基于RSSI測距的煤礦井下人員定位算法的改進(jìn)

張亮　唐超禮

【摘 要】目前，基于RSSI測距的煤礦井下人員定位算法是國內(nèi)外井下人員定位常用的一種算法?？墒荝SSI測距由于受到井下障礙物的隔離以及節(jié)點(diǎn)間的相互干擾等因素，常常導(dǎo)致測距產(chǎn)生誤差較大，此時如果再用傳統(tǒng)的簡單點(diǎn)，構(gòu)成四個定位三角小區(qū)，根據(jù)定位三角小區(qū)各個三角頂點(diǎn)歸屬的定位三角小區(qū)個數(shù)的不同，進(jìn)行加權(quán)的求三角形質(zhì)心的方法定位井下人員的位置時，可能偏差會比較大。針對這一問題，本文提出選取四個定位節(jié)定位算法，近而提高定位精度。

【關(guān)鍵詞】RSSI測距；井下人員定位；三邊定位；三角定位

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對煤炭能源的需求越來越大，煤炭行業(yè)快速發(fā)展。目前，不論是國內(nèi)，還是在國外，煤礦的作業(yè)環(huán)境基本都是在地下作業(yè)。相比較地上作業(yè)，礦井的地下作業(yè)環(huán)境惡劣，瓦斯、一氧化碳等有害氣體的存在、煤礦井下巖石塌陷滑落等諸多不利因素給井下作業(yè)帶來了諸多潛在危險。一旦發(fā)生事故，井下人員定位的精確性對井下人員救援工作的效率具有至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外井下人員定位系統(tǒng)中，普遍選用基于測距技術(shù)的人員定位算法。通過對接收到的信號中特定參數(shù)進(jìn)行處理，來測定節(jié)點(diǎn)間的距離?，F(xiàn)階段常用的RSSI（Received Signal Strength Indication）測距就是目前比較成熟的一種基于測距技術(shù)的人員定位算法。測量出未知節(jié)點(diǎn)（井下工作人員）到三個已知節(jié)點(diǎn)（固定的）的距離，然后利用三邊定位算法定位工作人員的位置。然而實(shí)際情況下，由于節(jié)點(diǎn)間的干擾，井下環(huán)境影響等，使得節(jié)點(diǎn)間的實(shí)測距離有一定偏差，最終導(dǎo)致三邊測量無法實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而采用三角定位算法。

1 傳統(tǒng)RSSI人員定位介紹

1.1 RSSI測距

傳統(tǒng)的RSSI人員定位算法的基礎(chǔ)是RSSI測距（Received Signal Strength Indication）技術(shù)。也就是通過接收到的信號強(qiáng)度計算出節(jié)點(diǎn)間的距離。其中，接受到的信號強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)間的距離滿足關(guān)系式：

[RSSI]=A-10nlgd

關(guān)系式中，A為信號傳輸1m時，接收端接收到的信號功率，單位為dBm。上式中，n為路徑損耗指數(shù)，表示信號傳輸過程中，隨路徑增加而衰減的速度。A與n都是與環(huán)境相關(guān)的參數(shù)，在不同的環(huán)境下，A與n的值是是不同的。相對于一個特定的環(huán)境下，可以認(rèn)為A與n是相對固定的值。d為信號發(fā)送節(jié)點(diǎn)與信號接收節(jié)點(diǎn)間的距離。當(dāng)在某個特定環(huán)境下將A、n確定后，接收到的信號強(qiáng)度和收、發(fā)節(jié)點(diǎn)間距離d便是一一對應(yīng)關(guān)系，通過接收到的信號強(qiáng)度值便可以由上式計算出收、發(fā)節(jié)點(diǎn)間的距離d。

1.2 三邊定位算法

以RSSI測距技術(shù)為基礎(chǔ)，在理想環(huán)境下，確定三個已知節(jié)點(diǎn)。通過RSSI技術(shù)測距后，這三個已知節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)距離已測得，用這三個已知節(jié)點(diǎn)為圓心并分別用對應(yīng)到未知節(jié)點(diǎn)距離為半徑做圓。所得的三個圓理論上是可以交于一點(diǎn)的，如圖1。相交這個點(diǎn)的位置就是未知節(jié)點(diǎn)的位置，圖中位置D。

