區域性多目標長距離移動跟蹤室內定位系統設計

王曉云

(安徽信息工程學院 機械工程系,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

20世紀70年代,美國陸?？杖娧邪l出空間衛星導航定位系統,該技術能夠實時提供海陸空3方面的導航服務。步入21世紀以后,GPS定位系統的發展更為迅猛,目前成熟的GPS衛星星座有24顆,確保地球任何一個位置點的信息都能夠被準確采集。近年來,GPS技術進步更為迅猛,不僅能夠實現定位,同時能夠完成目標追蹤[1]。

文獻[2]提出一種HMM-KFMC算法,該算法針對室內環境下人的運動特征建立隱藏馬爾科夫模型(HMM),并基于概率型算法改進了解碼定位算法,通過含地圖修正的卡爾曼濾波器(KFMC)降低解碼定位造成的量化誤差并用濾波所得速度分量修正HMM的轉移概率，但是該算法的智能性很低,隱藏較深的目標不能精準地確定出其所在位置；文獻[3]提出了一種基于時間差的定位方法(TDOA)的多目標定位的改進算法,由于人員走動時,會引起超聲波信號的多普勒效應,因此預先估計多普勒頻移并補償,以監測準確頻點時刻,通過RSS、布置圖,以及步速信息進行協同處理,考慮到不同錨節點對均方誤差有不同影響,找出最近的4個聲定位節點,進行CHAN算法定位,經仿真和現場測試具有較高定位精度，但是該算法在定位室內目標時,定位數量較少,敏感度很低。

本文在GPS定位技術的基礎上開發一種新型室內定位系統,該系統能夠同時實現區域性長距離跟蹤定位、多目標跟蹤定位,是一款智能性較強，敏感度較高的定位系統。該系統將圖像檢測技術、識別跟蹤技術和精密運動分析技術同時引入其中,即使在大場景中也能夠同時對多個運動目標進行快速連續跟蹤捕捉。

1 硬件設計

本文設計的區域性多目標長距離移動跟蹤室內定位系統采用了ARM處理器,內部芯片選用型號為TA64的植入式跟蹤芯片和型號為CS652的定位芯片,電源設計分為并聯和串聯2種形式,存儲器借助FLASH形式存儲程序和參數,觸屏器為LCD觸屏,整個室內定位系統硬件部分通過以太網連接。區域性多目標長距離移動跟蹤室內定位系統硬件總體架構，如圖1所示。

1.1 電源設計

在硬件定位系統中,電源占據重要地位,為系統提供動力。電源結構類型分為2種:集中式供電和分布式供電。集中式供電結構是由一個模塊組成的結構,使用過程中無法再次分割,工作效率高,但靈活性差;分布式供電類型由多個模塊組成,使用時可以隨意組裝,靈活拆分,但是工作效率較低。本文研究的室內定位系統綜合考慮了集中式供電和分布式供電的優點和缺點,將兩種結構結合到一起,構建了電源硬件，如圖2所示。

由圖2可知,電源電路的連接方式有串聯和并聯2種,在調整單元有源器件和負載端串聯,變壓器和控制端的連接方式為并聯,確保工作模式始終為在線性模式。集射電壓在15～25 V,產生的功率在100～500 W。電源電路能夠允許多種類型的電壓通過,內部的復位芯片產生復位信號,最大程度提供動力[4]。

1.2 追蹤采集器設計

追蹤采集器由信號調理板和DSP主板2部分組成。采集追蹤過程除了能接收到追蹤目標信號之外,也能接收到X光衍射信號和濾波信號,這些干擾信號會影響追蹤結果的準確性,因此在向采集器內部存入信號之前, 先要將干擾信號剔除。DSP主板的主要工作是采集和處理過濾后的數據,采集數據通過USB接口傳送給計算機。信號調理板對信號的追蹤方式為硬件濾波方式,DSP主板對信號的追蹤方式為軟件濾波方式,這樣的結合方式提高了抗干擾效果,同時采集速率可以達到10 Mbit/s[5]。

