基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井移動目標(biāo)定位算法的設(shè)計-科學(xué)研究項目申請書

1、,,,,,,,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井移動目標(biāo)定位算法的設(shè)計,項目負責(zé)人 張 楠 所在單位 機電工程學(xué)院,,,2017.04—2018.12,,,,,項目的立項依據(jù)、研究內(nèi)容、研究目標(biāo)、以及擬解決的關(guān)鍵問題,研究基礎(chǔ)、擬采取的研究方案及可行性分析,項目的特色與創(chuàng)新之處,項目的分年度具體實施內(nèi)容和預(yù)期成果,,01,,,本項目在經(jīng)典的RSSI的測距模型研究的基礎(chǔ)上，提出改進的RSSI誤

2、差補償算法。我們知道傳統(tǒng)RSSI定位算法是通過已知節(jié)點對未知目標(biāo)節(jié)點發(fā)出的電磁信號強度進行判斷，以信號的衰減程度為依據(jù)，采用適當(dāng)?shù)男盘杺鬏斈Ｐ?，計算出目?biāo)節(jié)點相對于信標(biāo)節(jié)點的位置或者坐標(biāo)。本項目設(shè)計的改進型RSSI誤差補償算法，同時針對煤礦井下的特殊環(huán)境（煤礦井下巷道和開采區(qū)一般比較狹長），針對這一特殊環(huán)境，將二維定位環(huán)境轉(zhuǎn)化為一維線性定位環(huán)境，并提出了相應(yīng)的定位模型和比值定位算法，解決其受環(huán)境因素影響較大的缺點，簡化定位算法模型，提高

3、井下人員定位的精度。,,項目的研究內(nèi)容、目標(biāo),研究內(nèi)容,研究目標(biāo),,本項目設(shè)計的基于RSSI的井下人員精確定位算法和煤礦綜合監(jiān)控人員定位系統(tǒng)組成一個貫穿井上和井下的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)地面人員對井下各個區(qū)域人員活動及分布的全面掌控，方便為井下人員生產(chǎn)工作進行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。由于本算法定位精度較高，如遇井下突發(fā)安全事故，井上人員能夠立即通過本系統(tǒng)查找出各人員的具體位置和狀況，為制定救援方案提供及時、有效的數(shù)據(jù)，使人員傷亡和事故損失降到最低。

4、,,01,項目的研究內(nèi)容、目標(biāo),,煤礦生產(chǎn)多為地下作業(yè)，空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，時刻都有發(fā)生事故的可能。作為井下移動目標(biāo)的主要對象——人員就在這樣的環(huán)境中工作。因此，新型的煤礦井下綜合監(jiān)控人員精確定位系統(tǒng)，必須實現(xiàn)對煤礦入井人員的實時跟蹤和精確定位，消除地面管理人員對井下作業(yè)人員的視野盲區(qū)，隨時清楚掌握每個井下作業(yè)人員的位置及活動軌跡。 本項目的研究是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上設(shè)計的定位算法，主要是針對煤礦井下環(huán)境，為井上管理人員提

5、供井下人員分布的精確位置信息，同時也可以用在其它的工業(yè)環(huán)境，具有較多的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，通過采用國內(nèi)外先進的科學(xué)技術(shù)，進行人員精確定位算法的研究是非常必要的。,,目前國內(nèi)對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)具有突破性的研究相對較少，國內(nèi)所使用的煤礦井下人員定位系統(tǒng)主要是實現(xiàn)巷道的考勤功能或者僅僅實現(xiàn)粗略層面上的定位，完成井下人員位置的大致確定，很少能真正精確的實現(xiàn)人員定位跟蹤。如今，國內(nèi)對于煤礦井下人員精確定位與跟蹤技術(shù)的研究仍然是一個相

6、對薄弱領(lǐng)域。,,,研究意義,研究現(xiàn)狀分析,,01,,我們知道井下環(huán)境較為復(fù)雜，在采用RSSI技術(shù)進行定位時，待測地點的環(huán)境、溫度、氣壓等因素有較大差異，測量距離和路徑衰減之間沒有一個固定的數(shù)學(xué)模型。通常采用的模型有基于各種測量數(shù)據(jù)的純經(jīng)驗式模型，也有結(jié)合在物理參數(shù)測量及數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗式模型。無論哪種模型，都無法很好的適應(yīng)于實際的通信環(huán)境，將其準(zhǔn)確的模擬出來。通過在模擬井下巷道中測試中得到以下結(jié)論，采用RSSI定位算法進行定位時

7、，接收到的信號強度容易受定位環(huán)境因素的影響，信號波動比較大。 于是，本項目中設(shè)計了基于RSSI的誤差補償算法，根據(jù)對接收到的RSSI進行誤差補償，通過實際環(huán)境測得的數(shù)據(jù)來推算出特殊距離下的RSSI均值，利用這些值對系統(tǒng)的信號傳播模型進行校正，更加精確得捕捉信號傳播的衰減規(guī)律和特征，使得建立的傳輸模型和實際環(huán)境下的傳播特征更加接近，從而有效地提高人員定位的精確程度。,,擬解決的問題,擬解決的問題,,,,研究基礎(chǔ)、擬采取的研究方案及可

8、行性分析,,02,主要研究成果,實用新型專利,[1] 張楠.煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32（2）:88-93.[2] 張楠.礦井移動目標(biāo)并發(fā)接收時間片調(diào)度算法[J].煤礦安全，2012，43（6）:90-92.[3] 張楠.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量方法研究[J].煤炭工程，2015，47（4）：105-107.[4] 張楠.煤礦頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀的研發(fā)與應(yīng)用[J].中國煤炭，20

