CN109115211B - 一种厂区高精度人员定位方法及定位系统 - Google Patents

一种厂区高精度人员定位方法及定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种厂区高精度人员定位方法，该方法根据厂区遮挡情况将厂区内区域划分为环境复杂区域和一般区域，在环境复杂区域内设置惯导定位基站，在一般区域内设置UWB定位基站，通过定位标签获取周围4至6个定位基站属性，并通过定位基站属性进行定位：当有4个以上定位基站属性为UWB定位基站时，通过UWB模块进行定位；当定位基站属性为UWB定位基站的数量为3个时，将获取的UWB模块定位坐标值和惯导模块定位坐标值采用卡尔曼滤波方法确定当前定位标签的位置；其余情况，采用惯导模块进行定位。本发明通过UWB和惯导定位两者的无缝结合，解决了传统定位系统存在定位盲区、复杂环境定位精度差的问题。

Description

一种厂区高精度人员定位方法及定位系统
技术领域
本发明涉及厂区人员定位领域，包括了基于UWB技术的定位系统和惯导定位系统。
背景技术
UWB技术是一种利用亚纳秒级超窄脉冲的无载波通信技术，具有较远的传输距离、低功耗和较高的时间分辨率，利用这些优点，基于UWB技术的定位系统理论上可以将误差控制在10cm以内。但是，基于UWB技术的定位系统也存在一定的缺陷：
1、定位时物体遮挡对UWB信号质量影响很大；
2、UWB信号在穿透墙体或者人体之后信号强度骤降。
这些不足会对人员定位的精度产生较大的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够解决复杂环境下定位系统存在盲区、定位精度差、抗干扰能力弱等问题、适用于厂区内，进行高精度定位的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种厂区高精度人员定位方法，该方法根据厂区遮挡情况将厂区内区域划分为环境复杂区域和一般区域，在环境复杂区域内设置惯导定位基站，在一般区域内设置UWB定位基站，通过定位标签获取周围4至6个定位基站属性，并通过定位基站属性进行定位：当有4个以上定位基站属性为UWB定位基站时，通过UWB模块进行定位；当定位基站属性为UWB定位基站的数量为3个时，将获取的UWB模块定位坐标值和惯导模块定位坐标值采用卡尔曼滤波方法确定当前定位标签的位置；其余情况，采用惯导模块进行定位。
上述惯导定位基站采用UWB定位基站模块，并将其属性设定为惯导定位基站。
进一步的，环境复杂区域为生产、仓储、以及局部环境内遮挡较多的区域；一般区域为办公区域、厂区道路和空旷区域。
其中，当采用惯导模块进行定位时，以定位标签最近一次由UWB定位的绝对定位坐标为惯导定位子坐标的原点，结合惯导定位相对坐标，通过坐标系转换得到绝对坐标值。
进一步的，定位标签获取周围5个定位基站属性，并通过定位基站属性进行定位：当有4个或5个定位基站属性为UWB定位基站时，通过UWB模块进行定位；当定位基站属性为UWB定位基站的数量为3个时，将获取的UWB模块定位坐标值和惯导模块定位坐标值采用卡尔曼滤波方法确定当前定位标签的位置；其余情况，采用惯导模块进行定位。
进一步的，环境复杂区域内由于遮挡比较严重，应以定位标签在任一可移动区域内，根据视觉可同时获取4个及以上且视距应小于等于15米进行惯导定位基站密度的设置；一般区域内环境较好，设置UWB定位基站的密度相对较低，在30米×30米的视距区域设置5个及以上基站数即可。
