基于WSN与惯性导航的井下人员定位系统设计与应用

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近年来,我国煤炭产业在能源领域所起作用越来越多重要,煤矿生产的安全问题也日益受到各方面的关注。基于我国煤矿分布特征和生产条件,煤炭开采中人工作业所占的比例大,因此无论从日常生产的管理效率出发,还是从矿难发生时的救援出发,煤炭企业需要了解作业人员在煤矿井下的准确位置分布。目前大部分煤矿使用的安全生产监控系统并不能满足企业的需要,因此设计具有准确性与实时性的井下人员定位系统具有重要意义。基于上述情况,本文对适用于井下的人员定位技术进行研究,设计符合要求的井下人员定位系统。煤矿井下属于封闭环境,且地形复杂、环境干扰严重,在实现人员的定位的同时,也需要对环境参数进行监控。本文选用无线传感器网络进行煤矿的安全监控与人员定位,充分发挥其集无线通信、数据采集与信息处理等功能于一体,具有自组织性的特点。通过对不同条件下无线信号在室内衰减程度的分析,利用无线传感器网络中的接收信号强度标识进行定位,并针对巷道的一维特性,对加权质心定位算法进行改进,在保证良好定位效果的同时减少了节点布置密度,降低算法复杂度和系统成本。利用无线信号进行定位,无法避免环境因素的干扰,为了进一步提高定位精度,引入属于自主性定位的惯性导航技术作为定位辅助,保证定位系统能在井下恶劣的环境运行。本文主要设计具有实时性的姿态方位参考系统,并基于人员行走的姿态特征,根据脚部姿态角变化,设计零速修正技术,克服惯性导航中误差积累的问题,使其适用于人员定位,从而提高无线传感器网络定位的效果。最后,本文对井下人员定位系统提出整体设计方案,给出本文定位方法的软件与硬件模块的实现,并设计定位系统地面监控与数据库部分,构成完整的煤矿井下人员定位系统。
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