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(guó)制造2025”的提出和推進(jìn)，引領(lǐng)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(wù)，作為工業(yè)管控自動(dòng)化領(lǐng)域中的重要一環(huán)，也越發(fā)廣泛地被推廣和應(yīng)用[1-3]。無線定位技術(shù)，作為定位技術(shù)中最重要的一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，由于其定位精度高、工程部署簡(jiǎn)單、成本低廉，已經(jīng)越來越得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視[4]。

近年來，無線通信技術(shù)不斷突破技術(shù)瓶頸，為無線定位技術(shù)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；其中，衛(wèi)星定位技術(shù)[5-7]、無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)[8-12]、以及藍(lán)牙定位技術(shù)[13-14]發(fā)展快速，定位性能大幅提升，擴(kuò)展了無線定位技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，上述基于無線載波技術(shù)的無線定位技術(shù)，信號(hào)在傳播過程中會(huì)被建筑或者大型設(shè)備遮擋，影響定位精度，所以無法滿足復(fù)雜環(huán)境下的高精度定位需求，限制了無線定位技術(shù)在高精度場(chǎng)景下的應(yīng)用[15-16]。

超寬帶(UWB, ultra wide band)定位技術(shù)作為無線定位技術(shù)的生力軍，利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，屬于無載波通信技術(shù)，具有分辨率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、功耗與復(fù)雜度低的特點(diǎn)，越發(fā)得到業(yè)界學(xué)者和相關(guān)廠商的關(guān)注[17-18]。UWB技術(shù)將測(cè)量距離的誤差降低為厘米級(jí)，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(shù)已經(jīng)成為高精度定位領(lǐng)域內(nèi)最閃耀的新星[24]。

UWB定位技術(shù)的出現(xiàn)和不斷革新，使得無線定位技術(shù)逐漸滿足了工業(yè)界對(duì)精準(zhǔn)位置信息服務(wù)的需求，應(yīng)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(chǎng)景的不斷擴(kuò)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(jìn)行定位，以提高定位精度[27-29]；在大面積和復(fù)雜環(huán)境中，分區(qū)域定位可以降低非視距傳輸?shù)挠绊?，并解決基站遠(yuǎn)距離無線同步困難的問題[30-32]。但是，在各個(gè)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(yīng)該切換而未觸發(fā)切換)、切換錯(cuò)誤(不應(yīng)該切換而觸發(fā)切換)、切換乒乓(在同一位置反復(fù)觸發(fā)切換)以及切換時(shí)延過長(zhǎng)等現(xiàn)象，降低了整體性能效果，影響了定位系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用[33]。

針對(duì)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(yīng)用于基于超寬帶技術(shù)的多區(qū)域定位系統(tǒng)中。經(jīng)過工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)區(qū)域切換，切換時(shí)延約在1 s左右；而且通過使用多區(qū)域定位場(chǎng)景，提高了系統(tǒng)的整體定位精度，滿足工程實(shí)際對(duì)位置服務(wù)精度和時(shí)延的要求，為無線定位技術(shù)的推廣提供了重要的技術(shù)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(shù)的多區(qū)域定位系統(tǒng)的典型架構(gòu)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(guān)流程；章節(jié)3描述了工程現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境與相關(guān)參數(shù)，然后展示并分析了測(cè)試結(jié)果；最終，在章節(jié)4總結(jié)全文。

1 多區(qū)域定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

典型的多區(qū)域定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由定位標(biāo)簽、定位基站、以及定位服務(wù)器組成，其中，定位服務(wù)器內(nèi)有對(duì)應(yīng)于每個(gè)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(biāo)簽

定位標(biāo)簽使用UWB通信模組，周期性地與定位基站進(jìn)行通信，將每條通信報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻、接收時(shí)刻以及該標(biāo)簽的唯一標(biāo)識(shí)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(yīng)定位標(biāo)簽的定位請(qǐng)求，根據(jù)報(bào)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(wù)器中對(duì)應(yīng)的區(qū)域定位器中。對(duì)于多區(qū)域的定位系統(tǒng)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)都要部署定位基站；當(dāng)定位基站部署于多個(gè)定位區(qū)域的交叉地帶時(shí)，該定位基站的定位數(shù)據(jù)需要傳輸給定位服務(wù)器中對(duì)應(yīng)的每個(gè)區(qū)域定位器，以參與該區(qū)域內(nèi)的定位坐標(biāo)點(diǎn)的求解過程。

