CN112423383B - 一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法，括如下步骤：步骤1，计算标签坐标点；步骤2，根据标签坐标点，决定当前时刻应该下发的基站信息；步骤3，计算当前Seq坐标，进行调度基站下发，进入步骤1。从步骤3进入步骤1，是一个循环，一般是到步骤3代表一次解算的结束，但是当前Seq(时间序列，Sequence)步骤3的信息会在下个seq的步骤1用到。该方法避免了现场工程师大量的数据采集工作，解决了基站出现问题后系统的不稳定性问题，且通过误差校验进行基站筛选，有效剔除了区域的概念，消除了依赖经验来划分区域的弊端。

Description

一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法。

背景技术

目前室内高精度定位有着巨大的需求和广阔的前景：在娱乐场景(如大型商业广场)中，通过提供室内定位导航，能满足部分顾客的导向性购物需求；在安防领域(如矿井，电厂)，这类场合属于危险系数比较高的场合，需要对其中的生产人员进行轨迹监管，以预防人员进入危险环境并且在险情中可以第一时间进行有效的营救；在物流仓储应用中(如仓库叉车)，及时地将物、车的位置信息准确地将反映到仓库控制中心，方便管理人员进行物资查询、物资盘点、叉车监控。通过合理调度安排，从而提高企业的管理水平。

目前主流UWB(超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是一种无线载波通信技术(参考文献是刘丽坤；基于UWB脉冲信号的测距定位技术；哈尔滨工业大学；2008年)，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽)定位技术是基于TDOA(时间差定位法，Time Difference of Arrival)和TOF(飞行时间，Time ofFly)来定位的，其中TOF数据相较TDOA数据更为直观，方便进行解算前的筛选。应用场景中最为突出的便是室内工业生产环境的定位，由于工业生产环境中金属障碍物堆积，信号干扰因素多(参考文献是刘琳；非视距环境下的无线定位算法及其性能分析；西南交通大学；2007年)，且对于精度要求不得低于30cm，基于距离标签越近，基站与标签的信号误差越小的事实，故可以提前知晓标签所在楼层，进一步选取相应基站参与解算，从而提高解算精度，保证解算稳定性。

目前对于多楼层的分层采用事先采集现场数据，利用监督学习方法(如SVM、决策树等)进行训练，将训练模型序列化到本地，然后在解算服务开启的时候通过反序列化将模型加载到内存，每当TDOA数据帧进行解算前，先通过模型判别标签所在楼层。该方法加上投票的策略可以精准判断楼层，成功率在95％以上，但是存在几个缺点：1、需要事先采集数据，在大型应用场景下，这是一个不小的工作量，需要将每一个可能标签行进到的地方都采集一遍；2、一旦有基站损坏，需要更换，整个环境的数据需要重新采集，模型需要重新训练；3、训练模型对于未采集数据的非有效区域，存在误判为有效区域的可能性，把域外标签解算至区域内。判断楼层之后，不能使用本楼层全部的基站参与解算，在楼层跨度大的前提下，依然存在很多误差较大的数据。因此添加了区域的概念，一个区域包含一个固定的范围和一组该范围内的有效基站。对于某个标签，当上一个点位于某区域内且和当前楼层为同一楼层，则当前点的解算基站使用该区域的所有允许基站。该方法存在一些问题：1、区域间过渡存在一定延迟；2、对于允许基站和区域的划分没有严格意义上的标准，主要依赖现场工程师的经验，不够可靠稳定。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法，具体为基于带TOF测距功能的UWB定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法，包括如下步骤：

步骤1，计算标签坐标点，标签首个Seq和非首个Seq计算方法不同；

步骤2，根据标签坐标点，决定该标签当前时刻应该下发的基站信息；

步骤3，进行调度基站下发。

步骤1包括：

步骤1-1、对于位于生产环境中的定位标签，刚唤醒的第一个Seq(序列，用于标识标签时间顺序，sequence)，没有TOF数据，通过TDOA解算来确定楼层。

步骤1-1包括：各层都设置有区域，每个区域都设有主基站用于进行基站间时间同步，主基站的设置遵循和其他基站间非视距误差尽可能小的原则。对每个楼层的每个主基站都生成一帧TDOA数据，每帧TDOA数据里只包含和当前主基站同一楼层的基站数据，将生成的TDOA进行解算，得到坐标信息，对于坐标位于主基站同一楼层的TDOA数据，计算出定位标签坐标对应本层基站的TDOA，利用Chan算法(参考文献是郑飞，郑继禹；基于TDOA的CHAN算法在UWB系统LOS和NLOS环境中的应用研究；电子技术应用；2007年11期；刘基明，刘涓，王玫，郑继禹；非视距传播环境下的一种TDOA定位算法；桂林电子工业学院学报；2004年05期)解算得到定位标签坐标，将定位坐标带入Taylor二阶展开

