基于UWB四參考點矢量補償?shù)奈；穫}儲堆垛貨物定位方法

戴波，呂昕,，劉學(xué)君，李志超,（北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京067；北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京0009）

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基于UWB四參考點矢量補償?shù)奈；穫}儲堆垛貨物定位方法

戴波1，呂昕1,2，劉學(xué)君1，李志超1,2
（1北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京102617；2北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）

摘要：監(jiān)控?；穫}儲堆垛五距（堆距、墻距、頂距、柱距和通道距）是危化品倉儲安全監(jiān)管的重要課題，研究?；范讯庳浳锏母呔榷ㄎ患夹g(shù)，是通過三維重構(gòu)方法對?；范讯夥绞桨踩M行自動化監(jiān)控的前提。分析了?；穫}儲環(huán)境中影響UWB（ultra wide band）定位精度的主要因素，提出一種基于UWB四參考點矢量補償?shù)奈；穫}儲堆垛貨物定位技術(shù)。首先將待監(jiān)測區(qū)域劃分為矩形網(wǎng)格，并建立參考系，將各網(wǎng)格頂點設(shè)為參考點，獲得參考點處UWB定位值的誤差矢量，作為校正待測點的參考矢量；將危化品倉儲中堆垛貨物與UWB標簽綁定，尋找標簽所處網(wǎng)格，用該網(wǎng)格的四參考點矢量補償方法對標簽的測量坐標值進行校正，將校正后坐標作為堆垛的最終定位位置。經(jīng)實驗表明，該方法能有效改善?；穫}儲堆垛貨物的定位精度，適合于?；穫}儲堆垛的五距監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：堆垛；五距監(jiān)測；安全；算法；控制；UWB定位；參考點

2015-12-28收到初稿，2016-01-11收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：戴波（1962—），男，教授。

Key words: stacking storage; five-distance monitoring ; safety ; algorithm ; control ; UWB locating; reference

引 言

危險化學(xué)品因其固有的毒性、易燃性、腐蝕性等危害，一旦發(fā)生事故，將對化工區(qū)域甚至周邊地區(qū)造成不可估量的損失。因此，為避免安全隱患，國家對危化品倉儲的五距（堆距、墻距、頂距、柱距和通道距）有著嚴格的規(guī)定。但目前，對?；穫}儲安全狀態(tài)的監(jiān)管，研究多集中在對運輸過程或箱體罐體自身安全參數(shù)上的監(jiān)控，或是對風(fēng)險及事故影響的辨識方法分析，缺乏對堆垛方式安全的自動化監(jiān)控[1]。

要實現(xiàn)自動化監(jiān)管?；返亩讯饩嚯x是否符合要求，一種直觀的方式是查看實時還原的堆垛3D場景，通過對?；返亩讯庳浵溥M行跟蹤定位，用貨物堆放位置的精確定位參數(shù)和貨物尺寸數(shù)據(jù)實現(xiàn)倉儲的堆垛三維重構(gòu)，就可以對?；焚A存五距進行實時監(jiān)控。由于堆垛間距會因為貨物定位坐標變動而改變，當(dāng)堆垛間距小于預(yù)設(shè)的閾值范圍時，就可觸發(fā)逾限報警。該方案能有效實時監(jiān)測?；返亩逊欧绞剑齻}儲堆放環(huán)節(jié)的安全隱患。因此，研究危化品堆垛貨物的高精度定位技術(shù)，是通過三維重構(gòu)方法自動化監(jiān)控堆垛方式安全的前提。