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

1.3 定位服務(wù)器

定位服務(wù)器負(fù)責(zé)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(wù)器由一系列區(qū)域定位器和一個(gè)區(qū)域選擇器組成。其中，每個(gè)定位區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)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(biāo)簽在該區(qū)域內(nèi)的定位坐標(biāo)點(diǎn)；每個(gè)區(qū)域定位器將定位坐標(biāo)點(diǎn)傳輸給區(qū)域選擇器，由區(qū)域選擇器利用相關(guān)算法做出仲裁，選出區(qū)域選擇的結(jié)果(所選區(qū)域及對(duì)應(yīng)的定位坐標(biāo)點(diǎn))。

本文的關(guān)注點(diǎn)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(biāo)簽運(yùn)動(dòng)過程中，區(qū)域選擇器中定位預(yù)期的切換問題，如圖2所示，當(dāng)定位標(biāo)簽從定位區(qū)域1運(yùn)動(dòng)到區(qū)域2時(shí)，區(qū)域選擇器需要相應(yīng)地從選擇區(qū)域1的定位坐標(biāo)點(diǎn)切換到選擇區(qū)域2的定位坐標(biāo)點(diǎn)。既要保證該過程的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，也要防止選擇結(jié)果出現(xiàn)切換乒乓的現(xiàn)象。相關(guān)算法在下一章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖2 區(qū)域切換示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在定位服務(wù)器內(nèi)，每個(gè)定位區(qū)域?qū)?yīng)的定位器完成該區(qū)域內(nèi)定位坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算，然后將該區(qū)域內(nèi)的定位坐標(biāo)點(diǎn)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(jié)果(結(jié)果內(nèi)容含有所選的區(qū)域及該區(qū)域?qū)?yīng)的定位坐標(biāo)點(diǎn))。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(jì)算每個(gè)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(duì)于一個(gè)區(qū)域，該特征值只需在配置區(qū)域信息時(shí)計(jì)算一次，并用于區(qū)域選擇。具體計(jì)算過程在章節(jié)2.1中詳述。

步驟2:輸入每個(gè)定位區(qū)域定位器計(jì)算所得的定位坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)這些定位坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域選擇仲裁。

步驟3:判斷每個(gè)定位區(qū)域的定位坐標(biāo)點(diǎn)是否在該區(qū)域的邊界范圍內(nèi)，并以此計(jì)算邊界權(quán)重ωη的值。具體過程在章節(jié)2.2中詳述。

步驟4:利用每個(gè)區(qū)域定位器的坐標(biāo)點(diǎn)結(jié)果，計(jì)算每個(gè)區(qū)域的殘留誤差權(quán)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(gè)區(qū)域的定位坐標(biāo)點(diǎn)與特征值，計(jì)算基站特征值權(quán)重ωA和邊界特征值權(quán)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(quán)重值，計(jì)算置信因子Λ的值，具體計(jì)算過程在章節(jié)2.5中詳述。

步驟7:根據(jù)每個(gè)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(jié)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?qū)?yīng)的定位結(jié)果。

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

2.1 計(jì)算定位區(qū)域的特征值

在定位服務(wù)器內(nèi)，輸入每個(gè)定位區(qū)域的切換信息，包括：

1)本區(qū)域的區(qū)域編號(hào)：每個(gè)區(qū)域在服務(wù)器內(nèi)的唯一標(biāo)識(shí)，用于區(qū)分不同區(qū)域；

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

3)區(qū)域邊界數(shù)量M與每條區(qū)域邊界：每個(gè)邊界可以定義為一段由一系列的點(diǎn)的集合組成的線，每條線記為Bj,j=1～M，這些線首尾相接，構(gòu)成整個(gè)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(biāo)Ai,i=1～N。

利用這些區(qū)域信息，計(jì)算得到每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)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(diǎn)位距離示意圖

特別地，點(diǎn)P到邊界Bj上所有點(diǎn){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(diǎn)到邊界的距離求解示意圖

1)如果點(diǎn)P在邊界Bj上，則距離為0。

2)如果在邊界外，從點(diǎn)P做邊界Bj的垂線，當(dāng)垂線的交點(diǎn)在邊界Bj上時(shí)，則垂線距離即為lB,j；

3)如果在邊界外，從點(diǎn)P做邊界Bj的垂線，當(dāng)垂線的交點(diǎn)在邊界Bj外時(shí)，求得點(diǎn)P到邊界Bj的兩個(gè)端點(diǎn)的距離中較小的一個(gè)，即為lB,j。