(参考文献是刘林，邓平，范平志；基于Chan氏算法和Taylor级数展开法的协同定位方法；电子与信息学报；2004年01期)进行收敛得到最终坐标，将最终坐标的真实TDOA与解算所用TDOA作差，从所有误差结果中选取误差最小的坐标，以该坐标为圆心，将最近的主基站和M₁米内(M₁一般取值为10，是经过实际测试验证的合理阈值)的普通基站生成新的TDOA并重新解算得到坐标，如果得到的坐标的TDOA与实际TDOA，平均TDOA差值小于30CM，则判定解算所得坐标点有效，否则无效。

步骤1-1中，确定完楼层之后，根据以下策略确定解算所用基站：

当标签存在上一个Seq坐标时，根据上一个Seq坐标位置和上一个Seq坐标的TOF和TDOA数据，选取误差最小的TOF基站和TDOA基站数据进行解算，并确保基站均为本楼层基站，即选取本楼层在历史前一Seq解算中前5个误差最小的基站数据；

当标签上一个Seq未解算出坐标时，根据当前Seq往前10个历史数据点，采用三次多项式插值，预测出当前Seq的可能坐标，选取距离预测出的当前Seq的可能坐标欧氏距离最近且同一楼层的主基站和五个普通基站组成TDOA；

根据选取的基站组装成的TDOA和TOF进行解算，对于解算出的结果，如果反推得到各个基站TDOA的平均误差小于30CM，则解算所得坐标点有效，否则无效，继续执行步骤2。

步骤1-1中，对于每个标签的非首个Seq，根据当前Seq的TOF事先进行分层，包括：

如果当前Seq存在两个TOF，根据两个TOF解算出一个高度信息，通过高度信息判断出楼层：高度信息与前三个点楼层一致的情况下，该高度所在楼层即是确定楼层；

高度信息与前三个点楼层不一致，且标签状态处于楼层切换状态，则楼层切换，选定当前楼层；

高度信息与前三个楼层不一致，且不处于楼层切换状态，便在历史20个点中，选定楼层最多且占比超过0.5的楼层；

如果当前Seq仅有一个TOF，进行如下判定：

如果标签不处于楼层切换状态，查看标签历史最近三个Seq坐标点的楼层是否一致，一致则选择该楼层；不一致则选择历史最近十个Seq坐标点的楼层统计中，占比超过0.5的楼层；

如果该标签处于楼层切换状态，根据所述TOF数值和楼梯两端连接楼层判断标签是处于切换前楼层还是切换后楼层；

如果当前Seq没有TOF，进行如下判定：

如果该标签不处于楼层切换状态，查看历史最近三个Seq坐标点的楼层是否一致，一致则选择该楼层；不一致则选择历史10个点中，占比超过0.5的楼层；

如果该标签处于楼层切换状态时，将当前点当作首个点进行处理；

继续执行步骤2。

步骤2包括：

如果当前坐标是最低楼层，选取距离当前位置最为靠近且水平距离小于M₂米(M₂一般取值为8，是经过实际测试验证的合理阈值)且遮挡障碍物少于两件的两个主基站作为调度下发基站，如果主基站不满足上述条件，则选取满足上述条件的从基站；

如果当前楼层不是最低楼层：选取当前楼层距离最近的主基站和下层当前二维坐标下相距最近的主基站进行调度命令下发；

当结算点处于楼层可能切换区域边缘时，将数据代入支持向量机SVM(参考文献是王道明，鲁昌华，蒋薇薇，肖明霞，李必然；基于粒子群算法的决策树SVM多分类方法研究；电子测量与仪器学报；2015年04期)进行判断，判断当前标签是否在楼梯上，是则将当前标签标记为楼层切换状态。

步骤3中，当前Seq下发的基站调度命令，会在下个Seq将标签与对应调度基站的TOF数据包上报给解算软件。

本发明还包括步骤4：调度下发的基站将在下个时间序列生成TOF数据供步骤1解算使用。从步骤3进入步骤1，是一个循环，一般是到步骤3代表一次解算的结束，但是当前Seq(时间序列，Sequence)步骤3的信息会在下个seq的步骤1用到。

