ВЫСОКОТОЧНЫЙ СПОСОБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВОЙНОЙ МЕТКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ В ШАХТЕ
HIGH-ACCURACY METHOD WITH USE OF DOUBLE LABEL FOR MOVING TARGETS POSITION FIXING IN MINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к высокоточным способам с использованием двойной метки для определения местоположения, в частности к высокоточным способам с использованием двойной метки для определения местоположения движущихся объектов в шахте.
Уровень техники
В известных системах определения местоположения в шахтах, как правило, расстояние между позиционируемым объектом и базовой станцией определения местоположения определяется посредством измерения показателя уровня принимаемого сигнала (RSSI), а затем положение объекта вычисляется с использованием геометрического способа (например, методом трилатерации). Однако влияние эффекта затухания на точность измерения расстояний по показателю уровня принимаемого сигнала является очень существенным, что приводит к очень низкой точности измерения расстояний. Следовательно, при использовании в шахте систем определения местоположения, использующих единственную метку, точность измерений является очень низкой, результат определения местоположения является изменчивым, и возникают сильные отклонения определения местоположения.
Движущиеся объекты в шахтах могут быть классифицированы по их форме на два типа: первым типом движущихся объектов в шахтах являются объекты с профилем в виде полосы, параллельным плоскости выработки (например, вагонетки и врубовые машины); вторым типом движущихся объектов в шахтах являются объекты с профилем в виде полосы, перпендикулярным плоскости выработки (например, рабочие).
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставление высокоточного способа с использованием двойной метки для определения местоположения движущегося объекта в шахте, для того чтобы решить проблемы шахтной системы определения местоположения, использующую единственную метку, такие как низкую точность, изменчивый результат определения местоположения и сильные отклонения определения местоположения.
Задача настоящего изобретения решена следующим образом: высокоточный способ определения местоположения с использованием двойной метки включает в себя способ определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте и способ определения местоположения движущегося объекта второго типа в шахте.
Конкретно, способ включает в себя этапы, на которых: осуществляют установку двух меток определения местоположения, по горизонтали или по вертикали, на движущемся объекте и выполняют их с возможностью осуществления связи с двумя базовыми станциями определения местоположения, установленными вдоль потолка выработки, и получают местоположение движущегося объекта в реальном времени с помощью построения функции оптимизации между расстоянием, определенным по показателю уровня принимаемого сигнала, и расчетным расстоянием между меткой и базовой станцией определения местоположения и поиска минимального значения.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
opt
Способ определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя этапы, на которых: осуществляют установку меток U и U определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить, соответственно, при этом расстояние между меткой U определения местоположения и меткой U определения местоположения обозначается как L, местоположение объекта в выработке может быть установлено, только если определено местоположение каждой метки, каждая метка может одновременно осуществлять связь с двумя базовыми станциями B и В определения местоположения, установленными вдоль центральной линии потолка выработки, базовые станции B и В определения местоположения соединены так, что образуют прямую линию ВВ, проекции меток U и U определения местоположения на прямой линии ВВ обозначаются как P и Р соответственно и |UP|=|UP|=Н является высотой между меткой и центром потолка выработки; пренебрегают шириной объекта на выработке и принимают одномерную модель определения местоположения, соединяют метки U и U определения местоположения для образования прямой линии UUи выбирают прямую линию UU в качестве горизонтальной оси, при этом горизонтальной координатой U является х, а горизонтальной координатой U является x+L; выбирают направление вверх в плоскости, продольной центру выработки, в качестве вертикальной оси; определяют значение x для х, которое удовлетворяет следующему уравнению, так, чтобы определить местоположение объекта:
opt
min
x=ƒ(х),
Конкретный процесс определения местоположения с использованием способа для определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя следующие этапы:
1
2
1) осуществляют установку меток U и U определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить;
2) осуществляют построение функции оптимизации:
B
B
B
1
2
B
1
2
B
B
B
1
1
2
11
12
2
1
2
21
22
1
1
1
1
1
2
