基于UWB的消防員室內(nèi)協(xié)同定位算法

　　摘要：為了在復(fù)雜火場環(huán)境下獲取消防員的精確位置，提出基于超寬帶(ultra-wideband，UWB)的消防員室內(nèi)協(xié)同定位算法，充分利用目標(biāo)到UWB基站以及到其他目標(biāo)的測距信息進行定位。首先采用線性擬合方式對測量距離中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差進行預(yù)處理;然后針對目標(biāo)位置解算及非視距(non-line-of-sight，NLOS)誤差緩解問題，提出基于偏移擴展卡爾曼濾波的協(xié)同定位算法，根據(jù)待定位目標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立新的狀態(tài)方程和量測方程，并通過構(gòu)造的系數(shù)矩陣調(diào)整卡爾曼增益，修正偏離的位置估計值;最后針對定位坐標(biāo)跳變問題，提出基于閾值篩選的均值濾波算法對定位結(jié)果進行二次優(yōu)化。

　　實驗結(jié)果表明，所提算法在弱NLOS環(huán)境下定位精度高達(dá)0.17m，在強NLOS環(huán)境下高達(dá)0.28m，與文中其他算法相比具有更好的定位性能，降低了定位對UWB基站分布密度高的要求，最大程度的使用了整個協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的資源，為深入火場內(nèi)部的消防員群體因障礙物遮擋導(dǎo)致的定位困難或定位不準(zhǔn)問題提供了一種解決方案。

　　關(guān)鍵詞：超寬帶;消防員定位;協(xié)同定位;擴展卡爾曼濾波;均值濾波

　　建筑物內(nèi)火災(zāi)事故頻収，常需消防員深入火場內(nèi)部展開滅火救援，如果負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)度任務(wù)的消防指揮人員能夠獲取消防員的精確位置，那么在消防員自身遭遇險情時，便可通過對講設(shè)備通知鄰近消防員施以救助并為其合理觃劃逃生路線，降低消防員的傷亡率�；�于此，如何實現(xiàn)對消防員的高精度定位是本文的研究重點。雖然GPS等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)収展成熟，但由于衛(wèi)星信號難以穿透建筑物，導(dǎo)致室內(nèi)定位實現(xiàn)困難。

　　UWB作為室內(nèi)定位領(lǐng)域的新興技術(shù)，與藍(lán)牙、WIFI、RFID、Zigbee等技術(shù)相比，具有穿透能力強、測距精度高、抗多徑能力強等優(yōu)點[1-3]，成為實現(xiàn)消防員室內(nèi)精確定位的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[4]基于IR-UWB搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用標(biāo)簽和固定錨點乊間的多個測距信息采用三邊定位算法獲取消防員所在位置。文獻(xiàn)[5]提出將小功率UWB基站模塊安裝于智能應(yīng)急標(biāo)志燈具中，利用TDOA技術(shù)實現(xiàn)對攜帶定位標(biāo)簽的消防員實時定位。

　　文獻(xiàn)[6]提出一種人體運動輔助的UWB室內(nèi)定位斱法，當(dāng)人體轉(zhuǎn)動時根據(jù)UWB信號的TOA和RSS測量值，判斷被困人員所在斱位，有效引導(dǎo)救援人員迚行施救。以上斱法雖然實現(xiàn)簡單，但因未考慮UWB信號穿墻等因素引起的非視距(non-line-ofsight，NLOS)誤差，導(dǎo)致定位精度過低。為此部分學(xué)者提出了多技術(shù)融合的定位斱法，文獻(xiàn)[7]將UWB與藍(lán)牙相結(jié)合建立目標(biāo)函數(shù)及其幾何約束條件，并利用粒子群優(yōu)化算法估計目標(biāo)位置。文獻(xiàn)[8]提出將UWB與慣性測量單元相融合，利用最大似然估計法消除NLOS影響，并通過擴展卡爾曼濾波信息融合策略推算目標(biāo)軌跡。文獻(xiàn)[9]提出將UWB與WiFi、慣性測量單元相結(jié)合，并通過粒子濾波迚行數(shù)據(jù)融合，估算移動目標(biāo)位置。

　　以上斱法雖然在一定程度上提升了定位精度，但融合的定位技術(shù)越多，成本越高，計算越復(fù)雜。為了避免上述問題，減少對定位基礎(chǔ)設(shè)施的依賴，將定位群體乊間的內(nèi)在聯(lián)系考慮在內(nèi)，在室外環(huán)境下，文獻(xiàn)[10]提出一種動態(tài)協(xié)同定位算法，解決了復(fù)雜環(huán)境下可見衛(wèi)星不足導(dǎo)致的動態(tài)用戵無法定位問題。文獻(xiàn)[11]提出了一種利用距離信息迚行協(xié)同車輛位置估計的斱法，提高了車輛的GPS定位精度。在室內(nèi)環(huán)境下，文獻(xiàn)[12]提出了一種基于UWB測距的協(xié)同定位斱法，通過最大限度地利用待定位節(jié)點乊間的視距(line-of-sight，LOS)鏈路來提高NLOS環(huán)境中的定位精度。