有益效果：本发明提供一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法，该方法避免了现场工程师大量的数据采集工作，解决了基站出现问题后系统的不稳定性问题，且通过误差校验进行基站筛选，有效剔除了区域的概念，消除了依赖经验来划分区域的弊端。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是楼层判断流程示意图。

图2是调度下发逻辑示意图。

图3是基站选择方案示意图。

图4是基站调度流程示意图。

图5a、图5b、图5c、图5d、图5e是测试环境2楼基站部署示意图。

图6a、图6b、图6c、图6d是测试环境1楼基站部署示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法，整个方法是建立在TOF数据大多误差较小(<＝30cm)的前提下，所用产品满足该条件，以项目测试环境为例，其中环境配置图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图6a、图6b、图6c、图6d(只截取了两层配置，其中浅色基站为主基站，深色基站为从基站)，包括如下步骤：

1、对于标签163F刚唤醒(开始发送信号)的第一个Seq＝115(序列，用于标识标签时间顺序，sequence)，没有TOF数据，需要通过TDOA来确定楼层。基站通过UDP将该Seq的数据包发送给解算软件。解算软件在该Seq收到来自840F基站、8415基站、8429基站、8459基站、8504基站、8433基站、8413基站、8419基站、841C基站、842C基站、842D基站的数据(解算软件没有收到图中部分基站数据，原因包含：UDP传输不可靠；基站和标签间障碍物阻隔较多等。)。

2、对每个楼层的每个主基站都生成一帧TDOA数据(以主基站为划分)，每帧TDOA数据里只包含和当前主基站同一楼层的基站数据，根据如图所示配置，生成两帧TDOA数据，分别是：一楼的以840F为主基站进行时间同步的TDOA数据，其基站顺序为840F、8415、8429、8459、8504，其对应的TDOA距离差数值(单位厘米)为0、-52.32、277.85、173.5、-444.26；二楼的以8433为主基站进行时间同步的TDOA数据，其基站顺序为8433、8413、8419、841C、842C、842D，其对应的TDOA距离差数值(单位厘米)为0、103.6、288.08、334.32、737.2、1424.61。将这些TDOA进行解算，高度信息总是默认为系统设置固定值40cm，一楼TDOA解算二维坐标点为x＝2024，y＝543(单位厘米)，二楼TDOA解算二维坐标点为x＝2053，y＝571(单位厘米)。

3、对于解算出坐标信息，且坐标位于主基站同一楼层的TDOA数据，计算出该标签坐标对应本层基站的TDOA，与解算得到该坐标的真实TDOA作差，从所有误差结果中选取误差最小的坐标。根据一楼TDOA解算坐标x＝2024，y＝543反推840F、8415、8429、8459、8504的TDOA，其平均误差为15.2厘米。根据二楼TDOA解算坐标x＝2053，y＝571反推8433、8413、8419、841C、842C、842D的TDOA，其平均误差为29.6厘米。故将x＝2053，y＝543作为Seq＝115解算坐标点。

4、以该坐标为圆心，将同一楼层最近的主基站和10米内的普通基站生成新的TDOA并重新解算得到坐标。距离该点最近的主基站是840F，10米内的普通基站是依然是原数据中的几个基站。解算结果依然是x＝2024，y＝543(单位厘米)。

5、如果该坐标的TDOA与实际TDOA，平均每个基站小于30CM，则判定该点有效，否则该点无效。本组TDOA误差是15.2厘米，有效。

6、根据标签坐标点，决定当前时刻应该下发的基站信息。

7、如果当前坐标是最低楼层，选取距离当前位置最为靠近且水平距离小于10米且遮挡障碍物少于两件的两个主基站作为调度下发基站。如果主基站不满足这样的条件，则选取满足该条件的从基站。本次解算结果在一楼，是最低楼层，依据该策略，选取距离最近的主基站840F和从基站8504作为调度下发基站。

8、当前楼层不是最低楼层：选取当前楼层距离最近的主基站和下层当前二维坐标下，相距最近的主基站进行调度命令下发。

9、当结算点处于楼层可能切换区域边缘时，将数据代入支持向量机SVM进行判断(需要提前在各个楼梯事先采集数据，由于应用环境楼梯数目有限，工作量并不大)，判断当前标签是否在楼梯上，是则将当前标签标记为楼层切换状态。

10、当前Seq下发的基站调度命令，会在下个Seq将标签与对应调度基站的TOF数据包上报给引擎。下个Seq，即Seq＝116，163F标签会有两个TOF数据，与基站840F的TOF数据为830.32厘米，与基站8504的TOF数据为376.56厘米。

