盧泳兵

（中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 河北省石家莊市 050081）

冶金行業(yè)一線工作崗位環(huán)境惡劣，處于高溫高粉塵環(huán)境中，工種危險(xiǎn)系數(shù)高，工作狀況錯(cuò)綜復(fù)雜，使得作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)面臨巨大管理難題，存在可視化管理不全面、人員位置監(jiān)督不到位、安全管控不及時(shí)、響應(yīng)速度慢、外協(xié)人員管理不智能等問題，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人員管控不到位而引發(fā)安全事故。因此通過建立高精度的人員定位，實(shí)現(xiàn)管理人員通過對(duì)工人進(jìn)行精準(zhǔn)定位，不僅有利于提升工廠管理人員的應(yīng)急救援水平，還可通過電子圍欄進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)警，記錄巡檢人員巡檢軌跡。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了多種定位技術(shù)，如RFID、藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等[1]，上述幾種技術(shù)普遍存在信號(hào)傳輸距離近，定位精度較低，受多徑效應(yīng)和非視距干擾嚴(yán)重等缺陷[2～4]。超寬帶（UWB）定位技術(shù)采用納秒級(jí)極窄脈沖和高頻帶調(diào)制方式，具有極高的時(shí)間分辨率，抗多徑效應(yīng)強(qiáng)，同時(shí)能夠有效降低NLOS（Non Line of Sight，非視距）干擾，適用于冶金行業(yè)復(fù)雜環(huán)境，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度[5～6]。

目前UWB定位主要采用3種方式：TOA（time of arrival，到達(dá)時(shí)間）、TDOA（time diあerent of arrival，到達(dá)時(shí)間差）和TOF（time of flight，飛行時(shí)間）。TOA和TDOA定位方式均需要嚴(yán)格的時(shí)間同步，實(shí)際應(yīng)用中晶振穩(wěn)定性受制造工藝限制，環(huán)境溫度影響，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高[7～8]。而TOF測(cè)距不需要定位設(shè)備之間嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低。常用的測(cè)距算法有SS-TWR（Single-Sided Two-Way Ranging，單邊雙向測(cè)距）和DS-TWR（Double-Sided Two-Way Ranging）其中SS-TWR 由于測(cè)距雙方晶振頻率不一致，誤差較大。DS-TWR 在測(cè)距雙方之間進(jìn)行雙向雙邊測(cè)距，減小測(cè)距雙方晶振頻率差異的影響，提高測(cè)量精度[9]。

針對(duì)冶金車間設(shè)備復(fù)雜多樣，設(shè)備體積龐大，無線信號(hào)傳輸中的NLOS干擾問題，本文設(shè)計(jì)了一種適用于冶金行業(yè)的UWB人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過區(qū)域自適應(yīng)機(jī)制確定定位區(qū)域，采用SDS-TWR（Asymmetric Double Sided Two-Way Ranging,非對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距）算法測(cè)距，采用WLS（Weighted Least Squares，加權(quán)最小二乘法）定位算法解算位置坐標(biāo)，提高定位精度。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

冶金行業(yè)UWB人員定位系統(tǒng)主要由定位標(biāo)簽、定位基站、工業(yè)以太網(wǎng)、服務(wù)器、解算引擎等部分組成，如圖1所示。

圖1：冶金行業(yè)UWB人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

定位標(biāo)簽周期性發(fā)起測(cè)距信號(hào)與定位基站進(jìn)行測(cè)距，基站收到標(biāo)簽測(cè)距消息之后通過二維區(qū)域自適應(yīng)機(jī)制選擇性回復(fù)標(biāo)簽消息，標(biāo)簽收到基站回復(fù)消息后發(fā)送確認(rèn)消息并進(jìn)入休眠模式以降低功耗，基站收到標(biāo)簽的確認(rèn)消息之后進(jìn)行距離計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果上報(bào)解算引擎。