我國《常用危險化學(xué)品貯存通則》對危險品貯存的五距給出了明確規(guī)定和數(shù)值，一般性地有：隔離貯存、隔開貯存或分離貯存的垛距為0.3～0.5 m，墻距寬度為0.3～0.5 m；更具體地以危險品三硝基苯甲醚為例，堆碼苫墊要求：貨垛下墊高15～30 cm，宜堆小垛，垛高不超過2 m，垛距80～90 cm，墻距、柱距30～50 cm。為能有效監(jiān)測堆垛間的安全距離，定位系統(tǒng)需要達到分米級，甚至厘米級的精度才能保證距離報警的準確性。在目前的室內(nèi)定位技術(shù)中，超寬帶（ultra wide band，UWB）定位技術(shù)定位精度能達到15～30 cm，與Wifi、zigbee、RFID、紅外線等載波技術(shù)的定位精度相比是最高的[2]。UWB無線通信是一種不用載波[3-4]，而采用時間間隔極短(小于1 ns)的脈沖進行通信的方式，與普通二進制移相鍵控（binary phase shift keying，BPSK）信號波形相比，這種通信方式占用帶寬極寬，頻譜功率密度極小，因此具有精度高、穿透能力強、抗多徑抗干擾能力強及成本低等優(yōu)勢[5-8]，較適合用于?；穫}儲堆垛定位。

但研究發(fā)現(xiàn)，超寬帶定位系統(tǒng)在遮擋物較多的非視距室內(nèi)環(huán)境中，特別是環(huán)境中存在金屬、液體等對高頻信號衰減影響很大的物體時，性能出現(xiàn)明顯惡化[9]。在針對?；纺M倉庫環(huán)境中的UWB定位性能實驗中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的具體影響包括：定位坐標小幅度抖動、節(jié)點短暫消失甚至大幅跳變、定位坐標嚴重偏離真實坐標等現(xiàn)象[10],可見UWB定位在?；穫}儲環(huán)境中的穩(wěn)定性和精度仍有待提高。

通過對超寬帶技術(shù)定位精度的誤差來源分析，結(jié)合?；穫}儲環(huán)境特點，提出了一種基于UWB的四參考點矢量補償定位方法。經(jīng)實驗表明，該方法定位可靠，可有效改善?；穫}儲堆垛的UWB定位性能，為實現(xiàn)?；范讯獾奈寰嘧詣踊O(jiān)控打下良好基礎(chǔ)。

1 基于UWB的堆垛五距監(jiān)測方案

1.1 基于UWB的堆垛定位實驗平臺

圖1 UWB系統(tǒng)定位原理圖Fig.1 UWB positioning principle of Ubisense7000

為分析研究UWB定位系統(tǒng)在?；穫}儲環(huán)境中的定位性能，本文依托英國Ubisense7000系統(tǒng)提供的標簽（tag）和傳感器（Ubisense sensor），搭建了模擬危化品倉儲堆垛安全實驗平臺。Ubisense定位系統(tǒng)由3個部分構(gòu)成：電池供電的UWB標簽、位置固定的定位傳感器和信息綜合軟件平臺[11]。如圖1所示，在一個定位單元中，Ubisense系統(tǒng)工作時，標簽發(fā)射極短的UWB脈沖信號，被傳感器接收，傳感器通過信號到達的時間差（time difference of arrival，TDOA）和信號到達的角度（angle of arrival，AOA）算法經(jīng)軟件平臺計算出標簽的精確位置[12]。標簽位置能被任意兩個信息計算出來，比如TDOA和一個AOA，或者兩個AOA，因此，標簽最少只需兩個傳感器便可進行定位，實際應(yīng)用中，更多的傳感器能保證定位精度的可靠性與有效性。同時，Ubisense系統(tǒng)支持雙向的標準射頻通信，可靈活設(shè)置標簽數(shù)據(jù)更新率，傳感器網(wǎng)絡(luò)上報的位置數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可通過基于.NET的API與上層軟件進行交互。將UWB標簽一對一地附著在?；范讯庳浳锷?，就能實現(xiàn)對每一個貨位的定位和跟蹤。將定位信息與貨物本身尺寸信息綜合，就可實時還原倉庫堆垛位置及間距，進而判斷危化品倉儲的五距是否符合要求。

