陳 雷,王夏陽

(珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

“中國制造2025”的提出和推進，引領了智能制造產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，其中，基于位置信息的定位服務，作為工業(yè)管控自動化領域中的重要一環(huán)，也越發(fā)廣泛地被推廣和應用[1-3]。無線定位技術，作為定位技術中最重要的一個技術領域，由于其定位精度高、工程部署簡單、成本低廉，已經(jīng)越來越得到工業(yè)界和學術界的重視[4]。

近年來，無線通信技術不斷突破技術瓶頸，為無線定位技術的進步奠定了堅實的基礎；其中，衛(wèi)星定位技術[5-7]、無線傳感網(wǎng)絡定位技術[8-12]、以及藍牙定位技術[13-14]發(fā)展快速，定位性能大幅提升，擴展了無線定位技術的應用場景。然而，上述基于無線載波技術的無線定位技術，信號在傳播過程中會被建筑或者大型設備遮擋，影響定位精度，所以無法滿足復雜環(huán)境下的高精度定位需求，限制了無線定位技術在高精度場景下的應用[15-16]。

超寬帶(UWB, ultra wide band)定位技術作為無線定位技術的生力軍，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，屬于無載波通信技術，具有分辨率高、抗多徑干擾能力強、功耗與復雜度低的特點，越發(fā)得到業(yè)界學者和相關廠商的關注[17-18]。UWB技術將測量距離的誤差降低為厘米級，為位置信息的解算提供了高精度數(shù)據(jù)源，從根本上提高了無線定位系統(tǒng)的定位精度[19-23]。所以，UWB定位技術已經(jīng)成為高精度定位領域內(nèi)最閃耀的新星[24]。

UWB定位技術的出現(xiàn)和不斷革新，使得無線定位技術逐漸滿足了工業(yè)界對精準位置信息服務的需求，應用于變電站、軌道交通、礦井等各種安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中[25-26]。隨著定位場景的不斷擴展，使用單一定位區(qū)域已經(jīng)不再能夠滿足定位系統(tǒng)的要求，例如：室內(nèi)室外定位環(huán)境具有較明顯的差異，需要分別進行定位，以提高定位精度[27-29]；在大面積和復雜環(huán)境中，分區(qū)域定位可以降低非視距傳輸?shù)挠绊懀⒔鉀Q基站遠距離無線同步困難的問題[30-32]。但是，在各個區(qū)域交界處，受到定位精度以及區(qū)域切換算法的影響，定位系統(tǒng)容易出現(xiàn)切換失敗(應該切換而未觸發(fā)切換)、切換錯誤(不應該切換而觸發(fā)切換)、切換乒乓(在同一位置反復觸發(fā)切換)以及切換時延過長等現(xiàn)象，降低了整體性能效果，影響了定位系統(tǒng)在實際工程中的應用[33]。

針對這一核心問題，本文提出了一種區(qū)域切換的方法及流程，并將之應用于基于超寬帶技術的多區(qū)域定位系統(tǒng)中。經(jīng)過工程現(xiàn)場實測驗證，該方法能夠有效實現(xiàn)區(qū)域切換，切換時延約在1 s左右；而且通過使用多區(qū)域定位場景，提高了系統(tǒng)的整體定位精度，滿足工程實際對位置服務精度和時延的要求，為無線定位技術的推廣提供了重要的技術保障。

在本文以下章節(jié)中，章節(jié)1介紹了基于UWB定位技術的多區(qū)域定位系統(tǒng)的典型架構和基本原理；章節(jié)2提出了區(qū)域切換的具體算法及相關流程；章節(jié)3描述了工程現(xiàn)場的測試環(huán)境與相關參數(shù)，然后展示并分析了測試結果；最終，在章節(jié)4總結全文。

1 多區(qū)域定位系統(tǒng)結構及原理

典型的多區(qū)域定位系統(tǒng)架構如圖1所示，由定位標簽、定位基站、以及定位服務器組成，其中，定位服務器內(nèi)有對應于每個定位區(qū)域的區(qū)域定位器以及區(qū)域選擇器[34]。

