聯合UWB和IMU的礦井內實體定位及語義地圖構建系統

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%，礦井作業依然普遍。為保證礦井下作業人員的安全，需要實時掌握井下人員的位置情況，傳統的GPS在礦井環境下由于信號衰減太大已經不再適用。為解決礦井環境下人員的穩定定位、安全保障問題，本文提出了一種聯合UWB和IMU器件的礦井內實體定位及語義地圖構建系統，介紹了系統總體構成、系統實現的功能和系統各部分的原理及技術實現方法。該系統可以實現礦井下人員的穩定定位，具備一鍵SOS功能、物理實體的語義地圖構建功能，在平時，井下作業人員基于所構建的語義地圖可以更高效地工作;在發生危險時，能讓相關人員及時地獲取到遇險人員的位置信息。

關鍵詞：礦井定位;UWB;IMU;語義地圖

1 引言

隨著無線傳感網絡和無線通信知識的逐步完善，各類定位系統得到了快速發展。目前，GPS衛星定位能夠滿足人們大部分戶外定位的需求，但是礦井環境錯雜，電磁波傳輸損耗嚴重，并不能實現精確有效的定位，并且礦井一旦發生安全事故，礦井內人員的位置信息就十分重要，這一點是衛星定位所不能完成的。目前，礦井內部大多采用射頻識別以及無線網絡來實現對人員的監測以及定位，但是大多存在信號損耗嚴重，可檢測距離短，精度不高等問題，并非真正意義上的高精度定位系統，這將會導致發生事故時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的礦井內實體定位及語義地圖構建系統。超寬帶（UWB）定位系統是一套基于架設基站的獨立的定位系統，不依賴于GPS，可獨立實現精準的室內定位，結合UWB技術的優勢，利用UWB構建一套針對礦井環境的系統，可以很好地解決礦井環境下人員的穩定定位、安全保障問題[3]。IMU慣性測量單元則裝在用戶端，通過監測用戶姿態信息來對UWB系統進行定位補償，然后通過語義地圖來實現對礦井下用戶的實時監測，不僅能夠實現對用戶的穩定定位，同時也大大提高了定位精度。

2 系統總體構成

系統的總體構成框圖如圖1所示。

2.1 數據處理層

數據處理層由計算機上開發的定位軟件構成。定位軟件的開發基于C#語言進行開發。C#是一個現代的、通用的、面向對象的編程語言，C#也是.Net 框架（.Net Framework）的一部分，可用于編寫.Net應用程序，基于.Net框架的組件Windows 窗體（Windows Forms）可以開發出可視化程度良好的Windows應用程序即所述定位軟件。數據處理層的定位軟件將數據采集層反饋的數據進行集中處理，進行位置信息解算，將位置信息以可視化的形式展現給用戶。

2.2 數據采集層

將UWB基站接入數據設備作為數據采集層數據。采集層負責采集UWB基站與標簽之間的測距信息，反饋到數據處理層進行位置解算。同時采集IMU檢測到的用戶的姿態信息，也反饋到數據處理層進行用戶行為識別。

2.3 用戶層

用戶層由用戶終端構成，用戶終端由一鍵SOS電路、IMU器件和UWB定位標簽封裝而成，可安裝在用戶的身上。一鍵SOS電路可采用STM32主控，結合按鍵電路實現，當用戶按下SOS按鍵時，通過UWB進行通信，實現一鍵報警。而IMU慣性測量單元則實時采集用戶姿態信息[4]。

3 系統功能介紹

系統所實現的功能示意圖如圖2所示。

聯合UWB定位與IMU運動狀態檢測構成總系統，UWB本身便可實現室內定位，但將UWB應用于礦井下定位時，由于礦井環境的不規則，復雜多變，常常會使UWB系統處于非視距（NLOS）的工作環境下，這時候的定位誤差較大，所以聯合基于IMU的慣性導航對UWB系統在非視距環境下進行定位補償，可以實現礦井下用戶的穩定定位，定位精度也可滿足使用需求[5]。而礦井下作業本身就是一件相當危險的工作，很可能發生如瓦斯爆炸，塌陷，滲水等一系列危險事故，這時候所述系統的安全保障功能就可以發揮作用。所述系統集用戶主動上報與被動檢測上報于一體，最大程度上保障用戶安全。當用戶遇到危險有反應時間時，便可以通過所述系統的一鍵SOS功能實現主動上報異常情況。而針對用戶暈倒，突然失去反應能力等情況時，基于IMU的用戶姿態檢測就可以檢測到用戶的異常狀態，同時實現自動上報異常的功能。而通過IMU檢測識別用戶與礦車，煤礦等礦井內物體的交互動作，將指定的交互動作作為交互物體的語義信息，跟數據庫進行匹配識別，便可實現通過指定動作構造礦井內物體的語義地圖的功能。