1.2 影響UWB定位性能的因素分析

在危化品倉儲環(huán)境中，許多因素會影響超寬帶定位系統(tǒng)精度，因此為了提高定位系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，必須要引入錯誤及干擾的根源，再尋找合適的算法來改善定位性能。由于本文實驗平臺采用的Ubisense7000系統(tǒng)通過TDOA/TOA（time of arrival，TOA）技術(shù)進行聯(lián)合定位，因此下面主要分析基于時間和角度定位相關(guān)的誤差因素[13-15]。

多徑傳播是引起各種信號測量值出現(xiàn)誤差的主要原因之一。尤其是基于到達角度的定位中，在室內(nèi)復(fù)雜信道環(huán)境下，障礙物的散射引起的多徑效應(yīng)嚴重影響精確角度估計[16]。即使在傳感器和標簽之間存在視距（LOS）傳播，多徑效應(yīng)也會引起時間測量誤差[17]。就TOA/TDOA估計而言，由于多徑的存在，使用多徑分量中最早分量DP（direct path）的TOA進行測距誤差是最小的，所以測距精度取決于DP檢測精度。目前已有許多種抑制多徑的方法，比如在研究較充分的TOA估計算法中，基于能量檢測的TOA非相干估計可依據(jù)能量采樣峭度和最大最小能量比對DP塊檢測門限進行動態(tài)優(yōu)化，提高DP檢測成功率[18-19]，但受采樣頻率限制，定位精度不理想；基于匹配濾波的相干TOA估計算法，采用較高的采樣速率，能夠最大程度挖掘UWB的精確測距能力：比如在視距（LOS）環(huán)境中，MUSIC[20]、PM[21]等算法具有很高精度，但在信噪比較低或者多徑效應(yīng)嚴重的NLOS（not line of sight）環(huán)境中，上述算法在實現(xiàn)峰值搜索方面依然十分困難，且算法復(fù)雜度很高；文獻[22-24]提出了基于傳播算子算法的TOA和DOA聯(lián)合估計，一定程度上提高了高信噪比環(huán)境下的TOA定位精度，但需要較高的采樣率導(dǎo)致算法可行性較差?？傊?，DP的檢測精度和算法復(fù)雜度之間的矛盾難以實現(xiàn)妥善調(diào)和。

影響TOA/AOA估計定位精度的另一個主要因素是信號非視距傳播（NLOS）。當(dāng)傳播信道中無直射路徑時，只有信號的反射和衍射成分能夠到達接收端，此時DP到達時間不能代表TOA的真實值，信號到達角度也不能代表AOA的真實值，存在非視距誤差。在沒有任何非視距誤差信息的條件下，正確估計信號源位置是不可能的。目前消除非視距傳播引起的TOA誤差通常有以下幾種方法：一種是通過TOA測量值的標準差對LOS/NLOS傳播環(huán)境進行判斷，NLOS傳播的測距標準差比LOS傳播高得多，利用測距誤差統(tǒng)計的先驗信息就可以將一段時間內(nèi)的NLOS測量值調(diào)節(jié)到接近LOS的測量值；另一種方法是降低非線性最小二乘算法中NLOS測量值的權(quán)重，這種方法也需首先判斷哪些基站得到的是NLOS測量值[25]。事實上，從概率的角度講，無論采用的算法多么精準，都無法完美解決某一時刻信道陷入深衰落的問題。

2 基于UWB四參考點矢量補償定位方法

2.1 方法提出

由UWB的定位原理可知，定位結(jié)果的計算由信號傳輸?shù)闹边_路徑和到達角度決定，在倉庫足夠大的情況下，倉儲地面上一小片區(qū)域內(nèi)的不同點的直射路徑差和到達角度差別不大，因此該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點的定位結(jié)果誤差應(yīng)該有相同或相似的規(guī)律。該點的定位精度誤差和以其為圓心的某圓上的所有監(jiān)測點的誤差方向和大小應(yīng)存在類似分布。將該小圓化簡為4個點構(gòu)成的四邊形，那么，四邊形的4個頂點處的誤差矢量和可以近似反映位于該區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控點的誤差矢量。選擇將倉庫區(qū)域網(wǎng)格化劃分，在每個網(wǎng)格頂點設(shè)置參考點，即形成本文提出的四參考點矢量補償?shù)亩ㄎ环椒ā?/p>

