一种基于近超声的狭长管道人员定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于近超声的狭长管道人员定位方法及装置，该方法采用逐帧归一化互相关方法确定到达时间，将改进变异率和选择策略的差分进化算法与极大似然的TDOA算法结合进一步增强定位准确度。本发明专利技术可以很好的克服狭长弯折空间以及环境噪声干扰带来的影响，满足狭长管道空间人员管控系统的高精度定位需要。要。要。

【技术实现步骤摘要】
一种基于近超声的狭长管道人员定位方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种基于近超声的狭长管道人员定位方法及装置，属于室内定位


技术介绍

[0002]随着国家科技的进步与发展，人们对位置信息(location based services,LBS)的重视程度越来越高。室内定位系统需要能够实时在室内确定人和物的相对位置，并利用位置信息进行轨迹跟踪、物体识别、医疗检测和安全预警。而在工业系统中，工厂室内狭长管道定位技术更是关系着工厂的生产安全和工人的生命安全(例如电厂电缆隧道和消防、应急通讯通道)。在煤矿隧道内定位精度应在3m以内，精确定位精度应在0.3m以内。国家电力系统规定在电缆隧道中，面对卫星不完全拒止环境融合定位误差≤30cm(CEP95)；面对卫星完全拒止环境实现近超声误差≤60cm(CEP95)。
[0003]目前国内主流的室内定位技术主要包括WiFi、蓝牙、超宽带(ultra
‑
wide band,UWB)、蜂窝移动网络(5G)和伪卫星技术等。上述方法很好的提高了室内定位的性能，但是依然存在成本过高、定位精度不足、定位范围不足且应用场景单一等特点。例如UWB由于信号波长等原因，很难绕过障碍物实现非视距基站通信，因此在工业系统的弯折狭长管道空间内很难有实际性的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于近超声的狭长管道人员定位方法及装置，采用逐帧归一化互相关方法确定到达时间，将改进变异率和选择策略的差分进化(EA)算法与极大似然的TDOA算法相结合进一步增强定位准确度。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本专利技术一方面提供一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，包括：
[0007]获取待定位人员接收到的各锚基站发射的声信号；
[0008]确定接收到的各锚基站发射的声信号的峰值所在位置，得到各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间；
[0009]基于各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间确定待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离；
[0010]对待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离进行寻优，得到最优的待定位人员定位位置。
[0011]进一步的，所述获取待定位人员接收到的各锚基站发射的声信号，包括：
[0012]获取待定位人员所在狭长管道空间结构，在所述狭长管道空间中安装至少一个锚基站，并测算锚基站在狭长管道空间中的坐标；
[0013]通过各锚基站发射声信号；
[0014]获取待定位人员接收到的各锚基站发射的声信号。
[0015]进一步的，所述锚基站的安装个数为3
‑
4个。
[0016]进一步的，所述声信号为Chirps信号。
[0017]进一步的，所述确定接收到的各锚基站发射的声信号的峰值所在位置，得到各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间，包括：
[0018]对接收到的声信号加入窗函数；
[0019]对加入窗函数的声信号根据预设的滑窗帧逐帧提取信号，作为原始数据帧，根据滑窗步长计算每个原始数据帧的互相关值；
[0020]取每个原始数据帧的前半个Chirp信号时长的采样点进行组合，得到该原始数据帧对应的组合互相关数据帧；
[0021]将每个原始数据帧信号的最大幅值，每个组合互相关数据帧的最大值进行归一化；
[0022]利用小波分解和导数法计算归一化后的互相关数据帧的峰值所在位置，得到峰值所在的信号到达时间。
[0023]进一步的，所述利用小波分解和导数法计算归一化后的互相关数据帧的峰值所在位置，得到峰值所在的信号到达时间，包括：
[0024]对归一化后的互相关数据帧进行连续小波变换，得到不同分解尺度的小波变换系数谱；
[0025]对不同分解尺度的小波变换系数谱进行小波重构；
[0026]利用一阶导数极值点寻峰并合并峰值；
[0027]对各锚基站的寻峰结果用阈值法筛选出合适的1个互相关峰值，并得到互相关峰值所在的信号到达时间。
[0028]进一步的，所述小波变换的小波基信号为
’
db2
’
。
[0029]进一步的，所述基于各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间确定待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离，包括：
[0030]d
i
＝340*τ
i
；
[0031]其中，d
i
为待定位人员位置到第i个锚基站的到达时间差距离，τ
i
为第i个锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间。
[0032]进一步的，所述对待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离进行寻优，得到最优的待定位人员定位位置，包括：
[0033]采用差分进化算法进行寻优；
[0034]所述寻优的过程中，采用实数编码，交叉方式采用二项式分布交叉；
[0035]所述寻优的过程中，差分向量为：
[0036][0037][0038]其中，为当前种群G第i轮迭代差分向量，为当前种群G的上一代个体，为当前种群G 最优秀的个体，与为当前种群G随机挑选的个体，F
i
