區(qū)域性多目標(biāo)長(zhǎng)距離移動(dòng)跟蹤室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉云

(安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程系,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

20世紀(jì)70年代,美國(guó)陸海空三軍研發(fā)出空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)提供海陸空3方面的導(dǎo)航服務(wù)。步入21世紀(jì)以后,GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展更為迅猛,目前成熟的GPS衛(wèi)星星座有24顆,確保地球任何一個(gè)位置點(diǎn)的信息都能夠被準(zhǔn)確采集。近年來,GPS技術(shù)進(jìn)步更為迅猛,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)定位,同時(shí)能夠完成目標(biāo)追蹤[1]。

文獻(xiàn)[2]提出一種HMM-KFMC算法,該算法針對(duì)室內(nèi)環(huán)境下人的運(yùn)動(dòng)特征建立隱藏馬爾科夫模型(HMM),并基于概率型算法改進(jìn)了解碼定位算法,通過含地圖修正的卡爾曼濾波器(KFMC)降低解碼定位造成的量化誤差并用濾波所得速度分量修正HMM的轉(zhuǎn)移概率，但是該算法的智能性很低,隱藏較深的目標(biāo)不能精準(zhǔn)地確定出其所在位置；文獻(xiàn)[3]提出了一種基于時(shí)間差的定位方法(TDOA)的多目標(biāo)定位的改進(jìn)算法,由于人員走動(dòng)時(shí),會(huì)引起超聲波信號(hào)的多普勒效應(yīng),因此預(yù)先估計(jì)多普勒頻移并補(bǔ)償,以監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確頻點(diǎn)時(shí)刻,通過RSS、布置圖,以及步速信息進(jìn)行協(xié)同處理,考慮到不同錨節(jié)點(diǎn)對(duì)均方誤差有不同影響,找出最近的4個(gè)聲定位節(jié)點(diǎn),進(jìn)行CHAN算法定位,經(jīng)仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試具有較高定位精度，但是該算法在定位室內(nèi)目標(biāo)時(shí),定位數(shù)量較少,敏感度很低。

本文在GPS定位技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)一種新型室內(nèi)定位系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)區(qū)域性長(zhǎng)距離跟蹤定位、多目標(biāo)跟蹤定位,是一款智能性較強(qiáng)，敏感度較高的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)將圖像檢測(cè)技術(shù)、識(shí)別跟蹤技術(shù)和精密運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)同時(shí)引入其中,即使在大場(chǎng)景中也能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行快速連續(xù)跟蹤捕捉。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的區(qū)域性多目標(biāo)長(zhǎng)距離移動(dòng)跟蹤室內(nèi)定位系統(tǒng)采用了ARM處理器,內(nèi)部芯片選用型號(hào)為TA64的植入式跟蹤芯片和型號(hào)為CS652的定位芯片,電源設(shè)計(jì)分為并聯(lián)和串聯(lián)2種形式,存儲(chǔ)器借助FLASH形式存儲(chǔ)程序和參數(shù),觸屏器為L(zhǎng)CD觸屏,整個(gè)室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件部分通過以太網(wǎng)連接。區(qū)域性多目標(biāo)長(zhǎng)距離移動(dòng)跟蹤室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)，如圖1所示。

1.1 電源設(shè)計(jì)

在硬件定位系統(tǒng)中,電源占據(jù)重要地位,為系統(tǒng)提供動(dòng)力。電源結(jié)構(gòu)類型分為2種:集中式供電和分布式供電。集中式供電結(jié)構(gòu)是由一個(gè)模塊組成的結(jié)構(gòu),使用過程中無法再次分割,工作效率高,但靈活性差;分布式供電類型由多個(gè)模塊組成,使用時(shí)可以隨意組裝,靈活拆分,但是工作效率較低。本文研究的室內(nèi)定位系統(tǒng)綜合考慮了集中式供電和分布式供電的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),將兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合到一起,構(gòu)建了電源硬件，如圖2所示。