9、16，42（9）:50-53.[5] 張楠.基于溫度補償?shù)墓饫w光柵井下錨桿受力動態(tài)檢測技術(shù)[J].煤礦安全，2016，47（4）:146-149.[6] 張楠.基于CAN總線的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].大同大學(xué)學(xué)報，2012，4:58-61.[7] 張楠.智能ETC系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的防碰撞算法研究[J]. 大同大學(xué)學(xué)報，2011，1:80-83.,1.煤礦井下移動目標(biāo)定位儀 （獨立完成）2.一種膠帶輸送機保護裝置

10、 （獨立完成）3.一種煤礦井下人員定位儀 （獨立完成）4.一種便攜式瓦斯檢測儀 （獨立完成）5.一種車載監(jiān)控儀 （獨立完成）,,項目主持人張楠一直從事煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的研究，多次從事與本項目有關(guān)的技術(shù)研究。參與了汾西煤礦集團的攻關(guān)課題“數(shù)字化礦山三維模型的構(gòu)建及開發(fā)”、同煤集團的攻關(guān)課題“選煤廠膠帶輸送機傷人保護裝置”等項目的研發(fā)，在此基礎(chǔ)上不斷深入，以第一作者

11、的身份發(fā)表多篇與煤礦綜合監(jiān)控相關(guān)的論文和專利，已有堅實的研究基礎(chǔ)，團隊中有副教授和博士各一人，科技人員素質(zhì)較高，其中吳利剛在攻讀博士期間曾經(jīng)參與完成過多個國家自然基金項目，所以本項目組成員具有很強的科研能力，有能力承擔(dān)此項目的開展與實施。,發(fā)明專利,一種礦井移動目標(biāo)無線通信防碰撞算法 （獨立完成）,研究基礎(chǔ),,02,,此外，項目組成員吳利剛在攻讀博士學(xué)位期間對物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)的車隊控制有著較為深入的研究，以第一作者發(fā)表論文：[1

12、] Ligang Wu, Zibao Lu, Ge Guo. Analysis, synthesis and experiments of networked platoons with communication constraints. PROMET-Traffic & Transportation, Vol. 29, No. 1, 35-44, 2017.[2] 吳利剛，郭戈，岳偉. 基于SDP處理機制下的網(wǎng)絡(luò)化車隊控制

13、研究. 控制工程，Vol. 23, No. 5，698-705, 2016.[3] 吳利剛，郭戈. 基于信道受限的網(wǎng)絡(luò)化車隊控制與動態(tài)調(diào)度研究. 控制工程, Vol. 23, No. 6, 915-921, 2016.,研究基礎(chǔ),,02,,具體研究方案,,02,,,應(yīng)用RSSI定位時，雖然定位區(qū)域不變，誤差系數(shù)和也會隨著周圍環(huán)境的變化而發(fā)生改變，這種改變會影響到定位系統(tǒng)的適應(yīng)性。為了解決這個問題，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以根據(jù)信標(biāo)節(jié)點

14、的位置已知性，通過信標(biāo)之間的通信，測算出 ， ，再利用以上方法倒推出特定環(huán)境下 和 的值，將 和 更新到其余適宜的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，不僅提供了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的適應(yīng)能力，也保障了系統(tǒng)定位測量的精度。 這種測距補償方法通過誤差補償RSSI測距數(shù)值，提升了系統(tǒng)定位精度，但它只是對測量數(shù)據(jù)誤差的一種綜合式的補償，并沒有針對某一特定環(huán)境因素引起的誤差進行針對性的補償，上述補償方式只能使測量值盡可能地接近實際值。在此

15、基礎(chǔ)上，我們又引入距離比值定位算法，所謂距離比值定位，就是根據(jù)接收到的標(biāo)簽信號強度，分別計算出錨節(jié)點與待測區(qū)域兩端讀卡器的距離 和 ，然后利用兩種距離的比值來分析計算出標(biāo)簽的位置。,具體研究方案,,02,具體研究方案,,02,圖1 誤差分析示意圖,如圖1所示，以錨點 、 為例， 比 更接近B1， 、 到讀卡器B1的距離分別為 和 ，到讀卡器B2的距離分別是

16、 和 ，其中 < ， < ，則有以下關(guān)系：,可行性分析,,02,（3.9）,由于 、 、 、 均為正數(shù)，且 ， ，所以 ， ，根據(jù)式（3.9）可推導(dǎo)出：

17、 （3.10）繼而可以得出： （3.11）,可行性分析,,02,可行性分析,,,,項目

18、的特色與創(chuàng)新之處,,03,本項目的特色,本項目的創(chuàng)新之處,項目的特色與創(chuàng)新之處,,,,項目的分年度具體實施內(nèi)容和預(yù)期成果,,04,,,,,,,進行現(xiàn)場調(diào)研,整理現(xiàn)場調(diào)研資料,制定詳盡的研究工作計劃和課題實施方案,,,,開發(fā)能夠基本符合井下實際環(huán)境的數(shù)學(xué)模型,對所開發(fā)的井下巷道模型進行分析與測試,,,,對改進的RSSI算法進行分析與測試,,,,,,,準(zhǔn)備發(fā)表論文等各項工作,,,,根據(jù)各項研究內(nèi)容，形成研究報告,項目完成后，

19、發(fā)表北大核心論文2篇。,,2017.06,2017.12,2017.09,2018.03,2018.04,2018.10,項目的分年度具體實施內(nèi)容和預(yù)期成果,,,,,,,,THANK YOUFOR WATCHING,,,PPT模板下載：www.1ppt.com/moban/ 行業(yè)PPT模板：www.1ppt.com/hangye/ 節(jié)日PPT模板：www.1ppt.com/jieri/ PPT素材下載：w

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