本方法首先需要建立參考系，對倉庫中需監(jiān)控區(qū)域進行二維方形網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格的四頂點設(shè)為4個參考點，獲得并比較參考點處UWB標簽的測量坐標和實際坐標，得到誤差矢量，作為校正待測點的參考矢量；將?；穫}儲中堆垛貨物與標簽綁定，尋找標簽所處網(wǎng)格，用該網(wǎng)格的四參考點矢量補償方法對標簽的測量坐標值進行校正，將校正后坐標作為堆垛的最終定位位置。具體步驟如下：

（1）建立參考系。在UWB定位系統(tǒng)的覆蓋范圍里，首先對需要監(jiān)控的平面區(qū)域劃分方形網(wǎng)格，設(shè)網(wǎng)格頂點為參考點并標記其測量坐標和實際坐標的誤差。在不同的倉儲環(huán)境中，由于信道環(huán)境不同，UWB定位系統(tǒng)的定位精度有所不同，所以考慮網(wǎng)格大小的劃分時，要具體情況具體分析：網(wǎng)格邊長不宜過大，否則網(wǎng)格四頂點處的誤差不能代表網(wǎng)格內(nèi)的監(jiān)測點的誤差規(guī)律；間距也不宜過小，否則會導(dǎo)致監(jiān)測點所處網(wǎng)格的誤判。劃分網(wǎng)格大小的基本原則為：倉儲環(huán)境中UWB的定位精度越高，則網(wǎng)格越密越??；精度越低，網(wǎng)格相應(yīng)變大，要依據(jù)具體倉儲環(huán)境的定位精度有所調(diào)整。

（2）對待測點進行測量校正。進行堆垛定位時，將UWB定位標簽綁定在堆垛貨物上，不同貨物的標簽記為Pn，n =1,2,3,…，通過UWB定位系統(tǒng)得到Pn的測量坐標值PMn，再根據(jù)PMn的值判斷Pn所處的參考系網(wǎng)格，如網(wǎng)格Gr；

校正方法：每個網(wǎng)格Gr的4個頂點都是參考點，假設(shè)其誤差矢量為A1、A2、A3、A4，則用4個參考點的誤差矢量和反向補償待測點，補償后的坐標為′′記為PMn，PMn為校正后的坐標。本方法能有效減少UWB在?；穫}儲環(huán)境中的誤差。

2.2 方法實現(xiàn)

為驗證該定位補償技術(shù)的有效性，在Ubisense7000系統(tǒng)搭建的危化品倉儲實驗平臺上進行實驗。首先，設(shè)定?；穫}儲中的參考點。經(jīng)測試，該倉儲環(huán)境的最好定位精度在0.15 m以內(nèi)，最大定位誤差在0.4 m左右，因此將UWB信號覆蓋的倉儲空間按地面劃分為0.3 m×0.3 m的正方形網(wǎng)格，通過激光測距儀依次測出各個參考點的實際坐標，記錄。

本例中，對被監(jiān)控區(qū)域，得到各測量點的UWB測量數(shù)據(jù)，根據(jù)測量結(jié)果判斷其所處的網(wǎng)格及參考點。為方便誤差矢量數(shù)據(jù)的顯示，不失一般性，本例圈出了3個小區(qū)域的參考點和測量點分布圖，將這3個小區(qū)域從左向右分別編號為G1、G2、G3。每個小區(qū)域內(nèi)含4個測試點，其測試結(jié)果分別落在G1、G2、G3的4個小網(wǎng)格中。