定位區(qū)域特征值計(jì)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(jì)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(jì)算格子中心點(diǎn)P到每個(gè)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的值λA,I，并更新：

λA,I=max{λA,I,lA,I}

(4)

步驟4:計(jì)算格子中心點(diǎn)P到每個(gè)邊界j的距離lB,j，即，中心點(diǎn)P到邊界Bj上所有點(diǎn){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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(fù)“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(jì)算得到每個(gè)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(jié)果是否在區(qū)域邊界內(nèi)，并獲得邊界權(quán)重值ωη

對(duì)于每個(gè)定位區(qū)域，需要判斷定位結(jié)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(jié)果點(diǎn)P0引一條射線P0Q，根據(jù)射線P0Q與邊界的有效交點(diǎn)個(gè)數(shù)(記為f)判斷點(diǎn)P0是否在邊界內(nèi)：當(dāng)有效交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，判斷點(diǎn)P0在邊界范圍內(nèi)；否則，判斷點(diǎn)P0在邊界范圍外。其中，有效交點(diǎn)是指射線與邊界存在交點(diǎn)，且該交點(diǎn)不是邊界的兩個(gè)頂點(diǎn)中較低的頂點(diǎn)。

圖7 射線法判斷點(diǎn)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(jié)果是否在邊界內(nèi)的流程圖示

步驟1:過定位結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)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(diǎn)個(gè)數(shù)f=0；

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

步驟3:如果射線P0Q與邊界Bj(j=1～M)的交點(diǎn)與邊界Bj較低的頂點(diǎn)不同，則認(rèn)為該交點(diǎn)為有效交點(diǎn)，并更新有效交點(diǎn)個(gè)數(shù)f=f+1；否則，認(rèn)為該交點(diǎn)為無效交點(diǎn)，有效交點(diǎn)個(gè)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(fù)“步驟2～3”，更新有效交點(diǎn)個(gè)數(shù)f；

步驟5:根據(jù)f的值，判斷坐標(biāo)點(diǎn)是否在邊界區(qū)域內(nèi)，并以此給定邊界權(quán)重ωη的值：

(7)

通過以上步驟，可以分別判斷每個(gè)定位區(qū)域內(nèi)的定位結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)是否在對(duì)應(yīng)的定位區(qū)域邊界范圍內(nèi)，并相應(yīng)的更新邊界權(quán)重ωη的值：當(dāng)定位結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)在區(qū)域邊界范圍內(nèi)時(shí)，權(quán)重值ωη=1；否則，權(quán)重值ωη=-1。

2.3 計(jì)算每個(gè)區(qū)域定位坐標(biāo)點(diǎn)的殘差權(quán)重ωε

在一個(gè)定位區(qū)域內(nèi)，一共部署了K個(gè)定位基站，坐標(biāo)分別為Pk,k=1～K；并選擇其中一個(gè)作為基準(zhǔn)基站(其坐標(biāo)為P1)，主要負(fù)責(zé)為其他基站提供同步信號(hào)，以保證全部的基站都實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。每個(gè)定位基站k都對(duì)應(yīng)一個(gè)定位數(shù)據(jù)記為μk,k=1～K。當(dāng)使用飛行時(shí)間(ToF, time of flight)定位手段時(shí)，定位數(shù)據(jù)μk為定位標(biāo)簽與該基站之間的距離；當(dāng)使用到達(dá)時(shí)間差(TDOA, time difference of arrival)定位手段時(shí)，定位數(shù)據(jù)μk為定位標(biāo)簽到該基站的距離減去定位標(biāo)簽到基準(zhǔn)基站的距離的差值。

(8)

(9)

(10)

進(jìn)而計(jì)算得到殘差權(quán)重值ωε：

(11)

所以，殘差權(quán)重表達(dá)式(11)可以理解為：當(dāng)定位精度越高時(shí)，定位結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)的殘差ε值越小，其權(quán)重值ωε越大。

2.4 計(jì)算區(qū)域特征值權(quán)重ωA和ωB

計(jì)算定位結(jié)果P0到各個(gè)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的基站特征值λA,I，進(jìn)而計(jì)算得到該區(qū)域的基站特征值的權(quán)重ωA：

(14)

計(jì)算定位結(jié)果P0到各個(gè)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的邊界特征值λB,J，進(jìn)而計(jì)算得到該區(qū)域的邊界特征值權(quán)重ωB：