координаты (x, Н) и (x+L, H) базовых станций определения местоположения и расстояние |BB|=L между базовыми станциями известны; предполагая, что координатами меток U и U определения местоположения являются (х, 0) и (x+L, 0) соответственно; x≤x≤x+L; предполагая, что расстояниями между B и метками U и U определения местоположения являются d и d соответственно, а расстояниями между В и метками U и U определения местоположения являются d и d, ∠ВUP=θ, ∠PUB=α;
осуществляют построение функции оптимизации f(x):
i
j
ij
целью операции возведения в квадрат и операции извлечения квадратного корня для правой части уравнения (1) является обеспечение того, чтобы каждое слагаемое было положительным, для предотвращения положительного сдвига, отрицательного для операции суммирования; где  - координаты меток U, i=1, 2, ;  - координаты базовой станции В, j=1, 2, определения местоположения, ; среди этих значений известны , а d могут быть определены посредством измерения показателя уровня принимаемого сигнала; величины уровня принимаемого сигнала (RSS) между узлами i и j подчиняются уравнению логнормального затухания:
где
dBm
P- величина потерь мощности в тракте передачи энергии, измеренная в дБ, между принимающим узлом и передающим узлом,
0
0
- мощность, измеренная на единичном расстоянии d, и, как правило, d=1 м;
χ - нулевое гауссово случайное значение вследствие эффекта затенения, и им можно пренебречь в настоящих расчетах;
η - коэффициент потерь мощности сигнала в тракте; следовательно:
1
2
1
2
ij
тогда только х является неизвестным в уравнении (1); подставляя U, U, B, B и d в уравнение (1), тогда:
i
j
ij
opt
если результат определения местоположения является несмещенной оценкой, то тогда |UB|=d и ƒ(x)=0; если результат определения местоположения является смещенной оценкой, должно быть взято значение х, которое может минимизировать f(x), т.е. положение x объекта, местоположение которого необходимо определить, может быть определено путем решения задачи нахождения значения х, которое минимизирует f(x):
3) решают функцию оптимизации:
0
(1) получают начальное итерационное значение x с использованием способа определения местоположения, использующего единственную метку, для объекта в шахте:
B
11
11
B
B
21
21
sinθ=(x-x)/d, cosθ=H/d, sinα=(x+L-x)/d, cosα=H/d,
21
B
B
21,
cosα=H/d, sinα=(x+L-x)/d следовательно,
1
1
2
для ΔBUB, согласно теореме косинусов, тогда:
0
решают уравнение (7) с радикалом формулы для квадратичного уравнения с одним неизвестным и предполагают решение в виде начального итерационного значения x, тогда:
в
в
B
B
B
где а=1, b=-(2x+L),  одно из решений может быть отброшено согласно с x≤x≤x+L, так что получается единственное начальное итерационное значение;
(2) получают оптимальное решение с помощью двунаправленного итерационного способа, в котором:
0
i+1
i
i+1
i
2
1
opt
0
i+1
i
i
i
opt
i+1
берут x в качестве исходной точки, принимают, что x=x±Δx, i=0, 1, 2, …, N, и подставляют это в уравнение (4) для решения задачи нахождения значения ƒ(x) функции f(x) в i+1 шаге итерации; где N - заданное значение наибольшего числа итераций, Δх - шаг итерации; если Δх положительное, то итерирование будет выполняться в направлении B (т.е. итерирование в правом направлении); в противоположном случае итерирование будет выполняться в направлении B (т.е. итерирование в левом направлении); в начале итерирования x=x; в процессе итерирования, если ƒ(x)>ƒ(x), то пусть х=x; в противоположном случае оно оставляется неизменным; для увеличения скорости итерирования здесь используется двунаправленное итерирование; пусть  что соответствует итерированию в правом направлении и итерированию в левом направлении соответственно;
th
th
процесс итерирования завершается, если выполнены следующие условия: (1) весь процесс итерирования будет завершен, если количество итераций превысит пороговое значение N; (2) если  но  итерирование в правом направлении будет завершено, тогда как будет выполняться только итерирование в левом направлении; если  но  итерирование в левом направлении будет завершено, тогда как будет выполняться только итерирование в правом направлении; (3) если  и , весь процесс итерирования будет завершен; (4) когда ƒ(x)≤ƒ, весь процесс итерирования будет завершен, где ƒ - заданное пороговое значение ошибки расстояния.
Способ определения местоположения движущегося объекта второго типа в шахте включает в себя этапы, на которых:
1
2
1
2
1
1
2
1
1
2
B
1) осуществляют установку меток U и U определения местоположения на головной и средней частях объекта, местоположение которого необходимо определить, и принимают, что |UU|=L, а расстоянием от U до проекции Р на ВВ является |UP|=H, |BB|=L;
opt
2) строят функцию оптимизации, при этом положением объекта, местоположение которого необходимо определить, является x=minƒ(x);
3) находят оптимальное решение:
(1) используя
для нахождения начального итерационного значения,
B
B
B
B
B
где а=1, b=-(2x+L), ; одно из решений может быть отброшено согласно с x≤x≤x+L, так что получается единственное начальное итерационное значение;
opt
(2) получают оптимальное решение x с помощью двунаправленного итерационного способа.
