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一種專網(wǎng)通信設(shè)備下的UWB&藍(lán)牙融合定位方案研究-真源科技

 摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展，傳統(tǒng)的GPS定位及藍(lán)牙定位等技術(shù)已不能滿足實(shí)際生產(chǎn)生活中的高精度要求。而傳統(tǒng)的UWB定位技術(shù)雖然提供了較高的精度，但組網(wǎng)成本明顯超過其他方案。為了提高定位精度，同時降低定位方案成本，本文提出了一種UWB&藍(lán)牙融合定位的方案，通過硬件及系統(tǒng)的融合，終端設(shè)備同時保留了UWB和藍(lán)牙兩種技術(shù)手段；通過LORA技術(shù)將定位底層數(shù)據(jù)傳入定位平臺并完成設(shè)備的組網(wǎng)；通過卡爾曼濾波算法及改進(jìn)傳統(tǒng)的CHAN算法，減少了噪聲因素的干擾，在提升定位精度及穩(wěn)定性同時，大大降低了硬件及施工成本。

關(guān)鍵詞：UWB；融合定位；設(shè)備組網(wǎng)；CHAN算法；定位平臺；

引言
 
當(dāng)前?；た偖a(chǎn)值占世界總量的40%，預(yù)計2030年將達(dá)到50%?；どa(chǎn)過程復(fù)雜多樣，涉及的物料易燃易爆，有毒有害，生產(chǎn)條件多高溫高壓，低溫負(fù)壓，現(xiàn)場危險化學(xué)品儲存量大，危險遠(yuǎn)集中。與此同時，化工（危險化學(xué)品）企業(yè)（以下簡稱危險化學(xué)品企業(yè)）重特大事故多發(fā)，傳統(tǒng)安全風(fēng)險管控手段“看不住、管不住、管不好”等問題突出。隨著新一代信息技術(shù)的興起，依靠物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能（AI ）、5G等新興技術(shù)，建設(shè)危險化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險智能化管控平臺，加強(qiáng)在感知、監(jiān)測、預(yù)警、處置、評估等環(huán)節(jié)賦能危險化學(xué)品企業(yè)破解企業(yè)，破解安全生產(chǎn)的痛點(diǎn)、難點(diǎn)、堵點(diǎn)問題，是實(shí)現(xiàn)危險化學(xué)品企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路。
為認(rèn)真貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于危險化學(xué)品和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用的重要指示精神和黨中央、國務(wù)院有關(guān)決策部署，落實(shí)《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計劃（2021-2023年）》和《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”試點(diǎn)建設(shè)方案》工作安排，有效指導(dǎo)全國危險化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險管控數(shù)字化轉(zhuǎn)型智能化升級，中華人民共和國應(yīng)急管理部于2022年1月發(fā)布了《危險化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險智能化管控平臺建設(shè)指南（試行）》文稿，要求各地應(yīng)急管理局遵照執(zhí)行。其中，明確要求“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”建設(shè)項(xiàng)目需要建設(shè)智能能源定位管理系統(tǒng)，并要求使用新型無線電技術(shù)為基礎(chǔ)的新型定位方案。本次研究及根據(jù)不同場景使用一種或者多種融合定為技術(shù)來實(shí)現(xiàn)定位。
 
一、系統(tǒng)設(shè)計及定位算法

1、系統(tǒng)設(shè)計

融合定位的整體系統(tǒng)由提供定位底層數(shù)據(jù)的定位信標(biāo)、接收及上傳定位信息的融合定位標(biāo)簽、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的定位基站、處理標(biāo)簽定位信息及計算定位坐標(biāo)的定位平臺四個部分組成，框圖如圖1所示：
圖1：融合定位系統(tǒng)框圖
 
其中，負(fù)責(zé)UWB定位的是DecaWave公司的DW1000芯片，主要功能就是記錄收發(fā)信息的時間戳及通信處理；定位基站不僅可以向定位平臺通過4G或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)送標(biāo)簽的定位信息，同時也可以向標(biāo)簽通過LORA發(fā)送一些平臺的配置及報警信息。
標(biāo)簽工作時，會開啟掃描藍(lán)牙及UWB信號的時間窗口，當(dāng)同時收到藍(lán)牙和UWB的信標(biāo)數(shù)據(jù)時，標(biāo)簽會根據(jù)當(dāng)前的底層數(shù)據(jù)信息自動選擇藍(lán)牙定位或者UWB定位，定位方式的靈活切換帶來的是應(yīng)用場景的靈活配置，能有效滿足不同用戶及場景需求。
 