圖1 多區(qū)域定位系統(tǒng)框架及定位過程圖示

1.1 定位標簽

定位標簽使用UWB通信模組，周期性地與定位基站進行通信，將每條通信報文的發(fā)送時刻、接收時刻以及該標簽的唯一標識碼傳輸給定位基站。

1.2 定位基站

定位基站使用UWB通信模組，接收并響應定位標簽的定位請求，根據(jù)報文中的內(nèi)容形成定位數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)或者Wi-Fi發(fā)給定位服務器中對應的區(qū)域定位器中。對于多區(qū)域的定位系統(tǒng)，每個區(qū)域內(nèi)都要部署定位基站；當定位基站部署于多個定位區(qū)域的交叉地帶時，該定位基站的定位數(shù)據(jù)需要傳輸給定位服務器中對應的每個區(qū)域定位器，以參與該區(qū)域內(nèi)的定位坐標點的求解過程。

此外，在定位基站之中選擇一個作為基準基站，通過時鐘同步原理[35]，將定位區(qū)域內(nèi)其他定位基站的時間與基準基站的時間保持同步。

1.3 定位服務器

定位服務器負責利用定位數(shù)據(jù)完成位置的解算。在多區(qū)域的定位系統(tǒng)中，定位服務器由一系列區(qū)域定位器和一個區(qū)域選擇器組成。其中，每個定位區(qū)域對應一個區(qū)域定位器，利用區(qū)域內(nèi)定位基站傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)，求解得到定位標簽在該區(qū)域內(nèi)的定位坐標點；每個區(qū)域定位器將定位坐標點傳輸給區(qū)域選擇器，由區(qū)域選擇器利用相關算法做出仲裁，選出區(qū)域選擇的結果(所選區(qū)域及對應的定位坐標點)。

本文的關注點是多區(qū)域定位系統(tǒng)中區(qū)域選擇的算法，其核心問題是要解決定位標簽運動過程中，區(qū)域選擇器中定位預期的切換問題，如圖2所示，當定位標簽從定位區(qū)域1運動到區(qū)域2時，區(qū)域選擇器需要相應地從選擇區(qū)域1的定位坐標點切換到選擇區(qū)域2的定位坐標點。既要保證該過程的準確性與實時性，也要防止選擇結果出現(xiàn)切換乒乓的現(xiàn)象。相關算法在下一章節(jié)中進行詳細闡述。

圖2 區(qū)域切換示意圖

2 系統(tǒng)軟件設計

在定位服務器內(nèi)，每個定位區(qū)域對應的定位器完成該區(qū)域內(nèi)定位坐標點的計算，然后將該區(qū)域內(nèi)的定位坐標點輸入給區(qū)域選擇器，由區(qū)域選擇器判斷是否觸發(fā)切換、并仲裁區(qū)域選擇的結果(結果內(nèi)容含有所選的區(qū)域及該區(qū)域對應的定位坐標點)。區(qū)域選擇器的工作流程如圖3所示。

圖3 區(qū)域選擇器的工作流程圖示

步驟1:計算每個區(qū)域的特征值，包括基站特征值集合λA={λA,i,i=1～N}和邊界特征值集合λB={λB,j,j=1～M}。對于一個區(qū)域，該特征值只需在配置區(qū)域信息時計算一次，并用于區(qū)域選擇。具體計算過程在章節(jié)2.1中詳述。

步驟2:輸入每個定位區(qū)域定位器計算所得的定位坐標點，對這些定位坐標點進行區(qū)域選擇仲裁。

步驟3:判斷每個定位區(qū)域的定位坐標點是否在該區(qū)域的邊界范圍內(nèi)，并以此計算邊界權重ωη的值。具體過程在章節(jié)2.2中詳述。

步驟4:利用每個區(qū)域定位器的坐標點結果，計算每個區(qū)域的殘留誤差權重ωε的值。具體過程在章節(jié)2.3中詳述。

步驟5:根據(jù)每個區(qū)域的定位坐標點與特征值，計算基站特征值權重ωA和邊界特征值權重ωB的值。具體過程在章節(jié)2.4中詳述。

步驟6:綜合考慮“步驟4～6”的所有權重值，計算置信因子Λ的值，具體計算過程在章節(jié)2.5中詳述。

步驟7:根據(jù)每個區(qū)域內(nèi)的置信因子的值，判斷是否觸發(fā)切換條件，并仲裁區(qū)域選擇的最終結果。具體過程在章節(jié)2.6中詳述。