(17)

所以，特征值權(quán)重表達(dá)式(14)和(17)可以理解為：當(dāng)定位結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)距離邊界越遠(yuǎn)時(shí)，其特征值權(quán)重ωA和ωB的取值越大。

2.5 計(jì)算該區(qū)域的置信因子Λ

綜合表達(dá)式(7)、(11)、(14)和(17)，計(jì)算該區(qū)域的置信因子Λ：

Λ=ωη(ωA+ωB)+ωε

(18)

特別地，當(dāng)定位區(qū)域內(nèi)不存在定位結(jié)果時(shí)，置信因子Λ=-∞，意味著定位系統(tǒng)不會(huì)觸發(fā)切換進(jìn)入一個(gè)不存在定位結(jié)果的區(qū)域。

表達(dá)式(18)可以理解為：

1)當(dāng)定位結(jié)果在本區(qū)域內(nèi)時(shí)ωη=1，如果定位結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)離邊界越遠(yuǎn)，特征值權(quán)重值ωA和ωB越大，導(dǎo)致其置信因子Λ較大，所以不容易切換離開本區(qū)域；當(dāng)定位結(jié)果在本區(qū)域外時(shí)ωη=-1，如果定位結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)離邊界越遠(yuǎn)，特征值權(quán)重值ωA和ωB越大，導(dǎo)致置信因子Λ越小，所以不容易切換進(jìn)入本區(qū)域。

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

2.6 判斷是否發(fā)生切換，仲裁區(qū)域選擇結(jié)果

每個(gè)區(qū)域都對(duì)應(yīng)有一個(gè)區(qū)域選擇計(jì)數(shù)器δ，用于輔助判斷是否發(fā)生區(qū)域切換。對(duì)于服務(wù)器中的Z個(gè)定位區(qū)域，根據(jù)每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的置信因子Λz,z=1～Z更新該區(qū)域?qū)?yīng)的計(jì)數(shù)器δz,z=1～Z的值，并利用計(jì)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(jì)數(shù)器并判斷是否切換的流程圖示

步驟1:讀取當(dāng)前區(qū)域的置信因子Λ0以及當(dāng)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(hào)H；

步驟2:更新計(jì)數(shù)器δz的值：

(19)

即，編號(hào)為H的區(qū)域的計(jì)數(shù)器的值累加一，其他區(qū)域的計(jì)數(shù)器的值遞減一。每個(gè)計(jì)數(shù)器的值的取值范圍為[ξ1,ξ2]，即，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到ξ1時(shí)不再減少，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到ξ2時(shí)不再增加。其中，ξ1代表“切出”門限，當(dāng)計(jì)數(shù)器減少到δ=ξ1時(shí)，表示本次定位結(jié)果已經(jīng)準(zhǔn)備離開該區(qū)域；ξ2代表“切入”門限，當(dāng)計(jì)數(shù)器增加到δ=ξ2時(shí)，表示本次定位結(jié)果已經(jīng)準(zhǔn)備進(jìn)入該區(qū)域。ξ1和ξ2取值的設(shè)計(jì)會(huì)影響到切換成功率和切換時(shí)延，相關(guān)內(nèi)容將在章節(jié)3中進(jìn)行詳細(xì)描述。

步驟3:讀取當(dāng)前區(qū)域?qū)?yīng)的計(jì)數(shù)器δ0；

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

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

步驟6:如果δ0,h<ξ2，則說明定位結(jié)果未準(zhǔn)備進(jìn)入當(dāng)前區(qū)域的可切換區(qū)域，即，此時(shí)不發(fā)生切換，仍留在當(dāng)前區(qū)域，區(qū)域選擇結(jié)果為當(dāng)前區(qū)域，并進(jìn)入“步驟7”；否則，說明發(fā)送定位區(qū)域切換，切換到對(duì)應(yīng)的區(qū)域，區(qū)域選擇結(jié)果為當(dāng)前區(qū)域?qū)?yīng)的可切換區(qū)域，并將所有的計(jì)數(shù)器清零，然后進(jìn)入“步驟7”；

步驟7:輸出所選擇的區(qū)域以及該區(qū)域?qū)?yīng)的定位結(jié)果。

綜上所述，該章節(jié)詳細(xì)介紹了區(qū)域選擇器在進(jìn)行區(qū)域選擇(定位區(qū)域切換)時(shí)的算法流程。通過計(jì)算每個(gè)區(qū)域的置信因子Λ來更新每個(gè)定位區(qū)域的區(qū)域選擇計(jì)數(shù)器δ，進(jìn)而判斷是否發(fā)生了區(qū)域切換，以仲裁區(qū)域選擇的結(jié)果(所選區(qū)域及對(duì)應(yīng)的定位坐標(biāo)點(diǎn))。

