CN111024059A - 用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统及方法，本系统中现场数据获取层包括UWB基站、融合定位器、惯导中继基站，融合定位器包含惯导模块和UWB模块，惯导模块基于UWB模块的测距数据对位置进行纠偏，惯导中继基站将纠偏后的位置数据传输至控制分析层；控制分析层包括融合定位系统和BIM系统，融合定位系统接收纠偏后位置数据，并在BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。本方法将惯性导航系统独立性和UWB定位稳定与高精度进行融合，结合UWB高精度定位数据对惯性导航系统进行纠偏，弥补惯导自身积累误差，惯性导航系统对UWB定位覆盖不足区域进行补充，达到全区域内无缝覆盖的效果。

Description

用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统及方法

技术领域

本发明涉及定位检测技术领域，尤其涉及一种用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统及方法。

背景技术

目前在生产厂区内，尤其是化工生产厂区，对生产人员的定位需求是人员安全管理的一大重点，实现全厂区、多空间人员定位的需求也越来越多。随着自动化产线的普及，产线人员减少，随之对安全要求不断提高，现场对人员实时定位、巡检记录查询以及事故发生后人员精准定位的需求日趋迫切。

UWB(Ultra-Wide-Band)技术是一种利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信方式，该技术采用高带宽、快速脉冲的方式，基于测距实现定位，具有精度高、功耗低、易部署、抗干扰强等优点，用于复杂环境下的人员高精准定位，相比其他采用RSSI(信号强弱)方式的定位技术，适用性更广、精度更高，因此UWB技术在厂区定位领域应用广泛。

惯性导航系统(Inertial Navigation System)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有不依赖任何导航卫星、外部基站、先验数据库以及不受外界环境影响的优点。惯性导航系统是以陀螺仪和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，根据陀螺仪的输出建立导航坐标系，根据加速度计算输出运载体在导航坐标系中的速度、位置等信息。

目前生产厂区环境中建立的单独UWB定位系统可以有效解决人员的定位需求，但存在一些缺陷：一是在复杂环境中UWB技术实现三维空间显示比较困难，只能分层定位，层间无法定位；二是UWB定位依赖多基站的布置，因此需要花费高昂的基站布置费用，同时增加大量后续维护工作。而单独使用惯导定位，由于惯导在行进的过程中受地磁等因素的影响，过程中会不断积累误差，导致定位数据偏差越来越大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统及方法，本系统及方法克服传统厂区人员定位的缺陷，将惯性导航系统的独立性和UWB定位的稳定与高精度进行融合，结合UWB高精度定位数据对惯性导航系统进行纠偏，弥补惯导自身积累的误差，同时惯性导航系统也对UWB定位覆盖不足的区域进行补充，达到全区域内无缝覆盖的效果。

为解决上述技术问题，本发明用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统包括现场数据获取层和控制分析层；

所述现场数据获取层设于生产厂区现场，其包括UWB基站、融合定位器、惯导中继基站，其中融合定位器包括惯导模块和UWB模块，惯导模块根据自身运动情况计算位置坐标，UWB模块用于与UWB基站之间测距，并将测距数据输出给惯导模块，用作惯导模块的位置纠偏，惯导中继基站将纠偏后的位置数据传输至控制分析层；

所述控制分析层包括融合定位系统和BIM系统，融合定位系统接收由惯导中继基站发送的纠偏后位置数据，并进行系统的后台管理，包括数据管理及融合定位器管理，融合定位系统对纠偏后位置数据进行处理后将人员的三维坐标传送给BIM系统，最终在BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。

进一步，所述UWB基站与融合定位器之间通过UWB无线通讯连接，所述融合定位器与惯导中继基站之间通过LoRa无线通讯连接。

一种基于上述定位系统的用于厂区内三维空间的高精度人员定位方法包括如下步骤：

步骤一、在生产厂区现场布设多台UWB基站，采用TOF测距算法计算融合定位器在UWB坐标系中的位置，融合定位器将惯导坐标系和UWB坐标系进行统一，融合定位器同时获取惯导位置数据和UWB测距数据，根据UWB测距数据计算UWB位置数据，根据惯导位置数据和UWB位置数据进行地图匹配；

步骤二、惯导模块根据UWB位置数据对惯导位置数据进行位置纠偏，将纠偏后位置数据重新与地图进行匹配，并将纠偏后位置数据以及地图信息经惯导中继基站传输至融合定位系统；