步驟8:輸出所選區(qū)域及該區(qū)域對應的定位結果。

通過以上步驟，可以計算得到區(qū)域選擇的最終結果。每一步的具體過程在該章節(jié)的下文中進行詳述。

2.1 計算定位區(qū)域的特征值

在定位服務器內(nèi)，輸入每個定位區(qū)域的切換信息，包括：

1)本區(qū)域的區(qū)域編號：每個區(qū)域在服務器內(nèi)的唯一標識，用于區(qū)分不同區(qū)域；

2)可切換區(qū)域的區(qū)域編號：該區(qū)域可以切換到的目標區(qū)域的區(qū)域編號；

3)區(qū)域邊界數(shù)量M與每條區(qū)域邊界：每個邊界可以定義為一段由一系列的點的集合組成的線，每條線記為Bj,j=1～M，這些線首尾相接，構成整個區(qū)域的邊界；

4)邊界附近的基站數(shù)量N與邊界附近的基站坐標Ai,i=1～N。

利用這些區(qū)域信息，計算得到每個區(qū)域對應的基站特征值集合λA={λA,i,i=1～N}和邊界特征值集合λB={λB,j,j=1～M}。

圖4 區(qū)域內(nèi)格子劃分與點位距離示意圖

特別地，點P到邊界Bj上所有點{PB,j∈Βj}的距離的最小值lB,j可以表示為：

(1)

其求解方法如圖5所示：

圖5 點到邊界的距離求解示意圖

1)如果點P在邊界Bj上，則距離為0。

2)如果在邊界外，從點P做邊界Bj的垂線，當垂線的交點在邊界Bj上時，則垂線距離即為lB,j；

3)如果在邊界外，從點P做邊界Bj的垂線，當垂線的交點在邊界Bj外時，求得點P到邊界Bj的兩個端點的距離中較小的一個，即為lB,j。

定位區(qū)域特征值計算過程如圖6所示，將定位區(qū)域以一定的粒度劃分成大小相等的格子，遍歷所有格子中心，求得基站特征值集合λA={λA,i,i=1～N}和邊界特征值集合λB={λB,j,j=1～M}。計算過程可以表述為：

圖6 區(qū)域特征值求解過程圖

步驟1:計算格子中心點P到每個基站i的歐式距離lA,i：

(2)

步驟2:找到{lA,i,i=1～N}中的最小值及對應的基站I：

lA,I=min{lA,i,i=1～N}

(3)

步驟3:從該定位區(qū)域的基站特征值集合λA={λA,i,i=1～N}中找到基站I對應的值λA,I，并更新：

λA,I=max{λA,I,lA,I}

(4)

步驟4:計算格子中心點P到每個邊界j的距離lB,j，即，中心點P到邊界Bj上所有點{PB,j∈Βj}的距離的最小值lB,j；

步驟5:找到{lB,j,j=1～M}中的最小值及對應的邊界J：

lB,J=min{lB,j,j=1～M}

(5)

步驟6:從該定位區(qū)域的邊界特征值集合λB={λB,j,j=1～M}中找到邊界J對應的值λB,J，并更新：

λB,J=max{λB,J,lB,J}

(6)

步驟7:遍歷區(qū)域內(nèi)的所有格子，重復“步驟1～6”，更新該區(qū)域的基站特征值集合λA={λA,i,i=1～N}和邊界特征值集合λB={λB,j,j=1～M}。

通過以上步驟，可以計算得到每個區(qū)域的基站特征值集合λA={λA,i,i=1～N}和邊界特征值集合λB={λB,j,j=1～M}。

2.2 判斷定位結果是否在區(qū)域邊界內(nèi)，并獲得邊界權重值ωη

對于每個定位區(qū)域，需要判斷定位結果是否在區(qū)域邊界范圍內(nèi)，判斷方法為射線法，如圖7所示，從定位結果點P0引一條射線P0Q，根據(jù)射線P0Q與邊界的有效交點個數(shù)(記為f)判斷點P0是否在邊界內(nèi)：當有效交點個數(shù)為奇數(shù)時，判斷點P0在邊界范圍內(nèi)；否則，判斷點P0在邊界范圍外。其中，有效交點是指射線與邊界存在交點，且該交點不是邊界的兩個頂點中較低的頂點。

圖7 射線法判斷點位是否在邊界內(nèi)的示意圖

判斷過程如圖8所示，可以表述為：

圖8 判斷定位結果是否在邊界內(nèi)的流程圖示

步驟1:過定位結果坐標點P0、沿X軸正方向做一條平行于X軸的射線(記為P0Q)，并初始化有效交點個數(shù)f=0；

步驟2:求解射線P0Q與邊界Bj(j=1～M)的交點：如果射線P0Q與邊界Bj平行或重合，則認為不存在交點，進入“步驟4”；否則，求解射線P0Q與邊界Bj的交點，并進入“步驟3”；