4 系統各部分原理和技術實現

4.1 IMU檢測運動狀態

IMU器件的姿態解算主要有歐拉角、四元數、方向向量幾種方法。其中，四元數法因其全向性、易迭代最常被使用[6]。IMU的姿態實際上就是機體坐標系b和地理坐標系n之間的方位關系，地理坐標系的坐標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系為東北天從而推導來的[7]。經過一系列的推導，可以得到公式1：

由公式3，只要確定了四元數，那么姿態矩陣各元素也就確定了，進而可求出姿態角。對于四元數微分方程有龍格-庫塔法（RK），還有畢卡求解法。利用求出的姿態角跟數據庫進行匹配就可以識別出此時的運動狀態。將IMU內加速度計采集到的加速度對時間進行二次積分便可得到用戶的實時移動距離，同時配合采集到的航向角信息還可以實現用戶航跡推演，達到短時精確定位的效果。

4.2 UWB定位

UWB定位模組如圖3所示。

采用UWB進行位置檢測與反饋，基站與定位標簽之間的測距采用DS-TWR測距方式[7]。DS 測距是在SS測距的基礎上再增加一次通訊，兩次通訊的時間可以互相彌補因為時鐘偏移引入的誤差，DS-TWR測距示意圖如圖4。

對于位置信息的解算選取了TOA定位算法[7]。通過TOA算法完成超寬帶定位，一般需要兩個步驟，即首先獲得超寬帶信號從標簽到達基站的到達時間測量值，然后利用TOA的測量值換算成距離進而建立方程組并求解。使用殘差法或者交叉面積法進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行非視距誤差的鑒別[8]。

4.3 語義地圖的構建

語義地圖概念解讀： 這里的地圖，是指映射。語義就是描述符。在物體識別上，訓練數據就是構建地圖的過程。首先通過解析物體將它分解成計算機可以理解的符號，不同的物體，有對應的不同的符號表示，我們只需給計算機提供描述該物體的特定符號，將其和訓練時構建的數據進行對應，就可以找到對應的物體。語義地圖的圖解說明[9]如圖5所示。

描述物體的符號，即為檢測終端檢測到的用戶的行為狀態，如：用戶在駕駛礦車時，駕駛的動作就是礦車這一物理實體的描述符號。將這些符號實時地傳給計算機，計算機將這個符號作為索引，在經過訓練的數據庫里查找該物體信息，進行匹配識別，這就相當于識別了該物體，而此時物體的位置信息可以用用戶當前的位置信息進行表征，這就構建了礦車的語義地圖。（經過訓練的數據庫：指事先將描述符號與物理實體信息進行一一對應存儲。）同理，針對其他與用戶存在交互動作的物理實體，通過挖掘用戶與其進行交互動作的動作細節也可構建起該物體的語義地圖。構建礦井下礦車的語義地圖有助于避免礦井下的交通事故，使礦車的運作更加井然有序。構建礦井下煤礦資源分布的語義地圖，可以幫助作業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 結束語

本文闡述了一套基于超寬帶（UWB）和IMU的礦井內聯合定位系統設計方案，介紹了系統總體構成、系統實現的功能和系統各部分的原理及技術實現方法。利用UWB與IMU互相補償進行礦井環境下人員的定位，大大提高了礦井環境中對人員進行定位的穩定性。基于人體與物體的交互動作構建出物體的語義地圖，將人無意識的動作充分利用起來，在實現對人定位的同時，無須給物體額外貼上UWB標簽，便能實現對物體的定位。無論是在平時作業還是發生危險時，該系統都有用武之地。

目前我國大量的礦井還在開采，這還將持續很長一段時間，隨著科技的發展，更多更好更完善的針對礦井環境的系統會被開發出來，這也正是作者想看到的。

參考文獻：

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[5] 趙登康.復雜環境下基于UWB/IMU聯合定位與導航[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

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[7] 王夢石.超寬帶通信與光流輔助定位的四旋翼無人機室內導航飛行[D].秦皇島：燕山大學，2017.

[8] 尤洪祥.超寬帶融合光流的無人機室內定位技術研究[D].沈陽：遼寧大學，2018.

[9] 周曉磊.軍事應用中位置計算服務關鍵問題研究[D].長沙：國防科學技術大學，2016.

【通聯編輯：梁書】