1.2 系統(tǒng)硬件

定位標(biāo)簽和定位基站是系統(tǒng)主要的定位終端設(shè)備。定位標(biāo)簽的硬件組成如圖2所示，主控芯片采用STM32L151低功耗處理器，負(fù)責(zé)控制UWB數(shù)據(jù)收發(fā)及數(shù)據(jù)處理，UWB模塊采用DWM1000模塊，定位標(biāo)簽采用鋰電池供電方式，經(jīng)過DCDC模塊輸出穩(wěn)定3.3V電壓給所有元器件供電。同時(shí)帶有加速度傳感器可檢測(cè)定位標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)下標(biāo)簽進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗。

圖2：標(biāo)簽硬件組成

定位基站硬件組成如圖3所示，主控芯片采用STM32F103VET6，其通過SPI總線與UWB模塊進(jìn)行通信，通過POE交換機(jī)對(duì)整個(gè)基站供電，通過W5500芯片與交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖3：基站硬件組成

2 高精度定位技術(shù)

2.1 DS-TWR測(cè)距模型

DS-TWR測(cè)距原理如圖4所示，圖中Tprop為兩定位設(shè)備之間UWB信號(hào)的飛行時(shí)間，Tround1為設(shè)備A發(fā)起消息到收到設(shè)備B回復(fù)消息的時(shí)間；Treply1是設(shè)備B收到設(shè)備A消息并回復(fù)設(shè)備A的時(shí)間；Tround2是設(shè)備B發(fā)送消息到設(shè)備A并收到設(shè)備A回復(fù)消息的時(shí)間；Treply2為設(shè)備A收到設(shè)備B 相應(yīng)消息后再次發(fā)送確認(rèn)消息的時(shí)間。

圖4：DS-TWR測(cè)距原理

根據(jù)兩次單向飛行時(shí)間的計(jì)算可得雙向消息交互信號(hào)的飛行時(shí)間為：

將（1）和（2）相乘后移項(xiàng)可得：

再將式（1）和（2）帶入3式并移項(xiàng)可得：

由（4）式即可計(jì)算出無線信號(hào)在兩設(shè)備間的飛行時(shí)間。結(jié)合電磁波的傳播速度即可計(jì)算出距離，此方法可大幅減低晶振漂移的誤差，具有更高的測(cè)距精度[10]。

2.2 改進(jìn)型DS-TWR測(cè)距

實(shí)現(xiàn)二維定位需要1標(biāo)簽與3個(gè)以上基站進(jìn)行測(cè)距，因此一次測(cè)距最少需要進(jìn)行9條消息交互，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)存在大量標(biāo)簽時(shí)，會(huì)造成數(shù)據(jù)包碰撞概率，設(shè)備解析數(shù)據(jù)失敗。為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，提高測(cè)距數(shù)據(jù)成功率。對(duì)SD-TWR測(cè)距流程進(jìn)行優(yōu)化，提出改進(jìn)型SDS-TWR多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)測(cè)距方法。SDS-TWR測(cè)距原理如圖5所示。

圖5：SDS-TWR測(cè)距示意圖

測(cè)距流程分為三個(gè)階段：階段一：定位標(biāo)簽周期性發(fā)起測(cè)距消息Poll，同時(shí)打開接受通道30ms，階段二：延遲周圍基站接收到Poll消息后回復(fù)標(biāo)簽響應(yīng)消息Resp，階段三：標(biāo)簽定時(shí)30ms時(shí)間結(jié)束，向所有回復(fù)本標(biāo)簽Resp消息的基站發(fā)送確認(rèn)消息Final，本次測(cè)距結(jié)束。1個(gè)標(biāo)簽與N個(gè)基站的測(cè)距消息個(gè)數(shù)由原來的3N次，變?yōu)镹+2次，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

