基于改进卡尔曼滤波和参数拟合的矿井TOA定位方法

针对矿井TOA(Time of Arrival)定位精度易受电磁波NLOS(Non Line of Sight)传播时延的影响,且不能满足井下应急救援、人员作业管理以及矿井物联网建设等需求的问题,通过对NLOS时延参考模型和矿井巷道设备运动特点的分析,将巷道电磁波NLOS传播时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,结合两类NLOS时延造成测距误差的特点,提出了基于改进卡尔曼滤波和参数拟合的矿井TOA定位方法。为了消除由矿井巷道中机车等移动设备以及不规律设置设备引起的、具有随机性和难以定量分析等特点的巷道随机NLOS时延误差,设计了将新息阈值引入卡尔曼滤波器中,提高其系统对脉冲误差的滤除能力的方法;为了抑制由矿井巷道中固定设施及设备造成的具有稳定性的巷道固定NLOS时延误差,建立了巷道测距误差模型,构建了井下固有设备参数与定位估计值间的函数关系,通过参数拟合与投影几何算法来提高系统的定位精度。仿真结果显示,测量数据经过基于新息阈值的卡尔曼滤波器处理之后,误差曲线趋于平稳,定位误差保持在1.9～3.1 m,再经参数拟合和几何算法处理后,定位误差在0～0.8 m,平均误差由2.4 m降为0.3 m;且相比于SDSTWR(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging)方法、卡尔曼滤波和指纹定位方法以及卡尔曼滤波和参数拟合方法,所提方法平均定位误差分别减小了3.4,0.4和0.6 m。从而表明所提方法对TOA定位误差具有较明显的抑制作用,可以实现TOA方法在矿井NLOS环境中的有效应用。     

基于改进均值滤波和参数拟合的矿井TOA几何定位方法

针对矿井巷道环境内存在大量的设备和设施,会造成电磁波传播的NLOS(non line of sight)时延、对矿井TOA(time of arrival)定位精度产生不利影响,根据成因将巷道电磁波传播NLOS时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,分析了两类NLOS时延造成测距误差的特点。为了分步抑制两类NLOS时延造成的TOA测距定位误差,提出基于改进均值滤波和参数拟合的矿井TOA几何定位算法。针对巷道随机NLOS时延造成的以脉冲形式存在的TOA测距误差,提出基于偏差值丢弃的加权均值滤波算法加以抑制;进而提出依据定位区域巷道固定NLOS时延参数拟合方法,用以抑制其造成的TOA测距正向偏移误差,最后采用几何方法进行目标位置的估计。实验结果表明,提出的方法对巷道NLOS时延造成的TOA定位误差具有显著的抑制作用,能够保证矿井TOA定位的精度。     

煤矿井下人员精确定位方法

分析总结了煤矿井下人员定位特点:覆盖范围远大于地面室内;定位信号应能非视距传输;电磁波衰减严重;无线传输衰减受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体、横向导体、设备等影响大;必须电气防爆;环境恶劣,粉尘大、潮湿、淋水等。提出无线电传输适用于煤矿井下人员定位;超声波、激光、红外传输不适用于煤矿井下人员定位。提出RSSI基于信号强度测距定位方法、AOA基于角度测量的定位方法和不同类信号源TDOA基于时间差的测距定位方法不适用于煤矿井下人员精确定位;TOA基于传输时间的测距定位方法和TDOA基于时间差的测距定位方法适用于煤矿井下人员精确定位,TDOA基于时间差的测距定位方法较TOA基于传输时间的测距定位方法系统成本低。     

基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法

针对现有煤矿井下目标定位方法精度不能满足应急救援、井下人员作业管理以及煤矿物联网建设对精确定位的需要,提出基于TOA（Time of Arrival）的煤矿井下目标精确定位方法。针对TOA方法用于目标定位受设备计时误差影响较大,井下巷道呈一维条状分布,无法采用地面常用的二维、三维抑制误差算法,提出基于计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法,建立双路WiFi（Wireless Fidelity）信道+单路光纤信道的一维定位方法和信号收发计时方式,在此基础上提出计时误差抑制算法。测试结果证明计时误差抑制算法在采用此定位方法基础上,有效地抑制了设备计时误差造成的测距误差,实测误差不影响定位精度,验证了此方法的定位性能。     

