隧洞施工人員U-Beacon定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

李俊彥 彭振華 王金昌 須民健

摘 ?要：針對傳統(tǒng)UWB定位技術(shù)在大范圍隧洞內(nèi)人員定位中存在布線成本高、施工周期長、風(fēng)險(xiǎn)高的問題，結(jié)合UWB定位技術(shù)和Beacon技術(shù)，提出一種基于U-Beacon的隧洞內(nèi)人員定位系統(tǒng)，并針對隧洞復(fù)雜施工場景進(jìn)行定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、U-Beacon定位系統(tǒng)部署方案設(shè)計(jì)及硬件電路設(shè)計(jì)。以施工人員佩戴便攜式胸卡標(biāo)簽方式，提高系統(tǒng)易用性。采用TOA定位算法和Sage-husa自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對UWB測距數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和降噪處理，實(shí)現(xiàn)對洞室復(fù)雜施工環(huán)境的精準(zhǔn)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于U-Beacon的人員定位系統(tǒng)大大降低施工成本，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，同時Sage-husa自適應(yīng)濾波算法在提高隧洞內(nèi)定位精度和魯棒性方面有很大的提升。

關(guān)鍵詞：UWB定位技術(shù)；Beacon技術(shù)；Sage-husa自適應(yīng)濾波；隧洞施工；測距數(shù)據(jù)

中圖分類號：TU714 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0075-06

Abstract： Aiming at the problems of high wiring cost， long construction period and high risk of traditional UWB positioning technology in large-scale tunnel， combined with UWB positioning technology and Beacon technology， a tunnel personnel positioning system based on U-Beacon is proposed. Aiming at the complex construction scene of the tunnel， the positioning system network topology design， U-Beacon positioning system deployment scheme design and hardware circuit design are carried out. The construction staff wear portable badge tags to improve the ease of use of the system. TOA positioning algorithm and Sage-husa adaptive Kalman filter algorithm are used to locate and reduce noise of UWB ranging data to achieve accurate positioning of the complex construction environment of the cavern. The experimental results show that the personnel positioning system based on U-Beacon greatly reduces the construction cost and construction risk， and the Sage-husa adaptive filtering algorithm has greatly improved the positioning accuracy and robustness in the tunnel.

Keywords： UWB positioning technology; Beacon technology; Sage-husa adaptive filtering; tunnel construction; ranging data

我國城市地下空間開發(fā)需求大、發(fā)展快，國家也加大了對城市地下空間開發(fā)利用的推動，城市地鐵建設(shè)進(jìn)一步升溫[1]，隧洞地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。因此，實(shí)時掌握施工人員在隧洞內(nèi)的位置信息，有利于實(shí)現(xiàn)施工人員的高效管理和事故預(yù)防。超寬帶（UWB）技術(shù)具有低功耗、高速率、高性能、抗干擾能力強(qiáng)和穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)人員定位[2-3]，而隧洞屬于密閉空間場景，施工現(xiàn)場遮擋物眾多、信號干擾更強(qiáng)，供電困難，傳統(tǒng)UWB定位方法難以達(dá)到較好的定位精度和場景應(yīng)用。

在利用超寬帶技術(shù)進(jìn)行定位方面，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界已經(jīng)開展了大量的技術(shù)研究。孫建強(qiáng)等[4]針對現(xiàn)代多樓層建筑的室內(nèi)定位需求，提出了一種用氣壓計(jì)輔助UWB的室內(nèi)定位方法，修正UWB室內(nèi)定位在高度方向的誤差，減少基站數(shù)量，進(jìn)行準(zhǔn)確的三維定位。王桂杰等[5]針對基站幾何布局引起的室內(nèi)定位精度問題，提出了基于最小二乘法的三維定位優(yōu)化算法，驗(yàn)證了優(yōu)化后的最小二乘定位算法的三維定位精度得以明顯提高且定位效果穩(wěn)定。梁壯等[6]和李鵬等[7]針對超寬帶室內(nèi)定位易受非視距誤差的影響，提出了一種融合粒子濾波的改進(jìn)Chan定位方法，改善了室內(nèi)三維定位效果。