步骤三、融合定位系统对多台UWB基站进行管理，并将接收到的纠偏后位置数据以及地图信息进行融合，解析纠偏后位置的三维坐标以及根据地图信息标注生产厂区现场的具体位置，并经平滑处理、路径拟合后，将最终的位置信息传输至BIM系统，BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。

进一步，所述惯导坐标系和UWB坐标系进行统一包括如下步骤：

S1、对惯导系统进行初始化，此时惯导模块处于静止状态，获取此时UWB模块的位置坐标

初始化完成后设定惯导模块的坐标点为原点(0,0)，此时惯导坐标系与UWB坐标系重合；

S2、融合定位器开始运动之后，在下一个时刻惯导模块和UWB模块同时输出定位点，UWB模块的定位点坐标为

惯导模块的定位点坐标为

S3、根据坐标转换公式列出下列方程：

由上述方程计算得到：

其中，α为惯导坐标系的Y轴与UWB坐标系Y轴的夹角，UWB坐标系的坐标原点到惯导坐标系的坐标原点的偏移量为

S4、根据下列坐标转换公式：

x＝x'×cosθ+y'×sinθ+a (4)

y＝y'×cosθ+x'×sinθ+b (5)

其中，θ为坐标旋转角，(a,b)为坐标原点偏移量，将UWB坐标系的坐标原点到惯导坐标系的坐标原点的偏移量参数代入式(4)和式(5)，计算得到在任意j时刻的惯导位置在UWB坐标系中的坐标为：

其中，

为任意j时刻，惯导位置在UWB坐标系中的坐标。

进一步，所述惯导模块根据UWB位置数据对惯导位置数据进行位置纠偏过程包括：

当纠偏区域存在一台UWB基站时，设定该UWB基站的坐标为纠偏后的新坐标，融合定位器对惯导模块进行清零复位，同时使用新坐标进行位置计算，直至下一个纠偏区域；

当纠偏区域存在二台以上UWB基站时，融合定位器根据UWB模块与UWB基站之间的测距数据，在UWB坐标系中计算出融合定位器的位置坐标，作为纠偏后的新坐标，同时融合定位器对惯导模块进行清零复位，使用新坐标进行位置计算，直至下一个纠偏区域。

进一步，所述UWB坐标系为二维坐标系，惯导坐标系为三维坐标系，所述UWB坐标系扩展为三维坐标系时，其Z轴采用惯导坐标系的Z轴坐标值。

由于本发明用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统及方法采用了上述技术方案，即本系统由现场数据获取层和控制分析层构成，现场数据获取层包括UWB基站、融合定位器、惯导中继基站，融合定位器包含惯导模块和UWB模块，惯导模块基于UWB模块的测距数据对位置进行纠偏，惯导中继基站将纠偏后的位置数据传输至控制分析层；控制分析层包括融合定位系统和BIM系统，融合定位系统接收由惯导中继基站发送的纠偏后位置数据，并经处理后最终在BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。本方法将惯性导航系统的独立性和UWB定位的稳定与高精度进行融合，结合UWB高精度定位数据对惯性导航系统进行纠偏，弥补惯导自身积累的误差，同时惯性导航系统也对UWB定位覆盖不足的区域进行补充，达到全区域内无缝覆盖的效果。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统框图；

图2为本方法的原理框图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统包括现场数据获取层和控制分析层；

所述现场数据获取层设于生产厂区现场，其包括UWB基站、融合定位器、惯导中继基站，其中融合定位器包括惯导模块和UWB模块，惯导模块根据自身运动情况计算位置坐标，UWB模块用于与UWB基站之间测距，并将测距数据输出给惯导模块，用作惯导模块的位置纠偏，惯导中继基站将纠偏后的位置数据传输至控制分析层；

所述控制分析层包括融合定位系统和BIM系统，融合定位系统接收由惯导中继基站发送的纠偏后位置数据，并进行系统的后台管理，包括数据管理及融合定位器管理，融合定位系统对纠偏后位置数据进行处理后将人员的三维坐标传送给BIM系统，最终在BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。

优选的，所述UWB基站与融合定位器之间通过UWB无线通讯连接，所述融合定位器与惯导中继基站之间通过LoRa无线通讯连接。

如图2所示，一种基于上述定位系统的用于厂区内三维空间的高精度人员定位方法包括如下步骤：

步骤一、在生产厂区现场布设多台UWB基站，采用TOF测距算法计算融合定位器在UWB坐标系中的位置，融合定位器将惯导坐标系和UWB坐标系进行统一，融合定位器同时获取惯导位置数据和UWB测距数据，根据UWB测距数据计算UWB位置数据，根据惯导位置数据和UWB位置数据进行地图匹配；

