[发明专利]基于无线通信传播特性井下救援机器人通讯节点布放方法

摘要

本发明公开了一种基于无线通信传播特性井下救援机器人通讯节点布放方法，包括步骤：一、获取地理信息,采集井下巷道地形参数；二、判断井下巷道壁是否有堆积障碍；三、判断煤矿救援机器人是否可以通过井下巷道壁堆积障碍；四、判断井下巷道壁堆积障碍是否为单侧巷道壁堆积障碍；五、煤矿救援机器人返回起点；六、单侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放；七、双侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放；八、多次循环步骤二至步骤七，直至完成井下通讯节点的布放过程。本发明设计新颖，通过煤矿救援机器人识别井下现场环境，实时探测井下通信信号强度，自主布放通讯节点，建立优化的无线网络环境，有效解决复杂环境中数据传输的问题。

主权项

基于无线通信传播特性井下救援机器人通讯节点布放方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、获取地理信息采集井下巷道地形参数：采用煤矿救援机器人获取井下巷道地形参数及地理信息；所述煤矿救援机器人上安装有用于采集巷道环境参数的环境探测器(1)和用于探测井下巷道地形障碍物的激光探测仪(2)，环境探测器(1)的信号输出端和激光探测仪(2)的信号输出端均与煤矿救援机器人中央处理器(3)的输入端连接，煤矿救援机器人中央处理器(3)的输出端接有用于控制所述煤矿救援机器人前进或后退的行走机构(7)；步骤二、判断井下巷道壁是否有堆积障碍：采用激光探测仪(2)沿所述煤矿救援机器人前进方向探测井下巷道壁堆积障碍，当激光探测仪(2)探测到井下巷道壁有堆积障碍时，执行步骤三；当激光探测仪(2)探测井下巷道壁无堆积障碍时，采用与煤矿救援机器人中央处理器(3)相接的无线通信模块(6)实时采集井下通信信号强度，所述煤矿救援机器人根据井下通信信号强度在巷道内实时布放通讯节点(5)；步骤三、判断煤矿救援机器人是否可以通过井下巷道壁堆积障碍：根据步骤二中激光探测仪(2)探测的井下巷道壁堆积障碍高度及范围判断煤矿救援机器人是否可以通行，当激光探测仪(2)发出的探测信号部分被反射接收时，说明煤矿救援机器人可以通过井下巷道壁堆积障碍，执行步骤四；当激光探测仪(2)发出的探测信号全部被反射接收时，说明煤矿救援机器人无法通过井下巷道壁堆积障碍，执行步骤五；步骤四、判断井下巷道壁堆积障碍是否为单侧巷道壁堆积障碍：采用激光探测仪(2)探测井下巷道壁堆积障碍的高度及范围，并将探测结果送入煤矿救援机器人中央处理器(3)进行分析处理，煤矿救援机器人中央处理器(3)判断井下巷道壁堆积障碍为单侧巷道壁堆积障碍时，执行步骤六；否则，执行步骤七；步骤五、煤矿救援机器人返回起点：采用煤矿救援机器人中央处理器(3)控制行走机构(7)沿原路返回至起点；步骤六、单侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放，过程如下：步骤601、建立单侧巷道壁堆积障碍空间坐标系O1‑x1y1z1；步骤602、根据公式计算单侧巷道壁堆积障碍空间截面面积S1，其中，a为巷道宽，b为巷道高，θ为障碍物坡面与步骤601中建立的坐标系O1‑x1y1z1中的z1轴的夹角且θ满足：步骤603、根据公式计算当前环境下的截止频率fc，其中，c为真空中光速，m为激光探测仪(2)与巷道侧壁垂直有效距离之间无线通信模块(6)发出的无线电磁波的半波数且n为激光探测仪(2)与障碍物的有效距离之间无线通信模块(6)发出的无线电磁波的半波数且Lx为激光探测仪(2)沿x1轴方向距离巷道侧壁的有效距离，Ly为激光探测仪(2)沿y1轴方向距离障碍物的有效距离，λ为无线通信模块(6)发出的无线电磁波的波长；步骤604、判断当前环境下无线通信模块是否可以通信：当公式fc>f0满足时，说明当前环境下无线通信模块(6)可以通信，执行步骤605，其中，f0为无线通信模块(6)发出的无线电磁波频率；否则，当前环境下无线通信模块(6)无法通信，执行步骤五；步骤605、单侧巷道壁堆积障碍下通讯节点布放区域划分并计算对应区域的无线电磁波衰减率α1：通过障碍物坡面上一点到巷道顶部距离hi确定单侧巷道壁堆积障碍下通讯节点(5)布放的障碍区域I和无障碍区域II，当不存在hi＝b时，单侧巷道壁堆积障碍下只存在障碍区域I，此时的无线电磁波衰减率其中，αEV为垂直极化衰减率，αHV为水平极化衰减率，λ为无线电磁波波长，ε为巷道