基于物联网多源协同感知井下精准定位算法研究

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摘要：摘 要：针对单一感知技术对矿井井下人员或设备定位存在的不足，本文提出一种基于物联网多源协同感知的矿井井下精准定位算法。首先对物联网井下感知定位系统框架进行设计;然后从多源多视角定位原理出发，提出基于物联网多源协同感知的矿井井下精准定位算法;最

　　摘 要：针对单一感知技术对矿井井下人员或设备定位存在的不足，本文提出一种基于物联网多源协同感知的矿井井下精准定位算法。首先对物联网井下感知定位系统框架进行设计;然后从多源多视角定位原理出发，提出基于物联网多源协同感知的矿井井下精准定位算法;最后将本文算法与参考文献算法进行实验和对比分析，得到各算法的定位置信概率与误差的比较曲线。通过实验和对比分析可知，本文算法具有一定的实用性和先进性。

　　关键词：精准定位;井下;协同感知;多源;物联网

　　1 引言 (Introduction)

　　矿井井下安全是矿井生产的生命线，而井下安全最为重要的部分就是井下作业人员的安全。井下作业人员定位是确保井下作业人员安全的重要保障之一，并能对井下作业人员实时定位，为井下应急救援、人员作业管理以及矿井建设等提供重要位置信息[1]。物联网(Internet of Things， IoT)多源协同感知定位技术是利用物联网感知技术，如各种传感器、射频识别和全球定位等，实现实时采集、监控、连接、互动，进而达到物与物、物与人、人与人的泛在连接和物的智能化感知、识别和管理。但矿井有其自身特点，常规定位因无线信号的非直射径向误差和多径衰减等，导致定位精度低和适应性差等缺点，因此，必须采用先进的物联网多源协同感知定位技术，来改善和提高井下定位的精度和适应性等[2]。

　　对矿井井下定位的研究而言，国内外产业界和研究者进行了诸多研究和探索，其定位方法可分为邻近信息法、场景分析法和几何特征法等。其中几何特征法目前应用最广泛，又分为三边定位法、三角定位法和双曲线定位法[3]。无论何种定位方法，都离不开无线通信技术的支撑，矿井定位的无线通信技术主要有WiFi、RFID、UWB和ZigBee等。定位时使用精确的测距方式予以实现，而测距方法主要基于检测接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication， RSSI)的测距模式，该模式以RFID、ZigBee、WiFi等无线通信技术为支撑;另一种是基于传输到达时间(Time of Arrival， ToA)和到达时间差(Time Difference of Arrival， TDoA)的测距模式，该模式以线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum， CSS)及UWB(Ultra Wide Band， UWB)等无线通信技術为支撑[4]。矿井井下定位主要用于矿井作业人员或设备的定位，大多采用基于RSSI、ToA和TDoA测距的定位方法[5]。而到目前为止，研究者们对井下定位取得了新的进展，如文献[6]对地下开采岩体结构中的微震声源进行定位研究，提出一种基于解析迭代解的多传感源协同定位算法。

　　综上，现有研究未充分利用物联网技术，为矿井井下定位提高精确协同定位技术和方法等，有待进一步研究，以实现精确定位。因此，针对矿井现有定位方法存在的问题，利用无线超高频测距、惯性导航、多源混合定位与多源信息融合等技术，对其进行物联网多源多视角感知的协同精确定位方法研究，提出一种具有较高时间准确性和低环境影响率的精确定位算法，以实现井下作业人员和设备的精确定位、大型移动设备人员接近检测、采掘装备与井下搜救人员(机器人)自主导航与定位等服务。

　　2 系统架构(System architecture)

　　矿井井下有其自身的特点和特殊的要求，其能见度非常低，重岩坠落的可能性十分巨大，另外随时可能产生危险的易燃易爆有毒气体。矿井一旦发生事故，都涉及人员生命安全，其救援难度亦是非常大。因此，急需引入新的物联网技术，解决井下作业人员和重要设备设施的定位问题。物联网的发展和普及，为矿井井下定位提供了新的思路和范式，利用物联网多源多视角感知技术，可提供多源协同的精确定位服务，其系统架构如图1所示。

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