步骤二、惯导模块根据UWB位置数据对惯导位置数据进行位置纠偏，将纠偏后位置数据重新与地图进行匹配，并将纠偏后位置数据以及地图信息经惯导中继基站传输至融合定位系统；

步骤三、融合定位系统对多台UWB基站进行管理，并将接收到的纠偏后位置数据以及地图信息进行融合，解析纠偏后位置的三维坐标以及根据地图信息标注生产厂区现场的具体位置，并经平滑处理、路径拟合后，将最终的位置信息传输至BIM系统，BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。

优选的，所述惯导坐标系和UWB坐标系进行统一包括如下步骤：

S1、对惯导系统进行初始化，此时惯导模块处于静止状态，获取此时UWB模块的位置坐标

初始化完成后设定惯导模块的坐标点为原点(0,0)，此时惯导坐标系与UWB坐标系重合；

S2、融合定位器开始运动之后，在下一个时刻惯导模块和UWB模块同时输出定位点，UWB模块的定位点坐标为

惯导模块的定位点坐标为

S3、根据坐标转换公式列出下列方程：

由上述方程计算得到：

其中，α为惯导坐标系的Y轴与UWB坐标系Y轴的夹角，UWB坐标系的坐标原点到惯导坐标系的坐标原点的偏移量为

S4、根据下列坐标转换公式：

x＝x'×cosθ+y'×sinθ+a (4)

y＝y'×cosθ+x'×sinθ+b (5)

其中，θ为坐标旋转角，(a,b)为坐标原点偏移量，将UWB坐标系的坐标原点到惯导坐标系的坐标原点的偏移量参数代入式(4)和式(5)，计算得到在任意j时刻的惯导位置在UWB坐标系中的坐标为：

其中，

为任意j时刻，惯导位置在UWB坐标系中的坐标。

优选的，所述惯导模块根据UWB位置数据对惯导位置数据进行位置纠偏过程包括：

当纠偏区域存在一台UWB基站时，设定该UWB基站的坐标为纠偏后的新坐标，融合定位器对惯导模块进行清零复位，同时使用新坐标进行位置计算，直至下一个纠偏区域；一台UWB基站需要设置在特定区域，如通道门、走廊拐角等特定区域；

当纠偏区域存在二台以上UWB基站时，融合定位器根据UWB模块与UWB基站之间的测距数据，在UWB坐标系中计算出融合定位器的位置坐标，作为纠偏后的新坐标，同时融合定位器对惯导模块进行清零复位，使用新坐标进行位置计算，直至下一个纠偏区域。

二台UWB基站需要布置在走廊等线性区域，符合一维定位特性，便于准确纠偏；三台以上UWB基站一般设置在比较开阔无遮挡区域。

优选的，所述UWB坐标系为二维坐标系，惯导坐标系为三维坐标系，所述UWB坐标系扩展为三维坐标系时，其Z轴采用惯导坐标系的Z轴坐标值。

本人员定位系统中，BIM(Building Information Modeling)系统为一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过BIM技术对建筑的数据化、信息化模型进行整合，利用几何与非几何信息整合，获得数字元建筑信息模型。由本方法得到的人员三维坐标以及人员所在生产厂区现场具体位置通过BIM系统显示，效果更为直观和准确。

本方法将惯性导航系统的独立性与UWB定位的稳定与高精度进行融合，融合定位系统引入全新的融合算法，结合UWB高精度定位数据对惯导进行纠偏，弥补惯导自身的累积误差，同时惯导也对UWB覆盖不足的区域(如层间)进行补充，从而达到全区域内无缝覆盖的效果。

通过本系统及方法将UWB坐标系与惯导坐标系进行统一融合，解决UWB坐标系中无高度数据，在3D地图中展示困难的问题，且避免惯导系统在定位过程中不断积累误差，确保定位的准确性及精度；同时，通过惯性导航系统与UWB定位的融合，降低生产厂区建立人员定位系统的成本，满足在生产厂区现场对生产人员的定位需求。

Claims (6)

1.一种用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统，其特征在于：本定位系统包括现场数据获取层和控制分析层；

