基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)設計

(1.武漢理工大學 理學院，武漢 430070; 2.武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070；3.武漢理工大學先進工程技術研究院，廣東 中山 528400)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，地下軌道交通已經(jīng)成為了各大城市緩解交通壓力的首要選擇，因此，地鐵隧道施工安全問題也逐漸得到了人們的普遍關注。由于目前地鐵隧道施工現(xiàn)場普遍采用電話跟蹤、登記考勤等傳統(tǒng)方法來實現(xiàn)對作業(yè)人員的信息監(jiān)控，而地下隧道一般具有封閉性、環(huán)境惡劣等特點，一旦發(fā)生安全事故，隧道外部的救援人員很難通過傳統(tǒng)的通訊方式實現(xiàn)對隧道內被困人員的精確定位和救援。因此，在加強地鐵隧道施工安全保障的同時，為了多重保障作業(yè)人員的安全，實時掌握隧道內部施工人員的位置等信息顯得尤為重要。

超寬帶技術采用納秒級或亞納秒級的脈沖實現(xiàn)無線通信，其因獨特的帶寬特性可以獲得厘米級的測距精度[1]，逐漸成為了室內定位技術中的主流技術。相較于WiFi定位、Zigbee定位技術等傳統(tǒng)的室內定位技術，超寬帶有著定位精度高、通信速率高、多徑分辨率強等優(yōu)點[2-5]，同時由于它極低的脈沖占空比使得發(fā)送端能量消耗小、功耗低，更適合跟蹤定位的應用場合當中。因此，超寬帶技術由于其突出的定位精度高、抗干擾能力強、功耗低等特點成為了近年來室內定位的關鍵技術。

本文針對地鐵隧道施工現(xiàn)場中對于作業(yè)人員的實時定位需求，設計了基于UWB技術的地鐵隧道定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對地鐵隧道中施工人員的實時定位。系統(tǒng)采用對稱雙向雙邊測距(SDS-TWR)算法減少晶振漂移帶來的時間誤差，提高測距的精度，并在基于TOA的定位方法的基礎上采用粒子群算法來提高目標跟蹤定位的精度，測試結果表明該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，功耗低，定位精度高等優(yōu)勢，目前已在武漢市某地鐵隧道施工現(xiàn)場安裝試運行。

1 系統(tǒng)結構及原理

1.1 總體框圖

基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)主要由移動標簽、定位基站、交換機和定位服務器構成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

移動標簽由地鐵隧道中的作業(yè)人員攜帶以對其進行跟蹤定位，定位基站被固定等高布置在隧道中已知坐標的位置，當作業(yè)人員在定位基站分布范圍內施工作業(yè)時，定位基站通過獲取移動標簽的測距信息和ID號等相關內容信息，并通過交換機上傳至服務器，服務器上的上位機采用基于TOA的粒子群算法實現(xiàn)對地鐵隧道中施工人員的實時跟蹤定位。

1.2 基于TOA的SDS-TWR測距原理

UWB無線定位系統(tǒng)中，定位基站與移動標簽之間距離參數(shù)的測量是關鍵的第一步?；赥OA測距的實質即通過測量移動標簽到定位基站之間的信號飛行時間，由于電磁波在空氣中的傳播速度很快，而在基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)中由晶振漂移造成的時鐘抖動誤差是在所難免的，因此很小的時鐘偏差即可導致測距距離較大的誤差，從而造成定位精確度的降低。而對稱雙向雙邊測距方法則可以很好地減小這一誤差。其測距原理如圖2所示[6]。

測距由標簽首先發(fā)起，移動標簽廣播發(fā)送一個帶有自己ID號的poll信標，并記錄下poll信標的發(fā)送時間戳，周圍的定位基站接收到標簽發(fā)送的poll信標之后，分別記錄信標到達時間戳，然后為了避免移動標簽接收沖突，各個定位基站分別延時一定時隙后，依次將回復信息發(fā)送至標簽。至此，移動標簽和定位基站之間已經(jīng)完成了第一次完整的雙向通信，即雙邊算法(TWR，two way ranging)。此時移動標簽即可通過定位基站的返回信息求得飛行時間。但是由于移動標簽與定位基站之間沒有進行時間同步，且各自的晶振漂移也會加大時間的計算誤差。

因此，標簽收到所有定位基站的返回信息后，記錄相應的時間戳信息并立即將包含有各個發(fā)送、接收時間戳以及延時信息的最終信標發(fā)送至定位基站，完成第二次通信，即SDS-TWR。相對于TWR算法的單次通信，SDS-TWR具有更高測距精度[7]，這樣就可以進一步減小晶振漂移帶來的測距誤差，獲得較高精度的飛行時間：

(1)

因此基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)采用基于TOA的對稱雙向雙邊測距算法來提高測距精度。

2 系統(tǒng)硬件設計

基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)的硬件部分主要由移動標簽和定位基站兩個模塊構成。移動標簽作為被定為的目標節(jié)點，由施工人員攜帶，定位基站被固定在隧道中的已知坐標點。定位基站與移動標簽完成測距并上傳至服務器，由服務器進行對移動標簽的坐標位置解算，實現(xiàn)對地鐵隧道中施工人員的實時精確定位。

