朱勁磊,梁均海,付志超,歐嘉俊,滕 俊

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局,廣東 廣州 510000;2.廣東天廣能源科技發(fā)展有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

基建現(xiàn)場存在很多高危風(fēng)險。根據(jù)現(xiàn)場施工的三維圖像定位人員位置,有利于保護基建現(xiàn)場施工人員的生命安全[1]。對于一些危險的基建工作,其災(zāi)難發(fā)生概率高、救援難度大,嚴重威脅人員的生命安全和現(xiàn)場的財產(chǎn)安全。

相關(guān)學(xué)者提出了現(xiàn)場工作人員的跟蹤定位技術(shù)。通過這一技術(shù)跟蹤現(xiàn)場工作人員,能有效加強對現(xiàn)場人員的管理、避免事故發(fā)生,從而保證人身及財產(chǎn)安全。同時,這種定位技術(shù)對日常工作的管理也有積極作用,具有較大發(fā)展空間[2-4]。

在目前的研究中,國外對于定位技術(shù)的研究多數(shù)基于通信技術(shù),結(jié)合全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)和移動通信實現(xiàn)有效定位。但是在復(fù)雜環(huán)境中,建筑物很容易影響信號的傳遞,導(dǎo)致定位精度不足。因此,對于影響信號傳遞的干擾因素仍需要深入研究。國內(nèi)研究借助了大量物理測量手段(如GPS、超聲波等),利用測量的不同結(jié)果(如信號強度、方向等具有的位置區(qū)分性信息),估算出定位信息[5]。文獻[6]提出基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的定位方法。該方法利用視覺跟蹤技術(shù)掃描位置,采用以FPGA為核心的并行運行方式實現(xiàn)對目標(biāo)的定位。該方法實時性能較好,但是定位精度不足,容易受到多徑干擾和視距干擾的影響。文獻[7]提出的基于面元的定位方法,以面元表達環(huán)境掃描并分割三維圖像,估計出全局位姿,并通過激光雷達測量出位置信息,以實現(xiàn)定位。該方法并沒有解決多徑干擾和視距干擾的影響,依然存在定位精度不足的問題。文獻[8]提出基于光柵圖像識別的定位方法。該方法主要利用自動識別技術(shù)識別出圖像目標(biāo),并構(gòu)建光柵測試分析系統(tǒng)處理目標(biāo)圖像,以定位目標(biāo)位置。但該方法并未有效解決定位過程中存在的干擾問題,在目標(biāo)距離的測量上存在明顯誤差。

基于上述方法,本文提出基于到達時間差(time difference of arrival,TDOA)算法的基建現(xiàn)場施工人員定位方法。TDOA算法主要利用標(biāo)簽信號和時間差進行定位。這種算法對時間同步要求較低,在定位時能夠降低部分干擾,以達到提高定位精度的目的。TDOA算法的應(yīng)用有助于解決常見的定位方法中存在的定位誤差問題。

1 三維圖像定位方法設(shè)計

1.1 定位功能框架設(shè)計

基建現(xiàn)場多為復(fù)雜環(huán)境,危險性高。現(xiàn)場工作人員相對獨立作業(yè),在事故發(fā)生時人員位置不清晰。因此,基建現(xiàn)場施工人員高精度定位功能的開發(fā)成為迫切需求。為了實現(xiàn)該功能,定位功能框架的設(shè)計工作需要借助TDOA算法確定位置信息。考慮到TDOA算法的應(yīng)用特點,在設(shè)計定位功能框架時,本文采用層疊樣式表單(cascading style sheets,CSS)技術(shù)搭建基本框架。

三維圖像定位基本框架如圖1所示。

圖1 三維圖像定位基本框架

圖1中,三維圖像定位基本框架根據(jù)基建現(xiàn)場面積大小確定基站節(jié)點的個數(shù),采用統(tǒng)一的服務(wù)器管理節(jié)點[9]。三維圖像定位基本框架包括3個部分,分別是檢測目標(biāo)、大容量區(qū)域和小容量區(qū)域[10-11]。定位節(jié)點主要基于CSS技術(shù)設(shè)計測距模塊。檢測目標(biāo)通過網(wǎng)絡(luò)將三維圖像傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)器與交換機中,并將三維圖像存儲在數(shù)據(jù)庫中[12]。TDOA算法主要搭載到定位引擎中,由定位引擎計算定位結(jié)果。

定位數(shù)據(jù)庫是定位服務(wù)器的重要組成部分,主要包括節(jié)點位置信息、地圖信息、目標(biāo)節(jié)點定位信息、施工人員信息等,因而信息量龐大[13]。定位方法在設(shè)計上根據(jù)節(jié)點的實際情況和定位區(qū)域調(diào)用數(shù)據(jù),以完成目標(biāo)位置的估算。

