Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОТОЧНЫЙ СПОСОБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВОЙНОЙ МЕТКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ В ШАХТЕ

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.

Способ определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя этапы, на которых: осуществляют установку меток U₁ и U₂ определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить, соответственно, при этом расстояние между меткой U₁ определения местоположения и меткой U₂ 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 B₁ и В₂ определения местоположения, установленными вдоль центральной линии потолка выработки, базовые станции B₁ и В₂ определения местоположения соединены так, что образуют прямую линию В₁В₂, проекции меток U₁ и U₂ определения местоположения на прямой линии В₁В₂ обозначаются как P₁ и Р₂ соответственно и |U₁P₁|=|U₂P₂|=Н является высотой между меткой и центром потолка выработки; пренебрегают шириной объекта на выработке и принимают одномерную модель определения местоположения, соединяют метки U₁ и U₂ определения местоположения для образования прямой линии U₁U₂и выбирают прямую линию U₁U₂ в качестве горизонтальной оси, при этом горизонтальной координатой U₁ является х, а горизонтальной координатой U₂ является x+L; выбирают направление вверх в плоскости, продольной центру выработки, в качестве вертикальной оси; определяют значение x_opt для х, которое удовлетворяет следующему уравнению, так, чтобы определить местоположение объекта:

x_opt=_minƒ(х),

Конкретный процесс определения местоположения с использованием способа для определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя следующие этапы:

1) осуществляют установку меток U₁ и U₂ определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить;

2) осуществляют построение функции оптимизации:

координаты (x_B, Н) и (x_B+L_B, H) базовых станций определения местоположения и расстояние |B₁B₂|=L_B между базовыми станциями известны; предполагая, что координатами меток U₁ и U₂ определения местоположения являются (х, 0) и (x+L, 0) соответственно; x_B≤x≤x_B+L_B; предполагая, что расстояниями между B₁ и метками U₁ и U₂ определения местоположения являются d₁₁ и d₁₂ соответственно, а расстояниями между В₂ и метками U₁ и U₂ определения местоположения являются d₂₁ и d₂₂, ∠В₁U₁P₁=θ, ∠P₁U₁B₂=α;

осуществляют построение функции оптимизации f(x):

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, i=1, 2, ; - координаты базовой станции В_j, j=1, 2, определения местоположения, ; среди этих значений известны , а d_ij могут быть определены посредством измерения показателя уровня принимаемого сигнала; величины уровня принимаемого сигнала (RSS) между узлами i и j подчиняются уравнению логнормального затухания:

где

P^dBm - величина потерь мощности в тракте передачи энергии, измеренная в дБ, между принимающим узлом и передающим узлом,

- мощность, измеренная на единичном расстоянии d₀, и, как правило, d₀=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:

тогда только х является неизвестным в уравнении (1); подставляя U₁, U₂, B₁, B₂ и d_ij в уравнение (1), тогда:

если результат определения местоположения является несмещенной оценкой, то тогда |U_iB_j|=d_ij 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_opt объекта, местоположение которого необходимо определить, может быть определено путем решения задачи нахождения значения х, которое минимизирует f(x):

3) решают функцию оптимизации:

(1) получают начальное итерационное значение x₀ с использованием способа определения местоположения, использующего единственную метку, для объекта в шахте:

sinθ=(x-x_B)/d₁₁, cosθ=H/d₁₁, sinα=(x_B+L_B-x)/d₂₁, cosα=H/d₂₁,

cosα=H/d₂₁, sinα=(x_B+L_B-x)/d_21, следовательно,

для ΔB₁U₁B₂, согласно теореме косинусов, тогда:

решают уравнение (7) с радикалом формулы для квадратичного уравнения с одним неизвестным и предполагают решение в виде начального итерационного значения x₀, тогда:

где а=1, b=-(2x_в+L_в), одно из решений может быть отброшено согласно с x_B≤x≤x_B+L_B, так что получается единственное начальное итерационное значение;

(2) получают оптимальное решение с помощью двунаправленного итерационного способа, в котором:

берут x₀ в качестве исходной точки, принимают, что x_i+1=x_i±Δx, i=0, 1, 2, …, N, и подставляют это в уравнение (4) для решения задачи нахождения значения ƒ_i+1(x_i) 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 B₂ (т.е. итерирование в правом направлении); в противоположном случае итерирование будет выполняться в направлении B₁ (т.е. итерирование в левом направлении); в начале итерирования x_opt=x₀; в процессе итерирования, если ƒ_i+1(x_i)>ƒ_i(x_i), то пусть х_opt=x_i+1; 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;

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_th, весь процесс итерирования будет завершен, где ƒ_th - заданное пороговое значение ошибки расстояния.

Способ определения местоположения движущегося объекта второго типа в шахте включает в себя этапы, на которых:

1) осуществляют установку меток U₁ и U₂ определения местоположения на головной и средней частях объекта, местоположение которого необходимо определить, и принимают, что |U₁U₂|=L, а расстоянием от U₁ до проекции Р на В₁В₂ является |U₁P|=H, |B₁B₂|=L_B;

2) строят функцию оптимизации, при этом положением объекта, местоположение которого необходимо определить, является x_opt=minƒ(x);

3) находят оптимальное решение:

(1) используя

для нахождения начального итерационного значения,

где а=1, b=-(2x_B+L_B), ; одно из решений может быть отброшено согласно с x_B≤x≤x_B+L_B, так что получается единственное начальное итерационное значение;

(2) получают оптимальное решение x_opt 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.

