基于三维可视化与zigbee技术的真三维人员煤矿人员定位系统

基于三维可视化与zigbee技术的真三维人员煤矿人员定位系统

采矿业编年史系统能够实时感知钻井人员的位置、状态等信息，提高煤矿人员的规划和管理，为救援人员提供安慰，是现代煤矿公司监测的主要组成部分。目前,煤矿人员定位系统研究主要在无线传感器设计、定位节点拓扑优化、算法设计、全局定位等方面,通过在二维平面上随机或均布人员定位节点,来研究定位算法的合理性与精准度。文献分别对基于RFID和Zigbee无线射频识别技术的人员定位系统进行了概述;文献对煤矿人员的定期算法进行了研究,提出了一种基于加权的三边测位算法;文献通过将井下多个定位节点划分为独立的定位单元,提出了一种带有盲区巷道定位功能的全局人员定位系统;文献对基于RSSI技术的无线网络定位系统进行了优化,提出了一种加权质心定位算法,提高了煤矿人员定位的精度。然而,由于煤矿井下工作环境恶劣、障碍物较多、巷道分层布置且存在随机变化等情况,以上定位系统在实际煤矿应用中多存在以下几个问题:①依托于传统二维的人员定位算法,无法真正提供井下从业人员的三维位置坐标;②无线信号在井下复杂工作环境下衰减较快,在保证定位精度的情况下需大量增加定位节点数量,提高了定位成本;③系统界面设计单调,无法实时观测到井下工作人员的位置信息。为此,本文在传统定位系统的基础上,提出了一种真三维加权人员定位算法与微弱信号检测技术;同时,利用井下巷道的设计信息,通过三维可视化显示技术,将井下巷道以三维形式逼真的投射到了定位系统之中,从而解决了现存定位系统定位精度低、成本高、人机界面操作枯燥等缺点。1系统的体系结构根据煤矿的生产开采环境,可以将煤矿分为井上和井下两个部分,同时,井下又可以细分为巷道区和工作面生产区。在巷道区,生产环境稳定,地形开阔平坦,设置为以光纤为骨干网络的有线监控网络;在工作面生产区,生产条件复杂,且随着生产的推进,工作面也不断地向前推移,在这种环境下布置以光纤为骨干网络的有线监控网络存在不便安装与资源浪费的情况,因此,在工作面生产区无线读卡器通过无线多功能分站将信号转输到有线分站内,具体真三维煤矿人员定位系统的体系结构如图1所示。系统主要由布置在井下的无线监控网络、多功能分站、有线骨干网和地面上的监控调度中心组成,其中无线监控网络由基于Zigbee无线传输技术的网络组成,配备有无线发射信号的无线读卡器采集井下工人携带移动节点的地理位置信息,并将收集到的信息通过RS485总线以多级跳的形式传输到有线多功能分站,紧接着有线多功能分站通过CAN总线,将无线读卡器传输过来的人员位置信息传输到数据传输接口处,并通过有线光纤网络汇集到地面监控中心(GMDC)。地面监控中心主要由服务器和中央计算机组成,服务器内部导入有矿井整体的三维模型信息,地面监控人员可以通过中央计算机对井下工作人员的地理位置信息进行三维立体显示、查询、存储、预警和调度分析。此外,服务器还通过Internet协议与互联网相连,使得远程管理人员可以通过互联网对矿井的整体生产情况进行三维显示、查询与管理。2真正的三维员工管理系统是优化的2.1维块体模型建模技术常用的三维模型表达方式分为实体模型和块体模型,实体模型构建属于表面展示的三维建模技术,例如通过Maya、3DMAX等建模软件创建出的三维实体模型,利用参考点和离散点技术来自动或命令生成符合实际要求的三维模型数据,用以表示某一个立体空间的三维实体模型影像,实体模型建模技术起步较早、技术成熟、能够轻易的表达复杂的模型结构;三维块体模型表达方式是利用数学统计分析法,将被创建模型根据不同的品位分成独立的块体单元,例如常用的岩土工程专业分析软件Surpac。块体模型表达的精准度取决于块体单元的选取与模型属性,常用于矿区资源储量的测定与矿体品质的划分。