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        基于超寬帶技術(shù)的多區(qū)域定位系統(tǒng)設(shè)計

        2022-10-27 02:45:04王夏陽
        計算機測量與控制 2022年10期
        關(guān)鍵詞:特征值時延基站

        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(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)中最重要的一個技術(shù)領(lǐng)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(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)的進步奠定了堅實的基礎(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]、以及藍牙定位技術(shù)[13-14]發(fā)展快速,定位性能大幅提升,擴展了無線定位技術(shù)的應(yīng)用場景。然而,上述基于無線載波技術(shù)的無線定位技術(shù),信號在傳播過程中會被建筑或者大型設(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、功耗與復(fù)雜度低的特點,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(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(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(yīng)該切換而未觸發(fā)切換)、切換錯誤(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(yīng)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(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(wù)精度和時延的要求,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)場的測試環(huán)境與相關(guān)參數(shù),然后展示并分析了測試結(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)有對應(yīng)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(biāo)簽

        定位標(biāo)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(biāo)簽的唯一標(biāo)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(yīng)定位標(biāo)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(wù)器中對應(yīng)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(dāng)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(wù)器中對應(yīng)的每個區(qū)域定位器,以參與該區(qū)域內(nèi)的定位坐標(biāo)點的求解過程。

        此外,在定位基站之中選擇一個作為基準(zhǔn)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(zhǔn)基站的時間保持同步。

        1.3 定位服務(wù)器

        定位服務(wù)器負責(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)域定位器和一個區(qū)域選擇器組成。其中,每個定位區(qū)域?qū)?yīng)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(biāo)簽在該區(qū)域內(nèi)的定位坐標(biāo)點;每個區(qū)域定位器將定位坐標(biāo)點傳輸給區(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)域及對應(yīng)的定位坐標(biāo)點)。

        本文的關(guān)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(biāo)簽運動過程中,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運動到區(qū)域2時,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)點切換到選擇區(qū)域2的定位坐標(biāo)點。既要保證該過程的準(zhǔn)確性與實時性,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)中進行詳細闡述。

        圖2 區(qū)域切換示意圖

        2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        在定位服務(wù)器內(nèi),每個定位區(qū)域?qū)?yīng)的定位器完成該區(qū)域內(nèi)定位坐標(biāo)點的計算,然后將該區(qū)域內(nèi)的定位坐標(biāo)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(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)。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(biāo)點,對這些定位坐標(biāo)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(biāo)點是否在該區(qū)域的邊界范圍內(nèi),并以此計算邊界權(quán)重ωη的值。具體過程在章節(jié)2.2中詳述。

        步驟4:利用每個區(qū)域定位器的坐標(biāo)點結(jié)果,計算每個區(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)每個區(qū)域的定位坐標(biāo)點與特征值,計算基站特征值權(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(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)的下文中進行詳述。

        2.1 計算定位區(qū)域的特征值

        在定位服務(wù)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(wù)器內(nèi)的唯一標(biāo)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(biāo)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(gòu)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(biāo)Ai,i=1~N。

        利用這些區(qū)域信息,計算得到每個區(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(dāng)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(dāng)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(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對應(yīng)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(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(jié)果是否在區(qū)域邊界內(nèi),并獲得邊界權(quán)重值ωη

        對于每個定位區(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(dāng)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(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(fù)“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(biāo)點是否在邊界區(qū)域內(nèi),并以此給定邊界權(quán)重ωη的值:

        (7)

        通過以上步驟,可以分別判斷每個定位區(qū)域內(nèi)的定位結(jié)果坐標(biāo)點是否在對應(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)點在區(qū)域邊界范圍內(nèi)時,權(quán)重值ωη=1;否則,權(quán)重值ωη=-1。

        2.3 計算每個區(qū)域定位坐標(biāo)點的殘差權(quán)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(biāo)分別為Pk,k=1~K;并選擇其中一個作為基準(zhǔn)基站(其坐標(biāo)為P1),主要負責(zé)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(yīng)一個定位數(shù)據(jù)記為μk,k=1~K。當(dāng)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(biāo)簽與該基站之間的距離;當(dāng)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(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)

        進而計算得到殘差權(quán)重值ωε:

        (11)