本发明还提供了一种采用上述定位方法的定位系统，该定位系统用于对厂区进行高精度人员定位，厂区根据遮挡情况将厂区内区域划分为环境复杂区域和一般区域，其中环境复杂区域为生产、仓储、以及局部环境内遮挡较多的区域，一般区域为办公区域、厂区道路和空旷区域；定位系统包括定位基站、定位标签、PC；定位标签分别与定位基站、PC通信相连；定位基站包括若干UWB定位基站、若干惯导定位基站；UWB定位基站设于一般区域；惯导定位基站设于环境复杂区域；定位标签包括UWB模块和惯导模块。
进一步的，定位系统还包括可移动载具；定位基站通过可移动载具设置于厂区内。
该可移动载具为可移动支架或车辆。
进一步的，定位标签与定位基站通过UWB技术通信；定位基站与PC通过双绞线连接到POE交换机或通过WiFi通信。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明结合了UWB和惯导定位，并最大限度发挥了两种定位方法的优势：UWB定位精度高，惯导定位受环境影响小；同时两者相互补充，解决了各自的缺陷：UWB定位在环境复杂区域定位效果差，惯导定位存在累计误差，无法长时间定位；通过两者的无缝结合，解决了传统定位系统存在定位盲区、复杂环境定位精度差的问题。同时本发明定位基站的设置采用可移动载具将其设置为移动式基站，可进行位置变化，以适应厂区在基建期和正式投产时期的不同需求，降低了部署难度。
附图说明
图1为本发明的定位区域划分示意图；
图2为本发明的总体通信示意图；
图3为本发明中定位基站的一种安装方式示意图；
图4为本发明中定位基站的另一种安装方式示意图；
图5为本发明中定位基站的另一种安装方式示意图；
图6为本发明的UWB和惯导结合的定位方法流程图。
图中，1-定位基站，11-UWB定位基站，12-惯导定位基站，2-可移动载具，3-太阳能电池板，4-WiFi通信基站，5-接线箱，6-POE交换机，7-立柱，8-定位标签，
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明的工作原理以及具体的技术方案做进一步详细说明：
首先，如图1所示，在厂区内根据无线信号环境和需要划分一般区域和复杂区域：复杂区域为生产、仓储、以及局部环境内遮挡较多的区域；一般区域为办公区域、厂区道路和空旷区域。并在一般区域部署UWB定位基站（UWB定位基站的设置密度控制在5个/900m2），在复杂区域部署惯导定位基站（该惯导定位基站采用UWB定位基站模块，并将设置在该复杂区域内UWB定位基站的基站属性设定为惯导定位基站，部署于复杂区域内的惯导定位基站的密度根据该复杂区域内的遮挡情况进行设置：具体以定位标签在任一可移动区域内，根据视觉可同时获取4个及以上且视距应小于等于15米惯导定位基站的密度进行设置）；
并在进行定位基站部署时，根据不同时期进行不同设置：
1、在厂区建设时期，根据现场临时建筑物、大型车辆、吊机的位置，在无线信号遮挡情况下，部署使用太阳能供电和安装在移动载具的定位基站（如图4所示），定位基站1（包括UWB定位基站11和惯导定位基站12）设置在可移动载具2（该可移动载具可采用可移动支架或者车辆）上，其上设置太阳能电池板3，通过太阳能进行供电，并通过设置WiFi通信基站4与定位服务器引擎进行数据报文交换，由此可根据定位效果移动定位基站的位置；
其他遮挡较少的区域，部署使用POE供电和固定安装的定位基站，安装方式如图3所示；定位基站1固定设置在立柱7上，并设置接线箱5，定位基站1通过网线连接到设置在接线箱5内的POE交换机6，通过POE交换机6连接至定位服务器引擎。
2、在正式投产时期，可将使用太阳能供电和安装在移动载具的定位基站重新固定安装在建筑墙体或立柱上，并使用POE进行供电，具体安装方式如图5所示。本实施例中，定位基站1固定设置在立柱7上，并通过设置的太阳能电池板3进行太阳能供电，通过设置WiFi通信基站4与定位服务器引擎进行数据报文交换。
