聯(lián)合UWB和IMU的礦井內(nèi)實(shí)體定位及語(yǔ)義地圖構(gòu)建系統(tǒng)

鄭桂鋒 徐浩愷 胡雄杰 韋焯淇

摘要：煤礦開采包括地面開采和地下開采兩種方式，在全世界，地下開采方式占60%，礦井作業(yè)依然普遍。為保證礦井下作業(yè)人員的安全，需要實(shí)時(shí)掌握井下人員的位置情況，傳統(tǒng)的GPS在礦井環(huán)境下由于信號(hào)衰減太大已經(jīng)不再適用。為解決礦井環(huán)境下人員的穩(wěn)定定位、安全保障問(wèn)題，本文提出了一種聯(lián)合UWB和IMU器件的礦井內(nèi)實(shí)體定位及語(yǔ)義地圖構(gòu)建系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)總體構(gòu)成、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)各部分的原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)礦井下人員的穩(wěn)定定位，具備一鍵SOS功能、物理實(shí)體的語(yǔ)義地圖構(gòu)建功能，在平時(shí)，井下作業(yè)人員基于所構(gòu)建的語(yǔ)義地圖可以更高效地工作;在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，能讓相關(guān)人員及時(shí)地獲取到遇險(xiǎn)人員的位置信息。

關(guān)鍵詞：礦井定位;UWB;IMU;語(yǔ)義地圖

1 引言

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信知識(shí)的逐步完善，各類定位系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。目前，GPS衛(wèi)星定位能夠滿足人們大部分戶外定位的需求，但是礦井環(huán)境錯(cuò)雜，電磁波傳輸損耗嚴(yán)重，并不能實(shí)現(xiàn)精確有效的定位，并且礦井一旦發(fā)生安全事故，礦井內(nèi)人員的位置信息就十分重要，這一點(diǎn)是衛(wèi)星定位所不能完成的。目前，礦井內(nèi)部大多采用射頻識(shí)別以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的監(jiān)測(cè)以及定位，但是大多存在信號(hào)損耗嚴(yán)重，可檢測(cè)距離短，精度不高等問(wèn)題，并非真正意義上的高精度定位系統(tǒng)，這將會(huì)導(dǎo)致發(fā)生事故時(shí)不能精確得到人員的位置信息。因此，本文章提出了一種基于UWB和IMU的礦井內(nèi)實(shí)體定位及語(yǔ)義地圖構(gòu)建系統(tǒng)。超寬帶（UWB）定位系統(tǒng)是一套基于架設(shè)基站的獨(dú)立的定位系統(tǒng)，不依賴于GPS，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位，結(jié)合UWB技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用UWB構(gòu)建一套針對(duì)礦井環(huán)境的系統(tǒng)，可以很好地解決礦井環(huán)境下人員的穩(wěn)定定位、安全保障問(wèn)題[3]。IMU慣性測(cè)量單元?jiǎng)t裝在用戶端，通過(guò)監(jiān)測(cè)用戶姿態(tài)信息來(lái)對(duì)UWB系統(tǒng)進(jìn)行定位補(bǔ)償，然后通過(guò)語(yǔ)義地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井下用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶的穩(wěn)定定位，同時(shí)也大大提高了定位精度。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

系統(tǒng)的總體構(gòu)成框圖如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層由計(jì)算機(jī)上開發(fā)的定位軟件構(gòu)成。定位軟件的開發(fā)基于C#語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。C#是一個(gè)現(xiàn)代的、通用的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，C#也是.Net 框架（.Net Framework）的一部分，可用于編寫.Net應(yīng)用程序，基于.Net框架的組件Windows 窗體（Windows Forms）可以開發(fā)出可視化程度良好的Windows應(yīng)用程序即所述定位軟件。數(shù)據(jù)處理層的定位軟件將數(shù)據(jù)采集層反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，進(jìn)行位置信息解算，將位置信息以可視化的形式展現(xiàn)給用戶。

2.2 數(shù)據(jù)采集層

將UWB基站接入數(shù)據(jù)設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)。采集層負(fù)責(zé)采集UWB基站與標(biāo)簽之間的測(cè)距信息，反饋到數(shù)據(jù)處理層進(jìn)行位置解算。同時(shí)采集IMU檢測(cè)到的用戶的姿態(tài)信息，也反饋到數(shù)據(jù)處理層進(jìn)行用戶行為識(shí)別。