由于追蹤時容易受到環境和干擾設備的影響,信號會出現不穩定,所以必須要放大信號的采集過程,將電壓信號變成標準信號,放大方式為逐層放大,放大層數為4層:第一層電路為運放電路,防止信號漂移;第二層電路加入濾波芯片,篩選出干擾信號;第三層電路引入光電隔離;第四層電路將電壓輸入到采集器之中,放大分析追蹤信號[6]。

1.3 處理器設計

定位系統選用Intel公司研發的酷睿I3-330處理器,主頻為2.13 GHz,緩存方式為三級緩存,硬盤存儲量為320 GB,顯卡為ATI Mobility Radeon 獨立顯卡。處理器內部擁有4個參考電源,8個放大器,16個高速處理通道,A/D轉換芯片能夠同時將所得的數據轉換成數字量的形式,然后存放在接口和總線中。處理器總線具有兼容性,所以內部的電源線不需要直接連接就可以互相工作?？犷3-330處理器在電路內部加入IBM System 3250 M5(5458I31)芯片,同時內置一顆英特爾至強E3-1220v3四核處理芯片,該處理器提供四核8線程的計算能力,三級緩存為20 MB,標稱主頻為3.3 GHz。同時,其配備8 GB DDR3 RDIMM規格的內存,提供24個內存插槽。另外,整合四口千兆網卡,內置750 W電源,拓展插槽有1個PCIe 3.0x8插槽[7]。各通道加入限幅保護機制,確保處理過程不會遭到外部襲擊。

1.4 觸摸屏顯示器設計

觸摸屏選用的是LCD,不僅能夠展示出豐富的信息,同時消耗的能量較低,重量輕,不會占據過多面積。觸摸屏接口包括:同步信號接口、數據線接口、像素接口。觸摸屏接口設計如圖3所示。

圖 3 觸摸屏接口設計Fig.3 Design of touch screen interface

多線接口的連接方式使觸摸屏可以同時顯示多目標信息,顯示結果具有實時性和連續性[8]。

1.5 警報器設計

定位系統硬件部分設有警報器,在處理器得出處理結果后,中心系統會與總數據庫對比,如果發現追蹤到的目標出現問題,警報器就會發出報警聲。警報器的跟蹤模式分為半自動模式、全自動模式和手動模式,控制不同類型的問題。

2 軟件設計

根據設計的室內定位系統硬件部分對軟件進行編程,軟件工作流程如圖4所示。

圖 4 定位系統軟件工作流程Fig.4 Software workflow of the positioning system

室內定位系統軟件工作是一個復雜的過程,共分為6步。

(1) 用采集器采集外部信息。采集過程往往要針對多目標進行,信息的采集量很大,同時存在一些干擾信號和微弱信號。采集器通過篩選系統將干擾信號剔除,利用放大器放大微弱信號,選出有用信號傳遞給處理器[9]。

(2) 處理追蹤信息。8個處理通道同時啟動工作,將接收到的采集信息按目標分類,不同目標的信息輸入到不同通道中,通道與通道之間存在間隔,避免信息之間的干擾。處理后的信息分別反饋給計算機系統主機和移動終端。

(3) 中心系統分析。得到的結果不能立刻在液晶顯示器中顯示,要與物聯網內部數據庫的數據進行對比,如果出現較大偏差,則代表定位結果不準確,需要返回上一單元,重新定位;如果與數據庫內部數據相差不大,則證明定位結果比較準確,可以繼續下面的工作。

(4) 確定目標所處位置。由不同的定位節點確定目標所處的具體位置,定位節點位于室內多個位置,且存在相關性,能夠準確鎖住目標位置。

(5) 位置追蹤。在確定目標位置后,由監控裝置實施全方位追蹤,保證鎖死目標,防止目標脫離系統監管范圍。

(6) 顯示結果。當目標能夠完全被定位系統掌握以后,物聯網操作中心就可以將結果顯示在LCD液晶屏上。

系統軟件利用神經網絡算法確定目標的三維位置。用戶橫坐標位置x為

x=(x1-x2-x3)+Δx=

(1)

