井下高速移动设备无线组网定位技术关键问题研究

摘要

现代采矿中安全事故发生频繁,井下人员人身安全受到严重威胁,另一方面,井下设备作业随机性较大,不能合理的调度时作业效率低,而且井下无人设备的研发应用进展缓慢,因此井下人员及移动设备的定位是近年来矿山自动化、信息化的重中之重。为解决井下安全及实时调度问题,本文设计了基于接收信号强度的蒙特卡洛定位算法,运用于井下ZigBee定位系统。
　　首先,本文结合井下多径干扰、电磁干扰、湿度大、狭长巷道及作业区域中节点移动无规则及速度快等特点,对比常用的Wi-Fi、RFID、GPS、ZigBee等定位技术的现状、特点、应用范围,并分别从经济性、可靠性、定位精度及井下环境适用性等方面对比分析,提出了适合于井下环境中高速移动设备的ZigBee定位技术。
　　其次,本文分析了井下环境中引起定位误差的因素,并将井下巷道和作业区域作为典型的井下环境,针对这些因素提出改善措施,设计了基于CC2430/2431的硬件平台、射频前端,并在ZStack2006协议下实现了ZigBee网络功能。
　　最后,对ZigBee定位系统的参考节点数、传播模型、算法等因素对定位算法的影响做了分析研究。重点针对质心算法、APIT算法、蒙特卡洛算法及基于接收信号强度的蒙特卡洛定位算法,从改变无线传播的不规则度、参考节点和盲节点密度、节点移动速度以及定位样本数的性能表现和所适用的情况,提出适合井下高速移动设备的定位算法。并在mcl-simulator及Matlab中对四种方法做对比仿真,仿真结果表明基于接收信号强度的蒙特卡洛定位算法能适应井下定位环境中的高速移动节点,且精度满足要求。

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究现状

1.3 研究目标、意义及需要解决的问题

1.4 本文研究的内容和结构

第二章 井下无线定位技术研究

2.1 井下定位需求分析

2.2 无线定位技术

2.3 ZigBee定位技术

2.4 本章小结

第三章 井下定位算法分析

3.1 无线定位的测距方法

3.2 基于非测距定位算法

3.3 适于井下定位的MCL算法分析

3.4 节点密度对算法精度的影响

3.5 本章小结

第四章 井下定位系统设计实现

4.1 定位系统架构设计

4.2 定位系统硬件设计

4.3 定位系统软件设计

4.4 本章小结

第五章 井下定位误差分析及措施

5.1参考节点分布

5.2 电磁干扰及措施

5.3 多径干扰

5.4 湿度影响

5.5 本章小结

第六章 井下定位仿真实验与结果分析

6.1 仿真环境

6.2 基于RSSI的MCL定位算法仿真

6.3 井下仿真与实验结果分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录

攻硕期间获得成果