基于RSSI算法的井下定位方法的改进

第５０卷第９期　煤炭工程　Ｃ０ＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．５０．Ｎｏ．９　

ｄｏｉ：１０．１　ｌ７９９／ｃｅ２０１８０９００５　基于ＲＳＳＩ算法的井下定位方法的改进　

张传伟．蔡志泉　（西安科技大学机械工程学院，陕西西安７１００５４）　

摘要：在介绍了几种常用无线通讯技术的基础上，提出了一种基于ＲＳＳＩ算法的煤矿井下　无线定位方法。针对煤矿井下巷道的实际情况，指出现有算法在对于井下巷道倾斜情况下的严　重误差．并提出通过对巷道中的参考节点设置参数　来表示井下巷道的实际倾斜程度，从而实现　ＲＳＳＩ算法斜坡测距定位。通过实验证明，该方法比常规测距定位方法更加准确，能提高井下人　员及车辆的定位精度，对煤矿井下生产调度及安全生产具有重要意义。　关键词：ＲＳＳＩ：无线定位；井下调度　中图分类号：ＴＤ６７９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０９５９（２０１８）０９—００１５—０３　

Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｌｏｃａｔｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＲＳＳＩ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ＺＨＡＮＧ　Ｃｈｕａｎ—ｗｅｉ，ＣＡＩ　Ｚｈｉ—ｑｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎ￣ｎｅｅｆｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００５４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｖｅｒａｌ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＲＳＳ１　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｒｏａｄｗａｙ，ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｈａｓ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｅｒｒｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｒｏａｄｗａｙ，ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｓｅｔ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　０　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｎｏｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏａｄｗａｙ　ｔｏ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｒｏａｄｗａｙ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ＲＳＳＩ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｓｌｏｐｅ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｎｇ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓａｆｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＳＳＩ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｌｏｃａｔｉｎｇ；ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　

煤炭作为我国的主要能源，在经济发展中起到了重要　的支柱作用。然而，由于我国“富煤、贫油、少气”的能　源经济结构．这决定了煤炭在我国未来的能源消耗中仍然　占据了主导地位，且这种情况还会持续很长一段时间　１］。　在煤炭开采过程中，由于煤矿井下巷道狭窄，交错纵　横且光线暗淡。这给井下人员及矿车定位带来了诸多困　难［２］。及时准确的对井下目标定位有利于井上人员对井下　进行监控、及时指挥调度井下的人员和车辆，能提高生产　效率、减少安全事故的发生。特别是当矿难发生时，能及　时根据定位系统指挥井下人员安全撤离，并对井下被困人　员进行科学有效的施救，挽救员工生命。因此，掌握井下　人员、车辆的位置，提高定位精度就显得尤为重要＿３］。　

无线通讯的方法对井下物体进行定位和检测，但是由于测　量范围相对不远．所以可以选择距离近的无线通信技术。　目前广泛使用的无线传感技术有：蓝牙技术、ｗｉ—ｎ、超宽　带技术（ＵＢＷ）和ＺｉｇＢｅｅ技术　。各种无线通讯技术特点见　表１　Ｅ　。　表１无线通讯技术特点　

１井下无线定位技术　比。　

龛　茹　嵩　篓　

煤矿井下的无轨胶轮车是动态的物体，因此需要采取　好，而ＺｉｇＢｅｅ在此频段稳定工作　。通过对ＺｉｇＢｅｅ无线技　收稿日期：２０１７—１２—１１　作者简介：张传伟（１９７４一），男，安徽淮南人，博士，教授，现任西安科技大学机械工程学院院长，研究方向为现代　

电动汽车控制技术和机电系统智能控制，Ｅ－ｍａｉｌ：９６３９２３９４０＠ｑｑ．ｃｏｒｎ。　引用格式：张传伟，蔡志泉．基于ＲＳＳＩ算法的井下定位方法的改进［Ｊ］．煤炭工程，２０１８，５０（９）：１５—１７．　

