基于TDOA算法的基建現(xiàn)場(chǎng)施工人員定位研究

朱勁磊,梁均海,付志超,歐嘉俊,滕 俊

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局,廣東 廣州 510000;2.廣東天廣能源科技發(fā)展有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

基建現(xiàn)場(chǎng)存在很多高危風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的三維圖像定位人員位置,有利于保護(hù)基建現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生命安全[1]。對(duì)于一些危險(xiǎn)的基建工作,其災(zāi)難發(fā)生概率高、救援難度大,嚴(yán)重威脅人員的生命安全和現(xiàn)場(chǎng)的財(cái)產(chǎn)安全。

相關(guān)學(xué)者提出了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的跟蹤定位技術(shù)。通過(guò)這一技術(shù)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)工作人員,能有效加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的管理、避免事故發(fā)生,從而保證人身及財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí),這種定位技術(shù)對(duì)日常工作的管理也有積極作用,具有較大發(fā)展空間[2-4]。

在目前的研究中,國(guó)外對(duì)于定位技術(shù)的研究多數(shù)基于通信技術(shù),結(jié)合全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)和移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)有效定位。但是在復(fù)雜環(huán)境中,建筑物很容易影響信號(hào)的傳遞,導(dǎo)致定位精度不足。因此,對(duì)于影響信號(hào)傳遞的干擾因素仍需要深入研究。國(guó)內(nèi)研究借助了大量物理測(cè)量手段(如GPS、超聲波等),利用測(cè)量的不同結(jié)果(如信號(hào)強(qiáng)度、方向等具有的位置區(qū)分性信息),估算出定位信息[5]。文獻(xiàn)[6]提出基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的定位方法。該方法利用視覺跟蹤技術(shù)掃描位置,采用以FPGA為核心的并行運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。該方法實(shí)時(shí)性能較好,但是定位精度不足,容易受到多徑干擾和視距干擾的影響。文獻(xiàn)[7]提出的基于面元的定位方法,以面元表達(dá)環(huán)境掃描并分割三維圖像,估計(jì)出全局位姿,并通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)量出位置信息,以實(shí)現(xiàn)定位。該方法并沒有解決多徑干擾和視距干擾的影響,依然存在定位精度不足的問題。文獻(xiàn)[8]提出基于光柵圖像識(shí)別的定位方法。該方法主要利用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)識(shí)別出圖像目標(biāo),并構(gòu)建光柵測(cè)試分析系統(tǒng)處理目標(biāo)圖像,以定位目標(biāo)位置。但該方法并未有效解決定位過(guò)程中存在的干擾問題,在目標(biāo)距離的測(cè)量上存在明顯誤差。

基于上述方法,本文提出基于到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival,TDOA)算法的基建現(xiàn)場(chǎng)施工人員定位方法。TDOA算法主要利用標(biāo)簽信號(hào)和時(shí)間差進(jìn)行定位。這種算法對(duì)時(shí)間同步要求較低,在定位時(shí)能夠降低部分干擾,以達(dá)到提高定位精度的目的。TDOA算法的應(yīng)用有助于解決常見的定位方法中存在的定位誤差問題。

1 三維圖像定位方法設(shè)計(jì)

1.1 定位功能框架設(shè)計(jì)

基建現(xiàn)場(chǎng)多為復(fù)雜環(huán)境,危險(xiǎn)性高?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員相對(duì)獨(dú)立作業(yè),在事故發(fā)生時(shí)人員位置不清晰。因此,基建現(xiàn)場(chǎng)施工人員高精度定位功能的開發(fā)成為迫切需求。為了實(shí)現(xiàn)該功能,定位功能框架的設(shè)計(jì)工作需要借助TDOA算法確定位置信息?？紤]到TDOA算法的應(yīng)用特點(diǎn),在設(shè)計(jì)定位功能框架時(shí),本文采用層疊樣式表單(cascading style sheets,CSS)技術(shù)搭建基本框架。

三維圖像定位基本框架如圖1所示。

圖1 三維圖像定位基本框架

圖1中,三維圖像定位基本框架根據(jù)基建現(xiàn)場(chǎng)面積大小確定基站節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù),采用統(tǒng)一的服務(wù)器管理節(jié)點(diǎn)[9]。三維圖像定位基本框架包括3個(gè)部分,分別是檢測(cè)目標(biāo)、大容量區(qū)域和小容量區(qū)域[10-11]。定位節(jié)點(diǎn)主要基于CSS技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)距模塊。檢測(cè)目標(biāo)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將三維圖像傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)器與交換機(jī)中,并將三維圖像存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中[12]。TDOA算法主要搭載到定位引擎中,由定位引擎計(jì)算定位結(jié)果。

定位數(shù)據(jù)庫(kù)是定位服務(wù)器的重要組成部分,主要包括節(jié)點(diǎn)位置信息、地圖信息、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位信息、施工人員信息等,因而信息量龐大[13]。定位方法在設(shè)計(jì)上根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況和定位區(qū)域調(diào)用數(shù)據(jù),以完成目標(biāo)位置的估算。

