[发明专利]基于压缩感知RSS指纹库及超声波的井下定位方法

说明书

本发明公开了矿井通信和安全生产领域中一种基于压缩感知RSS指纹库及超声波的井下定位方法，该方法简化定位算法复杂度，减少井下节点数量，降低功耗。本发明采用压缩感知算法，减少参考节点数量和数据传输量，缓解矿井通信网络的带宽压力。基于矿井巷道的空间特点，本发明采用更加简单的指纹库采集方案，结合超声波测距技术，保证定位精度的同时，减轻了指纹库采集阶段的工作量，更加便于井下目标定位的实施。

技术领域

本发明属于矿井通信和安全生产领域，涉及一种基于压缩感知RSS指纹库及超声波的井下定位方法。

背景技术

井下目标定位是煤矿井下研究课题的一项重要内容，对于井下人员安全、设备安置具有重要意义。井下目标定位方法多样，一些方法是基于测距的，其中常用的两种测距方式：一种是基于检测接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)的测距方式；另一种是基于传输到达时间(Time ofArrival,TOA)和到达时间差(Time Difference ofArrival,TDOA)的测距方式。另外，存在一些方法是基于非测距的，如特征指纹库等。

进行井下目标定位，需要在巷道内布设大量参考节点，用来检测目标并将目标状态信息传输至定位计算机，定位计算机根据收到的目标状态信息确定目标位置。然而矿井通信网络带宽有限且传输过程中存在时延，这些因素对定位的实时性产生消极影响。

为此，精简数据传输量，简化定位计算机的算法复杂度，对于井下目标定位格外重要。

发明内容

基于井下巷道空间特点，本发明提出一种定位精度高，算法简单，参考节点数量少的井下定位方法。该方法通过目标节点RSS特征信号与超声波测距技术，结合少量的参考节点和简单的算法实现井下目标的精确定位。

本发明采用的技术方案是：一种基于压缩感知RSS指纹库及超声波的井下定位方法，定位过程包含指纹库采集阶段和实时定位阶段。

指纹库采集阶段：

将定位区域离散网格化，改变目标节点的位置，参考节点接收不同采样点处目标节点发射的信号强度，建立采样点编号和相对应的RSS特征信号的指纹库，利用指纹库中的RSS特征信号，构建测量矩阵。

实时定位阶段：

所述的实时定位阶段包括压缩感知定位和超声波测距，是将两者联合在一起实现的。

压缩感知定位过程：

定位计算机根据参考节点接收的目标节点RSS特征信号，通过压缩感知算法重构出包含目标节点位置信息的位置矩阵，结合指纹库数据，加权计算得到目标节点的纵向坐标。

超声波测距过程：

目标节点向巷道壁发射超声波信号，超声波信号在遇到巷道壁后反射，目标节点接收反射的超声波，记录发射时间和接收时间，通过时间差计算目标节点的横向坐标。

结合以上坐标信息即可确定目标节点在巷道内的位置。

本发明所述的基于压缩感知RSS指纹库及超声波的井下定位方法，其将传统的基于RSS的目标定位方法与指纹库定位技术相结合，定位计算机根据参考节点接收的目标节点RSS特征信号，通过压缩感知算法对包含目标节点位置信息的位置矩阵进行重构，列出矩阵中不为零元素对应的采样点纵向坐标，按照矩阵中不为零元素数值的大小进行加权计算，确定目标节点的纵向坐标。利用超声波测距技术，记录超声波的飞行时间，测量目标节点到巷道壁之间的距离，确定目标节点的横向坐标。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出的基于压缩感知RSS指纹库及超声波的井下定位方法，借助压缩感知算法，精简数据传输量，减少矿井通信网络的带宽占用，提高定位系统实时性。