步驟3:如果射線P0Q與邊界Bj(j=1～M)的交點與邊界Bj較低的頂點不同，則認為該交點為有效交點，并更新有效交點個數(shù)f=f+1；否則，認為該交點為無效交點，有效交點個數(shù)f不發(fā)生變化；

步驟4:遍歷區(qū)域的所有邊界Bj(j=1～M)，重復“步驟2～3”，更新有效交點個數(shù)f；

步驟5:根據(jù)f的值，判斷坐標點是否在邊界區(qū)域內(nèi)，并以此給定邊界權重ωη的值：

(7)

通過以上步驟，可以分別判斷每個定位區(qū)域內(nèi)的定位結果坐標點是否在對應的定位區(qū)域邊界范圍內(nèi)，并相應的更新邊界權重ωη的值：當定位結果坐標點在區(qū)域邊界范圍內(nèi)時，權重值ωη=1；否則，權重值ωη=-1。

2.3 計算每個區(qū)域定位坐標點的殘差權重ωε

在一個定位區(qū)域內(nèi)，一共部署了K個定位基站，坐標分別為Pk,k=1～K；并選擇其中一個作為基準基站(其坐標為P1)，主要負責為其他基站提供同步信號，以保證全部的基站都實現(xiàn)時鐘同步。每個定位基站k都對應一個定位數(shù)據(jù)記為μk,k=1～K。當使用飛行時間(ToF, time of flight)定位手段時，定位數(shù)據(jù)μk為定位標簽與該基站之間的距離；當使用到達時間差(TDOA, time difference of arrival)定位手段時，定位數(shù)據(jù)μk為定位標簽到該基站的距離減去定位標簽到基準基站的距離的差值。

(8)

(9)

(10)

進而計算得到殘差權重值ωε：

(11)

所以，殘差權重表達式(11)可以理解為：當定位精度越高時，定位結果坐標點的殘差ε值越小，其權重值ωε越大。

2.4 計算區(qū)域特征值權重ωA和ωB

計算定位結果P0到各個邊界附近的基站Ai,i=1～N的距離dA,i:

(12)

找到集合中{dA,i,i=1～N}的最小值dA,I及對應的基站I:

dA,I=min{dA,i,i=1～N}

(13)

根據(jù)基站I，在章節(jié)2.1求得的基站特征值集合λA={λA,i,i=1～N}中，找到基站I對應的基站特征值λA,I，進而計算得到該區(qū)域的基站特征值的權重ωA：

(14)

計算定位結果P0到各個邊界Bj的距離dB,j：

(15)

找到集合中{dB,j,j=1～M}的最小值dB,J及對應的邊界J：

dB,J=min{dB,j,j=1～M}

(16)

根據(jù)邊界J，在章節(jié)2.1求得的邊界特征值集合λB={λB,j,j=1～M}中，找到邊界J對應的邊界特征值λB,J，進而計算得到該區(qū)域的邊界特征值權重ωB：

(17)

所以，特征值權重表達式(14)和(17)可以理解為：當定位結果坐標點距離邊界越遠時，其特征值權重ωA和ωB的取值越大。

2.5 計算該區(qū)域的置信因子Λ

綜合表達式(7)、(11)、(14)和(17)，計算該區(qū)域的置信因子Λ：

Λ=ωη(ωA+ωB)+ωε

(18)

特別地，當定位區(qū)域內(nèi)不存在定位結果時，置信因子Λ=-∞，意味著定位系統(tǒng)不會觸發(fā)切換進入一個不存在定位結果的區(qū)域。

表達式(18)可以理解為：

1)當定位結果在本區(qū)域內(nèi)時ωη=1，如果定位結果坐標點離邊界越遠，特征值權重值ωA和ωB越大，導致其置信因子Λ較大，所以不容易切換離開本區(qū)域；當定位結果在本區(qū)域外時ωη=-1，如果定位結果坐標點離邊界越遠，特征值權重值ωA和ωB越大，導致置信因子Λ越小，所以不容易切換進入本區(qū)域。

2)當定位結果在本區(qū)域內(nèi)時，其定位結果的殘留誤差較小，殘差權重值ωε較大；當離開本區(qū)域時，其定位結果的殘留誤差較大，殘差權重值ωε較小。所以，當離開定位區(qū)域時，其置信因子Λ的取值更小，更容易判定切換離開當前區(qū)域。

