王曉云

(安徽信息工程學院 機械工程系,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

20世紀70年代,美國陸?？杖娧邪l(fā)出空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),該技術能夠實時提供海陸空3方面的導航服務。步入21世紀以后,GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展更為迅猛,目前成熟的GPS衛(wèi)星星座有24顆,確保地球任何一個位置點的信息都能夠被準確采集。近年來,GPS技術進步更為迅猛,不僅能夠實現(xiàn)定位,同時能夠完成目標追蹤[1]。

文獻[2]提出一種HMM-KFMC算法,該算法針對室內環(huán)境下人的運動特征建立隱藏馬爾科夫模型(HMM),并基于概率型算法改進了解碼定位算法,通過含地圖修正的卡爾曼濾波器(KFMC)降低解碼定位造成的量化誤差并用濾波所得速度分量修正HMM的轉移概率，但是該算法的智能性很低,隱藏較深的目標不能精準地確定出其所在位置；文獻[3]提出了一種基于時間差的定位方法(TDOA)的多目標定位的改進算法,由于人員走動時,會引起超聲波信號的多普勒效應,因此預先估計多普勒頻移并補償,以監(jiān)測準確頻點時刻,通過RSS、布置圖,以及步速信息進行協(xié)同處理,考慮到不同錨節(jié)點對均方誤差有不同影響,找出最近的4個聲定位節(jié)點,進行CHAN算法定位,經(jīng)仿真和現(xiàn)場測試具有較高定位精度，但是該算法在定位室內目標時,定位數(shù)量較少,敏感度很低。

本文在GPS定位技術的基礎上開發(fā)一種新型室內定位系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)區(qū)域性長距離跟蹤定位、多目標跟蹤定位,是一款智能性較強，敏感度較高的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)將圖像檢測技術、識別跟蹤技術和精密運動分析技術同時引入其中,即使在大場景中也能夠同時對多個運動目標進行快速連續(xù)跟蹤捕捉。

1 硬件設計

本文設計的區(qū)域性多目標長距離移動跟蹤室內定位系統(tǒng)采用了ARM處理器,內部芯片選用型號為TA64的植入式跟蹤芯片和型號為CS652的定位芯片,電源設計分為并聯(lián)和串聯(lián)2種形式,存儲器借助FLASH形式存儲程序和參數(shù),觸屏器為LCD觸屏,整個室內定位系統(tǒng)硬件部分通過以太網(wǎng)連接。區(qū)域性多目標長距離移動跟蹤室內定位系統(tǒng)硬件總體架構，如圖1所示。

1.1 電源設計

在硬件定位系統(tǒng)中,電源占據(jù)重要地位,為系統(tǒng)提供動力。電源結構類型分為2種:集中式供電和分布式供電。集中式供電結構是由一個模塊組成的結構,使用過程中無法再次分割,工作效率高,但靈活性差;分布式供電類型由多個模塊組成,使用時可以隨意組裝,靈活拆分,但是工作效率較低。本文研究的室內定位系統(tǒng)綜合考慮了集中式供電和分布式供電的優(yōu)點和缺點,將兩種結構結合到一起,構建了電源硬件，如圖2所示。

由圖2可知,電源電路的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)2種,在調整單元有源器件和負載端串聯(lián),變壓器和控制端的連接方式為并聯(lián),確保工作模式始終為在線性模式。集射電壓在15～25 V,產(chǎn)生的功率在100～500 W。電源電路能夠允許多種類型的電壓通過,內部的復位芯片產(chǎn)生復位信號,最大程度提供動力[4]。

1.2 追蹤采集器設計

追蹤采集器由信號調理板和DSP主板2部分組成。采集追蹤過程除了能接收到追蹤目標信號之外,也能接收到X光衍射信號和濾波信號,這些干擾信號會影響追蹤結果的準確性,因此在向采集器內部存入信號之前, 先要將干擾信號剔除。DSP主板的主要工作是采集和處理過濾后的數(shù)據(jù),采集數(shù)據(jù)通過USB接口傳送給計算機。信號調理板對信號的追蹤方式為硬件濾波方式,DSP主板對信號的追蹤方式為軟件濾波方式,這樣的結合方式提高了抗干擾效果,同時采集速率可以達到10 Mbit/s[5]。

