混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法技术方案

本发明专利技术提出了一种混合WIFI‑UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法，主要包括WIFI固定设备、UWB固定设备、中心服务器、移动待测点的WIFI接收装置和UWB定位标签以及地上监控中心这五大模块。S1，根据基于RSS的采用三角形定位方法的WIFI定位技术，将待测点的位置确定在一个三角形区域内；S2，由移动待测点所在区域的UWB固定设备采用基于TOA定位方法对待测点位置进行测量，测量距离为半径的圆形曲线；S3，联合所得三角形区域和圆形曲线，分为有0个、1个、2个、3个交点的四种不同情况进行分析得出移动待测点的精确坐标。本发明专利技术提高了地下工作人员定位的精确度。

The underground workers mixed WIFI UWB positioning technology of precise positioning system and working method

The invention provides a hybrid WIFI underground workers UWB positioning technology of precise positioning system and method of work, including the five module receiver and UWB tag and WIFI equipment, UWB equipment, fixed fixed center server, mobile point to be tested on the WIFI monitoring center. S1, according to the triangle positioning method of WIFI positioning technology based on RSS, the test location in a triangle region; S2, UWB fixed point measuring equipment to be used by the mobile treatment measuring point positioning method based on TOA measurement, distance measurement for circular curve radius; S3 joint income triangle and circular curve, divided into 0, 1, 2, 3 points to four different situations were analyzed to obtain accurate coordinates of the mobile point to be tested. The invention improves the positioning accuracy of underground workers.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信自动化控制领域，尤其涉及一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法。
技术介绍
建筑行业中，地下工作人员的实时定位对施工人员的人数统计以及他们的安全生产是至关重要的。地下工程环境具有明显的限定，由于空间的封闭性和地下环境的复杂性，其视距、视角、方位等都有一定的限制。为了安全以及有效应急，非常希望能够实时的对施工人员位置进行定位。以便于当施工人员在地下沿着道路走动时，底面检测设备可以实时的掌握施工人员所在的位置信息，有突发情况发生时，可迅速进行救援。因此需要更实时、更精确的定位方法。地下定位因其与室内定位具有非视距、干扰大、要求精度高等相似的特点，其定位技术可以参考室内定位技术。目前，主流的室内定位方法有七种，分别是红外、超声波、蓝牙、WIFI、RFID、UWB和ZigBee。红外、超声波、蓝牙、ZigBee因其复杂环境下定位误差不稳定、易受障碍物干扰的特性而无法很好的用于室内定位。而RFID技术中所使用的标签可读范围小，标签部署对定位精度影响大且不具有通信能力，不便于整合到其他系统中。因此WIFI定位技术和UWB定位技术是室内定位研究的热门定位技术。WIFI定位技术由于WIFI设备的普及而具有广泛的硬件设备基础，同时，它兼具通信和定位的功能，对应用于室内定位场景也更加具有优势。WIFI定位技术的常用定位方法有场景分析、邻近信息、三角定位等。但是WIFI信号容易受到环境中各种因素的干扰，例如常用的基于RSS(接收信号强度)的WIFI定位算法是采用三角定位法，但如果三个已知节点与未知节点之间测距由于地下环境或者节点间的干扰导致距离测量值较真实值的偏差较大，就会导致所构成的三角形定位区域过大、定位精度不高。因此，在对精度要求较高的环境中WIFI定位技术是不能满足实际应用需求的。UWB定位技术所采用的脉冲宽度仅为纳秒或次纳秒级，因此具有极大的系统带宽和良好的时间分辨率，具备抗干扰能力强、多径分辨率高、穿透能力强等优点，在理论上信号可以达到厘米级甚至更高的定位精度。UWB定位技术一般包括三种方法：基于AOA(到达角度)估计、基于RSS估计和基于TOA/TDOA(到达时间)估计。这三种定位方法中，只有基于TOA/TDOA的方法能充分利用UWB信号较高的时间分辨率、体现出UWB高精度定位的优势，因此在UWB定位中是被广泛采用的。但是UWB定位设备暂时还未得到大量普及，其定位技术的使用会要求人和物佩戴额外的标签，而这些标签的布置会花费大量的时间与金钱，将UWB定位设备部署一千平方米区域的费用采用WIFI定位设备能够覆盖的面积可以达到十万平方米。基于现有定位技术的不同特点，取长补短的将不同定位技术结合的相关研究层出不穷。对于非视距特性明显、障碍物多、通信受阻严重的地下环境，现有的定位技术在精度上还无法满足应用需求。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法。为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，包括：地面监控站、中心服务器、WIFI设备、UWB设备、定位终端；地面监控站信号交互端无线连接中心服务器信号交互端，中心服务器WIFI信号端连接WIFI设备信号传输端，中心服务器UWB信号端连接UWB设备信号传输端，定位终端安装在地面以下位置处，定位终端WIFI信号发送端连接WIFI设备信号接收端，定位终端UWB信号发送端连接UWB设备信号接收端。上述技术方案的有益效果为：通过该系统实现了针对地下工作场景的环境特点，考虑了LOS/NLOS对定位技术的影响，不同环境下选取不同的自由空间路径损耗系数和噪声方差；考虑到了不同RSS下信道中UWB定位所受到的误差方差干扰的不同，根据不同的RSS数值设置了更符合真实条件的数值。同时，根据不同场景下的不同定位精度需要，设置了不同的定位技术组合，从而实现低成本，精确定位。所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，其特征在于，所述WIFI设备包括：第一LOS/NLOS判断模块，用于接收WIFI设备信号并作判断选择出合适的自由空间路径损耗系数α1和噪声方差将参数传送至定位AP；AP定位模块，用于安装在地面以下间隔一定距离的墙体或者地面上，用于人员的初步定位。所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，所述UWB设备包括：RSS阈值判断模块，用于接收并作出判断选择出合适的估计误差方差第二LOS/NLOS模块，用于接收UWB设备信号并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α2和噪声方差所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，所述中心服务器还包括：数据处理系统，用于地上监控站下达定位指示，开启系统，并选择采用精确定位模式，定位命令依次向WIFI设备和UWB设备传输，直至定位终端的精确定位开关接收到命令；WIFI设备中的第一LOS/NLOS判断模块作出判断，将参数传送至定位AP，通过WIFI的三角形定位算法确定出移动待测点所在的三角形区域；当进行精确定位时，开启控制UWB定位标签开始发射脉冲序列信号，UWB定位标签发送的信号由UWB设备中的RSS阈值判断模块接收并作出判断选择出合适的估计误差方差第二LOS/NLOS模块接收并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α2和噪声方差将所有参数传送至定位AP，通过基于TOA的UWB定位算法，确定出移动待测点所在的圆形边界；所有的信息通过WIFI设备和UWB设备汇总，由数据处理系统根据混合WIFI-UWB定位方法计算出最终的精确的移动待测点定位坐标。本专利技术还公开一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位工作方法，包括：S1，采用基于RSS阈值判断方法，选择到移动待测点的RSS值最大的三个WIFI固定装置对移动待测点的位置进行探测，对待测点的位置进行估计，将待测点的位置确定在一个三角形区域内；S2，由移动待测点所在区域内的UWB固定装置对移动待测点所在位置进行估计，采用基于TOA定位方法，确定出以所用UWB固定装置为圆心、测量距离为半径的圆形曲线，对移动待测点进行精确估计；S3，将所得的三角形区域和圆形曲线，根据三角形区域和圆形曲线的不同位置关系作出不同的处理，分为有0个、1个、2个、3个交点的四种不同情况进行分析计算，由此得出一个精确的移动待测点定位坐标。上述技术方案的有益效果为：在地下工作场景引入UWB定位技术，提出了一种有效的WIFI定位和UWB定位的结合算法。运用UWB定位技术抗多径干扰能力强和定位精度高的优点，有效改善了原有WIFI定位系统的定位精度。所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位工作方法，优选的，所述S3包括：S3-1，开始；S3-2，由所述WIFI的三角形定位方法确定待测点所在三角形区域范围，三角形三个顶点的坐标分别为A(xa，ya)，B(xb，yb)，C(xc，yc)，三角形三条边的方程分别为S3-3，由所述基于(到达角度)TOA的UWB定位算法确定待测点所在圆形曲线，圆形曲线方程为S3-4，联合三角形区域和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合WIFI‑UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，包括：地面监控站、中心服务器、WIFI设备、UWB设备、定位终端；地面监控站信号交互端无线连接中心服务器信号交互端，中心服务器WIFI信号端连接WIFI设备信号传输端，中心服务器UWB信号端连接UWB设备信号传输端，定位终端安装在地面以下位置处，定位终端WIFI信号发送端连接WIFI设备信号接收端，定位终端UWB信号发送端连接UWB设备信号接收端。

