如圖4 所示，巷道可以類似看成一個(gè)長(zhǎng)方形，當(dāng)井下作業(yè)人員進(jìn)入井下巷道內(nèi)時(shí)，經(jīng)典算法中移動(dòng) 節(jié)點(diǎn)搜集周圍最強(qiáng)三個(gè)信號(hào)來(lái)進(jìn)行定位，其他較弱的信號(hào)則全部過濾掉，然后通過現(xiàn)階段 比較成熟的RSSI測(cè)距法測(cè)量出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到這三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離，進(jìn)而利用三邊定位算 法來(lái)定位作業(yè)人員的位置坐標(biāo)。
[0120] 本發(fā)明將井下區(qū)域分成各個(gè)三角形的定位小區(qū)來(lái)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，但是 當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入某個(gè)定位小區(qū)時(shí)，容易受到其鄰居小區(qū)中其他參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)干擾。這樣 就造成了定位小區(qū)間的混亂，導(dǎo)致移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在定位小區(qū)選擇上出現(xiàn)錯(cuò)誤選擇，影響到定位 的準(zhǔn)確性。為解決小區(qū)間的干擾，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上安裝具有方向性判斷的信號(hào)接收天線，實(shí)現(xiàn) 對(duì)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)角度的測(cè)量，測(cè)量出節(jié)點(diǎn)間的角度信息不做保存，只需要該角度來(lái)確 定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是否處于容易受到干擾的小區(qū)邊緣。利用接收到的已知節(jié)點(diǎn)位置信息和參考節(jié) 點(diǎn)間的角度信息，把在井下作業(yè)區(qū)域分割成n個(gè)定位小區(qū)來(lái)過濾其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)干擾，以 解決在礦井下參考節(jié)點(diǎn)由于擺放不規(guī)則或者被移動(dòng)而造成的信號(hào)干擾，這樣就清楚的界限 的各個(gè)定位小區(qū)的定位范圍，在作業(yè)人員進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，利用本小區(qū)的三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 定位工作，分清了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的職責(zé)，減少不必要的混亂。
[0121] 井下定位小區(qū)間干擾信號(hào)過濾：根據(jù)礦井下的工作環(huán)境區(qū)域來(lái)看，把井下定位區(qū) 看作是一個(gè)長(zhǎng)方形的二維空間來(lái)模擬定位。如圖4所示；參考節(jié)點(diǎn)由工作人員事先擺放到 巷道兩側(cè)，工作開始時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器電源打開，進(jìn)行ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)樹狀組網(wǎng)模式，保證網(wǎng) 絡(luò)的通暢性。當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)會(huì)在一個(gè)統(tǒng)一時(shí)間周期 的向周圍發(fā)送無(wú)線信號(hào)，信號(hào)包括自身的坐標(biāo)信息和信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在它的通 信范圍內(nèi)盡可能的收集所有的無(wú)線信號(hào)，但是有些信號(hào)是由于巷道介質(zhì)的反射或者是和移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)信號(hào)，所以在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)做定位計(jì)算之前，自身定位引擎會(huì)做一個(gè)數(shù) 據(jù)預(yù)處理，接收到的某些信號(hào)強(qiáng)度過弱的就會(huì)被算法自動(dòng)過濾掉，以保證接收到的信號(hào)是 定位區(qū)域較近的節(jié)點(diǎn)信號(hào)。但是在移動(dòng)人員處于兩個(gè)定位小區(qū)邊緣位置的時(shí)候可能就會(huì)接 收到較多信號(hào)，造成信號(hào)接收混亂，例如以下兩種情況：
[0122] (1)第一種情況：如圖5所示，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)〇(工作人員佩戴的節(jié)點(diǎn)）從定位小區(qū) 1往小區(qū)2方向移動(dòng)，當(dāng)〇節(jié)點(diǎn)靠近小區(qū)1和2的邊界（ac邊）時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)〇和b、d兩個(gè) 參考節(jié)點(diǎn)的距離相似且都相對(duì)較遠(yuǎn)，此時(shí)〇節(jié)點(diǎn)會(huì)在通信范圍內(nèi)同時(shí)接收到b節(jié)點(diǎn)和d節(jié) 點(diǎn)的RSSI值。由于兩節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離相近，在傳播中的無(wú)線信號(hào)的損耗相當(dāng)，接收到 的RSSI的信號(hào)強(qiáng)度值就相似。