由于追蹤時容易受到環(huán)境和干擾設備的影響,信號會出現(xiàn)不穩(wěn)定,所以必須要放大信號的采集過程,將電壓信號變成標準信號,放大方式為逐層放大,放大層數(shù)為4層:第一層電路為運放電路,防止信號漂移;第二層電路加入濾波芯片,篩選出干擾信號;第三層電路引入光電隔離;第四層電路將電壓輸入到采集器之中,放大分析追蹤信號[6]。

1.3 處理器設計

定位系統(tǒng)選用Intel公司研發(fā)的酷睿I3-330處理器,主頻為2.13 GHz,緩存方式為三級緩存,硬盤存儲量為320 GB,顯卡為ATI Mobility Radeon 獨立顯卡。處理器內部擁有4個參考電源,8個放大器,16個高速處理通道,A/D轉換芯片能夠同時將所得的數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字量的形式,然后存放在接口和總線中。處理器總線具有兼容性,所以內部的電源線不需要直接連接就可以互相工作。酷睿I3-330處理器在電路內部加入IBM System 3250 M5(5458I31)芯片,同時內置一顆英特爾至強E3-1220v3四核處理芯片,該處理器提供四核8線程的計算能力,三級緩存為20 MB,標稱主頻為3.3 GHz。同時,其配備8 GB DDR3 RDIMM規(guī)格的內存,提供24個內存插槽。另外,整合四口千兆網(wǎng)卡,內置750 W電源,拓展插槽有1個PCIe 3.0x8插槽[7]。各通道加入限幅保護機制,確保處理過程不會遭到外部襲擊。

1.4 觸摸屏顯示器設計

觸摸屏選用的是LCD,不僅能夠展示出豐富的信息,同時消耗的能量較低,重量輕,不會占據(jù)過多面積。觸摸屏接口包括:同步信號接口、數(shù)據(jù)線接口、像素接口。觸摸屏接口設計如圖3所示。

圖 3 觸摸屏接口設計Fig.3 Design of touch screen interface

多線接口的連接方式使觸摸屏可以同時顯示多目標信息,顯示結果具有實時性和連續(xù)性[8]。

1.5 警報器設計

定位系統(tǒng)硬件部分設有警報器,在處理器得出處理結果后,中心系統(tǒng)會與總數(shù)據(jù)庫對比,如果發(fā)現(xiàn)追蹤到的目標出現(xiàn)問題,警報器就會發(fā)出報警聲。警報器的跟蹤模式分為半自動模式、全自動模式和手動模式,控制不同類型的問題。

2 軟件設計

根據(jù)設計的室內定位系統(tǒng)硬件部分對軟件進行編程,軟件工作流程如圖4所示。

圖 4 定位系統(tǒng)軟件工作流程Fig.4 Software workflow of the positioning system

室內定位系統(tǒng)軟件工作是一個復雜的過程,共分為6步。

(1) 用采集器采集外部信息。采集過程往往要針對多目標進行,信息的采集量很大,同時存在一些干擾信號和微弱信號。采集器通過篩選系統(tǒng)將干擾信號剔除,利用放大器放大微弱信號,選出有用信號傳遞給處理器[9]。

(2) 處理追蹤信息。8個處理通道同時啟動工作,將接收到的采集信息按目標分類,不同目標的信息輸入到不同通道中,通道與通道之間存在間隔,避免信息之間的干擾。處理后的信息分別反饋給計算機系統(tǒng)主機和移動終端。

(3) 中心系統(tǒng)分析。得到的結果不能立刻在液晶顯示器中顯示,要與物聯(lián)網(wǎng)內部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行對比,如果出現(xiàn)較大偏差,則代表定位結果不準確,需要返回上一單元,重新定位;如果與數(shù)據(jù)庫內部數(shù)據(jù)相差不大,則證明定位結果比較準確,可以繼續(xù)下面的工作。

(4) 確定目標所處位置。由不同的定位節(jié)點確定目標所處的具體位置,定位節(jié)點位于室內多個位置,且存在相關性,能夠準確鎖住目標位置。

(5) 位置追蹤。在確定目標位置后,由監(jiān)控裝置實施全方位追蹤,保證鎖死目標,防止目標脫離系統(tǒng)監(jiān)管范圍。

(6) 顯示結果。當目標能夠完全被定位系統(tǒng)掌握以后,物聯(lián)網(wǎng)操作中心就可以將結果顯示在LCD液晶屏上。

系統(tǒng)軟件利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法確定目標的三維位置。用戶橫坐標位置x為

x=(x1-x2-x3)+Δx=

(1)