本发明在每个区域中的合理位置部署定位基站，定位基站通过网线连接到POE交换机；在某些布线困难的地方开启基站WiFi功能，通过WiFi进行数据报文交换；
定位服务引擎运行在接入相同网络环境的PC上，并在定位服务引擎中录入定位基站坐标信息、定位标签信息等，启动定位服务引擎软件。
定位数据的传输通信如图2所示，由定位标签8发起UWB通信，通过UWB通信与定位基站进行UWB定位数据或者惯导定位数据的传输，最后由定位基站通过以太网或者WiFi将定位数据传输到定位服务引擎。
如图6所示，本定位系统的定位方法和步骤如下：
（1）在一般区域内，定位过程如下：由定位标签8发出定位请求，并接收周围5个定位基站的回复，回复的定位基站属性均为UWB定位基站（此时即表明定位标签位于一般区域内），定位标签使用UWB定位模式进行定位；定位完成后，参与定位的基站将本次的定位数据上传至定位服务引擎，由定服务位引擎解算定位标签的位置；
（2）在复杂区域内，定位过程如下：由定位标签8发出定位请求，并接收周围5个定位基站的回复，回复的定位基站属性均为惯导定位基站（此时即表明定位标签位于复杂区域内），定位标签使用惯导定位模式进行定位；完成定位后，定位标签将定位坐标信息通过UWB回复给的参与定位的定位基站，再上传至定位服务引擎；定位服务引擎将惯导定位坐标融合到UWB定位坐标系中，解算得到标签的位置；
（3）从一般区域进入复杂区域时，将经过临界区域，定位过程如下：由标签发出的定位请求，将会同时收到UWB定位基站和惯导定位基站的回复，并且UWB定位基站数量会逐次减少，惯导定位基站数量会逐次增加：当UWB定位基站数量为4个或5个时（此时定位标签仍位于一般区域内），定位标签使用UWB定位模块进行定位，关闭惯导定位模块；当UWB定位基站数量小于4个，且惯导定位基站数量小于4个时（此时定位标签进入临界区域内），定位标签开启惯导定位模块，并根据多次UWB定位得到定位标签当前所在坐标和方向，以此建立惯导定位子坐标系，供惯导定位模块使用；当惯导定位基站数量为4个或5个时（此时定位标签进入复杂区域内），定位标签关闭UWB定位模块，使用惯导定位模式进行定位；定位数据由参与定位的定位基站上传至定位服务引擎，并通过定位服务引擎解算标签的位置；
（4）从复杂区域进入一般区域时，将经过临界区域，定位过程如下：由标签发出的定位请求，将会同时收到UWB定位基站和惯导定位基站的回复，并且UWB定位基站数量会逐次增加，惯导定位基站数量会逐次减少：当惯导定位基站数量为4个或5个时（此时定位标签仍位于复杂区域内），定位标签用惯导定位模式进行定位；当惯导定位基站数量小于4个，且UWB定位基站数量小于4个时（此时定位标签进入临界区域内），定位标签开启UWB定位模块，使用UWB定位模式和惯导定位模式定位；当UWB定位基站数量为4个或5个时（此时定位标签进入一般区域内），定位标签关闭惯导定位基站，使用UWB定位模式进行定位；定位数据由参与定位的定位基站上传至定位服务引擎，并通过定位服务引擎解算标签的位置；
（5）当进入临界区域内时，定位标签8同时收到UWB定位基站和惯导定位基站的回复，当UWB定位基站数量为3个时，将获取的UWB定位绝对坐标值和惯导定位相对坐标值采用卡尔曼滤波方法确定当前定位标签的位置；当UWB定位基站数量为2个时，使用最近一次获取的一般区域UWB定位绝对坐标值与惯导定位相对坐标进行转换；
（6）惯导定位算法：惯导定位采用滤波算法对陀螺仪和加速度计的原始数据进行滤波和误差估计，再解算航姿，并在磁环境条件较好的情况下，融入地磁数据，自动补偿惯导定位长时间累计的误差；惯导定位采用依据航位推算方法进行自动步幅估计，并结合航向角进行坐标定位；除此之外，惯导系统还能依据人员的行走状态进行行为识别，有效消除特殊步态和行为所造成的误差和异常；