[0123] (2)第二種情況：如圖6所示，由于巷道形狀不規(guī)則或者節(jié)點(diǎn)擺放的不均勻造成如 圖6節(jié)點(diǎn)的分布情況。雖然移動(dòng)節(jié)點(diǎn)〇在定位小區(qū)3的區(qū)域內(nèi)，實(shí)際上〇點(diǎn)卻距離f節(jié)點(diǎn) 更近一些，在所有接收到的RSSI信號(hào)值中f點(diǎn)的信號(hào)值會(huì)比c點(diǎn)的信號(hào)值更大。節(jié)點(diǎn)算法 預(yù)處理中就會(huì)把c節(jié)點(diǎn)當(dāng)作是干擾信號(hào)過濾掉，然后節(jié)點(diǎn)會(huì)利用d、f、e三個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息值 來(lái)的進(jìn)行定位計(jì)算，這樣定位就造成了更大的誤差。
[0124] 為了能夠更清楚的區(qū)分移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位于哪個(gè)定位小區(qū)，避免當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入井下無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)覆蓋空間后因其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)干擾而造成的定位小區(qū)模糊，在節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)過程中 同時(shí)測(cè)量與參考節(jié)點(diǎn)間的角度信息，但為了減少儲(chǔ)存和計(jì)算量，測(cè)量得到角度信息只用來(lái) 參考不做保存。
[0125] 如圖5、圖6所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在巷道移動(dòng)過程中與兩側(cè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)角度等于180度 前，測(cè)量角度在Zaoc< 180 (Zdoe< 180)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在小區(qū)為第一小區(qū)，就可以確 定所需要節(jié)點(diǎn)a、b、c來(lái)繼續(xù)進(jìn)行定位計(jì)算。在所測(cè)角度Zaoc= 180 (Zdoe= 180)之后 下一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入第二個(gè)定位小區(qū)，在之后的區(qū)域循環(huán)進(jìn)行小區(qū)區(qū)分和定位計(jì)算以完 成跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的工作。
[0126] 在加入角度信息后劃分清晰定位的區(qū)間，以此來(lái)過濾不屬于定位小區(qū)參考節(jié)點(diǎn)信 號(hào)的的干擾，再利用RSSI測(cè)距技術(shù)測(cè)出到三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)間的距離山，d2,d3，然后利用定位 算法計(jì)算出人員的位置坐標(biāo)。
[0127] 三邊定位算法優(yōu)化
[0128] 理想狀態(tài)不考慮無(wú)線信號(hào)傳播中的損耗和其他環(huán)境因素對(duì)信號(hào)傳播的的影響，所 測(cè)的節(jié)點(diǎn)間距離精確無(wú)誤差，以三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為圓心三個(gè)圓相交的位置就是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位 置。但是由于在實(shí)際礦井環(huán)境中各種干擾因素的影響，測(cè)量出的距離和現(xiàn)實(shí)距離必定是存 在誤差，以三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為圓心的三個(gè)圓不可能相交于一點(diǎn)，從而造成方程無(wú)解。如圖7、圖 8所示，三圓不交于一點(diǎn)而是彼此兩兩相交，由ABC組成的三角形區(qū)域Z即是未知節(jié)點(diǎn)M的 可能位置。
[0129]如圖7在三個(gè)圓心兩兩相交時(shí)，由于三圓不交于一點(diǎn)，首先利用公式
[0131] 計(jì)算出〇i、O2兩個(gè)圓的相交點(diǎn)CpC2，然后計(jì)算兩個(gè)交點(diǎn)與O3節(jié)點(diǎn)的距離，取距離 近的一點(diǎn)C1保留，距離遠(yuǎn)的舍去。類似的解出0 :和O3的交點(diǎn)取距離O2點(diǎn)相近的交點(diǎn)Bi， 〇2、O3的交點(diǎn)距離〇i最近的A力，組成未知節(jié)點(diǎn)的可能區(qū)域AAAC1。