這種區(qū)域選擇的流程，綜合考慮了定位結(jié)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(guān)系，并通過使用區(qū)域選擇計(jì)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(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。對(duì)使用該算法流程的無線定位系統(tǒng)進(jìn)行了工程測(cè)試，相關(guān)內(nèi)容在下一個(gè)章節(jié)中進(jìn)行描述。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該算法的有效性，在浙江省某變電站內(nèi)部署了一套應(yīng)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(chǎng)地，概況如圖10所示。

圖10 變電站場(chǎng)地示意圖

如圖10所示，室外場(chǎng)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(jī)器人塢等建筑，圖中“×”標(biāo)識(shí)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(shè)備間和配電裝置間，工具間在樓前有一扇門(門A)可供進(jìn)出，二次設(shè)備間在樓前和樓后各有一扇門(樓前和樓后分別對(duì)應(yīng)門B和門C)可供進(jìn)出，配電裝置間在樓前有兩扇門(靠近二測(cè)設(shè)備間的門為門D，另外一個(gè)門為門E)可供進(jìn)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(gè)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(chǎng)地內(nèi)分別進(jìn)行室內(nèi)外進(jìn)出切換測(cè)試和全場(chǎng)切換測(cè)試，測(cè)試參數(shù)詳見表2。室內(nèi)外進(jìn)出切換測(cè)試是指佩戴有定位標(biāo)簽的工作人員反復(fù)進(jìn)出各個(gè)房間(工具間、二次設(shè)備間和配電裝置間)，并觀察切換成功率和切換時(shí)延。全場(chǎng)切換測(cè)試是指佩戴有定位標(biāo)簽的工作人員沿著指定路線(圖10中用帶箭頭的實(shí)線表示路線及行進(jìn)方向，區(qū)域切換順序?yàn)?→5→4→3→1→2→4→6→4→7→1→7→4→8→4，共14次切換)在場(chǎng)地內(nèi)行進(jìn)，觀察切換成功率、切換時(shí)延以及定位結(jié)果與路線測(cè)繪值之間的偏差值。

表2 定位測(cè)試參數(shù)表格

切換成功率ζ的計(jì)算表達(dá)式為：

ζ=(SAll-SFail-SError)/SAll·100%

(20)

其中:SAll表示切換測(cè)試的總數(shù)，SFail表示切換失敗(應(yīng)該切換而未觸發(fā)切換)的次數(shù)，SError表示切換錯(cuò)誤(不應(yīng)該切換而觸發(fā)切換)的次數(shù)。

切換時(shí)延是指在成功“切換”的前提下，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景實(shí)際發(fā)生改變的時(shí)間與定位結(jié)果發(fā)生切換的時(shí)間的差值，計(jì)算表達(dá)式為：

Δτ=τswitch-τacc

(21)

其中:τswitch表示定位結(jié)果發(fā)生切換的時(shí)刻，τacc表示實(shí)際運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景改變的時(shí)刻。

定位結(jié)果與路線測(cè)繪值之間的偏差是指定位結(jié)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(jì)值σ95來表征定位精度，其含義是指95%的定位結(jié)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(jié)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(yàn)證對(duì)比項(xiàng)，引入[27]中的區(qū)域切換算法。在后面的測(cè)試結(jié)果中，用“新算法”代指本文提出的算法對(duì)應(yīng)的結(jié)果，用“[27]算法”代指[27]中算法對(duì)應(yīng)的結(jié)果。

3.1 室內(nèi)外進(jìn)出切換測(cè)試

佩戴有定位標(biāo)簽的工作人員，分別在工具間門口(門A)、二次設(shè)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(jìn)出10次，并在每個(gè)區(qū)域停留5秒，分別測(cè)試切換成功率和切換時(shí)延。

在門A反復(fù)進(jìn)出的切換測(cè)試結(jié)果如圖11所示，圖中橫軸為時(shí)間(單位為秒)，縱軸為區(qū)域編號(hào)取值(室外對(duì)應(yīng)區(qū)域編號(hào)為4，室內(nèi)對(duì)應(yīng)區(qū)域編號(hào)為6)；帶有“·”實(shí)線為人員實(shí)際所在的區(qū)域，帶有“×”的長(zhǎng)虛線為“新算法”的結(jié)果，帶有“×”的短虛線為“[27]算法”的結(jié)果。通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的切換方案可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的切換，10次進(jìn)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(fù)切換測(cè)試結(jié)果