移动式基站坐标的重新确定：基站被移动后，可以通过该移动式基站附近的多个已知坐标的基站，通过基站测距和定位算法，解算得到该移动式基站的实际坐标，并在定位服务引擎中更新基站坐标数据。

Claims (5)

1.一种厂区高精度人员定位方法，其特征在于：该方法根据厂区遮挡情况将厂区内区域划分为环境复杂区域和一般区域，在环境复杂区域内设置惯导定位基站，在一般区域内设置UWB定位基站，通过定位标签获取周围4至6个定位基站属性，并通过定位基站属性进行定位：当有4个以上定位基站属性为UWB定位基站时，通过UWB模块进行定位；当定位基站属性为UWB定位基站的数量为3个时，将获取的UWB模块定位坐标值和惯导模块定位坐标值采用卡尔曼滤波方法确定当前定位标签的位置；其余情况，采用惯导模块进行定位；
所述环境复杂区域为生产、仓储、以及局部环境内遮挡较多的区域；所述一般区域为办公区域、厂区道路和空旷区域；
所述惯导定位基站采用UWB定位基站模块，并将设置在环境复杂区域内UWB定位基站的基站属性设定为惯导定位基站；
所述环境复杂区域内惯导定位基站的设置如下：以惯导定位标签在任一可移动区域内，根据视觉可同时获取4个及以上，且视距应小于等于15米的密度进行惯导定位基站设置；所述一般区域内UWB定位基站设置如下：在30米×30米的视距区域设置数量为5个及以上；
采用所述定位方法的定位系统还包括可移动载具；所述定位基站通过可移动载具设置于厂区内；所述可移动载具为可移动支架或车辆。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：当采用惯导模块进行定位时，以定位标签最近一次由UWB定位的绝对定位坐标为惯导定位子坐标的原点，结合惯导定位相对坐标，通过坐标系转换得到绝对坐标值。
3.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于：定位标签获取周围5个定位基站属性，并通过定位基站属性进行定位：当有4个或5个定位基站属性为UWB定位基站时，通过UWB模块进行定位；当定位基站属性为UWB定位基站的数量为3个时，将获取的UWB模块定位坐标值和惯导模块定位坐标值采用卡尔曼滤波方法确定当前定位标签的位置；其余情况，采用惯导模块进行定位。
4.一种采用权利要求1至3任一所述定位方法的定位系统，该定位系统用于对厂区进行高精度人员定位，其特征在于：所述厂区根据遮挡情况将厂区内区域划分为环境复杂区域和一般区域，其中环境复杂区域为生产、仓储、以及局部环境内遮挡较多的区域，一般区域为办公区域、厂区道路和空旷区域；所述定位系统包括定位基站、定位标签、PC；所述定位标签分别与定位基站、PC通信相连；所述定位基站包括若干UWB定位基站、若干惯导定位基站；
所述UWB定位基站设于一般区域；所述惯导定位基站设于环境复杂区域；
所述定位标签包括UWB模块和惯导模块；
所述惯导定位基站采用UWB定位基站模块，并将设置在环境复杂区域内UWB定位基站的基站属性设定为惯导定位基站；
所述环境复杂区域内惯导定位基站的设置如下：以惯导定位标签在任一可移动区域内，根据视觉可同时获取4个及以上，且视距应小于等于15米的密度进行惯导定位基站设置；所述一般区域内UWB定位基站设置如下：在30米×30米的视距区域设置数量为5个及以上；
所述定位系统还包括可移动载具；所述定位基站通过可移动载具设置于厂区内；所述可移动载具为可移动支架或车辆。
5.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述定位标签与定位基站通过UWB技术通信；所述定位基站与PC通过双绞线连接到POE交换机或通过WiFi通信。
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