基于卡爾曼濾波器和航位推測法的核電站無線定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于卡爾曼濾波器和航位推測法的 核電站無線定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于WIFI (IEEE 802. 11系列標(biāo)準(zhǔn)）的室內(nèi)定位技術(shù)在核電站應(yīng)用，在國內(nèi)目前尚 處于初期階段。因核電站對(duì)電磁環(huán)境的特殊要求，以及建筑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性等等，都使得 核電站的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境大大不同于常見的民用環(huán)境。
[0003] 基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)，在采用指紋比對(duì)方法進(jìn)行定位時(shí)，很大程度上依賴其 指紋庫的建立。目前，建立指紋庫主要包括基于信號(hào)傳播模型和實(shí)地勘測兩種，其中：
[0004] (1)基于信號(hào)傳播模型方法利用信號(hào)在空氣中進(jìn)行傳播所統(tǒng)計(jì)出來的模型及相應(yīng) 參數(shù)，對(duì)定位區(qū)域中每一坐標(biāo)，計(jì)算出某接入點(diǎn)（Access Point，AP)到該坐標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度指 示（Received Signal Strength Indicator，RSSI)值。但是由于室內(nèi)各種影響信號(hào)傳播 的因素存在（例如各種厚度的墻、帶門或門洞的墻、及家具等），需要考慮做特殊處理的情 況很多。此外，無線信號(hào)在經(jīng)過反射、衍射、散射后，簡單的傳播模型很難將這些情況描述清 楚。核電站筑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和采用建筑材料的特殊性更使得基于信號(hào)傳播模型方法困 難重重。
[0005] (2)實(shí)地勘測方法基于實(shí)地勘測信號(hào)強(qiáng)度值構(gòu)建指紋庫，是不需要室內(nèi)傳播模型 的，因而就不需要對(duì)傳播模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。但在實(shí)時(shí)定位前需要對(duì)定位區(qū)域進(jìn)行離線 階段的實(shí)地信號(hào)勘測，采集定位區(qū)域選取的各個(gè)參考點(diǎn)位置上的RSSI強(qiáng)度值作為指紋特 征。當(dāng)采用通常的指紋比對(duì)方法進(jìn)行定位時(shí)，選取參考點(diǎn)的密度對(duì)定位精度有很大影響。但 一旦勘測點(diǎn)增加，其工程量和復(fù)雜度都相應(yīng)增加。尤其在復(fù)雜敏感的核電站各廠房內(nèi)進(jìn)行 現(xiàn)場勘測，由于從核電站基礎(chǔ)建設(shè)、無線覆蓋實(shí)施、到開始裝填核燃料準(zhǔn)備發(fā)電，均有一定 的時(shí)間窗口，選取大量勘測點(diǎn)的勘測工作幾乎不可能。
[0006] 由此可見，采用指紋比對(duì)方法在核電站環(huán)境進(jìn)行室內(nèi)定位，其實(shí)用性存在局限。
[0007] 此外，近年來發(fā)展迅速的利用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在室內(nèi) 定位中也有應(yīng)用。慣性導(dǎo)航屬于航位推測（Dead Reckoning，DR)式的導(dǎo)航方法，其原理是， 對(duì)加速度計(jì)的測量值進(jìn)行二重積分求解方位信息。采用高精度慣性測量單元的慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)，其應(yīng)用于定位時(shí)，定位精度也很高。而高精度的慣性測量單元，由于成本、體積、功耗等 原因尚無法廣泛使用。一般來說，采用低成本如基于MEMS傳感器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時(shí) 間積累，當(dāng)計(jì)算二重積分時(shí)，將帶來很大的位置漂移，無法長時(shí)間單獨(dú)工作。我們將采用以 下個(gè)人航位推測（Personal Dead Reckoning，F(xiàn)1DR)算法。
[0008] 通常認(rèn)為人的行走運(yùn)動(dòng)為二維運(yùn)動(dòng)，其基本原理為平面幾何法。在采樣周期很短 的情況下，人的行走為直線運(yùn)動(dòng)，得知某一時(shí)刻位置信息，就可以推出前一時(shí)刻或下一時(shí)刻 位置信息和采樣周期內(nèi)行人的位移量。一般地，已知初始位置（χ〇, yQ)，我們有向后推測的 遞推式，
[0009] xk = x0 + Σ?=ι Di sin Xpi
[0010] yk=y〇+ Zf=I Di cos Ipi k = 1,2,3,...