通過UWB定位設(shè)備得到G1、G2、G3區(qū)域各個參考點處的測量坐標，建立實際坐標指向測量坐標的矢量，如圖2所示。

根據(jù)3個區(qū)域的參考點測量結(jié)果顯示，每個網(wǎng)格4個頂點處的誤差矢量都不相同，將每個網(wǎng)格的4個參考點的矢量相加后平均，得到誤差矢量和Am。而該4點組成的網(wǎng)格內(nèi)的任意測量點的誤差，可由Am近似替代。

以G1區(qū)域中左上角4個參考點組成的小網(wǎng)格為例，其各個參考點的坐標見表1。

各個參考點的實際坐標記為RRm，各個參考點的測量坐標值記為RMm，計算誤差矢量

表1 G1區(qū)域某網(wǎng)格參考點坐標Table 1 Coordinates of reference point in region G1

其中誤差矢量計算方法為

以G1區(qū)域中左上方4個參考點組成的小網(wǎng)格為例，計算小網(wǎng)格4個參考點的誤差矢量和

得到該網(wǎng)格內(nèi)測試點的計算坐標為

(1.019, 1.391)+ (0.006, 0.191)= (1.025, 1.582)

2.3 方法精度分析

為驗證四參考點矢量校正方法是否有效，計算各測試點校正前后到實際值的坐標距離，測量點的實際坐標為（1.052，1.682），因此有

式中，PM′為對待測點測量坐標校正后的坐標值；PM為測量點測量坐標校正前的坐標值；PR為測量點的實際坐標值。

可見該網(wǎng)格內(nèi)，校正后的定位坐標與校正前的定位坐標相比，距實際值的距離更近，證明了四參考點矢量校正方法有效。采用此方法計算其他測試點的校正后坐標，結(jié)果如圖3所示。

由圖中可見，采用四參考點矢量校正方法校正后，各個測試點的定位精度均有所提升，精度提升比例根據(jù)參考點處的誤差矢量值不同而有所不同，為方便對比，依然將G1、G2、G3區(qū)域圈出。具體數(shù)據(jù)見表2。表2列舉了監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格待測點處的校正坐標，測量坐標、校正坐標和精度對比數(shù)據(jù)。

由表2可知，所有可測量點的校正后坐標與真實值平均距離D2為0.204 m，校正前坐標與真實值的距離D1為0.112 m，可以得出結(jié)論，待監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有可測量點在進行四參考點矢量補償技術(shù)計算后，精度均有所提升，平均提高程度為0.092 m。驗證了四參考點矢量補償技術(shù)方法在?；穫}儲領(lǐng)域有效。

表2 各測量點校正前后精度對比Table 2 Comparison of tested points before and after correction

3 結(jié) 論

自動化監(jiān)控?；穫}儲貨物堆垛的五距，需要研究?；穫}儲環(huán)境下的高精度定位技術(shù)。UWB窄脈沖由于具有極高的帶寬，有很強的時間分辨力，因此具有極好的精確測距能力。本文分析了?；穫}儲環(huán)境中影響UWB定位精度的主要因素，提出一種基于UWB四參考點矢量補償?shù)奈；穫}儲堆垛貨物定位技術(shù)。經(jīng)實驗表明，各個測試點的定位精度均有所提升，精度提升比例根據(jù)參考點處的誤差矢量值不同而有所不同，該方法能有效改善?；穫}儲堆垛貨物的定位精度，適合用于?；穫}儲堆垛的五距（堆距、墻距、頂距、柱距和通道距）監(jiān)控。尚未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)有類似地提高UWB定位精度的研究方案，下一步工作將對此校正方法做進一步改進，以期獲得更好的定位效果。

References

[1] 柴保身. 我國危險品倉儲業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J]. 物流工程與管理, 2009, 12 (31): 19-23.