2.1.1真三维煤矿模型建立步骤专业的三维实体模型创建软件3DMAX,使得模型的创建、修改、导出和渲染更加方便快捷,现已多用于工业场景展示与虚拟仿真等领域。在对煤矿工业生产环境模型的创建过程中,依据矿井的实际生产资料,使用3DMAX依次创建出地面工业场景和井下巷道等相关模型,真实形象的展示了煤矿的生产生活环境如图2所示。在真三维煤矿人员定位系统中建立的三维模型主要有:地面工业场景、井巷、轨道、电器设备、矿用机械、管线、矿车等,具体实施步骤如下。(1)数据的收集与处理:收集矿井的规划设计资料,包括有工业场景设计图纸、地形地质、矿用机械及其辅助设备设计图纸、照片等数据,并利用AutoCAD,Photoshop等处理软件对资料进行处理,以满足3DMAX建模数据的要求;(2)3DMAX建模:依据前期收集的模型数据,利用3DMAX内置的强大建模工具,分别对地面工业场景、井巷、轨道等煤矿生产场景进行模型的创建;(3)模型优化:为了进一步提高场景模型的仿真逼真度,对所创建煤矿生产场景等三维实体模型赋予贴图与材质,并辅以灯光、雾效等环境效果,设置参数。以期达到最大效果的仿真度如图3所示。2.1.2设置导入模型首先,调整Converse3D。双击打开,新建一个虚拟现实项目文件,单击“坐标原点”调整将要导入模型的位置坐标,分别把将要导入模型的x,y,z轴坐标轴设置为(0,0,0)。其次,设置导出模型参数。选中3DMAX中将要导出的矿井三维实体模型,调整模型尺寸,将所有模型缩放到合适尺寸大小,紧接着烘焙模型贴图到Texture文件夹内。最后,导出矿井三维模型到Converse3D内。打开Utilities面板,单击Converse3D工具栏,设置LightingMap烘焙通道为SpecularColor,再单击“导出模型”按钮,将导出模型路径指定到Models文件夹内,单击确定导出模型。2.2无线转换点的距离真三维矿井人员定位算法是通过测算井下未知工作人员坐标和3个空间参考点之间的距离来进行定位的一种新型人员定位算法。在矿井真三维人员定位系统进行工作时,基于Zigbee无线信号的技术的无线读卡器通过内置天线向矿井工作人员身上携带的移动节点发射请求信号,通过测量无线读卡器接收到移动节点反馈回来的无线信号强度,来估算移动节点与读卡器之间的距离。如图4所示,A,B,C为3个空间坐标已知的无线读卡器,P点为将要进行定位的井下工作人员,待A点接收到P点反馈回来的无线信号时,表明P点在以A为球心,以测算距离l1为半径的球体之上。同理,P点也分别在以B,C为球心,以测算距离l2,l3为半径的球体之上。其中,A,B和C的3个参考点的位置坐标已知,分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),待测井下工作人员P点到3个参考节点之间的测算距离分别为l1,l2,l3,假设待测工作人员P的空间位置坐标为(x,y,z)由空间两点之间的距离关系可得方程组:化简方程可得利用逆阵解方程组可得P点的位置坐标为以3个参考点为球心,测量距离为半径的3个球空间交于一点,就是井下待测工作人员的具体位置坐标,然而受井下复杂生产环境及无线信号传输损耗的影响,在实际人员定位过程中,3个球体并不会形成于一点,而是形成如图5所示的空间阴影区域M,进而照成一定的定位误差,为了满足实际的定位需要,赋予每一个定位参考点一定的权重,并选取权重靠前的3个参考点参与运算,利用数学运算中的最大概似法估算目标位置。2.3微细信号检测的关键技术在煤矿人员定位系统中,“微弱信号”不仅仅是波幅范围较小的信号,而主要是指那些被干扰噪声淹没的有用信号。