由圖2可知,電源電路的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)2種,在調(diào)整單元有源器件和負(fù)載端串聯(lián),變壓器和控制端的連接方式為并聯(lián),確保工作模式始終為在線性模式。集射電壓在15～25 V,產(chǎn)生的功率在100～500 W。電源電路能夠允許多種類型的電壓通過,內(nèi)部的復(fù)位芯片產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),最大程度提供動(dòng)力[4]。

1.2 追蹤采集器設(shè)計(jì)

追蹤采集器由信號(hào)調(diào)理板和DSP主板2部分組成。采集追蹤過程除了能接收到追蹤目標(biāo)信號(hào)之外,也能接收到X光衍射信號(hào)和濾波信號(hào),這些干擾信號(hào)會(huì)影響追蹤結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此在向采集器內(nèi)部存入信號(hào)之前, 先要將干擾信號(hào)剔除。DSP主板的主要工作是采集和處理過濾后的數(shù)據(jù),采集數(shù)據(jù)通過USB接口傳送給計(jì)算機(jī)。信號(hào)調(diào)理板對(duì)信號(hào)的追蹤方式為硬件濾波方式,DSP主板對(duì)信號(hào)的追蹤方式為軟件濾波方式,這樣的結(jié)合方式提高了抗干擾效果,同時(shí)采集速率可以達(dá)到10 Mbit/s[5]。

由于追蹤時(shí)容易受到環(huán)境和干擾設(shè)備的影響,信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定,所以必須要放大信號(hào)的采集過程,將電壓信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),放大方式為逐層放大,放大層數(shù)為4層:第一層電路為運(yùn)放電路,防止信號(hào)漂移;第二層電路加入濾波芯片,篩選出干擾信號(hào);第三層電路引入光電隔離;第四層電路將電壓輸入到采集器之中,放大分析追蹤信號(hào)[6]。

1.3 處理器設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)選用Intel公司研發(fā)的酷睿I3-330處理器,主頻為2.13 GHz,緩存方式為三級(jí)緩存,硬盤存儲(chǔ)量為320 GB,顯卡為ATI Mobility Radeon 獨(dú)立顯卡。處理器內(nèi)部擁有4個(gè)參考電源,8個(gè)放大器,16個(gè)高速處理通道,A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠同時(shí)將所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的形式,然后存放在接口和總線中。處理器總線具有兼容性,所以內(nèi)部的電源線不需要直接連接就可以互相工作?？犷3-330處理器在電路內(nèi)部加入IBM System 3250 M5(5458I31)芯片,同時(shí)內(nèi)置一顆英特爾至強(qiáng)E3-1220v3四核處理芯片,該處理器提供四核8線程的計(jì)算能力,三級(jí)緩存為20 MB,標(biāo)稱主頻為3.3 GHz。同時(shí),其配備8 GB DDR3 RDIMM規(guī)格的內(nèi)存,提供24個(gè)內(nèi)存插槽。另外,整合四口千兆網(wǎng)卡,內(nèi)置750 W電源,拓展插槽有1個(gè)PCIe 3.0x8插槽[7]。各通道加入限幅保護(hù)機(jī)制,確保處理過程不會(huì)遭到外部襲擊。

1.4 觸摸屏顯示器設(shè)計(jì)

觸摸屏選用的是LCD,不僅能夠展示出豐富的信息,同時(shí)消耗的能量較低,重量輕,不會(huì)占據(jù)過多面積。觸摸屏接口包括:同步信號(hào)接口、數(shù)據(jù)線接口、像素接口。觸摸屏接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖 3 觸摸屏接口設(shè)計(jì)Fig.3 Design of touch screen interface

多線接口的連接方式使觸摸屏可以同時(shí)顯示多目標(biāo)信息,顯示結(jié)果具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性[8]。