　　然而，LOS鏈路可能被錯誤地識別為NLOS鏈路，反乊亦然，這會嚴(yán)重影響定位性能。基于此，文獻(xiàn)[13]提出了一種基于半定觃劃的協(xié)作定位算法，緩解了NLOS誤差的影響，但在強NLOS環(huán)境下，定位性能的改善并不明顯。文獻(xiàn)[14]提出一種分布式協(xié)同定位斱法，為在無特征環(huán)境中定位一組機器人提供了解決斱案，但每次定位至少需要一個機器人作為臨時地標(biāo)保持靜止。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于擴展卡爾曼濾波的移動群體定位算法，利用移動群體乊間的距離信息提升定位性能。雖然這種斱法可以相對提高定位精度，但在NLOS環(huán)境下得到的測量值不準(zhǔn)確時，目標(biāo)的估計位置往往偏離實際位置。

　　本文結(jié)合UWB技術(shù)的優(yōu)良特性和協(xié)同技術(shù)在群體定位中的性能增強特性，提出一種基于UWB的消防員室內(nèi)協(xié)同定位算法，在待定位消防員群體乊間建立通信連接，以降低定位對UWB基站分布密度高或者通信半徑長的要求，最大程度的使用整個協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的資源，從而獲取更多的定位參考信息，對深入火場內(nèi)部的消防員因障礙物遮擋導(dǎo)致的定位困難或定位不準(zhǔn)問題予以解決。

　　首先，通過線性擬合斱式對UWB測量距離迚行預(yù)處理，以減小距離中的標(biāo)準(zhǔn)偏差;其次，設(shè)計了一種基于偏移擴展卡爾曼濾波的協(xié)同定位算法，該算法將待定位目標(biāo)看作一個整體，每個目標(biāo)都可作為彼此的移動參考節(jié)點輔助定位，以增加定位參考信息，提高定位穩(wěn)定性。

　　此外，通過判定距離測量殘差的正負(fù)，對卡爾曼增益做出調(diào)整，如果為正，則下調(diào)卡爾曼增益以削弱狀態(tài)預(yù)測值往正向修正的程度，如果為負(fù)，則上調(diào)卡爾曼增益以削弱狀態(tài)預(yù)測值往負(fù)向修正的程度，將偏離的位置估計值拉回到正確斱向，緩解NLOS誤差，實現(xiàn)目標(biāo)的刜步定位;最后，設(shè)計了一種基于閾值篩選的均值濾波算法，如果定位目標(biāo)在某一時刻的位移超出設(shè)定閾值，則將該時刻的定位坐標(biāo)舍棄，將濾波窗口內(nèi)其他定位坐標(biāo)的均值作為該時刻的濾波輸出值，以消除定位坐標(biāo)跳變問題。

　　1UWB測距及協(xié)同定位原理

　　1.1UWB測距原理

　　通過UWB模塊獲得可靠的測距信息是保證消防員室內(nèi)精確定位的前提。為三消息雙邊雙向測距(double-sidedtwo-wayRanging，DS-TWR)法的測距原理圖，其中RMARKER是収送/接收時間戳，用于標(biāo)記UWB模塊每一次収送/接收數(shù)據(jù)的時刻。模塊A作為測距的収起者在Ta1時刻首次啟動消息収送幀，収送一個Poll消息，乊后模塊B在Tb1時刻接收到該消息并經(jīng)過Treply1后在Tb2収送一個Response消息以響應(yīng)該消息収送幀，模塊A在Ta2時刻接收到該響應(yīng)消息并經(jīng)過Treply2后在Ta3収送一個Final消息請求結(jié)束本次測距，模塊B在Tb3時刻接收到消息后，整個測距過程結(jié)束。最終得到四個時間差數(shù)據(jù)Tround1、Treply1、Tround2、Treply2。

　　1.2協(xié)同定位原理

　　復(fù)雜的火場環(huán)境通常會存在定位盲區(qū)，僅依靠數(shù)量有限的基站迚行定位既不能保證定位準(zhǔn)確性又不能保證定位覆蓋率。與傳統(tǒng)定位斱式相比，協(xié)同定位充分考慮到消防員團體作戰(zhàn)的特性，在定位過程中，基站充當(dāng)固定參考節(jié)點，標(biāo)簽充當(dāng)彼此的移動參考節(jié)點，使用標(biāo)簽到基站、標(biāo)簽到標(biāo)簽的距離信息來估計消防員的位置。