2.1 移動標簽

移動標簽主要包括主控模塊、射頻模塊、電源管理模塊。移動標簽模塊如圖3所示。

主控芯片采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F105RC芯片，該款MCU基于ARM Cortex-M3內核，主頻32 MHz，包含4個通用的16位定時器，多達3個SPI接口，電源工作電壓為2.0～3.6 V，可實現(xiàn)休眠模式、待機模式和停止模式，具有高性能、低成本和低功耗等優(yōu)點。設計時采用32.768 KHz的外部晶振為芯片提供RTC實時時鐘。

射頻模塊采用的是Decawave公司推出的定位精度可達厘米級別的DWM1000模塊，該模塊是一款基于IEEE802.15.4-2011通信標準的無線信號收發(fā)模塊，支持3.5～6.5 GHz的6組中心頻率帶寬，并可以根據(jù)實際需求選擇采用110 Kb/s、850 Kb/s和6.8 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時采用基于飛行時間的測距原理和TOA的定位原理，支持2 μA休眠模式和100 nA深度休眠模式。

2.2 定位基站

基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)定位基站模塊主要包括主控模塊、射頻模塊、電源管理模塊以及以太網(wǎng)接口模塊上傳至服務器進行位置解算，定位基站的模塊框圖如圖4所示。定位基站中的主控芯片和射頻模塊的選擇與移動標簽中相同。

圖4 定位基站模塊框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 粒子群算法

粒子群算法的主要原理是基于“種群”和“進化”的概念，粒子群算法的進化過程遵循群體智能方法，群體的最優(yōu)解來源于群體粒子之間的互相合作和競爭，它們能很好地調節(jié)自己下一步的行為，因為它們能通過粒子間的資源共享很好地感知并確定群體當前的最優(yōu)位置，實現(xiàn)復雜空間最優(yōu)解的搜索。該算法計算量小、收斂速度快，是計算非線性方程和解算優(yōu)化的有效方法[8]。因此將TOA解算方程組作為粒子群算法的優(yōu)化函數(shù)，求得的解即為定位坐標。粒子群算法流程如下[9]：

1)種群初始化：種群規(guī)模大小為Size，每個粒子的初始位置和初始速度，其中i=1,2,…,Size。最大迭代次數(shù)G。個體極值Pi。全局極值PG。

2)通過適應度函數(shù)得到每個粒子的當前適應度值，并與個體極值和全局極值比較，確定群體最優(yōu)位置。

3)采用邊界條件處理策略限制粒子的搜索范圍，并根據(jù)如下的式(2)和式(3)來更新粒子的速度和位置：

(2)

(3)

式中，w為慣性權重，為了使算法有更大的概率向全局最優(yōu)解收斂，此處采用線性遞減權值策略，即從0.9線性遞減至0.4；c1為局部學習因子，代表個體經(jīng)驗對粒子軌跡的影響，c2為全局學習因子，代表群體經(jīng)驗對粒子軌跡的影響；r1、r2為0～1的隨機數(shù)。

4)計算更新后的粒子個體適應度值，并與自身歷史最優(yōu)值Pi作比較，若當前個體適應度值較好，則替代Pi并更新當前粒子位置。

5)將當前粒子適應度值與全局極值PG作比較，若當前粒子適應度值較好，則替代PG。

6)若滿足預先設定的終止條件，則尋優(yōu)解算結束；若不滿足終止條件，則返回3)。

3.2 基于粒子群算法的TOA模型

基于UWB的隧道定位系統(tǒng)采用TOA定位算法，該方法不需要定位基站之間進行嚴格的時間同步，具有成本低、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點?；赥OA的定位方法是利用定位標簽與定位基站之間的通信先測量出標簽與各個定位基站之間的距離信息，然后在二維平面坐標系中，分別以各個定位基站為圓心，以距離為半徑畫圓，若定位基站不在同一條直線上，則至少需要3個圓才能有一個共同交點即為標簽的位置坐標[10-11]。設3個已知定位基站的坐標分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，待定的定位標簽節(jié)點位置坐標為(x，y)，對應的定位基站與定位標簽之間的測量距離分別為r1、r2、r3，真實距離為d1、d2、d3列出相應方程組：

(4)

將求解非線性方程組問題轉化為區(qū)域約束優(yōu)化問題，即將對目標節(jié)點的求解問題轉化為利用粒子群算法在定位區(qū)域尋求最優(yōu)解問題，設[12]：

(5)