CHAI B S. The developing situation and outlook of storage industry of dangerous chemicals in our country [J]. Logistics Engineering and Management, 2009, 12 (31): 19-23.

[2] 張宴龍. 室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2014. ZHANG Y L. Research on the key techniques of indoor localization [D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2014.

[3] WIN M Z, SCHOTZ R A. Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications [J]. IEEE Trans Commun., 2000, 48: 679-691.

2.以學(xué)術(shù)英語為導(dǎo)向，提倡培養(yǎng)批判性思維能力的教學(xué)模式。高校在制定大學(xué)英語教學(xué)目標時，不能單純地以學(xué)生記住的單詞數(shù)量，掌握的語法準確程度和達到的閱讀速度作為教學(xué)目標，應(yīng)該鼓勵學(xué)生在基于學(xué)術(shù)英語內(nèi)容的教學(xué)過程中學(xué)會質(zhì)疑，善于發(fā)現(xiàn)和提出問題，并對問題進行深入的思考和探索，從中獲得具有邏輯性且合理的解決方案。在教學(xué)中，學(xué)生的英語學(xué)習(xí)不再是被動地灌輸和單純依靠書本知識，而是通過發(fā)現(xiàn)、批判、研究、反思和評論等過程來掌握不同角度的知識獲取途徑。教師可以督促學(xué)生處理要求理由充分的判斷或評價的任務(wù)，幫助他們提高處理任務(wù)所需的語言技能，營造一種珍視批判性思維的環(huán)境，激勵學(xué)生從事批判性討論。

[4] 范平志, 鄧平, 劉林. 蜂窩網(wǎng)無線定位 [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002: 120-128.

FAN P Z, DENG P, LIU L. Cellular Network Wireless Location [M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2002: 120-128.

[5] WIN M Z, SCHOLTZ R A. Characterization of ultra-wide band width wireless indoor channels: a communications theoretic view [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002, 20 (9): 1613-1627.

[6] CHOI J D, SCHOLTZ R A. Performance of ultra-wideband communications with suboptimal receivers in multi-path channel [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002, 20 (9): 1754-1766.

[7] WIN M Z, SCHOLTZ R A, BARNES M A. Ultra-wide band width signal propagation for indoor wireless communications [C]// Proceedings of ICC97- International Conference on Communications. Montreal: IEEE, 1997: 56-60.

[8] ROSS G F. Transmission and reception system for generation and receiving base-band duration pulse signals without distortion for short base-band pulse communication system: US3728632 [P]. 1973-04-23.

[9] LEE J Y, YOO S. Large error performance of UWB ranging in multipath and multiuser environments [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, 54 (4): 1887-1895.

[10] 戴波, 呂昕. 基于改進的UWB危化品堆垛倉儲定位技術(shù)的研究[C]//第25屆中國過程控制會議論文集, 2014. DAI B, Lü X. Research on improved UWB-based location

technology applied on hazardous chemicals five-distances stacking storage [C]//The 25th Chinese Control Conference Proceedings, 2014.

[11] MARIA D B, GUERINO G. Understanding Ultra Wide Band Radio Fundamentals [M]. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2006: 273-310.

[12] LEE J Y, SCHOLTZ R A. Ranging in a dense multipath environment using an UWB radio link [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002, 20 (9): 1677-1683.

[13] VENKATESH S, BUELLLER R M. NLOS mitigation using linear programming in ultra-wide and location-aware networks [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007, 56 (5): 3182-3198.

[14] MIAO H L, YU K, JUNTTI M J. Positioning for NLOS propagation: algorithm deviations and Cramer-Rao bounds [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007, 56 (5): 2568-2580.

[15] WEI S K, ZIMMERMANN R, WANG H. Non-line-of-sight localization in multipath environments [J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2008, 7 (5): 647-660.

[16] 劉秩成. 超寬帶無線定位算法性能分析 [D]. 南京: 南京郵電大學(xué), 2013.