环境介电常数，ai为与hi等高时的巷道截面宽；当存在hi＝b时，单侧巷道壁堆积障碍下hi＝b对应的区域为无障碍区域II，单侧巷道壁堆积障碍下hi<b对应的区域为障碍区域I，此时的无线电磁波衰减率步骤606、完成单侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放：通过环境探测器(1)实时探测通讯节点(5)的安全布放位置，当单侧巷道壁堆积障碍下只存在障碍区域I时，优先考虑将通讯节点(5)布放在该障碍区域I中ai<hi的位置，若环境探测器(1)探测该障碍区域I中ai<hi的位置无法安装通讯节点(5)时，考虑该障碍区域I中ai＝hi的位置，若环境探测器(1)探测该障碍区域I中ai＝hi的位置无法安装通讯节点(5)时，最后考虑该障碍区域I中ai>hi的位置布放通讯节点(5)；当单侧巷道壁堆积障碍下存在障碍区域I和无障碍区域II时，优先考虑将通讯节点(5)布放在无障碍区域II，若环境探测器(1)探测无障碍区域II中无法安装通讯节点(5)时，考虑将通讯节点(5)布放在该情况下的障碍区域I，在该情况下的障碍区域I中，优先考虑将通讯节点(5)布放在该情况下的障碍区域I中ai<hi的位置，若环境探测器(1)探测该情况下的障碍区域I中ai<hi的位置无法安装通讯节点(5)时，考虑该情况下的障碍区域I中ai＝hi的位置，若环境探测器(1)探测该情况下的障碍区域I中ai＝hi的位置无法安装通讯节点(5)时，最后考虑该情况下的障碍区域I中ai>hi的位置布放通讯节点(5)；步骤七、双侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放，过程如下：步骤701、建立双侧巷道壁堆积障碍空间坐标系O2‑x2y2z2；步骤702、根据公式计算双侧巷道壁堆积障碍空间截面面积S2，其中，h′imax为双侧巷道壁堆积障碍空间截面面积S2的最大截面高度，θ1为巷道一侧障碍物坡面与步骤701中建立的坐标系O2‑x2y2z2中的z2轴的夹角且θ1满足：θ2为巷道另一侧障碍物坡面与步骤701中建立的坐标系O2‑x2y2z2中的z2轴的夹角且θ2满足：步骤703、根据公式计算当前环境下的截止频率fc'；步骤704、判断当前环境下无线通信模块是否可以通信：当公式f'c>f0满足时，说明当前环境下无线通信模块(6)可以通信，执行步骤705；否则，当前环境下无线通信模块(6)无法通信，执行步骤五；步骤705、双侧巷道壁堆积障碍下通讯节点布放区域划分并计算对应区域的无线电磁波衰减率α2：通过靠近所述煤矿救援机器人的一侧障碍物坡面上一点到巷道顶部距离hi'确定双侧巷道壁堆积障碍下通讯节点(5)布放的障碍区域I'和无障碍区域II'，当不存在h'i＝b时，双侧巷道壁堆积障碍下只存在障碍区域I'，此时的无线电磁波衰减率其中，a′i为与h′i等高时的巷道截面宽；当存在h'i＝b时，双侧巷道壁堆积障碍下h'i＝b对应的区域为无障碍区域II'，双侧巷道壁堆积障碍下h'i<b对应的区域为障碍区域I'，此时的无线电磁波衰减率步骤706、完成双侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放：通过环境探测器(1)实时探测通讯节点(5)的安全布放位置，当双侧巷道壁堆积障碍下只存在障碍区域I'时，优先考虑将通讯节点(5)布放在该障碍区域I'中a'i<h'i的位置，若环境探测器(1)探测该障碍区域I'中a'i<h'i的位置无法安装通讯节点(5)时，考虑该障碍区域I'中a'i＝h'i的位置，若环境探测器(1)探测该障碍区域I'中a'i＝h'i的位置无法安装通讯节点(5)时，最后考虑该障碍区域I'中a'i>h'i的位置布放通讯节点(5)；当双侧巷道壁堆积障碍下存在障碍区域I'和无障碍区域II'时，优先考虑将通讯节点(5)布放在无障碍区域II'，若环境探测器(1)探测无障碍区域II'中无法安装通讯节点(5)时，考虑将通讯节点(5)布放在该情况下的障碍区域I'，在该情况下的障碍区域I'中，优先考虑将通讯节点(5)布放在该情况下的障碍区域I'中a'i<h'i的位置，若环境探测器(1)探测该情况下的障碍区域I'中a'i<h'i的位置无法安装通讯节点(5)时，考虑该情况下的障碍区域I'中a'i＝h'i的位置，若环境探测器(1)探测该情况下的障碍区域I'中a'i＝h'i的位置无法安装通讯节点(5)时，最后考虑该情况下的障碍区域I'中a'i>h'i的位置布放通讯节点(5)；步骤八、多次循环步骤二至步骤七，直至完成井下通讯节点的布放过程。