2.3 用戶層

用戶層由用戶終端構(gòu)成，用戶終端由一鍵SOS電路、IMU器件和UWB定位標(biāo)簽封裝而成，可安裝在用戶的身上。一鍵SOS電路可采用STM32主控，結(jié)合按鍵電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)用戶按下SOS按鍵時(shí)，通過(guò)UWB進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)一鍵報(bào)警。而IMU慣性測(cè)量單元?jiǎng)t實(shí)時(shí)采集用戶姿態(tài)信息[4]。

3 系統(tǒng)功能介紹

系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能示意圖如圖2所示。

聯(lián)合UWB定位與IMU運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)構(gòu)成總系統(tǒng)，UWB本身便可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，但將UWB應(yīng)用于礦井下定位時(shí)，由于礦井環(huán)境的不規(guī)則，復(fù)雜多變，常常會(huì)使UWB系統(tǒng)處于非視距（NLOS）的工作環(huán)境下，這時(shí)候的定位誤差較大，所以聯(lián)合基于IMU的慣性導(dǎo)航對(duì)UWB系統(tǒng)在非視距環(huán)境下進(jìn)行定位補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)礦井下用戶的穩(wěn)定定位，定位精度也可滿足使用需求[5]。而礦井下作業(yè)本身就是一件相當(dāng)危險(xiǎn)的工作，很可能發(fā)生如瓦斯爆炸，塌陷，滲水等一系列危險(xiǎn)事故，這時(shí)候所述系統(tǒng)的安全保障功能就可以發(fā)揮作用。所述系統(tǒng)集用戶主動(dòng)上報(bào)與被動(dòng)檢測(cè)上報(bào)于一體，最大程度上保障用戶安全。當(dāng)用戶遇到危險(xiǎn)有反應(yīng)時(shí)間時(shí)，便可以通過(guò)所述系統(tǒng)的一鍵SOS功能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)上報(bào)異常情況。而針對(duì)用戶暈倒，突然失去反應(yīng)能力等情況時(shí)，基于IMU的用戶姿態(tài)檢測(cè)就可以檢測(cè)到用戶的異常狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上報(bào)異常的功能。而通過(guò)IMU檢測(cè)識(shí)別用戶與礦車，煤礦等礦井內(nèi)物體的交互動(dòng)作，將指定的交互動(dòng)作作為交互物體的語(yǔ)義信息，跟數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配識(shí)別，便可實(shí)現(xiàn)通過(guò)指定動(dòng)作構(gòu)造礦井內(nèi)物體的語(yǔ)義地圖的功能。

4 系統(tǒng)各部分原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 IMU檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

IMU器件的姿態(tài)解算主要有歐拉角、四元數(shù)、方向向量幾種方法。其中，四元數(shù)法因其全向性、易迭代最常被使用[6]。IMU的姿態(tài)實(shí)際上就是機(jī)體坐標(biāo)系b和地理坐標(biāo)系n之間的方位關(guān)系，地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸有三種不同的取法，即東北天，北東地，或北西天。以下公式是取地理坐標(biāo)系為東北天從而推導(dǎo)來(lái)的[7]。經(jīng)過(guò)一系列的推導(dǎo)，可以得到公式1：

由公式3，只要確定了四元數(shù)，那么姿態(tài)矩陣各元素也就確定了，進(jìn)而可求出姿態(tài)角。對(duì)于四元數(shù)微分方程有龍格-庫(kù)塔法（RK），還有畢卡求解法。利用求出的姿態(tài)角跟數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配就可以識(shí)別出此時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將IMU內(nèi)加速度計(jì)采集到的加速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行二次積分便可得到用戶的實(shí)時(shí)移動(dòng)距離，同時(shí)配合采集到的航向角信息還可以實(shí)現(xiàn)用戶航跡推演，達(dá)到短時(shí)精確定位的效果。