1.3 三角定位算法

以上所述的三邊定位算法是基于RSSI測距技術(shù)在理想環(huán)境下的定位算法。針對以上的三邊定位算法，實(shí)際情況中，由于節(jié)點(diǎn)間的干擾，復(fù)雜環(huán)境的影響等因素，所測得的距離與實(shí)際距離總會有偏差，最終導(dǎo)致所得的三個圓無法交于一點(diǎn)，一般情況下都是三個交點(diǎn)，如圖2。針對這樣情況，所采用的算法即為三角定位算法，具體處理方法是將這三個點(diǎn)依次相連，構(gòu)成一個三角形定位小區(qū)，待定位節(jié)點(diǎn)的位置在這個定位小區(qū)內(nèi)部，求取這個三角形的質(zhì)心的位置即為本文算法計算得的未知節(jié)點(diǎn)位置。

由上述的三角定位算法可知，如果三個已知節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間測距由于井下環(huán)境或者節(jié)點(diǎn)間的干擾導(dǎo)致距離測量值較真實(shí)值的偏差較大，則導(dǎo)致所構(gòu)成的三角形定位區(qū)域過大、定位精度不高。

2 本文提出的改進(jìn)的算法

由于井下節(jié)點(diǎn)間的相互干擾以及井下環(huán)境的影響，距離較遠(yuǎn)的已知節(jié)點(diǎn)如果用于定位未知節(jié)點(diǎn)時，較遠(yuǎn)距離的已知節(jié)點(diǎn)在測量該已知節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的距離時受到的節(jié)點(diǎn)間的干擾和環(huán)境的影響更大，使得測距誤差更大。為了提高測距精度，本文提出的算法首先選擇四個與未知節(jié)點(diǎn)間信號最強(qiáng)的已知節(jié)點(diǎn)作為定位的已知節(jié)點(diǎn)，那么這四個節(jié)點(diǎn)理論上也就是距離未知節(jié)點(diǎn)最近的已知節(jié)點(diǎn)。在這四個已知節(jié)點(diǎn)中，任意選取三個已知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個三角定位小區(qū)，這樣，一共可以構(gòu)成四個三角形定位小區(qū)。構(gòu)成的四個定位三角小區(qū)相互交錯，部分區(qū)域重合。各個三角形的頂點(diǎn)中，有的頂點(diǎn)僅在一個三角形定位小區(qū)內(nèi)，有的在兩個三角形定位小區(qū)內(nèi)。頂點(diǎn)屬于小區(qū)的個數(shù)多少表征了其接近未知節(jié)點(diǎn)真實(shí)位置的概率大小。此時，對未知節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行算法定位，未知節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)計算如下：

nAi為三角形頂點(diǎn)Ai所在定位小區(qū)的個數(shù)，nBj為三角形的頂點(diǎn)Bj所在定位小區(qū)的個數(shù)。nCk為三角形的頂點(diǎn)Ck所在小區(qū)的個數(shù)。

3 仿真與結(jié)果

為了驗(yàn)證本算法的可行性與精確性，在Matlab中設(shè)定類似井下環(huán)境的人員定位仿真實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)中設(shè)定已知位置的四個已知節(jié)點(diǎn)和一個未知節(jié)點(diǎn)。四個已知節(jié)點(diǎn)任意三個一組進(jìn)行定位，形成一個定位小區(qū)，四個已知節(jié)點(diǎn)一共可以形成四個定位小區(qū)，四個定位小區(qū)相互交錯重疊。實(shí)驗(yàn)仿真如圖3所示。

在Matlab仿真的結(jié)果圖中，四個定位三角小區(qū)相互重疊，按照上述本文的兩個算法公式計算未知節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。得出：圖中D點(diǎn)為本次仿真人員定位的位置。以D位圓心，半徑以1米為遞增單位做圓，一共做8個圓，每個圓上任意去一個測量點(diǎn)。分別用傳統(tǒng)算法和本文的算法定位，并計算相應(yīng)節(jié)點(diǎn)定位出的坐標(biāo)到實(shí)際坐標(biāo)間的距離誤差。然后將每個節(jié)點(diǎn)兩種算法下的誤差進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

圖3

表1

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為在八組數(shù)據(jù)中，傳統(tǒng)算法的誤差相比較本文提出的改進(jìn)后的算法的誤差普遍偏大，而且傳統(tǒng)算法相比較本文的算法測量誤差相對波動性也更大一些?？梢姡疚奶岢龅母倪M(jìn)后的算法定位未知節(jié)點(diǎn)的精度更高，定位的誤差的穩(wěn)定性也更好點(diǎn)。

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[責(zé)任編輯：王楠]