室內(nèi)軌道公交車UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高世椿,古玉鋒,袁美全,李 真

長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064

0 引言

磁懸浮軌道交通是未來城市軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展方向之一,某室內(nèi)磁懸浮三線軌道公交車采用了無人駕駛技術(shù),連續(xù)、高精度的定位是保證系統(tǒng)行車安全和高效調(diào)度的關(guān)鍵。

已有的軌道車輛定位方法,如交叉感應(yīng)環(huán)線、軌道電路定位技術(shù)、查詢應(yīng)答器法、多普勒雷達(dá)定位[1-2]等,存在定位精度低、實(shí)時(shí)性差和無法連續(xù)定位等不足。GNSS定位在室內(nèi)環(huán)境中信號不佳,甚至丟失[3]。對比多種室內(nèi)定位技術(shù)[4],超寬帶(ultra-wideband,UWB)定位具有精度高、功耗低和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)[5],可用于室內(nèi)三線軌道交通系統(tǒng)的定位。文獻(xiàn)[6]提出了地鐵軌道巡檢車的一維UWB定位系統(tǒng),滿足了中低速軌道巡檢車的定位需求。文獻(xiàn)[7]提出了一種礦井UWB精確定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了一維定位和交叉口定位。地鐵軌道巡檢車定位系統(tǒng)面向一維定位,車輛密度低;礦井環(huán)境中主要為一維定位場景,而交叉口的三維定位場景較為分散。對比UWB定位的多種算法[5],TWR算法定位精度高且無需時(shí)間同步。采用相同信道配置的UWB定位系統(tǒng)中,若不對標(biāo)簽的測距通信順序進(jìn)行調(diào)度,則會導(dǎo)致多個(gè)標(biāo)簽的消息碰撞,從而使得時(shí)間戳出錯(cuò),采用時(shí)分多址可有效降低標(biāo)簽的消息碰撞?；跁r(shí)分多址的集中式UWB定位系統(tǒng)中,多個(gè)標(biāo)簽的時(shí)隙分配由定位服務(wù)器完成,當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量較多且定位區(qū)域較大時(shí),需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的時(shí)隙分配算法。

由UWB定位的研究現(xiàn)狀可知,室內(nèi)磁懸浮三線軌道公交車的定位需求為全場景二維定位,且車輛密度較大,已有的UWB定位系統(tǒng)無法滿足其定位需求。因此,本文以TWR定位算法基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)軌道公交車UWB定位系統(tǒng),為提高定位精度,研究了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定位算法。

1 室內(nèi)軌道公交車UWB定位系統(tǒng)

針對室內(nèi)軌道公交車的定位需求,本文設(shè)計(jì)了一種UWB定位系統(tǒng),該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、方案及定位流程如下。

1.1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

室內(nèi)軌道公交車UWB定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,將軌道區(qū)域劃分為多個(gè)定位子區(qū),每個(gè)定位子區(qū)內(nèi)包含1個(gè)通信基站、一定數(shù)量的定位基站及定位標(biāo)簽。通過交換機(jī),通信基站、定位基站、定位服務(wù)器及集中控制中心組成局域網(wǎng)。定位基站與定位標(biāo)簽完成定位通信后,通過以太網(wǎng)將測距信息發(fā)送至定位服務(wù)器。定位服務(wù)器計(jì)算標(biāo)簽坐標(biāo),并將位置發(fā)送至集中控制中心。

圖1 軌道公交車UWB定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 定位系統(tǒng)方案

為了實(shí)現(xiàn)全域二維精確定位,定位子區(qū)內(nèi)采用時(shí)分多址接入(time division multiple access,TDMA)滿足多車同時(shí)定位需求,相鄰定位子區(qū)之間采用不同信道配置避免干擾。

本文UWB基站的通信范圍為120 m,為避免通信干擾,每個(gè)子區(qū)覆蓋58.8 m的軌道,相鄰的3個(gè)定位子區(qū)采用不同的信道配置。所用通信基站工作在第4種公共信道配置。基站的布置方案如圖2所示。