Положительные эффекты
По указанной выше схеме устанавливают две метки определения местоположения, по горизонтали или по вертикали, на движущемся объекте, и выполняют их с возможностью осуществления связи с двумя базовыми станциями определения местоположения, установленными вдоль потолка выработки, и получают местоположение движущегося объекта в реальном времени с помощью построения функции оптимизации между расстоянием, определенным по показателю уровня принимаемого сигнала, и расчетным расстоянием между меткой и базовой станцией определения местоположения и поиска минимального значения. Функцию оптимизации определяют с помощью процесса итераций, включая этап, на котором определяют начальное итерационное значение и шаг итерации в левом/правом направлении. Способ преодолевает существенный недостаток определения местоположения, использующего единственную метку, т.е. высокую восприимчивость к факторам окружающей среды в шахте, и замечательно повышает точность определения местоположения. Две или даже более метки определения местоположения могут быть установлены на оборудовании и персонале для повышения точности определения местоположения с использованием пространственного ограничения между метками. Способ решает проблемы низкой точности, изменчивого результата определения местоположения и сильных отклонений определения местоположения, присущих шахтным системам определения местоположения, использующих единственную метку, и достигает цели настоящего изобретения.
Преимущества
Настоящее изобретение использует способ с двумя сметками для определения местоположения движущихся объектов в шахте. С помощью способа, раскрытого в настоящем изобретении, точность определения местоположения может быть замечательно улучшена простым добавлением метки определения местоположения на объект, местоположение которого необходимо определить. Таким образом, цена усовершенствования низка, а ввод в действие легок. Способ применим для определения местоположения объектов с профилем в виде полосы, параллельным плоскости выработки (например, шахтная тележка или врубовая машина), или объектов с профилем в виде полосы, перпендикулярным плоскости выработки (например, рабочий).
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема определения местоположения с использованием двух меток движущегося объекта первого типа в шахте в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема определения местоположения с использованием двух меток движущегося в шахте объекта второго типа в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Первый вариант реализации
Высокоточный способ определения местоположения с использованием двойной метки включает в себя способ определения местоположения движущегося объекта первого типа шахте и способ определения местоположения движущегося объекта второго типа в шахте; конкретно, способ включает в себя этапы, на которых: осуществляют установку двух меток определения местоположения, по горизонтали или по вертикали, на движущемся объекте и выполняют их с возможностью осуществления связи с двумя базовыми станциями определения местоположения, установленными вдоль потолка выработки, и получают местоположение движущегося объекта в реальном времени с помощью построения функции оптимизации между расстоянием, определенным по показателю уровня принимаемого сигнала, и расчетным расстоянием между меткой и базовой станцией определения местоположения и поиска минимального значения.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
opt
Способ определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя этапы, на которых: осуществляют установку меток U и U определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить, соответственно, при этом расстояние между меткой U определения местоположения и меткой U определения местоположения обозначается как L, местоположение объекта в выработке может быть установлено, только если определено местоположение каждой метки, каждая метка может одновременно осуществлять связь с двумя базовыми станциями B и В определения местоположения, установленными вдоль центральной линии потолка выработки, базовые станции B и B определения местоположения соединены так, что образуют прямую линию ВВ, проекции меток U и U определения местоположения на прямой линии ВВ обозначаются как P и Р соответственно и |UP|=|UP|=Н является высотой между меткой и центром потолка выработки; пренебрегают шириной объекта на выработке и принимают одномерную модель определения местоположения, соединяют метки U и U определения местоположения для образования прямой линии UU, и выбирают прямую линию UU в качестве горизонтальной оси, при этом горизонтальной координатой U является х, а горизонтальной координатой U является x+L; выбирают направление вверх в плоскости, продольной центру выработки, в качестве вертикальной оси; решают задачу определения значения x для x, которое удовлетворяет следующему уравнению, так, чтобы определить местоположение объекта:
opt
x=minƒ(x).