傳統(tǒng)高精度UWB定位方案存在布線成本高、實(shí)施部署困難、施工周期長和安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，不適用于大面積布設(shè)，以上研究也主要集中在對傳統(tǒng)UWB系統(tǒng)的抗干擾濾波優(yōu)化處理。本文針對傳統(tǒng)高精度UWB定位技術(shù)存在的短板以及大范圍隧洞內(nèi)復(fù)雜的干擾環(huán)境，結(jié)合UWB技術(shù)和Beacon技術(shù)，提出了一種基于U-Beacon的隧洞內(nèi)人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并采用Sage-husa自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對UWB測距數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，有效抑制了非視距誤差和環(huán)境噪聲的影響， 進(jìn)一步提高了隧洞內(nèi)施工人員的定位精度和抗干擾性。

1 ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為降低隧洞內(nèi)定位系統(tǒng)的技術(shù)成本和安裝風(fēng)險(xiǎn)，縮短施工周期，本文結(jié)合UWB技術(shù)和Beacon技術(shù)，提出了一種基于U-Beacon的隧洞內(nèi)人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

基于U-Beacon的定位系統(tǒng)主要由應(yīng)用層、服務(wù)層、傳輸層和感知層構(gòu)成，如圖1所示。感知層用于獲知底層的位置信息，需要高精度定位的區(qū)域通過U-Beacon和定位標(biāo)簽進(jìn)行UWB信號的交互進(jìn)行定位。傳輸層主要用于定位數(shù)據(jù)的通信傳輸，通信基站通過有線或無線的方式將定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)層。服務(wù)層包括UWB定位引擎軟件、系統(tǒng)管理軟件、對外API接口軟件，定位引擎軟件根據(jù)不同的定位方式，實(shí)現(xiàn)定位原始數(shù)據(jù)的解算，從而得到有用的位置信息。管理軟件完成底層傳感設(shè)備的配置、管理及狀態(tài)監(jiān)測。對外接口部分完成后臺數(shù)據(jù)的平臺層面的信息交互；以及提供前端層面的應(yīng)用開發(fā)工具。應(yīng)用層結(jié)合的業(yè)務(wù)邏輯以及底層傳感數(shù)據(jù)，向業(yè)務(wù)需求單位提供具體的軟件功能。

2 ?設(shè)計(jì)原理

2.1 ?U-Beacon定位原理

U-Beacon技術(shù)是一種基于BLE（Bluetooth Low Energy）的UWB定位技術(shù)[8]，Beacon技術(shù)基于藍(lán)牙低功耗的特性，采用小型的信號發(fā)射裝置，能夠在有限的范圍內(nèi)發(fā)送藍(lán)牙廣播信號[9]，這種特性使得Beacon能夠構(gòu)建一個小型的信息網(wǎng)絡(luò)，從而在特定位置提供定位和信息傳遞功能，U-Beacon技術(shù)則是將這種Beacon技術(shù)應(yīng)用于定位領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了精確定位和信息推送。區(qū)別于傳統(tǒng)UWB定位方式，U-Beacon采用了標(biāo)簽主動定位的方式，將定位信息發(fā)送至通信基站，并由服務(wù)器定位引擎解算得到位置信息[10-11]，U-Beacon定位基站集成UWB定位芯片與大容量電池，平常不工作，處于休眠狀態(tài)，當(dāng)UWB定位標(biāo)簽發(fā)送測距激活信號時，激活定位芯片與UWB標(biāo)簽測距。由于U-Beacon定位基站采用電池供電，不需要布線施工，大大節(jié)省了施工成本及時間，適用于隧道施工環(huán)境的人員定位應(yīng)用。

UWB定位技術(shù)主要有TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference of Arrival）和AOA（Angel of Arrival）3種[12]，由于成本和低功耗需要的考慮，本文采用TOA定位測量法，其基本原理是在二維平面中，已知3個基站（A，B，C）的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），要定位移動標(biāo)簽O的坐標(biāo)（x0，y0），可以分別以3個基站為圓心，以標(biāo)簽到基站的距離為半徑做圓，最終求得三圓的交點(diǎn)，交點(diǎn)即為移動標(biāo)簽位置，如圖2所示。