2、定位算法

無線定位系統(tǒng)的定位方法主要分為基于信號接收強(qiáng)度法(RSSI)、基于信號到達(dá)角度法(AOA)、基于接收信號時間法(TOA)、基于信號到達(dá)時間差法(TDOA)等。本文主要使用TOA法。TOA法的常見的有三點(diǎn)定位法和Chan算法，三點(diǎn)定位法對與底層的定位數(shù)據(jù)要求較高，而Chan氏算法不僅可以應(yīng)用于基于TOA的定位方法，還可以應(yīng)用與基于TDOA的定位方法中，所以應(yīng)用較廣且對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。
Chan算法是一種利用MAX似然估計法進(jìn)行坐標(biāo)位置預(yù)測的方法，當(dāng)無線定位設(shè)備的底層定位測量數(shù)據(jù)誤差服從高斯分布時，該算法定位精度高且計算量較小，以三基站為例對Chan算法進(jìn)行分析。
設(shè)存在三個基站S?(X?,Y?),S?(X?,Y?),S?(X?,Y?),待定位目標(biāo)位置坐標(biāo)為(x,y)，根據(jù)空間幾何學(xué)可以得到：
 

其中，待測目標(biāo)到三個基站間的距離為：
 
                                                                               

由公式1-1可以得到如下結(jié)果：
 
                 
                                                                  
上式經(jīng)變換可以得到等式：
 
 
令通過簡化上式可以得到：
 
                                    
 
將上式整理成矩陣的形式：
 
                                                                                        
其中，矩陣，，，，

，，c表示電磁波速，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到達(dá)各個基站的時刻，那么目標(biāo)的坐標(biāo)可以表示為：

                                                                                
 
二、卡爾曼濾波算法
 
當(dāng)對待測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤和定位時，由先驗(yàn)知識可知定位的軌跡是平滑的，待測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時刻的狀態(tài)和上一時刻的狀態(tài)有關(guān)聯(lián)。通過這些先驗(yàn)知識我們就能夠得到更加準(zhǔn)確的待測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息。而卡爾曼濾波正是高斯過程優(yōu)濾波的一種非常有效的方法，具有較好的跟蹤性能。當(dāng)所建立的對象運(yùn)動模型和實(shí)際對象的運(yùn)動模型足夠匹配且系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)不發(fā)生突然改變時，它能夠通過當(dāng)前觀測量和先前觀測信息，按照線性小方差理論，得到待測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的優(yōu)估值，性能表現(xiàn)較好。
卡爾曼濾波器分為預(yù)估和校正兩個過程。預(yù)估期間對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并對當(dāng)前優(yōu)狀態(tài)變量以及誤差協(xié)方差進(jìn)行預(yù)估得到下一時刻狀態(tài)，構(gòu)造先驗(yàn)預(yù)估值;在校正階段，主要是根據(jù)測量更新方程的先驗(yàn)狀態(tài)估計值和當(dāng)前時刻的測量信息對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行后驗(yàn)估計，下面分別為離散卡爾曼濾波時間更新方程和狀態(tài)更新方程。
時間更新方程如下:


其中，A表示狀態(tài)變換矩陣，B為輸入控制矩陣，為先驗(yàn)估計的狀態(tài)矩陣，為上一時刻狀態(tài)的估計誤差協(xié)方差矩陣，Q表示n*n過程噪聲協(xié)方差矩陣，為n*n先驗(yàn)估計誤差協(xié)方差矩陣。
方程1-8主要是根據(jù)上一時刻狀態(tài)和外部作用估計出當(dāng)前時刻的狀態(tài)，方程1-9是利用上一次計算得到的估計誤差協(xié)方差和過程噪聲協(xié)方差預(yù)測當(dāng)前的估計誤差協(xié)方差矩陣。
狀態(tài)更新方程如下：