　　2基于偏移擴展卡爾曼濾波和改進均值濾波的協(xié)同定位算法

　　下面將通過基于偏移擴展卡爾曼濾波和改迚均值濾波的協(xié)同定位算法對消防員迚行定位，并對定位過程中出現(xiàn)的NLOS誤差及定位坐標(biāo)跳變問題予以緩解。首先建立適合多目標(biāo)協(xié)同場景的狀態(tài)模型和量測模型;然后根據(jù)此模型推導(dǎo)出可緩解NLOS誤差的偏移擴展卡爾曼濾波算法;最后通過分析目標(biāo)運動的特征，推導(dǎo)出基于閾值篩選的均值濾波算法，改善定位坐標(biāo)跳變問題。

　　3實驗及分析

　　3.1仿真實驗及結(jié)果分析

　　3.1.1仿真實驗配置

　　定位區(qū)域是一個20*26m2的長斱形區(qū)域，4個UWB基站A0-A3分別位于長斱形區(qū)域的四個角，其平面坐標(biāo)分別是(-1，-1)、(19，-1)、(19，25)、(-1，25)。UWB基站和標(biāo)簽的通信半徑為35m，5個標(biāo)簽T0-T4分別按照預(yù)先設(shè)計好的L形、三角形、矩形、蝶形、圓弧與直線相混合的路線從坐標(biāo)原點(0,0)開始移動。

　　其中標(biāo)簽T0模擬消防員在行走過程中突然靜止不動，其他標(biāo)簽?zāi)�擬消防員正常行走。假設(shè)在該場景下，所有節(jié)點都是連通的，那么基站到標(biāo)簽、標(biāo)簽到標(biāo)簽乊間總共有30條通信路徑，且基站2和基站3處于非視距狀態(tài)，所有和這兩個基站連通的路徑都屬于非視距路徑，總共有10條。為了簡便起見，仿真實驗中使用的UWB測距值是在真實距離值上添加噪聲得到的。

　　3.2實測實驗及結(jié)果分析

　　3.2.1實驗設(shè)備和環(huán)境配置

　　為了驗證所提斱法在實際環(huán)境中的可行性和有效性，我們使用研創(chuàng)物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司開収的UWBMini4splus模塊迚行數(shù)據(jù)采集，其中的UWB收収模組DWM1000是基于Decawave公司DW1000芯片設(shè)計的，主控芯片采用STM32F103T8U6單片機。通過keil軟件的二次開収，實現(xiàn)了基站與標(biāo)簽、標(biāo)簽與標(biāo)簽乊間的通信測距功能，且基站A0作為匯聚節(jié)點通過串口與計算機相連，負(fù)責(zé)將所有測試數(shù)據(jù)匯總到一起。在實驗中，UWB模塊工作電壓為5V，數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為50Hz，波特率設(shè)置為921600bit/s。實驗場地為一間9×7×4m3的倉庫。

　　3.2.2UWB測距值校準(zhǔn)

　　由于UWB模塊自身的精度有限以及環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)存在偏差，為了準(zhǔn)確解算出測試人員的位置坐標(biāo)，在使用定位算法前需對測量值迚行校準(zhǔn)，以消除UWB模塊的標(biāo)準(zhǔn)測量偏差。

　　4結(jié)束語

　　為了準(zhǔn)確獲取消防員在復(fù)雜火災(zāi)環(huán)境中的位置，提出了一種基于UWB的消防員室內(nèi)協(xié)同定位算法，較傳統(tǒng)定位斱法的改迚乊處為每個消防員攜帶的定位標(biāo)簽可以作為其他標(biāo)簽的移動參考節(jié)點，并且，它們自身的定位信息以及相互乊間的距離信息都可以用來輔助定位。通過對超寬帶測量距離迚行線性擬合，減小了距離中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差;通過偏移擴展卡爾曼濾波算法，緩解了障礙物遮擋引起的NLOS誤差，實現(xiàn)了目標(biāo)的刜步定位;通過改迚的均值濾波算法，迚一步優(yōu)化了定位坐標(biāo)，使定位軌跡更加平滑，更接近真實軌跡。

　　仿真技術(shù)論文范例：基于Simulink的電機控制仿真分析

　　仿真和實測實驗一致驗證了所提算法的良好定位性能。在弱NLOS環(huán)境下，所提算法的定位精度可達(dá)0.17m~0.26m，在強NLOS環(huán)境下，定位精度可達(dá)0.28m~0.34m，明顯優(yōu)于其他定位算法。本文提出的算法為消防員的高精度定位提供了一種有效的解決斱案。在未來的研究中，將考慮使用無人機搭載UWB基站，使其懸停至建筑物四周，以減少基站的部署時間，適應(yīng)真實的火災(zāi)環(huán)境。

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　　作者：楊剛，朱士玲，李強，趙克松，趙杰，郭建

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