使用相同的測(cè)試方案，針對(duì)門B～E進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，“新算法”切換成功率為100%，切換時(shí)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(shí)延與“新算法”基本相同，但是存在一定切換失敗的風(fēng)險(xiǎn)，不利于工程推廣。

由于當(dāng)前區(qū)域的計(jì)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(biāo)區(qū)域的計(jì)數(shù)器δ0,h需要從“切出”門限ξ1依次累加到“切入”上限ξ2。當(dāng)測(cè)試參數(shù)設(shè)定為ξ1=-ξ2=-2時(shí)，如果每次都定位準(zhǔn)確，則切換過程需要經(jīng)過5次定位；考慮到測(cè)試的定位頻率為5 Hz，所以切換時(shí)延的理論值為1 s。由于存在定位誤差的影響，所以切換時(shí)延可能在1 s左右波動(dòng)。通過圖11與表3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果與理論預(yù)期基本一致。

表3 室內(nèi)外進(jìn)出切換統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 全場(chǎng)切換測(cè)試

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

圖12 全場(chǎng)測(cè)試定位軌跡圖

表4 全場(chǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

定位軌跡如圖12所示，實(shí)線為人員在定位區(qū)域內(nèi)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的軌跡，虛線為非定位區(qū)域內(nèi)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的軌跡，“×”表示使用劃分區(qū)域并使用“新算法”的定位結(jié)果，“+”表示使用劃分區(qū)域并使用“[27]算法”的定位結(jié)果，“·”表示未劃分區(qū)域的定位結(jié)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(chǎng)地內(nèi)定位軌跡平滑，與實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線偏差較小；在不同區(qū)域間運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域的自動(dòng)切換，既可以實(shí)現(xiàn)室外區(qū)域的切換，也可以實(shí)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(shè)備間經(jīng)門C去到主控樓后的區(qū)域)時(shí)出現(xiàn)切換失敗，導(dǎo)致出門后無定位軌跡。性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，全場(chǎng)定位精度約為0.2米，切換時(shí)延的平均值小于1 s左右。綜合圖12和表4的結(jié)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(chǎng)景的應(yīng)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(cè)試結(jié)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(jì)數(shù)器更新頻率，實(shí)現(xiàn)降低切換時(shí)延的目的；但是，提升定位頻率后，會(huì)增加定位報(bào)文在空中的碰撞概率，且會(huì)增加定位標(biāo)簽的功耗，所以，在實(shí)際定位工程應(yīng)用中，應(yīng)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(shè)定，也會(huì)影響切換的成功率和時(shí)延：當(dāng)門限值越接近0時(shí)，越容易觸發(fā)切換，會(huì)降低切換時(shí)延，使得系統(tǒng)較少出現(xiàn)切換失敗(應(yīng)該切換而未發(fā)生切換)，但是更容易出現(xiàn)切換錯(cuò)誤(不應(yīng)該切換而發(fā)生切換)；反之，當(dāng)門限值越遠(yuǎn)離0時(shí)，越難觸發(fā)切換，使得系統(tǒng)較少出現(xiàn)切換錯(cuò)誤，但是會(huì)增加切換時(shí)延，且更容易出現(xiàn)切換失敗。所以，在工程應(yīng)用過程中，在設(shè)計(jì)該門限值時(shí)，要綜合考慮系統(tǒng)的定位精度、切換時(shí)延以及切換成功率，才能保證定位系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4 結(jié)束語

隨著超寬帶無線定位技術(shù)的飛速發(fā)展，基于該技術(shù)的定位系統(tǒng)逐漸得到推廣，可以應(yīng)用于面積更大、環(huán)境更復(fù)雜的定位場(chǎng)景。通過合理劃分定位區(qū)域，可以提高每個(gè)定位區(qū)域內(nèi)的定位精度，進(jìn)而提高整個(gè)定位系統(tǒng)的定位性能。但是這也對(duì)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(jié)果是否在區(qū)域內(nèi)，并使用區(qū)域計(jì)數(shù)器來防止切換乒乓現(xiàn)象。經(jīng)過工程實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該方法可以有效實(shí)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(shí)，測(cè)試結(jié)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。