LIU Z C. Performance analysis on UWB wireless positioning algorithm [D]. Nanjing: Nanjing University of Posts, 2013.

[17] 賀鵬飛. 超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2007.

HE P F. Working out the key technologies of ultra-wideband wireless communications [D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2007.

[18] GUVENC I, SAHINOGLU Z. Threshold selection for UWB TOA estimation based on kurtosis analysis [J]. IEEE Communications Letters, 2005, 9 (12): 1025-1027.

[19] WU S H, ZHANG Q Y, ZHANG N T. Novel threshold-based TOA estimation algorithm for IR-UWB systems [J]. Journal on Communications, 2008, 29 (7):7-13.

[20] WANG Y Y, CHEN J T, FANG W H. TST-MUSIC for joint DOA-delay estimation [J]. Signal Processing, 2001, 49 (4): 721-729.

[21] DING R, QIAN Z H, WANG X. Joint TOA and DOA estimation of IR-UWB system based on matrix pencil [C]//International Forum on Information Technology and Applications. Chengdu, 2009: 544-547.

[22] 丁銳, 錢志鴻, 王雪. 基于TOA和DOA聯(lián)合估計的UWB定位方法 [J]. 電子與信息學(xué)報, 2010, 32 (2): 313-317.

DING R, QIAN Z H, WANG X. UWB positioning system based on joint TOA and DOA estimation [J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2010, 32 (2): 313-317.

[23] MATCOS S, MARSAL A, BENIDIR M. The propagator method for source bearing estimation [J]. Signal Processing, 1995, 42 (2): 121-138.

[24] 王方秋,張小飛. 脈沖超寬帶系統(tǒng)中基于改進傳播算子算法的TOA和DOA聯(lián)合估計 [J]. 電子與信息學(xué)報, 2013, 35 (12): 2954-2959.

WANG F Q, ZHANG X F. Improved propagator method-based joint TOA and DOA estimation in impulse radio ultra wide band [J]. Electronics and Information Technology, 2013, 35 (12): 2954-2959.

[25] 丁銳. 基于UWB信號時延估計的無線定位技術(shù)研究 [D]. 長春:吉林大學(xué), 2009.

DING R. Study on wireless localization technology based on UWB signal time delay estimation [D]. Changchun: Jilin University, 2009.

研究論文

Received date: 2015-12-28.

Foundation item: supported by the Beijing Administration of Work Safety.

A UWB-based four reference vectors compensation method applied on hazardous chemicals warehouse stacking positioning

DAI Bo1, Lü Xin1,2, LIU Xuejun1, LI Zhichao1,2
(1College of Information Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;2College of Information Science & Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Abstract:Monitoring of five distance of hazardous chemicals storage warehouse stacking (distance, pile wall distance, zenith distance, spacing and channel spacing) is an important topic in dangerous goods warehouse safety supervision. Studying high precision positioning technology of dangerous goods stacking, is the premise of automately monitoring stacking safety. In this study, the main factors affecting the accuracy of UWB positioning of dangerous chemicals storage are analyzed, and an UWB four reference vectors compensation method applied on dangerous chemicals warehouse stacking positioning is proposed. Firstly, a reference system is established, and the monitoring area is divided into rectangular grids, each vertex of grids is named as a reference point, then the error vectors UWB positioning values at the reference points are obtained, and are took as the reference vector to calibrate the target points; Secondly, UWB tags are attached to dangerous chemical goods stacking, searching the grids around the tags, and calibrating the position value of the tags by the UWB four reference vectors compensation method. Finally, the corrected coordinates are considered as the final position of stacking. The experiment showed that this method can effectively improve the positioning precision of the dangerous chemicals warehouse stacking, it is suitable for monitoring the five distance of hazardous chemicals warehouse stacking.

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151975

中圖分類號：TN 98

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）03—0871—07

基金項目：北京市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局項目。

Corresponding author:Prof. DAI Bo, daibo@bipt.edu.cn