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

        2.4 計算區(qū)域特征值權(quán)重ωA和ωB

        計算定位結(jié)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(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對應(yīng)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(quán)重ωA:

        (14)

        計算定位結(jié)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(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對應(yīng)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(quán)重ωB:

        (17)

        所以,特征值權(quán)重表達式(14)和(17)可以理解為:當(dāng)定位結(jié)果坐標(biāo)點距離邊界越遠時,其特征值權(quán)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(dāng)定位區(qū)域內(nèi)不存在定位結(jié)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(jié)果的區(qū)域。

        表達式(18)可以理解為:

        1)當(dāng)定位結(jié)果在本區(qū)域內(nèi)時ωη=1,如果定位結(jié)果坐標(biāo)點離邊界越遠,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ωη=-1,如果定位結(jié)果坐標(biāo)點離邊界越遠,特征值權(quán)重值ωA和ωB越大,導(dǎo)致置信因子Λ越小,所以不容易切換進入本區(qū)域。

        2)當(dāng)定位結(jié)果在本區(qū)域內(nèi)時,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,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,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

        每個區(qū)域都對應(yīng)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(wù)器中的Z個定位區(qū)域,根據(jù)每個區(qū)域?qū)?yīng)的置信因子Λz,z=1~Z更新該區(qū)域?qū)?yīng)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(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(dāng)計數(shù)器的值達到ξ1時不再減少,當(dāng)計數(shù)器的值達到ξ2時不再增加。其中,ξ1代表“切出”門限,當(dāng)計數(shù)器減少到δ=ξ1時,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)計數(shù)器增加到δ=ξ2時,表示本次定位結(jié)果已經(jīng)準(zhǔn)備進入該區(qū)域。ξ1和ξ2取值的設(shè)計會影響到切換成功率和切換時延,相關(guān)內(nèi)容將在章節(jié)3中進行詳細描述。

        步驟3:讀取當(dāng)前區(qū)域?qū)?yīng)的計數(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,需要進入“步驟5”,以判斷是否進入當(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)備進入當(dāng)前區(qū)域的可切換區(qū)域,即,此時不發(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,并進入“步驟7”;否則,說明發(fā)送定位區(qū)域切換,切換到對應(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?qū)?yīng)的定位結(jié)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(jié)果(所選區(qū)域及對應(yīng)的定位坐標(biāo)點)。

        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(guān)內(nèi)容在下一個章節(jié)中進行描述。

        3 實驗結(jié)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(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(biāo)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(shè)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(shè)備間在樓前和樓后各有一扇門(樓前和樓后分別對應(yīng)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(shè)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(biāo)簽的工作人員反復(fù)進出各個房間(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延。全場切換測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(jié)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(yīng)該切換而未觸發(fā)切換)的次數(shù),SError表示切換錯誤(不應(yīng)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(jié)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(jié)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(jié)果與路線測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)

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

        3.1 室內(nèi)外進出切換測試

        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(fù)進出的切換測試結(jié)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(yīng)區(qū)域編號為4,室內(nèi)對應(yīng)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(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(fù)切換測試結(jié)果

        使用相同的測試方案,針對門B~E進行測試,測試結(jié)果如表3所示。通過統(tǒng)計結(jié)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(fēng)險,不利于工程推廣。

        由于當(dāng)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(biāo)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(dāng)測試參數(shù)設(shè)定為ξ1=-ξ2=-2時,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(jié)果可以發(fā)現(xiàn),測試結(jié)果與理論預(yù)期基本一致。

        表3 室內(nèi)外進出切換統(tǒng)計結(jié)果

        3.2 全場切換測試

        全場切換測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(jié)果與路線測繪值之間的偏差。測試結(jié)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(jié)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(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?qū)崿F(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(shè)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(dǎo)致出門后無定位軌跡。性能統(tǒng)計結(jié)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(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(biāo)簽的功耗,所以,在實際定位工程應(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,也會影響切換的成功率和時延:當(dāng)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(yīng)該切換而未發(fā)生切換),但是更容易出現(xiàn)切換錯誤(不應(yīng)該切換而發(fā)生切換);反之,當(dāng)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(yīng)用過程中,在設(shè)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(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(jié)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(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。

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