同理，在三維空間中，要得到移動標(biāo)簽O的坐標(biāo)（x，y，z），至少需要4個可通信的基站，假設(shè)4個基站的坐標(biāo)分別為A（x1，y1，z1）、B（x2，y2，z2）、C（x3，y3，z3）、D（x4，y4，z4），測距定位算法模型如式（1）所示

2.3 ?定位系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及洞內(nèi)部署

基于U-Beacon的定位系統(tǒng)主要設(shè)備包括防爆通信基站、U-Beacon定位信標(biāo)基站、定位標(biāo)簽、網(wǎng)線、光纖、交換機(jī)和服務(wù)器等，各設(shè)備之間通過有線或無線的方式連接，高精度定位區(qū)部署電池供電的U-Beacon，UWB定位標(biāo)簽主動發(fā)起與U-Beacon測距進(jìn)行定位，定位信息通過通信基站傳回服務(wù)器解算，其現(xiàn)場部署結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3 ?硬件實(shí)現(xiàn)及定位算法驗(yàn)證

3.1 ?硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件主要由便攜式胸卡定位標(biāo)簽、定位基站和通信基站。其中，定位基站采用U-Beacon定位信標(biāo)基站，便攜式胸卡標(biāo)簽主動發(fā)起與U-Beacon基站測距，測距數(shù)據(jù)由定位標(biāo)簽收集并通過Lora通信模塊傳輸?shù)酵ㄐ呕?，再由通信基站傳送到定位解算服?wù)器。定位標(biāo)簽的電路設(shè)計(jì)主要包括CC2640單片機(jī)電路、UWB模塊和Lora模塊的設(shè)計(jì)。內(nèi)部電路采用低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)置鋰電池，定位標(biāo)簽支持無線充電和Micro USB充電接口2種充電方式，可方便用戶充電。Lora模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)完成洞內(nèi)無線傳輸，是一種能夠長距離低功耗通信的射頻模塊，該模塊內(nèi)部由Lora調(diào)制解調(diào)器、射頻收發(fā)器和微控制器等組件構(gòu)成，通過TTL串口與主控單片機(jī)進(jìn)行通信，其電路原理圖如圖4所示。單片機(jī)電路采用CC2640芯片作為控制芯片，UWB模塊負(fù)責(zé)實(shí)時測距，是系統(tǒng)的核心模塊，其硬件主要采用了基于DWM1000芯片的模塊，該芯片供電電壓在2.8～3.6 V，睡眠電流1 μA，深度睡眠電流50 nA，支持低功耗模式，定位精度為10 cm，數(shù)據(jù)傳輸速率最大為6.8 Mb/s，體積小巧，UWB模塊通過TTL串口連接至單片機(jī)。

U-Beacon定位信標(biāo)基站的電路主要包括CC2640單片機(jī)電路、UWB模塊和大容量電池供電電路，其電路設(shè)計(jì)原理與定位標(biāo)簽一致；通信基站電路主要包括單片機(jī)控制電路、Lora模塊、以太網(wǎng)模塊電路，其中Lora負(fù)責(zé)接收區(qū)域內(nèi)所有定位標(biāo)簽發(fā)出的實(shí)時距離信息，經(jīng)解析、組包后轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)模塊，最終發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行定位解算，同理，服務(wù)器發(fā)送的控制命令，經(jīng)以太網(wǎng)模塊接收后，由單片機(jī)解析并經(jīng)Lora模塊發(fā)送至各定位標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場定位標(biāo)簽與遠(yuǎn)程服務(wù)器的雙向通信。通信基站電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示，采用LPC824芯片作為控制芯片，一款基于ARM Cortex-M0+核的低成本32位MCU系列器件，工作時 CPU 頻率可配置為1～30 MHz[13]，滿足本設(shè)計(jì)中通信基站對數(shù)據(jù)解析和轉(zhuǎn)發(fā)的功能要求，由于通信基站通常安裝于隧道內(nèi)取點(diǎn)方便的位置，所以采用AC220V交流供電。

