基于超寬帶技術(shù)的多區(qū)域定位系統(tǒng)設(shè)計

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、功耗與復雜度低的特點，越發(fā)得到業(yè)界學者和相關(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(yīng)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(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(wù)器

定位服務(wù)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(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(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(yīng)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(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(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(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(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(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“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(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：當定位結(jié)果坐標點在區(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(yīng)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(quán)重值ωε：

(11)

所以，殘差權(quán)重表達式(11)可以理解為：當定位精度越高時，定位結(jié)果坐標點的殘差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：當定位結(jié)果坐標點距離邊界越遠時，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)當定位結(jié)果在本區(qū)域內(nèi)時ωη=1，如果定位結(jié)果坐標點離邊界越遠，特征值權(quán)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(jié)果在本區(qū)域外時ωη=-1，如果定位結(jié)果坐標點離邊界越遠，特征值權(quán)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(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(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(jié)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(jié)果已經(jīng)準備進入該區(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(jié)果為當前區(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(jié)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(jié)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(yīng)的區(qū)域，區(qū)域選擇結(jié)果為當前區(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簽的工作人員反復進出各個房間(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(shè)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(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。