基于TOA技术和Kalman滤波相结合的井下人员定位系统设计

结合煤矿巷道特点,设计了基于TOA测距的井下人员定位算法,建立Kalman滤波模型消除随机误差;定位节点采用nano PAN5375无线射频模块作为核心器件,设计了人员定位系统中的测距系统,详细介绍了标识卡和读卡器的软件、硬件设计,并在煤矿巷道进行了性能测试。实验结果表明,该系统定位精度3 m,可实现井下人员实时跟踪定位。     

基于射频电磁波的煤矿井下人员呼救报警系统

针对目前煤矿井下人员跟踪定位系统存在信息无法实时沟通和对人员不能进行全程连续跟踪定位的问题,设计出一种基于射频(RF)电磁波且采用TOA定位方法的井下人员呼救报警系统,详细介绍了井下人员定位、跟踪、遇险时主动呼救报警和实时通话功能的具体实现过程及其工作原理.介绍了系统中关键设备基站与人载报警仪结构原理,系统经初步测试,结果表明,在井下视距(LOS)环境,定位误差小于0.5 m,非视距(NLOS)环境,定位误差为5～8 m,并且通信的可辨度和报警信号的灵敏度能适应井下环境要求.     

基于离散动态网格的信号强度指纹库压缩感知定位方法

矿井目标定位已基本完成从RFID技术向TOA或RSS测距三点解算方法过渡,但电磁波测距三点解算定位方法面临着对硬件系统要求苛刻、对井下电磁噪声较为敏感等难以克服的问题。将压缩感知理论与定位结合可以很好地解决这一难题,提出了一种基于离散动态网格的信号强度指纹库压缩感知定位方法。首先将定位区域离散化处理,通过巷道的网格化,离线测量各网格位置处的信号强度特征,构建特征指纹库;然后在线通过L近邻动态节点选择方法确定目标所在范围实现区域定位;根据指纹特征库构建冗余字典以及区域定位的结果构建测量矩阵;最后通过压缩感知算法重构信号强度场矩阵,实现目标精确定位。实验结果表明,该方法提高了定位精度,减小了通信开销,应用在矿井环境有很好的定位效果。     

基于TOA技术的煤矿井下人员定位精度评价方法

针对现有行业标准对基于信号到达时间TOA(Time of Arrival)技术测距的煤矿井下人员定位精度评价未作相关规定的现状,提出基于TOA技术的煤矿井下人员定位精度评价方法,利用定位系统时间分辨率评价条件、处理器频率评价条件、定位误差评价条件对静态定位精度进行评价;利用定位巡检周期限定条件、最大位移速度限定条件对动态定位精度进行评价;综合静态和动态定位精度评价结果评价基于TOA的煤矿井下人员定位精度,并可对基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统设计进行指导,同时给出了应用该方法进行基于TOA技术煤矿井下人员定位精度评价及煤矿井下人员定位关键设备指标设计指导实例。     

基于RSSI算法的井下定位方法的改进

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θ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。     

基于UWB与激光测距的地下铲运机井下定位系统

地下铲运机在井下巷道环境中无法通过接收GPS信号来实现车辆的定位,因此需要搭建其他定位系统来替代。UWB定位系统通过基站与车载标签进行车辆井下位置定位。由于地下巷道狭长的特点,单一的UWB定位成本很高。对此展开研究,在地表搭建模拟巷道分别对UWB定位系统与UWB与激光测距融合定位系统进行测试,实验表明两种定位系统误差相距不大,都可满足使用要求,但采用UWB与激光测距融合定位系统可以极大的降低UWB基站的使用数量,从而降低系统成本。     

深部矿井软岩巷道支护探究

随着我国矿井开采深度的逐渐增加,深井软岩巷道越来越多,地应力也相应增加;同时也对深部矿井软岩巷道支护和维修带来了不利因素,直接影响着矿井安全生产和经济效益.因此,深部矿井软岩巷道支护成为矿井亟待解决的问题之一.通过分析软岩巷道的特性,影响巷道围岩稳定性的因素,深部矿井软岩巷道矿压显现的特点和软岩巷道的支护原则,对支护方法进行探究.     