1.2 三維圖像特征提取及匹配

本文所研究的定位方法采用特征點(diǎn)檢測(cè)方法檢測(cè)三維圖像中的特征點(diǎn),使用半徑為12的像素集作為閾值比較像素集,并設(shè)置期望提取的目標(biāo)數(shù)量為N。首先,該方法確定1個(gè)中心像素點(diǎn)p,并考慮點(diǎn)p周圍16個(gè)像素灰度值。如果在范圍內(nèi)存在n個(gè)連續(xù)像素,則比較像素與閾值之間的大小。如果該像素比閾值大,則將該像素點(diǎn)作為角點(diǎn)記錄下來(lái)。其次,該方法對(duì)角點(diǎn)進(jìn)行排查。如果點(diǎn)p是1個(gè)角點(diǎn),說(shuō)明在此連續(xù)像素中至少存在3個(gè)大于閾值的點(diǎn)。如果不存在3個(gè)大于閾值的點(diǎn),說(shuō)明點(diǎn)p不是1個(gè)角點(diǎn),則該方法再次對(duì)周圍的像素點(diǎn)進(jìn)行檢查,并將檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)用于剩余的待選像素。

在檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)后,圖像塊hpq可定義為:

(1)

式中:xp、yq為角點(diǎn)橫、縱坐標(biāo);I(x,y)為像素點(diǎn)坐標(biāo)。

像素點(diǎn)的灰度重心B為:

(2)

從中心到重心的特征點(diǎn)方向ω為:

ω=αtan2(h01,h10)

(3)

在提取到三維圖像的特征點(diǎn)后,本文方法開始圖像匹配。該方法先在前一幀的圖像中確定1個(gè)特征點(diǎn),并將該點(diǎn)周圍的描述子默認(rèn)為1個(gè)多維向量;再將該描述子與后一幀圖像的每個(gè)描述子結(jié)合以計(jì)算距離,并按照從小到大的順序?qū)嚯x進(jìn)行排列。其計(jì)算式如下。

(4)

式中:x1、x2分別為2幅圖中特征點(diǎn)的N維向量,x1=(x11,x12,…,x1n)、x2=(x21,x22,…,x2n)。

在完成所有特征點(diǎn)的匹配后,本文利用TDOA算法計(jì)算目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

1.3 基于TDOA算法的三維坐標(biāo)計(jì)算

對(duì)于三維圖像的定位,需要根據(jù)圖像信息求解出至少1個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)參考節(jié)點(diǎn),才能確定三維坐標(biāo)。因此,本文利用TDOA算法求解三維坐標(biāo)。TDOA算法通過(guò)設(shè)置三維坐標(biāo)的基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)以建立三維坐標(biāo)系。

三維定位參考點(diǎn)如圖2所示。

圖2 三維定位參考點(diǎn)示意圖

圖2中:A點(diǎn)為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn),用于監(jiān)聽測(cè)距信息;B、C、D點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn),根據(jù)D點(diǎn)位置可建立三維坐標(biāo)系;M點(diǎn)為待測(cè)節(jié)點(diǎn)。本文設(shè)A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)到M點(diǎn)的距離差為di,1,i=2,3。3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為di,i=1,2,3。由此建立目標(biāo)的二維坐標(biāo)方程組如式(5)～式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

式中:Qi為參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離。

由式(5)～式(7)可以算得B點(diǎn)、C點(diǎn)到A點(diǎn)、M點(diǎn)的距離差。

(8)

經(jīng)過(guò)整理,可以得到待測(cè)目標(biāo)位置的求解矩陣。

(9)

通過(guò)求解式(9),即可得到目標(biāo)的二維坐標(biāo)信息。對(duì)于目標(biāo)的Z軸信息,本文設(shè)待測(cè)目標(biāo)的Z軸坐標(biāo)為zm,利用空間幾何關(guān)系計(jì)算參考節(jié)點(diǎn)。

(10)

(11)

通過(guò)式(11)和式(12)可以得到二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的2個(gè)解,即zm1和zm2。

(12)

將式(12)的2個(gè)解代入式(11)中,可以得到2個(gè)三維坐標(biāo)值d41和d42。

(13)

根據(jù)式(11)和式(13),可以判斷d4、d41和d42的關(guān)系。如果|d41-d4|<|d42-d4|,則zm取值為zm1;反之,zm取值為zm2。經(jīng)過(guò)上述計(jì)算即可確定目標(biāo)的三維坐標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)施工人員三維圖像定位。

2 算例分析

2.1 搭建試驗(yàn)環(huán)境

為了測(cè)試基于TDOA算法的基建現(xiàn)場(chǎng)施工人員三維圖像定位方法在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的應(yīng)用情況,本文設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)。