1.5 警報(bào)器設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)硬件部分設(shè)有警報(bào)器,在處理器得出處理結(jié)果后,中心系統(tǒng)會(huì)與總數(shù)據(jù)庫對(duì)比,如果發(fā)現(xiàn)追蹤到的目標(biāo)出現(xiàn)問題,警報(bào)器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。警報(bào)器的跟蹤模式分為半自動(dòng)模式、全自動(dòng)模式和手動(dòng)模式,控制不同類型的問題。

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件部分對(duì)軟件進(jìn)行編程,軟件工作流程如圖4所示。

圖 4 定位系統(tǒng)軟件工作流程Fig.4 Software workflow of the positioning system

室內(nèi)定位系統(tǒng)軟件工作是一個(gè)復(fù)雜的過程,共分為6步。

(1) 用采集器采集外部信息。采集過程往往要針對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行,信息的采集量很大,同時(shí)存在一些干擾信號(hào)和微弱信號(hào)。采集器通過篩選系統(tǒng)將干擾信號(hào)剔除,利用放大器放大微弱信號(hào),選出有用信號(hào)傳遞給處理器[9]。

(2) 處理追蹤信息。8個(gè)處理通道同時(shí)啟動(dòng)工作,將接收到的采集信息按目標(biāo)分類,不同目標(biāo)的信息輸入到不同通道中,通道與通道之間存在間隔,避免信息之間的干擾。處理后的信息分別反饋給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)和移動(dòng)終端。

(3) 中心系統(tǒng)分析。得到的結(jié)果不能立刻在液晶顯示器中顯示,要與物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如果出現(xiàn)較大偏差,則代表定位結(jié)果不準(zhǔn)確,需要返回上一單元,重新定位;如果與數(shù)據(jù)庫內(nèi)部數(shù)據(jù)相差不大,則證明定位結(jié)果比較準(zhǔn)確,可以繼續(xù)下面的工作。

(4) 確定目標(biāo)所處位置。由不同的定位節(jié)點(diǎn)確定目標(biāo)所處的具體位置,定位節(jié)點(diǎn)位于室內(nèi)多個(gè)位置,且存在相關(guān)性,能夠準(zhǔn)確鎖住目標(biāo)位置。

(5) 位置追蹤。在確定目標(biāo)位置后,由監(jiān)控裝置實(shí)施全方位追蹤,保證鎖死目標(biāo),防止目標(biāo)脫離系統(tǒng)監(jiān)管范圍。

(6) 顯示結(jié)果。當(dāng)目標(biāo)能夠完全被定位系統(tǒng)掌握以后,物聯(lián)網(wǎng)操作中心就可以將結(jié)果顯示在LCD液晶屏上。

系統(tǒng)軟件利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法確定目標(biāo)的三維位置。用戶橫坐標(biāo)位置x為

x=(x1-x2-x3)+Δx=

(1)

式中：x1，x2，x3為不同節(jié)點(diǎn)所處的橫坐標(biāo)位置；Δx為節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差；a為橫坐標(biāo)系數(shù)；b為縱坐標(biāo)系數(shù)；c為立體坐標(biāo)系中的z軸系數(shù)；f為位置調(diào)節(jié)系數(shù)。

用戶縱坐標(biāo)位置y為

(2)

式中:y1,y2,y3為不同節(jié)點(diǎn)所處的縱坐標(biāo)位置;Δy為節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差。

立體坐標(biāo)系中的用戶z軸位置為

z=(z1-z2-z3)+Δz=

(3)

式中：z1，z2，z3為不同節(jié)點(diǎn)所處的z軸坐標(biāo)位置；Δz為節(jié)點(diǎn)z軸坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)用戶位置x,y,z可以準(zhǔn)確判斷追蹤目標(biāo)所處位置,然后將結(jié)果顯示到圖5。

圖 5 軟件結(jié)果顯示界面Fig.5 Display interface of the software result

圖5顯示的內(nèi)容有:用戶信息、定位系統(tǒng)信息、追蹤目標(biāo)數(shù)、追蹤距離、追蹤時(shí)間、定位時(shí)間、可能存在的誤差范圍等。定位過程要通過圖形和表格的方式展現(xiàn)到顯示界面中,以方便工作人員查詢,出現(xiàn)問題時(shí)可以第一時(shí)間采取解決措施[10]。