式中：x1，x2，x3為不同節(jié)點所處的橫坐標位置；Δx為節(jié)點橫坐標標準差；a為橫坐標系數(shù)；b為縱坐標系數(shù)；c為立體坐標系中的z軸系數(shù)；f為位置調節(jié)系數(shù)。

用戶縱坐標位置y為

(2)

式中:y1,y2,y3為不同節(jié)點所處的縱坐標位置;Δy為節(jié)點縱坐標標準差。

立體坐標系中的用戶z軸位置為

z=(z1-z2-z3)+Δz=

(3)

式中：z1，z2，z3為不同節(jié)點所處的z軸坐標位置；Δz為節(jié)點z軸坐標標準差。

根據(jù)用戶位置x,y,z可以準確判斷追蹤目標所處位置,然后將結果顯示到圖5。

圖 5 軟件結果顯示界面Fig.5 Display interface of the software result

圖5顯示的內容有:用戶信息、定位系統(tǒng)信息、追蹤目標數(shù)、追蹤距離、追蹤時間、定位時間、可能存在的誤差范圍等。定位過程要通過圖形和表格的方式展現(xiàn)到顯示界面中,以方便工作人員查詢,出現(xiàn)問題時可以第一時間采取解決措施[10]。

3 結果與分析

為了檢測區(qū)域性多目標長距離移動跟蹤室內定位系統(tǒng)的實際工作效果,與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)進行對比實驗。設定實驗參數(shù):連接網(wǎng)絡為物聯(lián)網(wǎng),電源連接方式為串聯(lián)/并聯(lián),處理器型號為酷睿I3-330,工作模式為DSP模式,電流為100～500 A,電壓為220 V,定位時間為50 min,室內面積為150 m2

根據(jù)上述設定的參數(shù)進行實驗,分別選用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文設計的系統(tǒng)對室內目標進行定位,對比實驗分為2組。

第1組:在定位時間相同,追蹤距離不變的情況下,記錄2種系統(tǒng)定位到的目標數(shù),實驗結果如圖6所示。

第2組:在追蹤目標相同,追蹤時間不變的情況下,記錄2種系統(tǒng)追蹤的最遠距離，實驗結果如圖7所示。

分析圖6可知,在室內距離為150 m2的情況下,傳統(tǒng)系統(tǒng)能夠定位的目標要遠遠少于本系統(tǒng)。在工作50 min后,傳統(tǒng)系統(tǒng)只能將10個目標定位出來,而本文設計的系統(tǒng)能夠定位的目標高達41個,工作效率是傳統(tǒng)系統(tǒng)的4倍。

(a) 傳統(tǒng)系統(tǒng)

(b) 本文系統(tǒng)圖 6 定位目標數(shù)對比結果Fig.6 Comparison results of the target number

圖 7 定位目標數(shù)對比結果Fig.7 Comparison results of the target numbers

由圖7可知,定位時間越長,最遠定位距離越大。當定位時間為10 min時,傳統(tǒng)系統(tǒng)的最遠定位距離約為2 m,本系統(tǒng)的最遠定位距離約為11 m;當定位時間為30 min時,傳統(tǒng)系統(tǒng)的最遠定位距離約為11 m,本系統(tǒng)的最遠定位距離約為24 m;當定位時間為50 min時,傳統(tǒng)系統(tǒng)的最遠定位距離約為17 m,本系統(tǒng)的最遠定位距離幾乎可以達到整個室內距離的長度。目標具有移動性,如果定位距離過短,一旦目標脫離追蹤范圍,再次追蹤定位就會變得極其復雜,目標可能會對定位系統(tǒng)產(chǎn)生免疫,本文系統(tǒng)定位的范圍和傳統(tǒng)系統(tǒng)的定位范圍相比,追蹤能力很強,被鎖死的目標很難脫離系統(tǒng)的追蹤。

4 結 論

(1) 在相同的工作時間,相同的追蹤范圍下,本文研究的系統(tǒng)定位能力是傳統(tǒng)系統(tǒng)定位能力的4倍,室內絕大多數(shù)目標都可以被精準地定位到。

(2) 隨著工作時間的增加,最遠定位距離不斷增大,在50 min的工作時間內,傳統(tǒng)距離只能定位到17 m以內的目標,本文設計的系統(tǒng)在30 m以內的目標都能精確地定位。

該系統(tǒng)定位范圍十分廣闊,對于一些隱藏較深的目標也能精準地確定出其所在的位置信息,具有很大的發(fā)展空間。