能差异。研究了全源矿井定位中的3项关键技术:统一定位框架技术,旨在解决全源定位的模块化、组合式、可扩充需求;全源定位信息融合技术,对测量属性值进行有机组织,达到提高定位精度的目的;通信定位一体化技术,通过无线通信网络本身所具有的定位能力,简化全源矿井定位系统的设计并提高定位精度。提出了基于“端-边-云”的全源矿井定位系统实施架构,以便与煤矿智能化的主流建设模式相适应,大幅降低实施难度和系统成本。