2.6 判斷是否發(fā)生切換，仲裁區(qū)域選擇結果

每個區(qū)域都對應有一個區(qū)域選擇計數(shù)器δ，用于輔助判斷是否發(fā)生區(qū)域切換。對于服務器中的Z個定位區(qū)域，根據(jù)每個區(qū)域對應的置信因子Λz,z=1～Z更新該區(qū)域對應的計數(shù)器δz,z=1～Z的值，并利用計數(shù)器判斷是否發(fā)生切換。該流程如圖9所示。

圖9 更新計數(shù)器并判斷是否切換的流程圖示

步驟1:讀取當前區(qū)域的置信因子Λ0以及當前區(qū)域的可切換區(qū)域的置信因子Λ0,h，并找到置信因子{Λ0,Λ0,h}中的最大值的區(qū)域編號H；

步驟2:更新計數(shù)器δz的值：

(19)

即，編號為H的區(qū)域的計數(shù)器的值累加一，其他區(qū)域的計數(shù)器的值遞減一。每個計數(shù)器的值的取值范圍為[ξ1,ξ2]，即，當計數(shù)器的值達到ξ1時不再減少，當計數(shù)器的值達到ξ2時不再增加。其中，ξ1代表“切出”門限，當計數(shù)器減少到δ=ξ1時，表示本次定位結果已經(jīng)準備離開該區(qū)域；ξ2代表“切入”門限，當計數(shù)器增加到δ=ξ2時，表示本次定位結果已經(jīng)準備進入該區(qū)域。ξ1和ξ2取值的設計會影響到切換成功率和切換時延，相關內(nèi)容將在章節(jié)3中進行詳細描述。

步驟3:讀取當前區(qū)域對應的計數(shù)器δ0；

步驟4:如果δ0>ξ1，則說明本次定位結果還未離開當前區(qū)域，此時不發(fā)生切換，仍留在當前區(qū)域，區(qū)域選擇結果為當前區(qū)域，并進入“步驟7”；否則，說明本次定位結果已經(jīng)準備離開當前區(qū)域，需要進入“步驟5”，以判斷是否進入當前區(qū)域的可切換區(qū)域。

步驟5:讀取當前區(qū)域的可切換區(qū)域的計數(shù)器δ0,h；

步驟6:如果δ0,h<ξ2，則說明定位結果未準備進入當前區(qū)域的可切換區(qū)域，即，此時不發(fā)生切換，仍留在當前區(qū)域，區(qū)域選擇結果為當前區(qū)域，并進入“步驟7”；否則，說明發(fā)送定位區(qū)域切換，切換到對應的區(qū)域，區(qū)域選擇結果為當前區(qū)域對應的可切換區(qū)域，并將所有的計數(shù)器清零，然后進入“步驟7”；

步驟7:輸出所選擇的區(qū)域以及該區(qū)域對應的定位結果。

綜上所述，該章節(jié)詳細介紹了區(qū)域選擇器在進行區(qū)域選擇(定位區(qū)域切換)時的算法流程。通過計算每個區(qū)域的置信因子Λ來更新每個定位區(qū)域的區(qū)域選擇計數(shù)器δ，進而判斷是否發(fā)生了區(qū)域切換，以仲裁區(qū)域選擇的結果(所選區(qū)域及對應的定位坐標點)。

這種區(qū)域選擇的流程，綜合考慮了定位結果與區(qū)域邊界范圍、區(qū)域特征值以及定位殘留誤差的關系，并通過使用區(qū)域選擇計數(shù)器來防止切換乒乓的現(xiàn)象，從原理上保證了區(qū)域切換的準確性和實時性。對使用該算法流程的無線定位系統(tǒng)進行了工程測試，相關內(nèi)容在下一個章節(jié)中進行描述。