11、对于每个标签的非首个Seq，会首先根据当前Seq的TOF事先进行分层。

12、如果当前Seq存在两个TOF，根据两个TOF解算出一个高度信息，高度信息判断出楼层，①与前三个点楼层一致的情况下，该楼层即是确定楼层。

②与前三个点楼层不一致，且标签状态处于楼层切换状态，则楼层切换，选定当前楼层；③与前三个楼层不一致，且不处于楼层切换状态，便在历史20个点中，选定楼层最多且占比超过0.5的楼层；在Seq＝116的数据中，存在两个TOF，TOF代表空间欧氏距离，根据球体求交点，得出标签楼层位于一楼，与前三个点比较，没有三个，只有一个点，但是楼层一致，最终依然判断为一楼。

13、如果当前Seq仅有一个TOF，此时无法根据当前TOF信息判断当前区域楼层①该标签不处于楼层切换状态，查看历史三个点的楼层是否一致，一致则选择该楼层；不一致则选择历史10个点中，占比超过0.5的楼层；

②该标签处于楼层切换状态时，根据该TOF数值和楼梯两端连接楼层判断标签是处于切换前楼层还是切换后楼层；

14、如果当前Seq没有TOF，①该标签不处于楼层切换状态，查看历史三个点的楼层是否一致，一致则选择该楼层；不一致则选择历史10个点中，占比超过0.5的楼层；②该标签处于楼层切换状态时，将当前点当作首个点进行处理，跳转到步骤1；

15、确定完楼层之后，需要确定解算所用基站(因为基站数据误差发布存在一定规律，距离标签越远基站，误差越大，故采用距离理论点最近的基站进行解算)；

16、当标签存在上一个Seq坐标时，根据上一个Seq坐标位置和上一个Seq坐标的TOF和TDOA数据，选取误差最小的TOF基站和TDOA基站数据参与本次解算，并确保基站均为本楼层基站。即选取本楼层在上一Seq解算中前N个误差最小的基站数据。

17、当标签上一个Seq未解算出坐标时，根据当前Seq往前10个历史数据点，采用三次多项式插值

，预测出当前Seq的可能坐标，选取距离该坐标最近且同一楼层的主基站和五个普通基站组成TDOA。

18、根据选取的基站组装成的TDOA和TOF进行解算，对于解算出的结果，如果反推得到基站的平均误差小于30CM，则该点有效，否则无效。在Seq＝116时，根据TDOA和TOF进行解算得坐标(2027，546)，利用全站仪测量163F标签(静止)坐标，为(2030，550)，可见进行TOF调度后，Seq＝116相比Seq＝115精度有所提升。

19、得到当前Seq坐标后，进行调度基站下发，进入步骤6。

从图4可以看出标签首次解算是没有TOF数据的，在下发完调度信息后，下个Seq该标签会与相关基站进行TOF测距并上报TOF数据。故当前Seq解算得出的调度信息决定下一个Seq带有TOF数据的基站。

考虑到更高容量的应用场景(标签超过200个)，本发明将单个标签的TOF调度数目设定为可以满足分层需要的最低阈值：2，即单个标签在单个序列有至多两条TOF数据，分别对应于该标签到两个基站的三维距离。如图1、图2、图3所示，是具体的楼层判断逻辑和基站调度逻辑。

本发明方法主要基于如下考虑：根据当前点的位置信息选择格式的调度基站，该标签下个时间序列就会受到本次调度的两个基站的TOF测距值，并用于楼层判断；

如果下个时间序列该标签只能接收到一个TOF数值，利用历史楼层信息进行投票选择，选取超过阈值的最大楼层，并与当前TOF进行比较，误差过大便舍弃；

如果下个时间序列该标签没有TOF数值，利用历史楼层信息进行投票选择，选取超过阈值的最大楼层；

在特定的可能跨楼层的位置(比如楼梯)，事先采集数据放入SVM进行训练(实际场景中，楼梯区域不多，不会给实施人员带来过大的工作量)，当标签行进至位置附近，除了依靠TOF进行分层，还需借助SVM判断的信息判断当前是否在楼梯附件，以便进行楼层切换；

楼层会在少数特定条件下无法判断(比如，历史信息中的楼层混乱，发布广泛不够集中)，该条件下不予出点；

为了减少空中报文，保证数据的稳定性，尽量在下发调度基站的时候保证低的切换频率，故总是选取对应位置的主基站作为TOF调度基站，且在当前下发基站和标签当前已有调度基站一致的情况下，不予下发。标签将会继续保持原先配置；