[0132] 在井下設(shè)置固定距離的參考節(jié)點(diǎn)，測(cè)量出井下環(huán)境的誤差范圍。定位開始后利 用RSSI進(jìn)行一次測(cè)距，然后在實(shí)際測(cè)的距離基礎(chǔ)上反向加上環(huán)境的范圍內(nèi)隨機(jī)誤差。例如 測(cè)得環(huán)境內(nèi)誤差距離范圍是[-1，3]，那么就在實(shí)際測(cè)得一組距離山，d2, (13上加上反向的誤 差[-3, 1]來(lái)對(duì)距離進(jìn)行校正。組成n組校正距離數(shù)據(jù)，逐個(gè)解出nX3個(gè)圓兩兩相交的三 個(gè)點(diǎn)做AAnBnCn,利用網(wǎng)格掃描法對(duì)重疊部分進(jìn)行標(biāo)記，計(jì)算出由n個(gè)三角形相交重疊的部 分，如圖9所示，陰影部分的網(wǎng)格點(diǎn)重疊三次是最高重疊部分，即是縮小定位范圍后未知節(jié) 點(diǎn)最可能的坐標(biāo)位置。進(jìn)一步對(duì)重疊區(qū)域的所有網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)心算法計(jì)算，得出重疊部分 的質(zhì)心既是未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。
[0133] 理論中n的值越大計(jì)算得到的定位越準(zhǔn)確，但是其計(jì)算量和功耗也會(huì)隨之增加。 所以本文仿真中進(jìn)行一次RSSI測(cè)距后，然后加上4組隨機(jī)的誤差即取n= 4,然后對(duì)重疊區(qū) 域進(jìn)行標(biāo)記，最終確定4次測(cè)距后標(biāo)記最多的區(qū)域。（X1是重疊區(qū)域所有網(wǎng)格點(diǎn)的橫坐標(biāo)， Y1是重疊區(qū)域所有網(wǎng)格點(diǎn)的縱坐標(biāo)）對(duì)標(biāo)記最多區(qū)域利用質(zhì)心算法公式
[0135] 計(jì)算出最終未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)（Xni,yj。
[0136] 應(yīng)急情況下的兩邊定位算法
[0137] 考慮到在井下某些節(jié)點(diǎn)因電池沒電或者因?yàn)橐馔馐鹿试斐晒?jié)點(diǎn)損壞的狀況，會(huì)出 現(xiàn)可利用節(jié)點(diǎn)短缺，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到達(dá)該活動(dòng)區(qū)域時(shí)搜集到的節(jié)點(diǎn)信息少于三個(gè)，不能達(dá)到三 邊定位算法的基本要求。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)搜索到的節(jié)點(diǎn)信息是兩個(gè)時(shí)，可以利用兩邊定位算法 對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大概的坐標(biāo)定位。因?yàn)榭衫霉?jié)點(diǎn)是兩個(gè)，也是對(duì)一個(gè)可能區(qū)域進(jìn)行估算 的，而且可能區(qū)域相對(duì)更大，所以兩邊定位算法計(jì)算的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置與三邊定位法相比肯 定是會(huì)相對(duì)誤差較大、穩(wěn)定性效果也不理想。但是考慮到特殊情況下能夠在有限條件下進(jìn) 行大概的定位對(duì)于事故發(fā)生以后大概確定人員位置有很大的幫助。
[0138] 如圖10當(dāng)?shù)V井下巷道的某些區(qū)域因?yàn)殡姵貨]電、物體遮擋、小范圍事故等原因造 成A3參考點(diǎn)損壞，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)不能與Ap^節(jié)點(diǎn)相互通信時(shí)，無(wú)法與其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同完 成人員定位工作。此時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)1進(jìn)入該工作區(qū)域，因?yàn)槿鄙貯3節(jié)點(diǎn)無(wú)法完成定位工作， 此時(shí)如果有緊急情況發(fā)生就需要由A2節(jié)點(diǎn)完成對(duì)M 大致坐標(biāo)定位工作。
[0139] 此時(shí)已知ApA2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置Ai(Xl，yi)，A2 (x2,y2)，用RSSI測(cè)距方法測(cè)出移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)M1分別到ApA2節(jié)點(diǎn)的距離rrr2，列方程很容易可求的A12、A21兩個(gè)圓的相交點(diǎn)，然 后計(jì)算出陰影部分的質(zhì)心就是位置節(jié)點(diǎn)的大概位置，如圖11所示。
[0141] 由以上公式可計(jì)算出以兩個(gè)幾點(diǎn)為圓心的兩圓交點(diǎn)A12、A21。這兩點(diǎn)的中心點(diǎn)就是 兩邊定位法計(jì)算的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)大概位置。這樣即使小范圍出現(xiàn)事故導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)不能正常工 作，只要有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)工作就可以大概的計(jì)算出被困人員的位置好及時(shí)采取應(yīng)急救援措施。 掌握信息就是掌握了時(shí)間和生命，兩邊定位法保證了在小范圍事故發(fā)生的情況下依然能夠 掌握移動(dòng)人員的大概位置，應(yīng)對(duì)緊急情況下的小事故