1.2 三維圖像特征提取及匹配

本文所研究的定位方法采用特征點檢測方法檢測三維圖像中的特征點,使用半徑為12的像素集作為閾值比較像素集,并設(shè)置期望提取的目標(biāo)數(shù)量為N。首先,該方法確定1個中心像素點p,并考慮點p周圍16個像素灰度值。如果在范圍內(nèi)存在n個連續(xù)像素,則比較像素與閾值之間的大小。如果該像素比閾值大,則將該像素點作為角點記錄下來。其次,該方法對角點進行排查。如果點p是1個角點,說明在此連續(xù)像素中至少存在3個大于閾值的點。如果不存在3個大于閾值的點,說明點p不是1個角點,則該方法再次對周圍的像素點進行檢查,并將檢測標(biāo)準用于剩余的待選像素。

在檢測關(guān)鍵點后,圖像塊hpq可定義為:

(1)

式中:xp、yq為角點橫、縱坐標(biāo);I(x,y)為像素點坐標(biāo)。

像素點的灰度重心B為:

(2)

從中心到重心的特征點方向ω為:

ω=αtan2(h01,h10)

(3)

在提取到三維圖像的特征點后,本文方法開始圖像匹配。該方法先在前一幀的圖像中確定1個特征點,并將該點周圍的描述子默認為1個多維向量;再將該描述子與后一幀圖像的每個描述子結(jié)合以計算距離,并按照從小到大的順序?qū)嚯x進行排列。其計算式如下。

(4)

式中:x1、x2分別為2幅圖中特征點的N維向量,x1=(x11,x12,…,x1n)、x2=(x21,x22,…,x2n)。

在完成所有特征點的匹配后,本文利用TDOA算法計算目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

1.3 基于TDOA算法的三維坐標(biāo)計算

對于三維圖像的定位,需要根據(jù)圖像信息求解出至少1個基準節(jié)點和3個參考節(jié)點,才能確定三維坐標(biāo)。因此,本文利用TDOA算法求解三維坐標(biāo)。TDOA算法通過設(shè)置三維坐標(biāo)的基準節(jié)點以建立三維坐標(biāo)系。

三維定位參考點如圖2所示。

圖2 三維定位參考點示意圖

圖2中:A點為基準節(jié)點,用于監(jiān)聽測距信息;B、C、D點為參考節(jié)點,根據(jù)D點位置可建立三維坐標(biāo)系;M點為待測節(jié)點。本文設(shè)A點、B點、C點到M點的距離差為di,1,i=2,3。3個參考節(jié)點與待測節(jié)點之間的距離為di,i=1,2,3。由此建立目標(biāo)的二維坐標(biāo)方程組如式(5)～式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

式中:Qi為參考節(jié)點與待測節(jié)點的距離。

由式(5)～式(7)可以算得B點、C點到A點、M點的距離差。

(8)

經(jīng)過整理,可以得到待測目標(biāo)位置的求解矩陣。

(9)

通過求解式(9),即可得到目標(biāo)的二維坐標(biāo)信息。對于目標(biāo)的Z軸信息,本文設(shè)待測目標(biāo)的Z軸坐標(biāo)為zm,利用空間幾何關(guān)系計算參考節(jié)點。

(10)

(11)

通過式(11)和式(12)可以得到二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的2個解,即zm1和zm2。

(12)

將式(12)的2個解代入式(11)中,可以得到2個三維坐標(biāo)值d41和d42。

(13)

根據(jù)式(11)和式(13),可以判斷d4、d41和d42的關(guān)系。如果|d41-d4|<|d42-d4|,則zm取值為zm1;反之,zm取值為zm2。經(jīng)過上述計算即可確定目標(biāo)的三維坐標(biāo),從而實現(xiàn)基建現(xiàn)場施工人員三維圖像定位。

2 算例分析

2.1 搭建試驗環(huán)境

為了測試基于TDOA算法的基建現(xiàn)場施工人員三維圖像定位方法在實際應(yīng)用環(huán)境中的應(yīng)用情況,本文設(shè)計仿真試驗。