本文利用位置基站、小型定位標(biāo)簽和上位機(jī)等設(shè)備組成試驗(yàn)平臺(tái)?；緝?nèi)部包含處理器等部件,主要負(fù)責(zé)發(fā)送定位信號(hào)。標(biāo)簽?zāi)K與基站模塊基本類似。射頻收發(fā)模塊作為核心模塊,在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)發(fā)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息。上位機(jī)模塊包括定位服務(wù)器、控制器和顯示器這3個(gè)部分。上位機(jī)主要對(duì)基站和標(biāo)簽?zāi)K發(fā)送的信息進(jìn)行處理?？紤]到在視距條件和非視距條件下產(chǎn)生的不同效果,試驗(yàn)設(shè)置2種環(huán)境,分別為室內(nèi)的非視距環(huán)境和室外的視距環(huán)境。

試驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)環(huán)境示意圖

圖3中,G表示真實(shí)框,S1、S2、S3、S4表示侯選框。當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程處在理想的條件中,則忽略人員走動(dòng)和器材對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的影響。

實(shí)測(cè)場(chǎng)地平面如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)場(chǎng)地平面圖

圖4中,原點(diǎn)O(即基站的高度)為1.5 m,則二維坐標(biāo)為(x,y)、三維坐標(biāo)為(x,y,h)。其中,h為標(biāo)簽(基站)高度。

試驗(yàn)過(guò)程中,各基站的位置信息和標(biāo)簽信息通過(guò)上位機(jī)向用戶展示。試驗(yàn)人員通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)獲取地址和坐標(biāo)信息。

2.2 定位數(shù)據(jù)誤差試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)將本文方法及幾種常見的定位方法(文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]方法)安排在試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行仿真研究。試驗(yàn)在仿真環(huán)境中放置5個(gè)基站,并將試驗(yàn)所用的標(biāo)簽分別放在5個(gè)已知的位置上。每個(gè)位置測(cè)試10組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)計(jì)算10組位置數(shù)據(jù)相對(duì)已知坐標(biāo)的平均誤差,并將其作為定位坐標(biāo)的絕對(duì)誤差。

不同定位方法的定位誤差實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可知,在復(fù)雜試驗(yàn)環(huán)境下,本文方法的定位數(shù)據(jù)與實(shí)際位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)相差不大,絕對(duì)誤差在0.2 m以內(nèi);其他幾種定位方法的絕對(duì)誤差較大,大部分誤差在0.5 m以上。

表1 不同定位方法的定位誤差實(shí)測(cè)結(jié)果

2.3 連續(xù)軌跡定位試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文在得到不同定位方法定位誤差實(shí)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)軌跡定位試驗(yàn)。本文設(shè)置信道參數(shù)為30 m,通過(guò)改變基站位置、設(shè)定工作人員行走軌跡,將不同的定位方法部署到上位機(jī)中執(zhí)行,并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件輸出各定位方法的軌跡仿真結(jié)果。

不同試驗(yàn)環(huán)境下連續(xù)軌跡定位試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同試驗(yàn)環(huán)境下連續(xù)軌跡定位試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知,在非視距環(huán)境下,只有本文方法能夠抑制多徑誤差。本文方法連續(xù)定位軌跡與模擬的真實(shí)軌跡基本一致。相比之下,另外幾種定位方法在多徑干擾下,仍然存在比較大的定位誤差。在視距環(huán)境下,試驗(yàn)結(jié)果與上述結(jié)果類似,只有本文方法與真實(shí)的定位軌跡一致,而其他幾種定位方法并沒有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

本文在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上,在0～350 s范圍采集x軸方向和y軸方向的測(cè)距數(shù)據(jù),得到不同方向上的測(cè)距誤差。

各定位方法的x、y軸方向測(cè)距結(jié)果如圖6所示。

圖6 各定位方法的x、y軸方向測(cè)距結(jié)果

由圖6可知,在各定位方法的定位距離測(cè)試中,本文方法測(cè)得的距離與真實(shí)結(jié)果更接近。而其他幾種定位方法中,文獻(xiàn)[8]方法距離偏差最大:x軸方向上的最大測(cè)距誤差達(dá)到了5 m;y軸方向上的最大測(cè)距誤差達(dá)到了9 m。相比本文方法,其他幾種定位方法的測(cè)距結(jié)果都存在著明顯誤差。這說(shuō)明其他幾種定位方法不能很好地抑制視距誤差,測(cè)量結(jié)果不精準(zhǔn)。

3 結(jié)論

基建現(xiàn)場(chǎng)存在大量危險(xiǎn)因素,會(huì)導(dǎo)致工作人員在施工過(guò)程中存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證工作人員的人身安全和高水平的工作效率,本文研究基于TDOA算法的基建現(xiàn)場(chǎng)施工人員定位方法。該方法定位精準(zhǔn)、測(cè)距誤差小、整體定位性能更加理想,能夠有效削弱多徑干擾,從而滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

在一些特殊環(huán)境中,面對(duì)視距路徑信號(hào)異常的情況,本文沒有考慮衍射路徑對(duì)定位效果的影響。后續(xù)研究需擴(kuò)大試驗(yàn)范圍、增加干擾條件、分析定位性能、完善定位方法。