[0011] 該推測系統(tǒng)中有兩個(gè)關(guān)鍵因素：行走距離D和航向角Φ。此處航向角定義為行走 方向與磁北方向的夾角。同樣地，我們可以有向前的推測遞推式。
[0012] 利用地磁信號(hào)進(jìn)行定位在近年來越來越受到關(guān)注。大地磁場具有較好的穩(wěn)定性。 但是局部周邊環(huán)境（附近的鐵礦，含鐵金屬物質(zhì)如含鐵機(jī)械設(shè)備、建筑物內(nèi)鋼筋等）可以對(duì) 磁場產(chǎn)生一定范圍的干擾，使磁場信號(hào)發(fā)生扭曲。雖然周邊環(huán)境對(duì)磁場產(chǎn)生干擾，但當(dāng)一個(gè) 建筑物內(nèi)各種設(shè)施安裝完畢，工作環(huán)境穩(wěn)定后，在建筑物內(nèi)各點(diǎn)的含有干擾的、扭曲的地磁 信號(hào)也是穩(wěn)定的。
[0013] 牛頓算法參考文獻(xiàn)：Hagan，Martin T.，Demuth，Howard B.，Beale，Mark，Neural Network Design, PffS Publishing Company, Boston 1995.
[0014] 方向計(jì)算參考文獻(xiàn)：J. L. Marins，X. Yun，E. R. Bachmann，R. B. McGhee，and M. J. Zyda, " An Extended Kalman Filtter for Quaternion-based Orientation Estimation Using MARG Sensors"，in Proc. IEEE/RSJ Int.Conf. Intell. Robots Syst., Maui, HI, Oct. 2001, pp. 2003-2011.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明提供一種基于卡爾曼濾波器和航位推測法的核電站無線定位系統(tǒng)。該定位 系統(tǒng)完成定位計(jì)算不僅利用無線信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)（RSSI值），還利用到地磁信號(hào)數(shù)據(jù)。本發(fā)明 利用個(gè)人航位推測法（PDR)的計(jì)算結(jié)果，"預(yù)測"其構(gòu)造的卡爾曼濾波器的狀態(tài)，再引入新的 觀測值，經(jīng)事先構(gòu)造的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為觀測方程計(jì)算"修正"其狀態(tài)結(jié)果。本發(fā)明的目的 在于克服單獨(dú)采用上述各種技術(shù)所具有的缺陷，從而避免前述的局限性。本發(fā)明所述的系 統(tǒng)還特別針對(duì)核電站特殊工作環(huán)境提供逗留超時(shí)、靜止超時(shí)、跌倒跌落等各種安全、事故告 警功能。
[0016] 本定位系統(tǒng)的基本組成部分包括：內(nèi)置WIFI模塊和MEMS傳感器以及行業(yè)專用傳 感器的專用移動(dòng)終端、安裝了特定的應(yīng)用服務(wù)程序的內(nèi)置WIFI模塊和MEMS傳感器的智能 手機(jī)（安卓平臺(tái)，i〇S平臺(tái)或者Windows Phone)、定位服務(wù)器和定位圖形用戶界面客戶端。 專用移動(dòng)終端中MEMS傳感器主要包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)。
[0017] 本定位系統(tǒng)賴以運(yùn)行的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是必不可少的，但不屬于本系統(tǒng)包含范圍之 內(nèi)。
[0018] 在本定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)工作之前，首先需要進(jìn)行勘測工作。在定位區(qū)域內(nèi)根據(jù)室 內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和布置選取若干勘測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。每一勘測點(diǎn)需要采集東南西北四個(gè)方向的數(shù) 據(jù)。