本文利用位置基站、小型定位標(biāo)簽和上位機等設(shè)備組成試驗平臺。基站內(nèi)部包含處理器等部件,主要負責(zé)發(fā)送定位信號。標(biāo)簽?zāi)K與基站模塊基本類似。射頻收發(fā)模塊作為核心模塊,在試驗過程中會發(fā)出試驗數(shù)據(jù)信息。上位機模塊包括定位服務(wù)器、控制器和顯示器這3個部分。上位機主要對基站和標(biāo)簽?zāi)K發(fā)送的信息進行處理。考慮到在視距條件和非視距條件下產(chǎn)生的不同效果,試驗設(shè)置2種環(huán)境,分別為室內(nèi)的非視距環(huán)境和室外的視距環(huán)境。

試驗環(huán)境如圖3所示。

圖3 試驗環(huán)境示意圖

圖3中,G表示真實框,S1、S2、S3、S4表示侯選框。當(dāng)試驗過程處在理想的條件中,則忽略人員走動和器材對試驗環(huán)境的影響。

實測場地平面如圖4所示。

圖4 實測場地平面圖

圖4中,原點O(即基站的高度)為1.5 m,則二維坐標(biāo)為(x,y)、三維坐標(biāo)為(x,y,h)。其中,h為標(biāo)簽(基站)高度。

試驗過程中,各基站的位置信息和標(biāo)簽信息通過上位機向用戶展示。試驗人員通過上位機實時獲取地址和坐標(biāo)信息。

2.2 定位數(shù)據(jù)誤差試驗結(jié)果及分析

試驗將本文方法及幾種常見的定位方法(文獻[6]、文獻[7]、文獻[8]方法)安排在試驗環(huán)境中進行仿真研究。試驗在仿真環(huán)境中放置5個基站,并將試驗所用的標(biāo)簽分別放在5個已知的位置上。每個位置測試10組數(shù)據(jù)。試驗計算10組位置數(shù)據(jù)相對已知坐標(biāo)的平均誤差,并將其作為定位坐標(biāo)的絕對誤差。

不同定位方法的定位誤差實測結(jié)果如表1所示。由表1可知,在復(fù)雜試驗環(huán)境下,本文方法的定位數(shù)據(jù)與實際位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)相差不大,絕對誤差在0.2 m以內(nèi);其他幾種定位方法的絕對誤差較大,大部分誤差在0.5 m以上。

表1 不同定位方法的定位誤差實測結(jié)果

2.3 連續(xù)軌跡定位試驗結(jié)果及分析

本文在得到不同定位方法定位誤差實測結(jié)果的基礎(chǔ)上進行連續(xù)軌跡定位試驗。本文設(shè)置信道參數(shù)為30 m,通過改變基站位置、設(shè)定工作人員行走軌跡,將不同的定位方法部署到上位機中執(zhí)行,并通過計算機軟件輸出各定位方法的軌跡仿真結(jié)果。

不同試驗環(huán)境下連續(xù)軌跡定位試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同試驗環(huán)境下連續(xù)軌跡定位試驗結(jié)果

由圖5可知,在非視距環(huán)境下,只有本文方法能夠抑制多徑誤差。本文方法連續(xù)定位軌跡與模擬的真實軌跡基本一致。相比之下,另外幾種定位方法在多徑干擾下,仍然存在比較大的定位誤差。在視距環(huán)境下,試驗結(jié)果與上述結(jié)果類似,只有本文方法與真實的定位軌跡一致,而其他幾種定位方法并沒有實現(xiàn)精準定位。

本文在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上,在0～350 s范圍采集x軸方向和y軸方向的測距數(shù)據(jù),得到不同方向上的測距誤差。

各定位方法的x、y軸方向測距結(jié)果如圖6所示。

圖6 各定位方法的x、y軸方向測距結(jié)果

由圖6可知,在各定位方法的定位距離測試中,本文方法測得的距離與真實結(jié)果更接近。而其他幾種定位方法中,文獻[8]方法距離偏差最大:x軸方向上的最大測距誤差達到了5 m;y軸方向上的最大測距誤差達到了9 m。相比本文方法,其他幾種定位方法的測距結(jié)果都存在著明顯誤差。這說明其他幾種定位方法不能很好地抑制視距誤差,測量結(jié)果不精準。

3 結(jié)論

基建現(xiàn)場存在大量危險因素,會導(dǎo)致工作人員在施工過程中存在一定的安全風(fēng)險。為了保證工作人員的人身安全和高水平的工作效率,本文研究基于TDOA算法的基建現(xiàn)場施工人員定位方法。該方法定位精準、測距誤差小、整體定位性能更加理想,能夠有效削弱多徑干擾,從而滿足實際應(yīng)用需求。

在一些特殊環(huán)境中,面對視距路徑信號異常的情況,本文沒有考慮衍射路徑對定位效果的影響。后續(xù)研究需擴大試驗范圍、增加干擾條件、分析定位性能、完善定位方法。