4.2 UWB定位

UWB定位模組如圖3所示。

采用UWB進(jìn)行位置檢測(cè)與反饋，基站與定位標(biāo)簽之間的測(cè)距采用DS-TWR測(cè)距方式[7]。DS 測(cè)距是在SS測(cè)距的基礎(chǔ)上再增加一次通訊，兩次通訊的時(shí)間可以互相彌補(bǔ)因?yàn)闀r(shí)鐘偏移引入的誤差，DS-TWR測(cè)距示意圖如圖4。

對(duì)于位置信息的解算選取了TOA定位算法[7]。通過(guò)TOA算法完成超寬帶定位，一般需要兩個(gè)步驟，即首先獲得超寬帶信號(hào)從標(biāo)簽到達(dá)基站的到達(dá)時(shí)間測(cè)量值，然后利用TOA的測(cè)量值換算成距離進(jìn)而建立方程組并求解。使用殘差法或者交叉面積法進(jìn)行非視距基站的鑒別，為了將非視距基站盡可能排除，可使用交叉面積法進(jìn)行非視距誤差的鑒別[8]。

4.3 語(yǔ)義地圖的構(gòu)建

語(yǔ)義地圖概念解讀： 這里的地圖，是指映射。語(yǔ)義就是描述符。在物體識(shí)別上，訓(xùn)練數(shù)據(jù)就是構(gòu)建地圖的過(guò)程。首先通過(guò)解析物體將它分解成計(jì)算機(jī)可以理解的符號(hào)，不同的物體，有對(duì)應(yīng)的不同的符號(hào)表示，我們只需給計(jì)算機(jī)提供描述該物體的特定符號(hào)，將其和訓(xùn)練時(shí)構(gòu)建的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，就可以找到對(duì)應(yīng)的物體。語(yǔ)義地圖的圖解說(shuō)明[9]如圖5所示。

描述物體的符號(hào)，即為檢測(cè)終端檢測(cè)到的用戶的行為狀態(tài)，如：用戶在駕駛礦車時(shí)，駕駛的動(dòng)作就是礦車這一物理實(shí)體的描述符號(hào)。將這些符號(hào)實(shí)時(shí)地傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將這個(gè)符號(hào)作為索引，在經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫(kù)里查找該物體信息，進(jìn)行匹配識(shí)別，這就相當(dāng)于識(shí)別了該物體，而此時(shí)物體的位置信息可以用用戶當(dāng)前的位置信息進(jìn)行表征，這就構(gòu)建了礦車的語(yǔ)義地圖。（經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫(kù)：指事先將描述符號(hào)與物理實(shí)體信息進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)。）同理，針對(duì)其他與用戶存在交互動(dòng)作的物理實(shí)體，通過(guò)挖掘用戶與其進(jìn)行交互動(dòng)作的動(dòng)作細(xì)節(jié)也可構(gòu)建起該物體的語(yǔ)義地圖。構(gòu)建礦井下礦車的語(yǔ)義地圖有助于避免礦井下的交通事故，使礦車的運(yùn)作更加井然有序。構(gòu)建礦井下煤礦資源分布的語(yǔ)義地圖，可以幫助作業(yè)人員迅速定位煤礦位置，從全局上把握煤礦資源的分布情況，方便安排工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了一套基于超寬帶（UWB）和IMU的礦井內(nèi)聯(lián)合定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)總體構(gòu)成、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)各部分的原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。利用UWB與IMU互相補(bǔ)償進(jìn)行礦井環(huán)境下人員的定位，大大提高了礦井環(huán)境中對(duì)人員進(jìn)行定位的穩(wěn)定性?；谌梭w與物體的交互動(dòng)作構(gòu)建出物體的語(yǔ)義地圖，將人無(wú)意識(shí)的動(dòng)作充分利用起來(lái)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)人定位的同時(shí)，無(wú)須給物體額外貼上UWB標(biāo)簽，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的定位。無(wú)論是在平時(shí)作業(yè)還是發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，該系統(tǒng)都有用武之地。

目前我國(guó)大量的礦井還在開采，這還將持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，隨著科技的發(fā)展，更多更好更完善的針對(duì)礦井環(huán)境的系統(tǒng)會(huì)被開發(fā)出來(lái)，這也正是作者想看到的。

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【通聯(lián)編輯：梁書】