3 區(qū)域自適應(yīng)機(jī)制

在實(shí)際應(yīng)用過程中，理論上任意基站與標(biāo)簽之間均可進(jìn)行測(cè)距，而基于TOF的定位算法只需要3個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)二維定位，空中存在過多的數(shù)據(jù)幀會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)碰撞、丟失，同時(shí)增加了系統(tǒng)計(jì)算量。在多基站的情況下，標(biāo)簽只與其距離最近的基站進(jìn)行測(cè)距，可提高系統(tǒng)定位效率和精度。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種區(qū)域自適應(yīng)機(jī)制，標(biāo)簽自動(dòng)判別自身區(qū)域并與該區(qū)域內(nèi)基站測(cè)距。冶金車間需要使用天車吊裝貨物，一般車間呈巷道型，故基站布置一般沿天車軌道兩側(cè)布站，基站布站示意圖如圖6所示。

圖6：基站布站示意圖

區(qū)域自適應(yīng)策略如下：

（1）定位標(biāo)簽周期性廣播Poll幀，基站將上次的測(cè)距信息放入Resp消息回復(fù)定位標(biāo)簽

（2）標(biāo)簽根據(jù)基站回復(fù)的測(cè)距消息進(jìn)行選站，只回復(fù)限定區(qū)域內(nèi)的基站Final消息，最多回復(fù)4個(gè)基站消息。

（3）當(dāng)標(biāo)簽收到基站回復(fù)消息個(gè)數(shù)＜3個(gè)無法進(jìn)行解算時(shí)，認(rèn)為標(biāo)簽已經(jīng)走出該區(qū)域，則標(biāo)簽清除當(dāng)前基站區(qū)域內(nèi)基站，重新發(fā)送Poll消息進(jìn)行選站。

4 系統(tǒng)工作流程

冶金車間UWB人員定位系統(tǒng)工作流程圖如圖7所示，標(biāo)簽和基站根據(jù)區(qū)域自適應(yīng)策略進(jìn)行測(cè)距，基站將測(cè)距數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至解算引擎，解算引擎根據(jù)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。解算算法采用WLS和UFK聯(lián)合定位算法[11]，在WLS坐標(biāo)解算的基礎(chǔ)上再進(jìn)行卡爾曼濾波，對(duì)坐標(biāo)位置進(jìn)行過濾和預(yù)測(cè)，從而得到精確的坐標(biāo)，以適應(yīng)冶金車間復(fù)雜環(huán)境對(duì)定位的干擾，提高定位精度。

圖7：系統(tǒng)工作流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

該系統(tǒng)已在包頭某鋁廠進(jìn)項(xiàng)使用，該生產(chǎn)車間，長(zhǎng)1200米，寬30米，高15米，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。人員佩戴定位標(biāo)簽在車間內(nèi)進(jìn)行走動(dòng)，選取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)采集1000組數(shù)據(jù)，求取系統(tǒng)靜態(tài)平均誤差。測(cè)量點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)為(x,y)，測(cè)量點(diǎn)解算坐標(biāo)為(xm, ym)，則定位誤差系統(tǒng)靜態(tài)定位結(jié)果見表1。

表1：系統(tǒng)靜態(tài)定位測(cè)試結(jié)果

動(dòng)態(tài)測(cè)試通過軌跡回放的方式，動(dòng)態(tài)軌跡圖如圖8所示。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)靜態(tài)定位精度在10cm左右，動(dòng)態(tài)定位測(cè)試過程中，佩戴人員在電解槽內(nèi)走動(dòng)，在被電解槽遮擋的情況下仍能穩(wěn)定輸出定位數(shù)據(jù)，定位偏差在30cm以內(nèi)，表明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗NLOS干擾能力。

圖8：測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

6 結(jié)論

應(yīng)用于冶金行業(yè)的UWB人員定位系統(tǒng)在測(cè)距過程中采用SDS-TWR 算法，無需時(shí)鐘同步，保證了測(cè)距精度；采用二維區(qū)域判自適應(yīng)機(jī)制，減少了定位過程中的大量無效幀，提高了定位效率；采用WLS與UKF算法對(duì)定位坐標(biāo)進(jìn)行求解、濾波、預(yù)測(cè)，提高了定位精度。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的動(dòng)靜態(tài)定位精度，抗NLOS干擾能力較強(qiáng)，滿足在冶金行業(yè)環(huán)境惡劣，設(shè)備遮擋嚴(yán)重情況下的應(yīng)用。