3.2 ?Sage-Husa定位算法驗(yàn)證分析

在20 m×20 m面積的室內(nèi)空間測試環(huán)境中，如圖6所示，分別在高度為1.2 m的地方放置4個U-Beacon定位信標(biāo)基站，基站坐標(biāo)分別為A0（0，0，1.2）、A1（20，0，1.2）、A2（20，20，1.2）、A3（0，20，1.2），便攜式胸卡標(biāo)簽（即需要定位的目標(biāo)）主動向所有方向發(fā)送信號，標(biāo)簽接收集4個UWB基站的信號，利用TOF技術(shù)，分別解算出對應(yīng)的4個距離數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)中使用的UWB設(shè)備帶寬為3.1～5.3 GHz，數(shù)據(jù)刷新頻率10 Hz，在LOS環(huán)境下測距精度可達(dá)到厘米級，測距范圍500 m。每次數(shù)據(jù)采集時，由于UWB標(biāo)簽會停留一段時間，而基站和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)刷新時間為100 ms，因此，在同一位置點(diǎn)，UWB會采集到多組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都表示同一個位置的信息，組數(shù)的多少和標(biāo)簽在同一位置停留的時間相關(guān)，停留的時間越長，數(shù)據(jù)組數(shù)越多。由于地下空間信號干擾大，定位精度低，為提高室內(nèi)定位精度，本實(shí)驗(yàn)在某一位置點(diǎn)真實(shí)采樣了大于800組的數(shù)據(jù)，分別包含了UWB標(biāo)簽到4個基站的實(shí)時距離信息。以標(biāo)簽到基站A0的距離數(shù)據(jù)為樣本，分別使用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器和Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波器進(jìn)行了濾波處理。

標(biāo)簽到基站的真實(shí)測距信號含有大量的干擾誤差，數(shù)據(jù)突變點(diǎn)比較多，勢必會導(dǎo)致很大的定位誤差。分別經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器和Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波器濾波后，對環(huán)境干擾和測量誤差都有較好的抑制，基本可以去除環(huán)境干擾誤差，使距離數(shù)據(jù)更加平滑和穩(wěn)定。2種算法對比看，Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波。測距誤差見表1。

將2種算法的殘差進(jìn)行對比，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波后的最大殘差為200 mm，經(jīng)Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波后的最大殘差為116 mm，效果明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波。

3.3 ?實(shí)際隧洞測試與分析

根據(jù)UWB定位原理并結(jié)合隧洞環(huán)境特點(diǎn)，將定位基站沿洞室縱向左右邊墻部位對稱布置，如圖7所示?；景惭b位置離地面3 m左右，基站的縱向布置密度為20～50 m一組，為確保有效定位，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)定位基站的數(shù)量應(yīng)不少于4個，布設(shè)間接不宜大于50 m，當(dāng)定位標(biāo)簽在定位區(qū)域內(nèi)移動時，即可實(shí)時測量定位標(biāo)簽到各個基站之間的距離，并通過通信基站上傳距離數(shù)據(jù)，系統(tǒng)平臺內(nèi)置定位算法可實(shí)時測出人員位置，并在系統(tǒng)平臺上進(jìn)行動態(tài)展示。

本次測試工作中，人員定位系統(tǒng)在實(shí)體施工隧道內(nèi)共安裝6個定位基站，監(jiān)測區(qū)域120 m，間隔40 m布設(shè)一組，每組2個對稱安裝，人員定位通信基站安裝1臺，實(shí)現(xiàn)人員定位信息輸出，配置測試標(biāo)簽5個。

現(xiàn)場將定位信標(biāo)基站和通信安裝完成后，在監(jiān)控中心服務(wù)器部署軟件環(huán)境，進(jìn)入定位管理軟件后可以觀察到6個U-Beacon信標(biāo)基站和5個測試標(biāo)簽全部在線。

把待測的5個標(biāo)簽依次擺放于隧道的橫斷面中間位置，進(jìn)入人員定位軟件系統(tǒng)觀測標(biāo)簽擺放情況，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)可以精確定位到標(biāo)簽位置，如圖8所示。在現(xiàn)場沒有遮擋物以及其他干擾的情況下，定位精度良好，所有標(biāo)簽都放在洞室中間，測試隧道寬度10 m，所以標(biāo)簽的實(shí)際Y坐標(biāo)值為5 m，誤差均在在0.1～0.3 m之間。