3 實驗結果與分析

為了驗證該算法的有效性，在浙江省某變電站內(nèi)部署了一套應用該算法的UWB無線定位系統(tǒng)，覆蓋了約60米×70米的室外場地，概況如圖10所示。

圖10 變電站場地示意圖

如圖10所示，室外場地存在兩座大型變壓器、一座主控樓以及一些龍門架、電抗器、機器人塢等建筑，圖中“×”標識的位置部署了定位基站。其中，主控樓內(nèi)沒有定位基站，不做定位需求；樓內(nèi)有工具間、二次設備間和配電裝置間，工具間在樓前有一扇門(門A)可供進出，二次設備間在樓前和樓后各有一扇門(樓前和樓后分別對應門B和門C)可供進出，配電裝置間在樓前有兩扇門(靠近二測設備間的門為門D，另外一個門為門E)可供進出，所有門寬度不超過1.5米，在圖10中用陰影矩形表示。在變電站內(nèi)，一共劃分了8個定位區(qū)域，區(qū)域信息描述如表1。

表1 定位區(qū)域劃分表

在場地內(nèi)分別進行室內(nèi)外進出切換測試和全場切換測試，測試參數(shù)詳見表2。室內(nèi)外進出切換測試是指佩戴有定位標簽的工作人員反復進出各個房間(工具間、二次設備間和配電裝置間)，并觀察切換成功率和切換時延。全場切換測試是指佩戴有定位標簽的工作人員沿著指定路線(圖10中用帶箭頭的實線表示路線及行進方向，區(qū)域切換順序為4→5→4→3→1→2→4→6→4→7→1→7→4→8→4，共14次切換)在場地內(nèi)行進，觀察切換成功率、切換時延以及定位結果與路線測繪值之間的偏差值。

表2 定位測試參數(shù)表格

切換成功率ζ的計算表達式為：

ζ=(SAll-SFail-SError)/SAll·100%

(20)

其中:SAll表示切換測試的總數(shù)，SFail表示切換失敗(應該切換而未觸發(fā)切換)的次數(shù)，SError表示切換錯誤(不應該切換而觸發(fā)切換)的次數(shù)。

切換時延是指在成功“切換”的前提下，運動場景實際發(fā)生改變的時間與定位結果發(fā)生切換的時間的差值，計算表達式為：

Δτ=τswitch-τacc

(21)

其中:τswitch表示定位結果發(fā)生切換的時刻，τacc表示實際運動場景改變的時刻。

定位結果與路線測繪值之間的偏差是指定位結果偏離路線的垂直距離ds(s表示第s次定位)，并使用統(tǒng)計值σ95來表征定位精度，其含義是指95%的定位結果偏差值都小于或者等于σ95，即，如果使用{ds}表征所有定位結果的偏差值ds的集合，則σ95是大于或者等于{ds}中95%的元素值的最小值，可以表示為：

σ95=argmin{d≥{ds}中95%的元素值}

(22)

作為驗證對比項，引入[27]中的區(qū)域切換算法。在后面的測試結果中，用“新算法”代指本文提出的算法對應的結果，用“[27]算法”代指[27]中算法對應的結果。

3.1 室內(nèi)外進出切換測試

佩戴有定位標簽的工作人員，分別在工具間門口(門A)、二次設備間門口(門B和門C)和配電裝置間門口(門D和門E)，往返進出10次，并在每個區(qū)域停留5秒，分別測試切換成功率和切換時延。

在門A反復進出的切換測試結果如圖11所示，圖中橫軸為時間(單位為秒)，縱軸為區(qū)域編號取值(室外對應區(qū)域編號為4，室內(nèi)對應區(qū)域編號為6)；帶有“·”實線為人員實際所在的區(qū)域，帶有“×”的長虛線為“新算法”的結果，帶有“×”的短虛線為“[27]算法”的結果。通過結果可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的切換方案可以實現(xiàn)區(qū)域的切換，10次進出(一共20次切換)的切換成功率ζ為100%，而“[27]算法”存在兩次切換失敗。

圖11 門A反復切換測試結果

使用相同的測試方案，針對門B～E進行測試，測試結果如表3所示。通過統(tǒng)計結果可以發(fā)現(xiàn)，“新算法”切換成功率為100%，切換時延的平均值約在1 s左右，其最大值也不超過1.5 s，基本滿足工程需求；而“[27]算法”雖然切換時延與“新算法”基本相同，但是存在一定切換失敗的風險，不利于工程推廣。

由于當前區(qū)域的計數(shù)器δ0需要從“切入”上限ξ2依次遞減到“切出”門限ξ1，而目標區(qū)域的計數(shù)器δ0,h需要從“切出”門限ξ1依次累加到“切入”上限ξ2。當測試參數(shù)設定為ξ1=-ξ2=-2時，如果每次都定位準確，則切換過程需要經(jīng)過5次定位；考慮到測試的定位頻率為5 Hz，所以切換時延的理論值為1 s。由于存在定位誤差的影響，所以切換時延可能在1 s左右波動。通過圖11與表3的結果可以發(fā)現(xiàn)，測試結果與理論預期基本一致。