所述现场数据获取层设于生产厂区现场，其包括UWB基站、融合定位器、惯导中继基站，其中融合定位器包括惯导模块和UWB模块，惯导模块根据自身运动情况计算位置坐标，UWB模块用于与UWB基站之间测距，并将测距数据输出给惯导模块，用作惯导模块的位置纠偏，惯导中继基站将纠偏后的位置数据传输至控制分析层；

所述控制分析层包括融合定位系统和BIM系统，融合定位系统接收由惯导中继基站发送的纠偏后位置数据，并进行系统的后台管理，包括数据管理及融合定位器管理，融合定位系统对纠偏后位置数据进行处理后将人员的三维坐标传送给BIM系统，最终在BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。

2.根据权利要求1所述的用于厂区内三维空间的高精度人员定位系统，其特征在于：所述UWB基站与融合定位器之间通过UWB无线通讯连接，所述融合定位器与惯导中继基站之间通过LoRa无线通讯连接。

3.一种基于权利要求1或2所述定位系统的用于厂区内三维空间的高精度人员定位方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、在生产厂区现场布设多台UWB基站，采用TOF测距算法计算融合定位器在UWB坐标系中的位置，融合定位器将惯导坐标系和UWB坐标系进行统一，融合定位器同时获取惯导位置数据和UWB测距数据，根据UWB测距数据计算UWB位置数据，根据惯导位置数据和UWB位置数据进行地图匹配；

步骤二、惯导模块根据UWB位置数据对惯导位置数据进行位置纠偏，将纠偏后位置数据重新与地图进行匹配，并将纠偏后位置数据以及地图信息经惯导中继基站传输至融合定位系统；

步骤三、融合定位系统对多台UWB基站进行管理，并将接收到的纠偏后位置数据以及地图信息进行融合，解析纠偏后位置的三维坐标以及根据地图信息标注生产厂区现场的具体位置，并经平滑处理、路径拟合后，将最终的位置信息传输至BIM系统，BIM系统显示人员的三维坐标以及人员所在生产厂区现场的具体位置。

4.根据权利要求3所述用于厂区内三维空间的高精度人员定位方法，其特征在于：所述惯导坐标系和UWB坐标系进行统一包括如下步骤：

S1、对惯导系统进行初始化，此时惯导模块处于静止状态，获取此时UWB模块的位置坐标

初始化完成后设定惯导模块的坐标点为原点(0,0)，此时惯导坐标系与UWB坐标系重合；

S2、融合定位器开始运动之后，在下一个时刻惯导模块和UWB模块同时输出定位点，UWB模块的定位点坐标为

惯导模块的定位点坐标为

S3、根据坐标转换公式列出下列方程：

由上述方程计算得到：

其中，α为惯导坐标系的Y轴与UWB坐标系Y轴的夹角，UWB坐标系的坐标原点到惯导坐标系的坐标原点的偏移量为

S4、根据下列坐标转换公式：

x＝x'×cosθ+y'×sinθ+a (4)

y＝y'×cosθ+x'×sinθ+b (5)

其中，θ为坐标旋转角，(a,b)为坐标原点偏移量，将UWB坐标系的坐标原点到惯导坐标系的坐标原点的偏移量参数代入式(4)和式(5)，计算得到在任意j时刻的惯导位置在UWB坐标系中的坐标为：

其中，

为任意j时刻，惯导位置在UWB坐标系中的坐标。

5.根据权利要求3所述用于厂区内三维空间的高精度人员定位方法，其特征在于：所述惯导模块根据UWB位置数据对惯导位置数据进行位置纠偏过程包括：

当纠偏区域存在一台UWB基站时，设定该UWB基站的坐标为纠偏后的新坐标，融合定位器对惯导模块进行清零复位，同时使用新坐标进行位置计算，直至下一个纠偏区域；

当纠偏区域存在二台以上UWB基站时，融合定位器根据UWB模块与UWB基站之间的测距数据，在UWB坐标系中计算出融合定位器的位置坐标，作为纠偏后的新坐标，同时融合定位器对惯导模块进行清零复位，使用新坐标进行位置计算，直至下一个纠偏区域。

6.根据权利要求3所述用于厂区内三维空间的高精度人员定位方法，其特征在于：所述UWB坐标系为二维坐标系，惯导坐标系为三维坐标系，所述UWB坐标系扩展为三维坐标系时，其Z轴采用惯导坐标系的Z轴坐标值。

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