圖2 基站的布置方案

每個(gè)子區(qū)中,指定Ax-1號基站作為主基站,通信基站安裝于中間位置。主基站負(fù)責(zé)時(shí)隙分配和TWR測距通信,從基站僅進(jìn)行TWR測距通信。在基站安裝完成后,每個(gè)子區(qū)內(nèi),通信基站與主基站協(xié)商其發(fā)送功率,確保定位子區(qū)之間通信基站的信號覆蓋無大范圍重疊。同時(shí),在無遮擋條件下,對子區(qū)內(nèi)邊界區(qū)域與軌道的6個(gè)交點(diǎn)處的定位基站信號的首達(dá)信號強(qiáng)度和進(jìn)行多次測量,得到區(qū)域判斷信號強(qiáng)度閾值Rsla。

(1)

同時(shí),得到視距信號的判斷閾值Rsln為:

(2)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),標(biāo)簽首先獲取當(dāng)前子區(qū)信道配置,隨后請求等位時(shí)隙,并在定位時(shí)隙到來的空閑時(shí)間判斷是否發(fā)生區(qū)域切換,最后完成測距通信。標(biāo)簽與基站TWR測距完成后,基站會將測距信息發(fā)送至定位服務(wù)器,定位服務(wù)器完成位置計(jì)算并發(fā)送至集中控制中心。

1.3 定位流程

標(biāo)簽設(shè)備運(yùn)行的基本流程如圖3所示。首先,在公共通信信道配置下監(jiān)聽通信基站廣播的信息。其次,標(biāo)簽獲取到信道配置后,切換信道配置并發(fā)送時(shí)隙請求信息,待主基站為其分配時(shí)隙后,等待定位時(shí)隙到來。最后,執(zhí)行上述的TWR通信流程,完成定位。若3次請求定位時(shí)隙均失敗,則重新監(jiān)聽通信基站信息。在等待定位時(shí)隙的過程中,標(biāo)簽應(yīng)該判斷定位子區(qū)是否發(fā)生切換。區(qū)域切換判斷流程如下。

圖3 標(biāo)簽運(yùn)行的基本流程

1)標(biāo)簽監(jiān)聽區(qū)域內(nèi)定位基站的消息,記錄其接收信號強(qiáng)度。根據(jù)車輛的運(yùn)行方向,選擇車輛駛?cè)雮?cè)的2個(gè)定位基站作為區(qū)域切換的基準(zhǔn)站。當(dāng)標(biāo)簽接收到基準(zhǔn)站的信號時(shí),首先判斷該信號是否為視距信號,即當(dāng)接收到其中1個(gè)基準(zhǔn)站的首達(dá)信號強(qiáng)度與總接收信號強(qiáng)度之差小于Rsln時(shí),認(rèn)為該信號為視距信號,進(jìn)入下一步,否則繼續(xù)監(jiān)聽。當(dāng)接收到基準(zhǔn)站的總接收信號強(qiáng)度大于Rsla時(shí),認(rèn)為區(qū)域發(fā)生切換。

2)在變道、進(jìn)出站等重點(diǎn)區(qū)域,區(qū)域起始位置安裝有RFID標(biāo)簽,當(dāng)標(biāo)簽設(shè)備讀取到RFID標(biāo)簽的信息進(jìn)行信道配置切換。在此區(qū)域內(nèi),標(biāo)簽只有在讀取到RFID標(biāo)簽的信息時(shí)進(jìn)行信道配置切換。

主基站運(yùn)行的基本流程如圖4所示。首先,等待接收定位標(biāo)簽的消息,若接收成功,判斷該消息為定位請求幀或時(shí)隙請求幀。其次,若為定位請求幀,執(zhí)行上述的定位通信流程;若為時(shí)隙請求幀,將最近空閑時(shí)隙或超時(shí)時(shí)隙分配給標(biāo)簽,超時(shí)時(shí)隙為對應(yīng)標(biāo)簽未發(fā)起定位請求的時(shí)隙。最后,若定位通信完成,將標(biāo)簽設(shè)備號和距離等信息發(fā)送至定位服務(wù)器設(shè)備。從基站僅響應(yīng)定位請求幀。