表3 室內(nèi)外進出切換統(tǒng)計結果

3.2 全場切換測試

全場切換測試是指佩戴有定位標簽的工作人員沿著指定路線(圖10中用帶箭頭的實線表示路線及行進方向)在場地內(nèi)行進(共經(jīng)歷14次切換)，觀察“新算法”和“[27]算法”在實際工程項目中的切換成功率、切換時延以及定位結果與路線測繪值之間的偏差。測試結果如圖12和表4所示。

圖12 全場測試定位軌跡圖

表4 全場測試統(tǒng)計結果

定位軌跡如圖12所示，實線為人員在定位區(qū)域內(nèi)實際運動的軌跡，虛線為非定位區(qū)域內(nèi)實際運動的軌跡，“×”表示使用劃分區(qū)域并使用“新算法”的定位結果，“+”表示使用劃分區(qū)域并使用“[27]算法”的定位結果，“·”表示未劃分區(qū)域的定位結果。區(qū)域6、7、8不做定位。

通過圖12可以看出，使用了“新算法”的超寬帶定位系統(tǒng)在定位場地內(nèi)定位軌跡平滑，與實際運動路線偏差較??；在不同區(qū)域間運動時，能夠實現(xiàn)區(qū)域的自動切換，既可以實現(xiàn)室外區(qū)域的切換，也可以實現(xiàn)室內(nèi)外區(qū)域的切換；而“[27]算法”在區(qū)域7切換到區(qū)域1(在二次設備間經(jīng)門C去到主控樓后的區(qū)域)時出現(xiàn)切換失敗，導致出門后無定位軌跡。性能統(tǒng)計結果如表4所示，全場定位精度約為0.2米，切換時延的平均值小于1 s左右。綜合圖12和表4的結果可以看出，劃分區(qū)域并本文區(qū)域切換算法，可以有效提高定位精度，基本符合工程場景的應用需求。

此外，綜合章節(jié)2中切換方案的理論分析以及本章節(jié)中圖11、12和表3、4的測試結果，通過分析可以得出推論：

1)通過提升定位頻率，可以加快切換方案中的計數(shù)器更新頻率，實現(xiàn)降低切換時延的目的；但是，提升定位頻率后，會增加定位報文在空中的碰撞概率，且會增加定位標簽的功耗，所以，在實際定位工程應用中，應從系統(tǒng)的角度通盤考慮，合理制定定位頻率。

2)“切入”門限ξ1和“切出”門限ξ2的設定，也會影響切換的成功率和時延：當門限值越接近0時，越容易觸發(fā)切換，會降低切換時延，使得系統(tǒng)較少出現(xiàn)切換失敗(應該切換而未發(fā)生切換)，但是更容易出現(xiàn)切換錯誤(不應該切換而發(fā)生切換)；反之，當門限值越遠離0時，越難觸發(fā)切換，使得系統(tǒng)較少出現(xiàn)切換錯誤，但是會增加切換時延，且更容易出現(xiàn)切換失敗。所以，在工程應用過程中，在設計該門限值時，要綜合考慮系統(tǒng)的定位精度、切換時延以及切換成功率，才能保證定位系統(tǒng)的可靠運行。

4 結束語

隨著超寬帶無線定位技術的飛速發(fā)展，基于該技術的定位系統(tǒng)逐漸得到推廣，可以應用于面積更大、環(huán)境更復雜的定位場景。通過合理劃分定位區(qū)域，可以提高每個定位區(qū)域內(nèi)的定位精度，進而提高整個定位系統(tǒng)的定位性能。但是這也對區(qū)域切換方案和算法提出了較高的要求。

本文提出了一種區(qū)域切換方法，利用區(qū)域特征值、區(qū)域邊界以及殘留誤差來判斷定位結果是否在區(qū)域內(nèi)，并使用區(qū)域計數(shù)器來防止切換乒乓現(xiàn)象。經(jīng)過工程實測驗證，該方法可以有效實現(xiàn)定位區(qū)域的可靠切換，切換成功率100%，切換延遲約為1 s；同時，測試結果也可以證明通過合理劃分定位區(qū)域，可以有效提高系統(tǒng)的定位精度。