差分变异算子，gen为当前迭代数，Gax为设预设的最大迭代数，rand(0)为一个均值为0的均匀分布随机数；
[0039]交叉系数为：
[0040][0041]其中，Cr
i
为第i轮迭代的交叉系数，Cr
l
＝0.5，Cr
u
＝0.9，和分别为随机挑选的两个种群个体的适应度，fit
best
为第i轮迭代的最优适应度；
[0042]所述寻优的过程中，适应度函数为：
[0043][0044]其中，为估计坐标值，d1,d
i
分别为待定位人员位置到第一个锚基站的计算的到达时间差距离和待定位人员位置到第i个锚基站的计算的到达时间差距离，分别为待定位人员位置到第一个锚基站的实测到达时间差距离和待定位人员位置到第i个锚基站的实测到达时间差距离，n为基站总数，
[0045]d
i
表示如下：
[0046][0047]其中，x
i
,y
i
,z
i
为第i个锚基站坐标，x,y,z为待定位人员位置坐标。
[0048]进一步的，所述寻优的每轮迭代中，采用精英复制选择策略和一对一生存者选择策略相结合的选择策略。
[0049]本专利技术另一方面提供一种基于近超声的狭长管道人员定位装置，采用前述的基于近超声的狭长管道人员定位装置进行人员定位，
[0050]所述定位装置包括：
[0051]初始化模块，用于获取待定位人员接收到的各锚基站发射的声信号；
[0052]第一计算模块，用于确定接收到的各锚基站发射的声信号的峰值所在位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，包括：获取待定位人员接收到的各锚基站发射的声信号；确定接收到的各锚基站发射的声信号的峰值所在位置，得到各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间；基于各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间确定待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离；对待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离进行寻优，得到最优的待定位人员定位位置。2.根据权利要求1所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述获取待定位人员接收到的各锚基站发射的声信号，包括：获取待定位人员所在狭长管道空间结构，在所述狭长管道空间中安装至少一个锚基站，并测算锚基站在狭长管道空间中的坐标；通过各锚基站发射声信号；获取待定位人员接收到的各锚基站发射的声信号。3.根据权利要求2所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述锚基站的安装个数为3
‑
4个。4.根据权利要求2所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述声信号为Chirps信号。5.根据权利要求4所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述确定接收到的各锚基站发射的声信号的峰值所在位置，得到各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间，包括：对接收到的声信号加入窗函数；对加入窗函数的声信号根据预设的滑窗帧逐帧提取信号，作为原始数据帧，根据滑窗步长计算每个原始数据帧的互相关值；取每个原始数据帧的前半个Chirp信号时长的采样点进行组合，得到该原始数据帧对应的组合互相关数据帧；将每个原始数据帧信号的最大幅值，每个组合互相关数据帧的最大值进行归一化；利用小波分解和导数法计算归一化后的互相关数据帧的峰值所在位置，得到峰值所在的信号到达时间。6.根据权利要求5所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述利用小波分解和导数法计算归一化后的互相关数据帧的峰值所在位置，得到峰值所在的信号到达时间，包括：对归一化后的互相关数据帧进行连续小波变换，得到不同分解尺度的小波变换系数谱；对不同分解尺度的小波变换系数谱进行小波重构；利用一阶导数极值点寻峰并合并峰值；对各锚基站的寻峰结果根据预先设置的阈值筛选出合适的1个互相关峰值，并得到互相关峰值所在的信号到达时间。7.根据权利要求6所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述
小波变换的小波基信号为
’
db2
’
。8.根据权利要求1所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述基于各锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间确定待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离，包括：d
i
＝340*τ
i
；其中，d
i
为待定位人员位置到第i个锚基站的到达时间差距离，τ
i
为第i个锚基站发射的声信号的峰值所在的信号到达时间。9.根据权利要求8所述的一种基于近超声的狭长管道人员定位方法，其特征在于，所述对待定位人员位置与各锚基站的到达时间差距离进行寻优，得到最优的待定位人员定位位置，包括：采用差分进化算法进行寻优；所述寻优的过程中，采用实数编码，交叉方式采用二项式分布交叉；所述寻优的过程中，差分向量为：差分向量为：其中，为当前种群G第i轮迭代差分向量，为当前种群G的上一代个体，为当前种群G最优秀的个体，与为当前种群G随机挑选的个体，F
i
差分变异算子，gen为当前迭代数，Gax为设预设的最大迭代数，rand(0)为一个均值为0的均匀分布随机数；交叉系数为：其中，Cr
i
为第i轮迭代的交叉系数，Cr
l
＝0.5，Cr
u
＝0.9，和分别为随机挑选的两个种群个体的适应度，fit
best
为第i轮迭代的最优...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶风波，尹康涌，王铭民，梁伟，黄浩声，黄哲忱，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：