于是定位目標求解問題轉化為用粒子群算法求函數(shù)f極小值問題，所求函數(shù)值即為個體適應度值。

3.3 移動標簽軟件設計

移動標簽模塊的軟件流程如圖5所示。標簽開啟供電后在初始化階段會對DWM1000進行配置，包括對標簽的地址配置，初始化完成后將會進入測距模式，首先標簽會將帶有自己ID號和時間戳的poll信標以廣播的方式發(fā)送出去，隨后開啟接收模式，當接收到附近的定位基站發(fā)送回來的回復信息后，移動標簽會將回復信息中基站寫入的接收和發(fā)送時間戳重新寫入到最終信息中，最后移動標簽將帶有自己時間戳和其他基站回復時間戳信息的最終信標發(fā)送給基站，并進入休眠模式等待下一次測距發(fā)起。若在指定的等待時間內沒有收到回復信息，則認為接受失敗，移動標簽將會重新配置poll信標并以廣播的方式進行發(fā)送。

圖5 標簽模塊軟件流程圖

3.4 定位基站軟件設計

定位基站的軟件流程圖如圖6所示。實現(xiàn)二維定位需要至少3個基站完成，分別設置為0號、1號和2號基站，其中0號基站為主基站。為了提高定位的精確度，可增加定位的數(shù)量，測試中定位基站的數(shù)量為4個。與移動標簽不同，基站在完成初始化的配置后直接開啟接收模式，當定位基站接收到移動標簽廣播發(fā)送來的測距poll信標時，會把標簽的ID和時間戳信息記錄下來，同時把含有上述信息和自己接收和發(fā)送時間戳的回復信標發(fā)送至標簽，隨后繼續(xù)進入接收等待模式，等待移動標簽發(fā)送最終信標。當標簽接收到基站的回復并記錄歷史相關時間戳信息和ID信息后，會將所有信息組合到最終信標當中并發(fā)送至基站以供基站完成測距計算，此時定位基站會再一次收到移動標簽發(fā)送來的最終信標，并完成測距計算和上傳至服務器以完成定位解算。

圖6 定位基站軟件流程圖

4 系統(tǒng)驗證

4.1 定位精度測試

為了驗證基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)的定位精度，在武漢某地鐵隧道施工現(xiàn)場進行定位測試。隧道直徑為6 m，為了提高定位精度，實驗中共采用了4個定位基站進行定位測試，分別布置于隧道兩端的隧道壁上，設定在一個6 m*20 m的二維空間內，采用頻率為2～12.4 GHz的通用定向天線以增大測距距離，而施工人員攜帶的定位標簽則采用體積相對較小的頻率為3.1～8 GHz的陶瓷天線進行測試，放置于定位空間的中心位置。在保證測距誤差相同的情況下，分別采用本文系統(tǒng)所使用的粒子群算法和傳統(tǒng)的三邊定位算法對標簽定位計算，然將位置估計坐標與真實坐標進行對比計算出誤差，隨著測量次數(shù)的累加，得到誤差累積分布函數(shù)，繪制出累積分布曲線，如圖7所示。

圖7 誤差累積分布圖

由圖7可知，采用粒子群算法優(yōu)化后的定位誤差有90%小于0.5 m，而傳統(tǒng)的三邊定位算法有90%的定位誤差則是小于1.6 m。因此，與直接進行三邊定位算法求解相比，基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)采用粒子群算法后的定位精度得到了非常明顯的提高。

4.2 移動標簽功耗測試

由于定位標簽由隧道內施工人員攜帶，一般應滿足體積小、功耗低的特點。基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)中，定位標簽在啟動后首先發(fā)送測距請求，然后開啟接收等待模式，定位標簽接收到定位基站的回復后發(fā)送最終信息并進入休眠模式，等待下次測距發(fā)起。在現(xiàn)場測試過程當中，利用功率分析儀對定位標簽各個狀態(tài)的功耗進行測量，定位標簽在單個工作周期內的功耗如表1所示。由于標簽在定位開始只需啟動配置一次，由表中結果計算可知，定位標簽在完成一次定位周期內的功耗為0.00025 mAh，一個定位周期為1.009 s，計算可得每天上班時間定位標簽功耗為8.9425 mAh，能夠滿足地鐵隧道定位系統(tǒng)中對于定位標簽低功耗的要求。

表1 定位標簽單周期電流消耗

5 結束語

由于地鐵隧道中環(huán)境惡劣且安全隱患多，為了保證地鐵隧道中施工人員的安全，實現(xiàn)對隧道中作業(yè)人員的實時定位，針對傳統(tǒng)定位系統(tǒng)存在的定位精度低、抗多徑效應差、抗干擾能力差等問題，本文采用STM32F105芯片作為MCU，結合定位精度可達厘米級別的DWM1000模塊，設計了基于UWB技術的地鐵隧道定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TOA的定位方法，無需移動標簽與定位基站之間的時間同步，實現(xiàn)簡單，采用SDS-TWR測距算法來有效抑制由于晶振漂移帶來的測距誤差，同時采用粒子群算法對目標位置進行優(yōu)化解算，提高定位精度。測試結果表明：基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)具有功耗低、通信穩(wěn)定、抗干擾性強、定位精度高的優(yōu)點，適用于地鐵隧道中對施工作業(yè)人員的實時精確定位，并可廣泛應用于室內、隧道、井下等復雜環(huán)境中。