楼层判断用来决定当前时间序列所用解算基站，决定了解算效果的优劣，而楼层判断取决于先前调度基站的选择，调度基站的选择取决于历史点的位置，历史点位置取决于上个周期的楼层判断，这是一个闭环逻辑，各个步骤互相影响，在TOF和TDOA数值相对精准的前提下，会降低异常基站数据带来的影响。

本发明提供了一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种基于定位基站和定位标签在多楼层环境下的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，计算标签坐标点；

步骤2，根据标签坐标点，决定该标签当前时刻应该下发的基站信息；

步骤3，进行调度基站下发；

步骤1包括：

步骤1-1、对于位于生产环境中的定位标签，刚唤醒的第一个Seq序列，没有TOF数据，通过TDOA解算来确定楼层；

步骤1-1包括：各层都设置有区域，每个区域都设有主基站用于进行基站间时间同步；对每个楼层的每个主基站都生成一帧TDOA数据，每帧TDOA数据里只包含和当前主基站同一楼层的基站数据，将生成的TDOA进行解算，得到坐标信息，对于坐标位于主基站同一楼层的TDOA数据，计算出定位标签坐标对应本层基站的TDOA，与采用Chan算法解算得到的定位标签坐标的真实TDOA作差，从所有误差结果中选取误差最小的坐标，以该坐标为圆心，将最近的主基站和M₁米内的普通基站生成新的TDOA并重新解算得到坐标，如果得到的坐标的TDOA与实际TDOA，平均TDOA差值小于30CM，则判定解算所得坐标点有效，否则无效；

步骤1-1中，根据以下策略确定解算所用基站：

当标签存在上一个Seq坐标时，根据上一个Seq坐标位置和上一个Seq坐标的TOF和TDOA数据，选取误差最小的TOF基站和TDOA基站数据进行解算，并确保基站均为本楼层基站，即选取本楼层在历史前一Seq解算中前5个误差最小的基站数据；

当标签上一个Seq未解算出坐标时，根据当前Seq往前10个历史数据点，采用三次多项式插值，预测出当前Seq的可能坐标，选取距离预测出的当前Seq的可能坐标欧氏距离最近且同一楼层的主基站和五个普通基站组成TDOA；

根据选取的基站组装成的TDOA和TOF进行解算，对于解算出的结果，如果反推得到各个基站TDOA的平均误差小于30CM，则解算所得坐标点有效，否则无效，继续执行步骤2；

步骤1-1中，对于每个标签的非首个Seq，根据当前Seq的TOF事先进行分层，包括：

如果当前Seq存在两个TOF，根据两个TOF解算出一个高度信息，通过高度信息判断出楼层：高度信息与前三个点楼层一致的情况下，该高度所在楼层即是确定楼层；

高度信息与前三个点楼层不一致，且标签状态处于楼层切换状态，则楼层切换，选定当前楼层；

高度信息与前三个楼层不一致，且不处于楼层切换状态，便在历史20个点中，选定楼层最多且占比超过0.5的楼层；

如果当前Seq仅有一个TOF，进行如下判定：

如果标签不处于楼层切换状态，查看标签历史最近三个Seq坐标点的楼层是否一致，一致则选择该楼层；不一致则选择历史最近十个Seq坐标点的楼层统计中，占比超过0.5的楼层；

如果该标签处于楼层切换状态，根据所述TOF数值和楼梯两端连接楼层判断标签是处于切换前楼层还是切换后楼层；

如果当前Seq没有TOF，进行如下判定：

如果该标签不处于楼层切换状态，查看历史最近三个Seq坐标点的楼层是否一致，一致则选择该楼层；不一致则选择历史10个点中，占比超过0.5的楼层；

如果该标签处于楼层切换状态时，将当前点当作首个点进行处理；

继续执行步骤2；

步骤2包括：

如果当前坐标是最低楼层，选取距离当前位置最为靠近且水平距离小于M₂米且遮挡障碍物少于两件的两个主基站作为调度下发基站，如果主基站不满足上述条件，则选取满足上述条件的从基站；

如果当前楼层不是最低楼层：选取当前楼层距离最近的主基站和下层当前二维坐标下相距最近的主基站进行调度命令下发；

当结算点处于楼层可能切换区域边缘时，将数据代入支持向量机SVM进行判断，判断当前标签是否在楼梯上，是则将当前标签标记为楼层切换状态；

步骤3中，当前Seq下发的基站调度命令，会在下个Seq将标签与对应调度基站的TOF数据包上报给解算软件；

还包括步骤4：调度下发的基站将在下个时间序列生成TOF数据供步骤1解算使用。

Images