基于TOA/DOA参数估计的隧道高分辨率无源移动目标定位

精确无源移动目标定位是隧道、矿井巷道等复杂地下空间人员安全、灾后及时施救的关键技术之一。提出一种基于TOA/DOA参数估计的隧道高分辨率无源移动目标定位方法。鉴于隧道巷道内静物回波信号的多径较多且衰落严重,基于特征值分解的零陷设计思路给出适合低信噪比条件下的最小范数强干扰抑制方法,抑制直达波和静物回波多径干扰信号,检测接收移动目标反射波;同时,为了克服隧道内的纳秒级密集多径和背景噪声,提出基于互高阶谱的RMCHS参数估计算法(Root Min-norm based on Cross High-order Specture,RMCHS),在低信噪比条件下进行高分辨率的TOA/DOA参数估计,从而实现基于TOA/DOA参数估计的隧道高分辨率无源移动目标定位。仿真实验表明,提出的强干扰抑制方法和RMCHS算法在隧道/巷道环境下有很强的鲁棒性,显著优于比较算法,减小了噪声和纳秒级密集多径对算法性能的影响。     

测距平面约束下投影巷道空间的扩频定位方法

扩频测距是实现TOA定位的一种重要方式,在矿井环境下,由于密集多径的影响,其所测量数据具有非零均值的正向误差,严重影响目标的定位精度。针对这一问题,在研究井下巷道扩频测距正向偏差产生机制的基础上,提出一种测距平面约束下投影巷道空间的定位方法,以巷道延伸方向为x轴,巷道宽方向为y轴,建立测距平面,由于矿井巷道是狭长链状的,可以忽略定位目标在巷道内横截面上的信息,只关心定位目标在巷道内x方向上的位置信息,因此方法采用向x方向投影实现移动目标的一维定位,并充分利用y方向的冗余信息对定位目标点在测距平面上加以约束以使得x方向的估计值向真实值趋近,同时测距偏移误差转移到定位目标点的y方向,显著优化了x方向的定位精度。试验结果表明,该方法能够统一NLOS与LOS定位场景,不但在巷道方向上可获得零均值误差的定位估计值,而且能有效抑制测距系统的随机误差。     

信标节点链式部署的井下无线传感器网络定位算法

针对煤矿井下巷道狭长,信号多径效应明显,接收信号强度（RSSI）测距算法受井下环境影响大,定位精度低的情况,提出了一种信标节点链式部署结构下的动态RSSI测距算法,该算法以信标节点间的距离和他们间测量到的RSSI值为参考,计算巷道内实际环境下的路径衰落指数,以提高RSSI测距算法对环境的适应性。实验结果表明,在相同的实验环境下,该算法定位精度优于RSSI定位算法,能够满足井下人员定位的要求。     

基于射频模块的矿井巷道人员定位的实现

根据矿井巷道的传播特点,采用900 MHz射频模块PTR8000作为无线收发模块,以单片机AT89C52或AT89C2051作为微控制器,构成了固定和移动信息站(BS和MS)。通过它们之间的通信,获取移动台的位置信息;固定信息站通过CAN总线把位置信息上传到井上主控PC机,在PC机上进行处理并在电子地图上显示出来。     

煤巷锚杆支护优化设计

合理的支护形式是矿井安全生产的保证,也是经济效益提高的重要前提。通过对永安煤矿巷道支护不合理原因的具体分析,提出了合理的解决方案,并重新设计出了更加合理的支护形式。实践证明,该设计不仅保证了矿井的安全生产,而且节约了不少资金。     

高分辨电法勘探技术在西露天矿采旧巷探测中的应用

应用高分辨电法探测技术对西露天矿测区内采空高冒落区的分布情况进行了勘探,确定了采空冒落区的分布范围。矿方对探测成果进行了钻探验证,探查钻均打到了采旧巷或空巷,表明应用高分辨电法探测技术能够有效地探查西露天矿采旧巷和采空冒落区的分布范围,有力地指导露天矿回采剥离生产的顺利进行。     

基于RSSI的井下定位技术研究

实现井下人员和机车的实时定位对安全生产和提高生产效率有重要意义。在WLAN结构基础上提出了一种以接收信号强度RSSI为基础的结合经验值的定位方案,仿真结果显示该方案能满足井下定位需要。