基于TDOA算法的基建現場施工人員定位研究

朱勁磊,梁均海,付志超,歐嘉俊,滕 俊

(1.廣東電網有限責任公司廣州供電局,廣東 廣州 510000;2.廣東天廣能源科技發展有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

基建現場存在很多高危風險。根據現場施工的三維圖像定位人員位置,有利于保護基建現場施工人員的生命安全[1]。對于一些危險的基建工作,其災難發生概率高、救援難度大,嚴重威脅人員的生命安全和現場的財產安全。

相關學者提出了現場工作人員的跟蹤定位技術。通過這一技術跟蹤現場工作人員,能有效加強對現場人員的管理、避免事故發生,從而保證人身及財產安全。同時,這種定位技術對日常工作的管理也有積極作用,具有較大發展空間[2-4]。

在目前的研究中,國外對于定位技術的研究多數基于通信技術,結合全球定位系統(global positioning system,GPS)和移動通信實現有效定位。但是在復雜環境中,建筑物很容易影響信號的傳遞,導致定位精度不足。因此,對于影響信號傳遞的干擾因素仍需要深入研究。國內研究借助了大量物理測量手段(如GPS、超聲波等),利用測量的不同結果(如信號強度、方向等具有的位置區分性信息),估算出定位信息[5]。文獻[6]提出基于現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的定位方法。該方法利用視覺跟蹤技術掃描位置,采用以FPGA為核心的并行運行方式實現對目標的定位。該方法實時性能較好,但是定位精度不足,容易受到多徑干擾和視距干擾的影響。文獻[7]提出的基于面元的定位方法,以面元表達環境掃描并分割三維圖像,估計出全局位姿,并通過激光雷達測量出位置信息,以實現定位。該方法并沒有解決多徑干擾和視距干擾的影響,依然存在定位精度不足的問題。文獻[8]提出基于光柵圖像識別的定位方法。該方法主要利用自動識別技術識別出圖像目標,并構建光柵測試分析系統處理目標圖像,以定位目標位置。但該方法并未有效解決定位過程中存在的干擾問題,在目標距離的測量上存在明顯誤差。

基于上述方法,本文提出基于到達時間差(time difference of arrival,TDOA)算法的基建現場施工人員定位方法。TDOA算法主要利用標簽信號和時間差進行定位。這種算法對時間同步要求較低,在定位時能夠降低部分干擾,以達到提高定位精度的目的。TDOA算法的應用有助于解決常見的定位方法中存在的定位誤差問題。

1 三維圖像定位方法設計

1.1 定位功能框架設計

基建現場多為復雜環境,危險性高。現場工作人員相對獨立作業,在事故發生時人員位置不清晰。因此,基建現場施工人員高精度定位功能的開發成為迫切需求。為了實現該功能,定位功能框架的設計工作需要借助TDOA算法確定位置信息。考慮到TDOA算法的應用特點,在設計定位功能框架時,本文采用層疊樣式表單(cascading style sheets,CSS)技術搭建基本框架。

三維圖像定位基本框架如圖1所示。

圖1 三維圖像定位基本框架

圖1中,三維圖像定位基本框架根據基建現場面積大小確定基站節點的個數,采用統一的服務器管理節點[9]。三維圖像定位基本框架包括3個部分,分別是檢測目標、大容量區域和小容量區域[10-11]。定位節點主要基于CSS技術設計測距模塊。檢測目標通過網絡將三維圖像傳輸到定位服務器與交換機中,并將三維圖像存儲在數據庫中[12]。TDOA算法主要搭載到定位引擎中,由定位引擎計算定位結果。

定位數據庫是定位服務器的重要組成部分,主要包括節點位置信息、地圖信息、目標節點定位信息、施工人員信息等,因而信息量龐大[13]。定位方法在設計上根據節點的實際情況和定位區域調用數據,以完成目標位置的估算。

1.2 三維圖像特征提取及匹配

本文所研究的定位方法采用特征點檢測方法檢測三維圖像中的特征點,使用半徑為12的像素集作為閾值比較像素集,并設置期望提取的目標數量為N。首先,該方法確定1個中心像素點p,并考慮點p周圍16個像素灰度值。如果在范圍內存在n個連續像素,則比較像素與閾值之間的大小。如果該像素比閾值大,則將該像素點作為角點記錄下來。其次,該方法對角點進行排查。如果點p是1個角點,說明在此連續像素中至少存在3個大于閾值的點。如果不存在3個大于閾值的點,說明點p不是1個角點,則該方法再次對周圍的像素點進行檢查,并將檢測標準用于剩余的待選像素。

在檢測關鍵點后,圖像塊hpq可定義為:

(1)

式中:xp、yq為角點橫、縱坐標;I(x,y)為像素點坐標。

像素點的灰度重心B為:

(2)

從中心到重心的特征點方向ω為:

ω=αtan2(h01,h10)

(3)

在提取到三維圖像的特征點后,本文方法開始圖像匹配。該方法先在前一幀的圖像中確定1個特征點,并將該點周圍的描述子默認為1個多維向量;再將該描述子與后一幀圖像的每個描述子結合以計算距離,并按照從小到大的順序對距離進行排列。其計算式如下。

(4)

式中:x1、x2分別為2幅圖中特征點的N維向量,x1=(x11,x12,…,x1n)、x2=(x21,x22,…,x2n)。

在完成所有特征點的匹配后,本文利用TDOA算法計算目標的位置坐標。

1.3 基于TDOA算法的三維坐標計算

對于三維圖像的定位,需要根據圖像信息求解出至少1個基準節點和3個參考節點,才能確定三維坐標。因此,本文利用TDOA算法求解三維坐標。TDOA算法通過設置三維坐標的基準節點以建立三維坐標系。