采集數(shù)據(jù)包括：勘測點(diǎn)坐標(biāo)（x，y)，勘測點(diǎn)處無線信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)（RSSI值），以及地磁信 號(hào)數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)生成一個(gè)徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)（屬于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的一種，因其激活 函數(shù)采用徑向基函數(shù)而得名）RBF，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位區(qū)域目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)到接入點(diǎn)AP的信號(hào)強(qiáng)度值 RSSI和地磁信號(hào)的映射。通過這一映射，生成所必需的其它指紋數(shù)據(jù)，以減少勘測工作量。
[0019] 本發(fā)明所述定位系統(tǒng)如圖1所示；其工作過程和數(shù)據(jù)流如圖3所示。具體定位的 步驟如下。
[0020] 步驟I :由專用移動(dòng)終端各時(shí)刻MEMS傳感器的輸出值，計(jì)算出專用移動(dòng)終端佩戴 者的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，包括靜止、移動(dòng)、跌倒等。此時(shí)可根據(jù)各種告警條件判斷是否觸發(fā)告警。
[0021] 步驟2 :由專用移動(dòng)終端各時(shí)刻MEMS傳感器的輸出值，計(jì)算行走距離D。本定位系 統(tǒng)所采用TOR算法中兩個(gè)關(guān)鍵因素為行走距離D和航向角Φ。我們用算法實(shí)現(xiàn)計(jì)步器計(jì)算 行走的步數(shù)，再估算出步長，即得到距離D。用這樣的方法可避免二重積分帶來的大的位置 漂移。步長估計(jì)考慮的因素有：（1) 一般地，人的步長為身高的37%-45% ; (2)身高信息 取自員工數(shù)據(jù)庫，當(dāng)身高信息缺失時(shí)，按性別取平均身高；（3)步長隨步速變化而變化；(4) 強(qiáng)力行走（此時(shí)加速度計(jì)的輸出值偏離均值更多）時(shí)步長會(huì)更大（趨于45% ); (5)室內(nèi) (尤其在工作區(qū)室內(nèi)）行走不考慮跳躍、快速奔跑、左右腿步長出入很大等非常見因素。
[0022] 步驟3 :由專用移動(dòng)終端各時(shí)刻MEMS傳感器的輸出值，計(jì)算航向角Φ、俯仰角Θ、 和橫滾角Ψ。為方便計(jì)算，我們特別規(guī)范在核電站內(nèi)專用移動(dòng)終端的佩戴方式（比如：佩戴 在腰間，前面板指向佩戴人的前方）。這樣，航向角即為專用移動(dòng)終端前面板所指方向與 磁北方向的夾角。我們是通過先求與航向角、俯仰角、和橫滾角相關(guān)的四元數(shù)，再由四元數(shù) 轉(zhuǎn)換得到航向角、俯仰角、和橫滾角。圖2是求解相應(yīng)四元數(shù)的示意圖。圖中 Bg、Bm分別 表不MEMS傳感器的載體坐標(biāo)系的加速度向量和磁場向量；Eg、 Em分別表不慣性坐標(biāo)系的 加速度向量和磁場向量。由Bg、Bm和 Eg、Em經(jīng)牛頓算法計(jì)算出相關(guān)的四元數(shù)q = (a，b，c， d)，此四元數(shù)q同陀螺儀測量數(shù)據(jù)（p，q，r) 一道作為卡爾曼濾波器的觀測值計(jì)算出估計(jì) 值和（瓦β,ε,3:)。利用四元數(shù)到歐拉角的轉(zhuǎn)換公式可得航向角Φ、俯仰角Θ、 和橫滾角φ。（牛頓算法見參考文獻(xiàn)：Hagan，Martin Τ.，Demuth，Howard Β.，Beale，Mark， Neural Network Design，PWS Publishing Company，Boston 1995。方向計(jì)算見參考文獻(xiàn)： J. L. Marins, X. Yun, E. R. Bachmann, R. B. McGhee, and M. J. Zyda, " An Extended Kalman Filter for Qua ternion-based Orientation Estima tion Using MARG Sensors" , in Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst. , Maui, HI, Oct. 2001, pp.2003-2011〇 )
[0023] 步驟4 :構(gòu)建卡爾曼濾波器。其動(dòng)態(tài)模型為，以位置坐標(biāo)（x，y)作為狀態(tài)向量，卡 爾曼濾波器的狀態(tài)方程為
[0024] xk+1= X k+D sin Φ
[0025] yk+1= y k+D cos Φ
[0026