其中，H為m*n觀測模型矩陣，它能夠?qū)⒄鎸?shí)的狀態(tài)空間映射成觀測的空間，R為m*m過程噪聲協(xié)方差矩陣，是卡爾曼增益，其大小反映了在優(yōu)化狀態(tài)值估計過程中“更相信”觀測值還是估計值，它可以使后驗(yàn)估計的誤差協(xié)方差達(dá)到小。

 
三、定位效果與分析
 
本文為驗(yàn)證定位系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性，隨機(jī)選取了一個室內(nèi)辦公環(huán)境及室外場景，分別對UWB及藍(lán)牙的定位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。下面分別介紹及分析兩種定位效果。

1、UWB室內(nèi)高精度定位
 在一個長40米，寬16米的辦公室內(nèi)，隨機(jī)選取了四個位置作為UWB信標(biāo)的放置點(diǎn)。該環(huán)境下的人員流動及空間布局在測試時與正常工作環(huán)境一致。辦公室的平面示意圖如下所示：
 

 
圖二：UWB測試環(huán)境平面示意圖

在該環(huán)境下，隨機(jī)選取了10個位置作為融合定位標(biāo)簽的測試位置，每個點(diǎn)取100次測試結(jié)果，其測試結(jié)果如表1所示：
表1：UWB測試點(diǎn)定位結(jié)果誤差表

通過上表可以看出，在所有測試點(diǎn)中，誤差小于10cm的占比基本穩(wěn)定在70%左右，甚至可以達(dá)到80%；而誤差小于30cmd的占比達(dá)到了95%以上。

綜上，通過先進(jìn)的硬件設(shè)計及定位平臺系統(tǒng)，經(jīng)過復(fù)雜的室內(nèi)辦公環(huán)境測試后可以得知：融合定位標(biāo)簽可以通過UWB獲得定位誤差在10~30cm以內(nèi)的高精度定位效果，并且定位結(jié)果的穩(wěn)定性較強(qiáng)，即使有某個異常點(diǎn)，也可以通過卡爾曼濾波算法來對結(jié)果進(jìn)行校正。
 
2、藍(lán)牙定位
藍(lán)牙定位采用的是RSSI定位原理，為驗(yàn)證藍(lán)牙定位效果，選取了某化工廠作為測試環(huán)境，如下圖所示：
 
圖三：藍(lán)牙信標(biāo)測試安裝環(huán)境示意圖

圖中綠框所示即為藍(lán)牙信標(biāo)的測試安裝點(diǎn)，間隔在10~12米左右。
在該環(huán)境下，隨機(jī)選取了10個位置作為融合定位標(biāo)簽的測試位置，每個點(diǎn)取100次測試結(jié)果，其測試結(jié)果如表2所示：
                                                         表2：藍(lán)牙測試點(diǎn)定位結(jié)果誤差表
 
通過表二可以看出，藍(lán)牙的定位精度雖然沒有達(dá)到UWB的厘米級精度，但通過調(diào)整藍(lán)牙信標(biāo)的布置方案，可以做到即使在化工廠這種復(fù)雜的使用環(huán)境中，也基本可以保證3~5m的定位精度，足以滿足絕大部分環(huán)境下的使用要求。
 
四、現(xiàn)實(shí)案例
 
3D建模圖案例
 
傾斜攝影案例
 
視頻聯(lián)動定位案例
 
 
五、結(jié)束語
 
本文介紹了一種專網(wǎng)通信設(shè)備下的UWB&藍(lán)牙融合定位方案，通過硬件及系統(tǒng)的融合、組網(wǎng)以及算法優(yōu)化，減少了噪聲因素的干擾，并通過隨機(jī)選取的測試環(huán)境，驗(yàn)證了該方案在日常辦公及化工廠等復(fù)雜應(yīng)用場景下的定位效果。
結(jié)果表明，該方案定位精度高，穩(wěn)定性好，降低了硬件及施工成本，適用于絕大部分生產(chǎn)生活場景。

注：本文轉(zhuǎn)載至《專用移動通信》2022.10期

 

2022/11/28 6352 次