Конкретный процесс определения местоположения с использованием способа для определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя следующие этапы:
1
2
1) осуществляют установку меток U и U определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить;
2) осуществляют построение функции оптимизации:
B
B
B
1
2
B
1
2
B
B
B
1
1
2
11
12
2
1
2
21
22
1
1
1
1
1
2
координаты (х, H) и (x+L, Н) базовых станций определения местоположения и расстояние |BB|=L между базовыми станциями известны; предполагая, что координатами меток U и U определения местоположения являются (х, 0) и (х+L, 0) соответственно; х≤х≤х+L, предполагая, что расстояниями между B и метками U и U определения местоположения являются d и d  соответственно, а расстояниями между B и метками U и U определения местоположения являются d и d, ∠BUP=θ, ∠PUB=α;
осуществляют построение функции оптимизации f(x):
i
j
ij
целью операции возведения в квадрат и операции извлечения квадратного корня для правой части уравнения (1) является обеспечение того, чтобы каждое слагаемое было положительным, для предотвращения положительного сдвига, отрицательного для операции суммирования; где  - координаты меток и U, i=1, 2, ;  - координаты базовой станции B, j=1, 2, определения местоположения, ; среди этих значений известны , а d могут быть определены посредством измерения показателя уровня принимаемого сигнала; величины уровня принимаемого сигнала (RSS) между узлами i и j подчиняются уравнению логнормального затухания:
где
dBm
P - величина потерь мощности в тракте передачи энергии, измеренная в дБ, между принимающим узлом и передающим узлом,
0
0
- мощность, измеренная на единичном расстоянии d, и, как правило, d=1 м;
χ - нулевое гауссово случайное значение вследствие эффекта затенения, и им можно пренебречь в настоящих расчетах;
η - коэффициент потерь мощности сигнала в тракте; следовательно,
1
2
1
2
ij
тогда только х является неизвестным в уравнении (1); подставляя U, U, В, B и d в уравнение (1), тогда:
i
j
ij
opt
если результат определения местоположения является несмещенной оценкой, то тогда |UB|=d и ƒ(x)=0; если результат определения местоположения является смещенной оценкой, должно быть взято значение х, которое может минимизировать f(x), т.е. положение x объекта, местоположение которого необходимо определить, может быть определено путем решения задачи нахождения значения х, которое минимизирует f(x):
3) решают функцию оптимизации:
0
(1) получают начальное итерационное значение x с использованием способа определения местоположения, использующего единственную метку, для объекта в шахте.
B
11
11
B
B
21
21
Как видно из Фиг. 1, sinθ=(x-x)/d,cosθ=H/d, sinα=(x+L-x)/d, cosα=H/d,
21
B
B
21
cosα=H/d, sinα=(x+L-x)/d, следовательно,
1
1
2
для ΔBUB, согласно теореме косинусов, тогда:
0
решают уравнение (7) с радикалом формулы для квадратичного уравнения с одним неизвестным и предполагают решение в виде начального итерационного значения x, тогда:
B
B
B
B
B
где а=1, b=-(2х+L),  одно из решений может быть отброшено согласно с x≤x≤x+L, так что получается единственное начальное итерационное значение;
(2) получают оптимальное решение с помощью двунаправленного итерационного способа, в котором:
0
i+1
i
i+1
i
2
1
opt
0
i+1
1
i
i
opt
i+1
берут x в качестве исходной точки, принимают, что х=х±Δх, i=0, 1, 2, …, N, и подставляют это в уравнение (4) для решения задачи нахождения значения ƒ(x) функции f(x) в i+1 шаге итерации; где N - заданное значение наибольшего числа итераций, Δx - шаг итерации; если Δх положительное, то итерирование будет выполняться в направлении B (т.е. итерирование в правом направлении); в противоположном случае итерирование будет выполняться в направлении B (т.е. итерирование в левом направлении); в начале итерирования x=x, в процессе итерирования, если ƒ(x)>ƒ(x), то пусть х=x, в противоположном случае оно оставляется неизменным; для увеличения скорости итерирования здесь используется двунаправленное итерирование; пусть  что соответствует итерированию в правом направлении и итерированию в левом направлении соответственно;
th
th
процесс итерирования завершается, если выполнены следующие условия: (1) весь процесс итерирования будет завершен, если количество итераций превысит пороговое значение N; (2) если, но , итерирование в правом направлении будет завершено, тогда как будет выполняться только итерирование в левом направлении; если  но  итерирование в левом направлении будет завершено, тогда как будет выполняться только итерирование в правом направлении; (3) если  и , весь процесс итерирования будет завершен; (4) когда ƒ(x)≤ƒ, весь процесс итерирования будет завершен, где ƒ - заданное пороговое значение ошибки расстояния.
Способ определения местоположения движущегося объекта второго типа в шахте включает в себя этапы, на которых:
1
2
1
2
1
1
2
1
1
2
B
1) осуществляют установку меток U и U определения местоположения на головной и средней частях объекта, местоположение которого необходимо определить, и принимают, что |UU|=L, а расстоянием от U до проекции Р на ВВ является |UP|=H, |BB|=L;
opt
2) строят функцию оптимизации, при этом положением объекта, местоположение которого необходимо определить, является x=minƒ(x).
3) находят оптимальное решение:
(1) используя
для нахождения начального итерационного значения,
B
B
B
B
B
где a=1, b=-(2x+L),  одно из решений может быть отброшено согласно с x≤x≤x+L, так что получается единственное начальное итерационное значение;
opt
(2) получают оптимальное решение x с помощью двунаправленного итерационного способа.