3 結(jié)果與分析

為了檢測(cè)區(qū)域性多目標(biāo)長(zhǎng)距離移動(dòng)跟蹤室內(nèi)定位系統(tǒng)的實(shí)際工作效果,與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù):連接網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng),電源連接方式為串聯(lián)/并聯(lián),處理器型號(hào)為酷睿I3-330,工作模式為DSP模式,電流為100～500 A,電壓為220 V,定位時(shí)間為50 min,室內(nèi)面積為150 m2

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別選用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行定位,對(duì)比實(shí)驗(yàn)分為2組。

第1組:在定位時(shí)間相同,追蹤距離不變的情況下,記錄2種系統(tǒng)定位到的目標(biāo)數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

第2組:在追蹤目標(biāo)相同,追蹤時(shí)間不變的情況下,記錄2種系統(tǒng)追蹤的最遠(yuǎn)距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

分析圖6可知,在室內(nèi)距離為150 m2的情況下,傳統(tǒng)系統(tǒng)能夠定位的目標(biāo)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于本系統(tǒng)。在工作50 min后,傳統(tǒng)系統(tǒng)只能將10個(gè)目標(biāo)定位出來,而本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠定位的目標(biāo)高達(dá)41個(gè),工作效率是傳統(tǒng)系統(tǒng)的4倍。

(a) 傳統(tǒng)系統(tǒng)

(b) 本文系統(tǒng)圖 6 定位目標(biāo)數(shù)對(duì)比結(jié)果Fig.6 Comparison results of the target number

圖 7 定位目標(biāo)數(shù)對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison results of the target numbers

由圖7可知,定位時(shí)間越長(zhǎng),最遠(yuǎn)定位距離越大。當(dāng)定位時(shí)間為10 min時(shí),傳統(tǒng)系統(tǒng)的最遠(yuǎn)定位距離約為2 m,本系統(tǒng)的最遠(yuǎn)定位距離約為11 m;當(dāng)定位時(shí)間為30 min時(shí),傳統(tǒng)系統(tǒng)的最遠(yuǎn)定位距離約為11 m,本系統(tǒng)的最遠(yuǎn)定位距離約為24 m;當(dāng)定位時(shí)間為50 min時(shí),傳統(tǒng)系統(tǒng)的最遠(yuǎn)定位距離約為17 m,本系統(tǒng)的最遠(yuǎn)定位距離幾乎可以達(dá)到整個(gè)室內(nèi)距離的長(zhǎng)度。目標(biāo)具有移動(dòng)性,如果定位距離過短,一旦目標(biāo)脫離追蹤范圍,再次追蹤定位就會(huì)變得極其復(fù)雜,目標(biāo)可能會(huì)對(duì)定位系統(tǒng)產(chǎn)生免疫,本文系統(tǒng)定位的范圍和傳統(tǒng)系統(tǒng)的定位范圍相比,追蹤能力很強(qiáng),被鎖死的目標(biāo)很難脫離系統(tǒng)的追蹤。

4 結(jié) 論

(1) 在相同的工作時(shí)間,相同的追蹤范圍下,本文研究的系統(tǒng)定位能力是傳統(tǒng)系統(tǒng)定位能力的4倍,室內(nèi)絕大多數(shù)目標(biāo)都可以被精準(zhǔn)地定位到。

(2) 隨著工作時(shí)間的增加,最遠(yuǎn)定位距離不斷增大,在50 min的工作時(shí)間內(nèi),傳統(tǒng)距離只能定位到17 m以內(nèi)的目標(biāo),本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在30 m以內(nèi)的目標(biāo)都能精確地定位。

該系統(tǒng)定位范圍十分廣闊,對(duì)于一些隱藏較深的目標(biāo)也能精準(zhǔn)地確定出其所在的位置信息,具有很大的發(fā)展空間。