井下拱形巷道无线传感器网络非测距节点定位算法

摘要

我国矿产资源丰富，开采方式包括露天开采和井下开采。但由于目前国内矿井安全技术比较落后，传统的井下煤矿监测技术很难满足当下煤矿生产的需求。无线传感器网络作为一种多学科交叉的新兴技术，具有广泛的应用前景。采用无线传感器网络技术进行井下安全监控是解决井下安全生产问题的主要技术手段之一。井下位置信息是井下安全监控的重要组成部分，通过获取井下事件发生的位置或获取消息的节点位置达到监测井下环境和车辆、人员的目的。因此，节点定位问题是井下无线传感器网络的关键问题之一。
　　本文以井下拱形巷道为背景，在分析和借鉴国内外三维节点定位算法的基础之上，重点针对无需测距的三维DV-Hop算法和质心算法进行研究。结合拱形巷道空间几何模型和节点分布模型，提出了一种适用于井下拱形巷道的三维DV-Hop定位算法和一种DV-Hop定位算法与加权质心定位算法相结合的混合定位算法。
　　根据井下拱形巷道特点，建立巷道几何模型，进而建立传感器节点的覆盖模型。井下巷道中电磁波的传播与自由空间不同，通过分析几种典型的无线信号传播模型，选择更适合井下实际环境的屏蔽模型作为本文电磁波的传输模型，并根据此模型调整信标节点的发射功率。
　　井下 DV-Hop定位算法，利用信标节点的功率控制以不同级别的发射功率发射信标信号，选择最佳的发射级别，修正信标节点与其邻居节点间的跳数，使跳数可以为小数；修正平均跳距。
　　井下DV-Hop算法和加权质心算法的混合算法，根据质心算法和DV-Hop算法的特点，首先，与第一种改进算法相同，信标节点利用功率控制，得到信标节点与其邻居节点间的跳数值，用跳数值倒数的不同代表信标节点对未知节点不同的影响力来确定加权因子，进行加权质心算法定位。
　　在本文设定的仿真环境中对上述两种算法做仿真，仿真结果表明，算法能够满足井下节点定位对精度的要求，适合井下巷道环境。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 无线传感器网络的应用

1.3 井下定位技术研究现状

1.4 论文的主要内容

1.5 论文结构

第二章 无线传感器网络定位算法研究

2.1 无线传感器网络技术特点

2.2 节点位置的基本计算方法

2.3 常用的定位算法

2.4 定位算法性能评价指标

2.5 定位算法分析

2.6 本章小结

第三章 井下巷道几何模型

3.1 井下巷道简化模型

3.2 拱形巷道信标节点覆盖模型

3.3 拱形巷道节点分布模型

3.4 井下无线传输模型

3.5 能耗模型

3.6 本章小结

第四章 井下拱形巷道DV-Hop定位算法

4.1 引言

4.2 DV-Hop定位算法误差分析

4.3 井下DV-Hop算法改进

4.4 仿真环境设置

4.5 实验

4.6 本章小结

第五章 井下拱形巷道DV-Hop算法和加权质心混合算法

5.1 引言

5.2 质心算法的不足

5.3 改进的混合算法

5.4 仿真环境设置

5.5 实验

5.6 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果