式中：x1，x2，x3為不同節點所處的橫坐標位置；Δx為節點橫坐標標準差；a為橫坐標系數；b為縱坐標系數；c為立體坐標系中的z軸系數；f為位置調節系數。

用戶縱坐標位置y為

(2)

式中:y1,y2,y3為不同節點所處的縱坐標位置;Δy為節點縱坐標標準差。

立體坐標系中的用戶z軸位置為

z=(z1-z2-z3)+Δz=

(3)

式中：z1，z2，z3為不同節點所處的z軸坐標位置；Δz為節點z軸坐標標準差。

根據用戶位置x,y,z可以準確判斷追蹤目標所處位置,然后將結果顯示到圖5。

圖 5 軟件結果顯示界面Fig.5 Display interface of the software result

圖5顯示的內容有:用戶信息、定位系統信息、追蹤目標數、追蹤距離、追蹤時間、定位時間、可能存在的誤差范圍等。定位過程要通過圖形和表格的方式展現到顯示界面中,以方便工作人員查詢,出現問題時可以第一時間采取解決措施[10]。

3 結果與分析

為了檢測區域性多目標長距離移動跟蹤室內定位系統的實際工作效果,與傳統定位系統進行對比實驗。設定實驗參數:連接網絡為物聯網,電源連接方式為串聯/并聯,處理器型號為酷睿I3-330,工作模式為DSP模式,電流為100～500 A,電壓為220 V,定位時間為50 min,室內面積為150 m2

根據上述設定的參數進行實驗,分別選用傳統系統和本文設計的系統對室內目標進行定位,對比實驗分為2組。

第1組:在定位時間相同,追蹤距離不變的情況下,記錄2種系統定位到的目標數,實驗結果如圖6所示。

第2組:在追蹤目標相同,追蹤時間不變的情況下,記錄2種系統追蹤的最遠距離，實驗結果如圖7所示。

分析圖6可知,在室內距離為150 m2的情況下,傳統系統能夠定位的目標要遠遠少于本系統。在工作50 min后,傳統系統只能將10個目標定位出來,而本文設計的系統能夠定位的目標高達41個,工作效率是傳統系統的4倍。

(a) 傳統系統

(b) 本文系統圖 6 定位目標數對比結果Fig.6 Comparison results of the target number

圖 7 定位目標數對比結果Fig.7 Comparison results of the target numbers

由圖7可知,定位時間越長,最遠定位距離越大。當定位時間為10 min時,傳統系統的最遠定位距離約為2 m,本系統的最遠定位距離約為11 m;當定位時間為30 min時,傳統系統的最遠定位距離約為11 m,本系統的最遠定位距離約為24 m;當定位時間為50 min時,傳統系統的最遠定位距離約為17 m,本系統的最遠定位距離幾乎可以達到整個室內距離的長度。目標具有移動性,如果定位距離過短,一旦目標脫離追蹤范圍,再次追蹤定位就會變得極其復雜,目標可能會對定位系統產生免疫,本文系統定位的范圍和傳統系統的定位范圍相比,追蹤能力很強,被鎖死的目標很難脫離系統的追蹤。

4 結 論

(1) 在相同的工作時間,相同的追蹤范圍下,本文研究的系統定位能力是傳統系統定位能力的4倍,室內絕大多數目標都可以被精準地定位到。

(2) 隨著工作時間的增加,最遠定位距離不斷增大,在50 min的工作時間內,傳統距離只能定位到17 m以內的目標,本文設計的系統在30 m以內的目標都能精確地定位。

該系統定位范圍十分廣闊,對于一些隱藏較深的目標也能精準地確定出其所在的位置信息,具有很大的發展空間。