基于WPT技术的井下定位系统关键技术研究

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我国煤矿井下自动化监控系统种类多、数量大,但各个系统自成体系,互不兼容,造成了煤矿井下出现多套监控系统并存的局面,造成了资源的极大浪费。物联网技术的兴起和发展,为这些系统的整合提供了统一的网络平台,同时也为实现全矿井的无线覆盖、人员及设备的定位和感知提供了新的技术手段。作为感知矿山物联网系统的重要组成部分,井下无线定位系统担负着井下人员和设备的实时定位、环境感知、以及指导灾后搜救等重要任务,是保证煤矿安全生产的重要途径和手段。但无线定位节点一般采用电池供电,能量有限,特别是物联网定位系统中的无线节点,有时还要担负音频甚至视频信号的采集和传输,能量开销非常大。因此,能量的消耗是制约无线定位系统井下应用的主要因素。无线电能传输技术的发展,为井下无线设备的供能提供了新的思路。通过无线输能系统,可以保证井下无线节点的电量充足,不仅可以免去为数以千计无线节点更换电池的不变,还可以保证救灾时所有定位节点都具有充足的电量,完成遇险人员搜救的任务。为了实现上述目标,本文提出了能够应用于矿山物联网的基于WPT技术的无线定位系统。本文将从五个方面对相关关键技术进行了阐述。首先,以感知矿山示范工程为研究背景,以夹河煤矿为例,分析国内现有井下无线定位系统的现状,找出其存在的问题及不足,提出并设计了一种可用于物联网的井下人员定位系统。其次,建立无线电磁波在工作面传输的信道模型,提出了工作面无线电波的传输定律(RTRWP Law),并仿真分析了无线电磁波在工作面和巷道传播时的差异,进而为无线定位系统设计了两种应用于不同巷道环境的拓扑结构,此外,还给出了无线定位所需要的信号能量计算方法。第四,针对在两种不同应用环境的拓扑结构,提出了两种相应的定位算法,并进行了仿真,结果表明,改进的RSSI算法与经典的RSSI算法相比能够显著地减少误差。最后,也是最重要的部分,是为井下无线定位系统设计了电能的无线传输系统,为了将无线电能传输系统应用于煤矿井下,本文提出了交叠圆式发送结构,实验结果表明,交叠圆式谐振耦合式电能传输系统能
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