因此微弱信号检测的关键技术就是提高有用信号的信噪比SNR(信噪比:是指有用信号S和干扰噪声之间的比值S/N),在煤矿生产环境中,巷道内分布有众多不同类型的导线,不同导线之间形成电场耦合产生电场噪声,因此,煤矿人员定位系统中“微弱信号”检测的关键技术即为从电场噪声中将有用信号检测出来。2.3.1导电电极的设计分布电容是指在印制电路板或其他电路形态中,两个存在电压差而又相互绝缘的导体之间形成的电容,分布电容是产生电场噪声的主要因素,下式为两条平行导线之间的分布电容计算公式:式中,C为分布电容,pF;l为两条平行线中较短的一条长度,mm;D为两条平行线水平之间的距离,mm;d为导线的直径,mm;ε为介电常数。2.3.2cu3000da型电子鼻设计资如图6(a)所示,AB,CD为电路中两条平行的通电直导线,μ为导线AB中随机载有的随机噪声,经分布电容C耦合到CD电路放大器的输入端,形成CD电路中的电场耦合噪声,由串联分压关系可知由于分布电容C极小存在,所以2πkfRiCue04d1,式(1)可简化为式中,Vc为干扰噪声电压,mV;k为电器耦合影响系数;f为干扰噪声频率,Hz;Ri为放大器输入电阻,kΩ。由式(2)可知,电场耦合噪声受分布电容C的影响较明显,分布电容C越大,干扰噪声越明显,所以在煤矿人员定位系统设计过程中,应尽量降低分布电容C对人员定位精度的影响。2.3.3导线与干扰线道接触网离的影响方法1:由分布电容的计算公式可知,分布电容的数值随着两条平行直导线之间距离D的增大而减少,因此,在对真三维煤矿人员定位系统数据线的假设过程中,应该尽量确保信号线远离干扰线的影响。倘若受生产环境限制不能远离,也应尽量确保信号线与干扰线的垂直假设。方法2:由电场耦合的定义可知,两条平行直导线周围的其他导体,将对导线之间的耦合电场造成影响,进而改变两道线之间分布电容的数值,如图6(b)所示,将两条直导线平行置于地平面之上,导线距地面的高度为h,由于受地平面的影响,在满足Due04cd,hue04cd,lue04ch的情况下,分布电容C的大小可表示为式中,h为导线距地面的高度,mm。由式可知,两条直导线支架的电容C随着直导线距地面的距离h的缩短而减小。因此,在对人员定位系统监控分站、无线读卡器等设备的安装过程中,需将设备的金属外壳接地,仿造出图中的地面,进而降低电场耦合噪声对定位精度的影响。3模拟巷道中zified测试在真三维煤矿人员定位过程中,定位参考节点无线读卡器将采集到的移动节点数据信息、无线信号强度、定位参考节点编号等信息传输到井下监控分站,然后汇总通过WAN总线或光纤网传输到地面监控中心,监控中心对收集到的信息进行数据处理,选择参考节点权重较高的3个节点参与真三维人员定位计算。最后,将得到的人员位置信息通过人员信息表格或三维可视化的形式展示出来。如图7(a)所示,为了对所提出的基于三维可视化与Zigbee技术的真三维煤矿人员定位系统进行性能评估,在实验室模拟巷道中对定位系统进行性能测试,巷道断面如图7(c)所示,为半圆拱形巷道,长100m、宽3.8m、高3.7m与现实矿井中巷道的基本情况相同,用于模拟矿井生产中的运输大巷。以巷道入口处为空间坐标原点,如图7(b)中坐标轴所示,建立x轴和y轴,并规定竖直方向为z轴,7个参考点分布在巷道的两侧,相邻节点之间的距离不大于40m,根据矿用矿用防爆电器设备的通用规定,在满足参考点易组网、低成本,并满足Zigbee无线通信协议的情况下,参考节点选用Four-Faith公司生产的F8414ZigbeeIPMODEM,其工作频段为2.4GHz,信号传输速率为250kbps,由标准供电电源DC12V/0.5A供电。为了增加测试结果的客观合理性,选取8个位置进行分别测试,然后对测试的误差求取平均值,得到如表1和图8所示的测试结果。平均误差:分析表1和图8的数据可知,采用真三维人员定位算法设计的煤矿人员定位系统,