圖4 主基站運(yùn)行的基本流程

通信基站在承擔(dān)通信任務(wù)的同時(shí),定期廣播當(dāng)前定位區(qū)域的信道配置、區(qū)域判斷閾值及視距信號判斷閾值。為保證相鄰?fù)ㄐ呕镜母采w范圍不會大面積重疊,應(yīng)將其安裝在定位子區(qū)的中間,并與主基站通信協(xié)商其發(fā)送功率。

2 定位流程和算法

UWB定位中,硬件誤差、環(huán)境誤差和基站幾何分布引起的誤差使得定位精度下降。因此,針對上述誤差,研究了一種提高定位精度的算法。

2.1 定位通信流程

標(biāo)簽與基站的定位通信流程為:標(biāo)簽發(fā)送定位請求Poll消息,子區(qū)域內(nèi)4個(gè)基站依次回復(fù)Resp消息,隨后標(biāo)簽發(fā)送Final消息,各基站依據(jù)所獲得的6個(gè)時(shí)間戳計(jì)算距離。

2.2 定位計(jì)算

首先,利用UWB設(shè)備自身提供的診斷信息,判斷是否出現(xiàn)非視距或嚴(yán)重非視距影響。其次,對UWB測量值與真實(shí)距離值進(jìn)行擬合。最后,使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正定位誤差。

UWB設(shè)備報(bào)告的診斷信息可用于非視距信號的判斷?；臼盏紽inal消息信號的全部路徑的最大峰值與首達(dá)路徑附近3個(gè)峰值的最大峰值之比大于0.9時(shí),一般為視距信號。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對UWB測量值與真實(shí)值進(jìn)行擬合,最終獲得的多項(xiàng)式關(guān)系如式(3)所示。

dc=0.995 1dm-0.270 9

(3)

式中:dc為校正值,dm為測量值。

在排除非視距干擾且校正硬件誤差后,定位服務(wù)器通過最小二乘法計(jì)算標(biāo)簽的真實(shí)坐標(biāo)。

為減弱基站幾何分布引起的誤差,將距離作為輸入,使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合位置誤差。圖5所示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),包含2個(gè)隱藏層,節(jié)點(diǎn)數(shù)目為50和25。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的組網(wǎng)方案及定位算法,搭建了UWB定位試驗(yàn)系統(tǒng),使用了2個(gè)定位標(biāo)簽,設(shè)置了3個(gè)子區(qū),每個(gè)子區(qū)中有4個(gè)定位基站,基站采用光纖與交換機(jī)連接,集中控制服務(wù)器顯示坐標(biāo)。圖6為試驗(yàn)現(xiàn)場照片。定位誤差的計(jì)算如式(4)所示。

(4)

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)表明,標(biāo)簽信道配置切換具有一定的延遲,但均能實(shí)現(xiàn)切換并進(jìn)行定位。最小二乘法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的定位誤差如表1所示。最小二乘法的平均定位誤差為101.22 mm、均方根誤差為58.43 mm、最大誤差為312.66 mm。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的平均定位誤差為47.09 mm、均方根誤差為30.50 mm、最大誤差為152.64 mm,能夠提供高精度的位置服務(wù)。

表1 算法的定位誤差 單位:mm

4 結(jié)束語

為滿足室內(nèi)磁懸浮三線軌道公交車的定位需求,設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)軌道公交車UWB定位系統(tǒng),研究了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)UWB定位算法。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方案和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)UWB定位算法的定位精度。試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)中標(biāo)簽可與基站組網(wǎng)并完成定位,所研究算法的平均定位誤差為47.09 mm,均方根誤差為30.50 mm,最大誤差為152.64 mm,具有較高精度。采用雙邊雙向測距(DS-TWR)算法,無需系統(tǒng)設(shè)備間的時(shí)間同步,采用時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術(shù),具有定位精度高、擴(kuò)展性強(qiáng)和定位容量大等優(yōu)點(diǎn),能滿足室內(nèi)軌道公交車的定位需求。