三維定位參考點如圖2所示。

圖2 三維定位參考點示意圖

圖2中:A點為基準節點,用于監聽測距信息;B、C、D點為參考節點,根據D點位置可建立三維坐標系;M點為待測節點。本文設A點、B點、C點到M點的距離差為di,1,i=2,3。3個參考節點與待測節點之間的距離為di,i=1,2,3。由此建立目標的二維坐標方程組如式(5)～式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

式中:Qi為參考節點與待測節點的距離。

由式(5)～式(7)可以算得B點、C點到A點、M點的距離差。

(8)

經過整理,可以得到待測目標位置的求解矩陣。

(9)

通過求解式(9),即可得到目標的二維坐標信息。對于目標的Z軸信息,本文設待測目標的Z軸坐標為zm,利用空間幾何關系計算參考節點。

(10)

(11)

通過式(11)和式(12)可以得到二維坐標轉換的2個解,即zm1和zm2。

(12)

將式(12)的2個解代入式(11)中,可以得到2個三維坐標值d41和d42。

(13)

根據式(11)和式(13),可以判斷d4、d41和d42的關系。如果|d41-d4|<|d42-d4|,則zm取值為zm1;反之,zm取值為zm2。經過上述計算即可確定目標的三維坐標,從而實現基建現場施工人員三維圖像定位。

2 算例分析

2.1 搭建試驗環境

為了測試基于TDOA算法的基建現場施工人員三維圖像定位方法在實際應用環境中的應用情況,本文設計仿真試驗。

本文利用位置基站、小型定位標簽和上位機等設備組成試驗平臺?；緝炔堪幚砥鞯炔考?主要負責發送定位信號。標簽模塊與基站模塊基本類似。射頻收發模塊作為核心模塊,在試驗過程中會發出試驗數據信息。上位機模塊包括定位服務器、控制器和顯示器這3個部分。上位機主要對基站和標簽模塊發送的信息進行處理?？紤]到在視距條件和非視距條件下產生的不同效果,試驗設置2種環境,分別為室內的非視距環境和室外的視距環境。

試驗環境如圖3所示。

圖3 試驗環境示意圖

圖3中,G表示真實框,S1、S2、S3、S4表示侯選框。當試驗過程處在理想的條件中,則忽略人員走動和器材對試驗環境的影響。

實測場地平面如圖4所示。

圖4 實測場地平面圖

圖4中,原點O(即基站的高度)為1.5 m,則二維坐標為(x,y)、三維坐標為(x,y,h)。其中,h為標簽(基站)高度。

試驗過程中,各基站的位置信息和標簽信息通過上位機向用戶展示。試驗人員通過上位機實時獲取地址和坐標信息。

2.2 定位數據誤差試驗結果及分析

試驗將本文方法及幾種常見的定位方法(文獻[6]、文獻[7]、文獻[8]方法)安排在試驗環境中進行仿真研究。試驗在仿真環境中放置5個基站,并將試驗所用的標簽分別放在5個已知的位置上。每個位置測試10組數據。試驗計算10組位置數據相對已知坐標的平均誤差,并將其作為定位坐標的絕對誤差。

不同定位方法的定位誤差實測結果如表1所示。由表1可知,在復雜試驗環境下,本文方法的定位數據與實際位置坐標數據相差不大,絕對誤差在0.2 m以內;其他幾種定位方法的絕對誤差較大,大部分誤差在0.5 m以上。

表1 不同定位方法的定位誤差實測結果

2.3 連續軌跡定位試驗結果及分析

本文在得到不同定位方法定位誤差實測結果的基礎上進行連續軌跡定位試驗。本文設置信道參數為30 m,通過改變基站位置、設定工作人員行走軌跡,將不同的定位方法部署到上位機中執行,并通過計算機軟件輸出各定位方法的軌跡仿真結果。

不同試驗環境下連續軌跡定位試驗結果如圖5所示。

圖5 不同試驗環境下連續軌跡定位試驗結果

由圖5可知,在非視距環境下,只有本文方法能夠抑制多徑誤差。本文方法連續定位軌跡與模擬的真實軌跡基本一致。相比之下,另外幾種定位方法在多徑干擾下,仍然存在比較大的定位誤差。在視距環境下,試驗結果與上述結果類似,只有本文方法與真實的定位軌跡一致,而其他幾種定位方法并沒有實現精準定位。

本文在上述結果的基礎上,在0～350 s范圍采集x軸方向和y軸方向的測距數據,得到不同方向上的測距誤差。

各定位方法的x、y軸方向測距結果如圖6所示。

圖6 各定位方法的x、y軸方向測距結果

由圖6可知,在各定位方法的定位距離測試中,本文方法測得的距離與真實結果更接近。而其他幾種定位方法中,文獻[8]方法距離偏差最大:x軸方向上的最大測距誤差達到了5 m;y軸方向上的最大測距誤差達到了9 m。相比本文方法,其他幾種定位方法的測距結果都存在著明顯誤差。這說明其他幾種定位方法不能很好地抑制視距誤差,測量結果不精準。

3 結論

基建現場存在大量危險因素,會導致工作人員在施工過程中存在一定的安全風險。為了保證工作人員的人身安全和高水平的工作效率,本文研究基于TDOA算法的基建現場施工人員定位方法。該方法定位精準、測距誤差小、整體定位性能更加理想,能夠有效削弱多徑干擾,從而滿足實際應用需求。

在一些特殊環境中,面對視距路徑信號異常的情況,本文沒有考慮衍射路徑對定位效果的影響。后續研究需擴大試驗范圍、增加干擾條件、分析定位性能、完善定位方法。