4 ?結(jié)論

在室內(nèi)定位中，UWB是一種主流的定位技術(shù)，其具有精度高、穿透力強(qiáng)、成本低和抗多徑效應(yīng)好等諸多優(yōu)點(diǎn)，比較適用于地下洞室的精確定位，但是，傳統(tǒng)UWB定位系統(tǒng)一方面布線成本高、安裝風(fēng)險(xiǎn)大，另一方面通過UWB獲得的測距信息也不可避免地會受到環(huán)境噪聲和測量噪聲的干擾，產(chǎn)生測距隨機(jī)誤差。為了降低技術(shù)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合UWB定位技術(shù)和Beacon技術(shù)，提出了一種基于U-Beacon的隧洞內(nèi)人員定位系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)成本和風(fēng)險(xiǎn)。同時，為了削弱測距隨機(jī)誤差的影響，提高系統(tǒng)定位精度，本文采用Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對UWB測距數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。對UWB系統(tǒng)采集的真實(shí)測距數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波仿真實(shí)驗(yàn)，將Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波和標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波定位算法進(jìn)行了對比和測距誤差分析。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，真實(shí)UWB系統(tǒng)測距數(shù)據(jù)中存在較大的跳點(diǎn)誤差和環(huán)境干擾，2種算法都能較好地抑制隨機(jī)測距誤差，相比標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波，Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波算法降噪處理能力更好，測距精度更高，測距數(shù)據(jù)軌跡更加平滑和穩(wěn)定。因此，通過解算基于Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波處理的測距數(shù)據(jù)，能夠有效提升UWB系統(tǒng)的定位精度和魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程光華，王睿，趙牧華.國內(nèi)城市地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].地學(xué)前緣，2019，26（3）：39-47.

[2] LI Z H， ZHANG Y B. Constrained ESKF for UAV Positioning in Indoor Corridor Environment Based on IMU and WiFi[J]. SENSORS，2022，22（1）：391.

[3] SCHERHAEUFL M， RUDIC B， STELZER A， et al. A blind calibration method for phase-of-arrival-based localization of passive UHF RFID transponders[J].IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，2019，68（1）：261-168.

[4] 孫建強(qiáng)，尚俊娜，劉新華，等.氣壓計(jì)輔助的UWB室內(nèi)定位方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（6）：30-33.

[5] 王桂杰，焦良葆，曹雪虹.基于最小二乘法的室內(nèi)三維定位算法研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2020，30（4）：69-73.

[6] 梁壯，李暉.基于RSSI的隧道人員定位系統(tǒng)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2018，35（11）：82-85.

[7] 李鵬，向宇翔，榮冬成，等.改進(jìn)的Chan-粒子濾波算法超寬帶室內(nèi)三維定位[J].導(dǎo)航定位與授時，2022，9（4）：123-129.

[8] ZHANG M Y， CAI W Y. Multivariate polynomial interpolation based indoor fingerprinting localization using bluetooth[J]. IEEE SENSORS LETTERS，2018，2（4）：1-4.

[9] 何永平，劉冉，付文鵬，等.非視距環(huán)境下基于UWB的室內(nèi)動態(tài)目標(biāo)定位[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（8）：46-49，54.

[10] PHAM T D， TRAN N Q， LE T N. Indoor localization simulation based on lora ranging[J]. Lecture Notes on Data Engineering and Communications Technologies，2022（148）： 204-214.

[11] 張少輝，亓玉浩，翟方文，等.基于冗余距離篩選的UWB定位優(yōu)化方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2022，62（5）：934-942.

[12] 朱鵬舉，張強(qiáng)，李國衡，等.人員定位系統(tǒng)在隧道施工中的應(yīng)用[J]．建筑技術(shù)，2020，51（10）：1196-1198．

[13] 孫立新，侯陽.Sage-Husa自適應(yīng)濾波在運(yùn)動障礙物軌跡預(yù)測中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2022，44（3）：73-75，113.