沈小帥

(沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧沈陽，110136)

關(guān)鍵字：UWB；雙邊雙向飛行測距；卡爾曼濾波；泰勒定位

0 引言

現(xiàn)階段多數(shù)安保指揮體系基本涵蓋了集無線通信、網(wǎng)絡(luò)通信、無線圖傳等功能。但在大型會(huì)場內(nèi)部或大型活動(dòng)的封閉現(xiàn)場中，缺少實(shí)時(shí)的安保人員定位，不利于安保指揮。而目前高精度室內(nèi)定位還少有在安保工作中應(yīng)用，在技術(shù)方面，有WiFi定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、CSS定位技術(shù)、UWB定位技術(shù)等，其中UWB（Ultra Wide Band）定位技術(shù)結(jié)合多種測量方法，能夠滿足應(yīng)用于現(xiàn)場管控。根據(jù)室內(nèi)現(xiàn)場對(duì)人員位置監(jiān)控的任務(wù)需求，結(jié)合UWB和LORA通信技術(shù)，在基于SDSTWR 測距方法和多基站定位算法的支持下，設(shè)計(jì)了一款安保人員室內(nèi)定位系統(tǒng)，主要包括定位系統(tǒng)的功能需求分析，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、測距基站與定位標(biāo)簽硬件電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、上位機(jī)檢測軟件和系統(tǒng)測試。

1 系統(tǒng)需求

根據(jù)定位場景的不同，需求也會(huì)有所差異，本系統(tǒng)定位應(yīng)用場景為某室內(nèi)會(huì)議現(xiàn)場，以安保實(shí)際情況為依據(jù)，本系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：（1）具備高精度人員定位功能，能夠?qū)Π脖Ｈ藛T進(jìn)行定位跟蹤；（2）定位標(biāo)簽體積適中，方便執(zhí)勤安保佩戴；（3）在數(shù)據(jù)傳輸方面，為了避免有線通信的不便，采用LORA無線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；（4）設(shè)計(jì)一款上位機(jī)軟件，將安保人員的位置直觀的顯示在可視化界面上。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在大型室內(nèi)會(huì)議現(xiàn)場中要實(shí)現(xiàn)安保人員的精準(zhǔn)定位，對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性傳輸具有嚴(yán)格的要求，因此本文選擇LORA無線通信技術(shù)將標(biāo)簽的位置數(shù)據(jù)快速可靠地上傳到上位機(jī)，上位機(jī)能夠及時(shí)完成移動(dòng)目標(biāo)位置的解析?？紤]到大型現(xiàn)場由多各區(qū)域組成的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的人員定位系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：該系統(tǒng)主要分為定位和顯示兩部分，顯示部分主要包括LORA服務(wù)器、顯示器等終端等組成。定位部分主要由移動(dòng)標(biāo)簽和定位基站等組成。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件總體由處理器模塊、UWB模塊、顯示模塊、通信模塊、電源等模塊組成。由于測距方式采用雙邊雙向測距方式，所以標(biāo)簽與基站的硬件設(shè)計(jì)基本相同，標(biāo)簽的設(shè)計(jì)比基站多一個(gè)無線LoRa通信模塊，用于數(shù)據(jù)交換。

4 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)標(biāo)簽總體流程圖所示，移動(dòng)標(biāo)簽首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如果初始化失敗則提示錯(cuò)誤代碼，只有初始化成功后踢動(dòng)標(biāo)簽才可以繼續(xù)執(zhí)行，控制單元通過控制UWB測距模塊[1]實(shí)現(xiàn)基本的距離測量，然后結(jié)合該測量值和本文設(shè)計(jì)的濾波算法對(duì)該測量值進(jìn)行濾波處理，當(dāng)移動(dòng)標(biāo)簽有多組對(duì)應(yīng)不同基站的距離觀測值并滿足Taylor定位方程時(shí)，則進(jìn)行位置信息的解算，最終得出執(zhí)勤人員的位置信息并通過LoRa無線通信模塊發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)[2]。

5 上位機(jī)監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測軟件采用QT Creactor平臺(tái)開發(fā)，該平臺(tái)使用QT框架進(jìn)行GUI的設(shè)計(jì)，通過該平臺(tái)下的UI界面設(shè)計(jì)工具，完成了軟件界面的布局與設(shè)計(jì)[3]。使用C++語言完成執(zhí)勤人員的位置顯示，用戶登錄以及基本配置等功能。本上位機(jī)監(jiān)測軟件主要由基本配置、用戶登錄和地圖顯示三部分組成。基本配置主要是用于配置通信相關(guān)的基本選項(xiàng)，用戶登錄界面主要用來識(shí)別用戶權(quán)限，如果使用的用戶沒有授予權(quán)限則啟動(dòng)不了定位功能。由于會(huì)議現(xiàn)場分布在三個(gè)樓層，因此地圖顯示部分由三個(gè)樓層的平面圖組成，結(jié)合三維坐標(biāo)信息將用戶的位置直觀的顯示在相應(yīng)的地圖上。

當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測通過信號(hào)與槽的機(jī)制等待接受執(zhí)勤人員的位置信息，當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測軟件接收到新的數(shù)據(jù)之后首先進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后將該數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)列控件中，然后再結(jié)合地圖顯示控件將該數(shù)據(jù)信息顯示在地圖上。為了方便地圖顯示本設(shè)計(jì)在QCustomPlot 類的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)新的地圖顯示類該類的構(gòu)造函數(shù)主要用來配置地圖的基本配置信息，如地圖的加載以及顯示屬性等，在該類中包含了一個(gè)QCustomPlot對(duì)象，通過posShow函數(shù)將位置數(shù)據(jù)傳遞到QCustomPlot 對(duì)象中，最終使其顯示在地圖上。

6 系統(tǒng)測試

首先對(duì)移動(dòng)標(biāo)簽的距離測量性能進(jìn)行測試，為了進(jìn)一步的提高數(shù)據(jù)的有效性，選取了大量測試點(diǎn)進(jìn)行測量，每個(gè)測試點(diǎn)都進(jìn)行了多次測量，部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 距離測試數(shù)據(jù)

7 定位測試

為了測試本文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)的定位性能，在會(huì)議現(xiàn)場進(jìn)行了測試，由于保密等因素展示部分測試環(huán)境。

本次測試分別對(duì)三個(gè)樓層的會(huì)議室進(jìn)行了測試，部分測試數(shù)據(jù)如表2。

圖2 部分測試環(huán)境圖

表2 距離測試數(shù)據(jù)

最后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合測試，上位機(jī)軟件界面效果如圖3所示。

圖3 部分測試環(huán)境圖

由上圖可以看出該軟件可以將執(zhí)勤人員的位置信息直觀的顯示出來，能夠較好對(duì)執(zhí)勤人員的位置進(jìn)行監(jiān)控。

8 結(jié)論

本文針對(duì)室內(nèi)安保、科學(xué)布控等問題，基于UWB定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一款定位系統(tǒng)，系統(tǒng)包括硬件及軟件兩部分，結(jié)合某省會(huì)議現(xiàn)場，進(jìn)行了實(shí)地測試，測試數(shù)據(jù)基本符合實(shí)際應(yīng)用要求，內(nèi)部算法由于篇幅有限不做重點(diǎn)介紹，運(yùn)用了雙邊雙向測距方法，并結(jié)合卡爾曼濾波和泰勒算法。測試結(jié)果符合預(yù)期誤差，證實(shí)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。