１５　煤炭工程　２０１８年第９期　术特点的了解．发现其具有能耗低、效率高、抗干扰能力　强和组网能力强等优点，十分适合应用于工业场合＿７］。煤　矿井下进行无线传输时，需要大范围安置节点。根据表１　对比可得，ＺｉｇＢｅｅ本身性能稳定，价格低廉，所以本文选　定ＺｉｇＢｅｅ无线技术作为煤矿井下无线通讯技术　８］。　２无线定位过程　２．１定位系统组成　煤矿井下定位系统主要由：未知节点、参考节点和协　调器组成　。未知节点由待定位车辆或人员携带，随时向　周围发射携带车辆信息的信号。参考节点是布置在煤矿巷　道中．用来识别车辆或人员的识别卡，该节点的位置坐标　已知＿ｌ０］。当车辆或人员经过参考节点时，参考节点接收到　未知节点发射的信号，并把它传递给协调器。定位系统组　成如图１所示。　艿协调器　参考节点ｌ艿　图１定位系统组成图　２．２　ＲＳＳＩ算法　定位的算法大致可以分为两类：一是基于测距类型；　二是与测距无关的定位算法ｌｌ　。其中基于测距类型的算法　有：接收信号强度值（ＲＳＳＩ）算法、到达时间（ＴＯＡ）、到达　时间差（ＴＤＯＡ）和到达角（ＡＯＡ）四种定位算法［１　；与测距　无关的算法有：质心定位算法、ＡＰＩＴ算法、ＤＶ—Ｈｏｐ定位　算法、和凸规划定位算法。本文只针对ＲＳＳＩ算法进行　研究。　在ＲＳＳＩ算法定位过程中，未知节点发射出信号，参考　节点接收到信号，并测出信号的强度ｌ１　。由于电波在空间　传播的衰减程度和传播距离有关．通过电波的衰减可以计　算出参考节点到未知节点的距离。又由于参考节点的坐标　是已知的，可以利用坐标换算方法：三角质心算法计算出　未知节点的位置。其流程如图２所示。最后协调器把车辆　信息及计算出的位置坐标传输到上机位，实现定位。　Ｉ采　跚值　ｌ麓　Ｈ　婆　煮　置ｌ　图２　ＲＳＭ定位算法流程图　收到的信号强度ＲＳＳＩ值与发射装置距离接收装置距离　ｄ的关系如下所示¨１　：　ＲＳＳＩ＝一（１０ｎｌｇｄ＋Ａ）　（１）　式中，１７，为信号传播常数，也叫传播系数；ｄ为发射端　与接收端之间的距离，Ｉｎ；Ａ为距离发射者１ｍ时的信号　１６　强度。　通过以上的式（１）可以求得参考节点到未知节点的传播　距离ｄ．而参考节点的位置是已知的，故可以采用三边测量　法求取未知节点的最终坐标。　２．３存在的缺陷及改进　在实际的煤矿井下巷道中往往不是平坦的，很多地方　的巷道是倾斜的或是蜿蜒前行的，但是在算法当中一直把　道路当作一个平面处理（只计算点的坐标Ｘ—Ｙ），这就给原　本通过ＲＳＳＩ算法所计算得出的坐标位置带来了很大的　误差。　针对这种道路情况，提出了一种改进的方法：针对巷　道道路的实际倾斜情况，事先用全站仪测量每一个参考节　点所处坡段位置的坡段倾斜度０，再将其倾斜度做为参量０　写入处于坡段内的参考节点程序中，最后利用参数０将传　播距离转化为坐标距离。先通过距离传播式（２），计算出传　播的空间距离，再利用斜坡关系式（３）计算坐标距离，如图　３所示　

井下车辆　坐标距离ｄ　

图３定位传播途径　

嚣　参考节点　

采用改进方法后，未知节点到参考节点的初始距离的　计算公式是：　ＲＳＳＩ＝一（１０ｎｌｇｄｌ＋Ａ）　（２）　再对初始距离修正：　ｄ＝ｄ１ｃｏｓ０　（３）　通过上述的改进ＲＳＳＩ算法，可以计算出未知节点到三　

个参考节点的距离．再通过三边测量法可以确定未知节点　的具体坐标位置。　

３实验验证　本文采用的ＺｉｇＢｅｅ无线芯片ＣＣ２５３０，其本身拥有无线　信号的ＲＳＳＩ集成，便于定位。其定位模块如图４所示。　

图４定位模块实物图　在理想实验情况下可以用三边测量法定位．并根据　ＲＳＳＩ的信号衰减距离模型，测得移动节点的位置坐标。但　２０１８年第９期　煤炭工程　因为电磁场场强不规律性以及环境因素的干扰．测得的从　固定点到不确定点的ＲＳＳＩ值转换成距离值后大于这两点的　实测距离。因此在实际中采用三角质心算法更符合实际　使用。　由式（１）可知，测量精度的大小取决于ｎ与Ａ具体环境　的取值。Ａ和ｎ的值不一样，对测量的结果影响很大。在　本次实验环境下，取　＝２．６，Ａ＝４８［１５］。因此ＲＳＳＩ算法测　距公式为：　ＲＳＳＩ：一（２６ｎｌｇｄ１＋４８）　（４）　为了验证此方法性能，用常规测距定位法和斜坡测距　定位法分别进行定位实验。在实验室楼道中模拟井下巷道　试验，３个固定点均匀分布，不确定点在区域内自由移动，　如图５所示。模拟的情景是参考节点１和参考节点２在水　平巷道。参考节点３在倾斜巷道上。各参考节点的水平间　距为６ｍ，参考节点１和参考节点２位于支架上，水平高度　为０．６ｍ，参考节点３置于门窗之上，高度为２．３ｍ，故本实　验中三个参考节点的参数０设置分别为０、０、１５．８０。　图５实验装置图　通过移动未知节点的位置可以得到不同的位置数据。　随机抽取６组数据，根据未知节点的实际未知坐标和测量　坐标．利用公式进行误差分析。其结果见表２。　表２两种算法误差比较　由表２可知，斜坡测距定位方法误差小，即斜坡测距定位　方法比常规测距定位方法定位精度更高。验证了斜坡测距　定位方法可以减小了定位误差，起到了提高定位精度的目　的，证明了定位方法的精确性。　

４结语　根据煤矿井下巷道的实际情况。本文提出了一种基于　ＲＳＳＩ测距定位算法的改进方法。通过对巷道中的参考节点　设置参数０来表示煤矿井下巷道的实际倾斜程度，从而实　现ＲＳＳＩ算法斜坡测距定位。该定位方法相对于常规测距定　位方法的定位误差更小，能够更加准确的实现对矿井下的　人和车的定位，便于井上调度人员对井下人、车进行调度，　有利于调高生产效率，减少事故的发生，在矿难抢险中也　具有极大的指导作用和意义。