【技术特征摘要】
1.一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，包括：地面监控站、中心服务器、WIFI设备、UWB设备、定位终端；地面监控站信号交互端无线连接中心服务器信号交互端，中心服务器WIFI信号端连接WIFI设备信号传输端，中心服务器UWB信号端连接UWB设备信号传输端，定位终端安装在地面以下位置处，定位终端WIFI信号发送端连接WIFI设备信号接收端，定位终端UWB信号发送端连接UWB设备信号接收端。2.根据权利要求1所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，所述WIFI设备包括：第一LOS/NLOS判断模块，用于接收WIFI设备信号并作判断选择出合适的自由空间路径损耗系数α1和噪声方差将参数传送至定位AP；AP定位模块，用于安装在地面以下间隔一定距离的墙体或者地面上，用于人员的初步定位。3.根据权利要求1所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，所述UWB设备包括：RSS阈值判断模块，用于接收并作出判断选择出合适的估计误差方差第二LOS/NLOS模块，用于接收UWB设备信号并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α2和噪声方差4.根据权利要求1所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，所述中心服务器还包括：数据处理系统，用于地上监控站下达定位指示，开启系统，并选择采用精确定位模式，定位命令依次向WIFI设备和UWB设备传输，直至定位终端的精确定位开关接收到命令；WIFI设备中的第一LOS/NLOS判断模块作出判断，将参数传送至定位AP，通过WIFI的三角形定位算法确定出移动待测点所在的三角形区域；当进行精确定位时，开启控制UWB定位标签开始发射脉冲序列信号，UWB定位标签发送的信号由UWB设备中的RSS阈值判断模块接收并作出判断选择出合适的估计误差方差第二LOS/NLOS模块接收并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α2和噪声方差将所有参数传送至定位AP，通过基于TOA的UWB定位算法，确定出移动待测点所在的圆形边界；所有的信息通过WIFI设备和UWB设备汇总，由数据处理系统根据混合WIFI-UWB定位方法计算出最终的精确的移动待测点定位坐标。5.一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位工作方法，其特征在于，包括：S1，采用基于RSS阈值判断方法，选择到移动待测点的RSS值...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇，廖勇，张舒敏，辜斌，
申请(专利权)人：成都希盟泰克科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51