Способ определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя этапы, на которых: осуществляют установку меток U₁ и U₂ определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить, соответственно, при этом расстояние между меткой U₁ определения местоположения и меткой U₂ 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 B₁ и В₂ определения местоположения, установленными вдоль центральной линии потолка выработки, базовые станции B₁ и B₂ определения местоположения соединены так, что образуют прямую линию В₁В₂, проекции меток U₁ и U₂ определения местоположения на прямой линии В₁В₂ обозначаются как P₁ и Р₂ соответственно и |U₁P₁|=|U₂P₂|=Н является высотой между меткой и центром потолка выработки; пренебрегают шириной объекта на выработке и принимают одномерную модель определения местоположения, соединяют метки U₁ и U₂ определения местоположения для образования прямой линии U₁U₂, и выбирают прямую линию U₁U₂ в качестве горизонтальной оси, при этом горизонтальной координатой U₁ является х, а горизонтальной координатой U₂ является x+L; выбирают направление вверх в плоскости, продольной центру выработки, в качестве вертикальной оси; решают задачу определения значения x_opt для x, которое удовлетворяет следующему уравнению, так, чтобы определить местоположение объекта:

x_opt=minƒ(x).

Конкретный процесс определения местоположения с использованием способа для определения местоположения движущегося объекта первого типа в шахте включает в себя следующие этапы:

1) осуществляют установку меток U₁ и U₂ определения местоположения на головной и хвостовой частях объекта, местоположение которого необходимо определить;

2) осуществляют построение функции оптимизации:

координаты (х_B, H) и (x_B+L_B, Н) базовых станций определения местоположения и расстояние |B₁B₂|=L_B между базовыми станциями известны; предполагая, что координатами меток U₁ и U₂ определения местоположения являются (х, 0) и (х+L, 0) соответственно; х_B≤х≤х_B+L_B, предполагая, что расстояниями между B₁ и метками U₁ и U₂ определения местоположения являются d₁₁ и d₁₂ соответственно, а расстояниями между B₂ и метками U₁ и U₂ определения местоположения являются d₂₁ и d₂₂, ∠B₁U₁P₁=θ, ∠P₁U₁B₂=α;

осуществляют построение функции оптимизации f(x):

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, i=1, 2, ; - координаты базовой станции B_j, j=1, 2, определения местоположения, ; среди этих значений известны , а d_ij могут быть определены посредством измерения показателя уровня принимаемого сигнала; величины уровня принимаемого сигнала (RSS) между узлами i и j подчиняются уравнению логнормального затухания:

где

P^dBm - величина потерь мощности в тракте передачи энергии, измеренная в дБ, между принимающим узлом и передающим узлом,

- мощность, измеренная на единичном расстоянии d₀, и, как правило, d₀=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,

тогда только х является неизвестным в уравнении (1); подставляя U₁, U₂, В₁, B₂ и d_ij в уравнение (1), тогда:

если результат определения местоположения является несмещенной оценкой, то тогда |U_iB_j|=d_ij 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_opt объекта, местоположение которого необходимо определить, может быть определено путем решения задачи нахождения значения х, которое минимизирует f(x):

3) решают функцию оптимизации:

(1) получают начальное итерационное значение x₀ с использованием способа определения местоположения, использующего единственную метку, для объекта в шахте.

Как видно из Фиг. 1, sinθ=(x-x_B)/d₁₁, cosθ=H/d₁₁, sinα=(x_B+L_B-x)/d₂₁, cosα=H/d₂₁,

cosα=H/d₂₁, sinα=(x_B+L_B-x)/d₂₁, следовательно,

для ΔB₁U₁B₂, согласно теореме косинусов, тогда:

решают уравнение (7) с радикалом формулы для квадратичного уравнения с одним неизвестным и предполагают решение в виде начального итерационного значения x₀, тогда:

где а=1, b=-(2х_B+L_B), одно из решений может быть отброшено согласно с x_B≤x≤x_B+L_B, так что получается единственное начальное итерационное значение;

(2) получают оптимальное решение с помощью двунаправленного итерационного способа, в котором:

берут x₀ в качестве исходной точки, принимают, что х_i+1=х_i±Δх, i=0, 1, 2, …, N, и подставляют это в уравнение (4) для решения задачи нахождения значения ƒ_i+1(x_i) 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 B₂ (т.е. итерирование в правом направлении); в противоположном случае итерирование будет выполняться в направлении B₁ (т.е. итерирование в левом направлении); в начале итерирования x_opt=x₀, в процессе итерирования, если ƒ_i+1(x₁)>ƒ_i(x_i), то пусть х_opt=x_i+1, 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;

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_th, весь процесс итерирования будет завершен, где ƒ_th - заданное пороговое значение ошибки расстояния.

Способ определения местоположения движущегося объекта второго типа в шахте включает в себя этапы, на которых:

1) осуществляют установку меток U₁ и U₂ определения местоположения на головной и средней частях объекта, местоположение которого необходимо определить, и принимают, что |U₁U₂|=L, а расстоянием от U₁ до проекции Р на В₁В₂ является |U₁P|=H, |B₁B₂|=L_B;

2) строят функцию оптимизации, при этом положением объекта, местоположение которого необходимо определить, является x_opt=minƒ(x).

3) находят оптимальное решение:

(1) используя

для нахождения начального итерационного значения,

где a=1, b=-(2x_B+L_B), одно из решений может быть отброшено согласно с x_B≤x≤x_B+L_B, так что получается единственное начальное итерационное значение;

(2) получают оптимальное решение x_opt с помощью двунаправленного итерационного способа.