CN105472566A - 室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内定位方法，该方法应用于一室内定位系统中，该室内定位系统包括控制台、UWB传感器及UWB标签，所述控制台与所述UWB传感器和UWB标签通信连接，所述UWB传感器安装于一监控区域的不同位置，该方法包括：侦测所述UWB标签周围是否有所述UWB传感器；在所述UWB标签进入所述监控区域时，获取所述UWB传感器的识别码；根据所述UWB传感器的识别码统计可以与所述UWB标签通信的UWB传感器的数量；在所述数量达到预设值时，测量同时与所述UWB标签通信的UWB传感器与该UWB标签通信之间的距离；根据所述UWB传感器在所述监控区域的位置或该UWB传感器与所述UWB标签之间的距离，确定所述UWB标签的位置。本发明抗干扰能力强、精度高、稳定性好。

Description

室内定位系统及方法

【技术领域】

本发明涉及定位领域，尤其涉及一种室内定位系統及方法。

【背景技术】

近年来移动互联网迅速发展，数据和多媒体业务快速增加，人们对于室内定位的需求日益增加。室内定位对于城市居民来说越来越重要，例如在大型超市，通过获得消费者个人位置信息和目标商品位置信息，进行路线指引，实现智能导购；在突发灾难中，通过室内定位，引导救援人员以最快速度解救大楼内被困人员；在医院里，病人的监控以及医疗设备的管理等。实现低成本且高精度的室内定位，具有非常重要的现实意义。现有室内定位的技术如BT技术、IR技术、WiFi技术、RFID技术等相关技术都存在较大的缺陷。例如对于复杂的空间环境，BT系统的稳定性较差，受噪声信号干扰大；IR技术只适合短距离传播且无阻挡，容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰；WiFi很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的功耗也较高；RFID定位技术作用距离短，安全性低且不便于整合到移动设备中。这些技术有一个共同的缺点，精度不高、稳定性差、易受干扰。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题如何提供一种抗干扰能力强、精度高、稳定性好的室内定位系統，能够对监控区域内的待定位设备进行精确地定位。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案

一方面，本发明提供一种室内定位系統，所述室内定位系統系统包括控制台、UWB传感器及UWB标签，所述控制台与所述UWB传感器和所述UWB标签通信连接，所述UWB传感器安装于一监控区域的不同位置，所述UWB标签包括一定位单元，所述定位单元包括：侦测模块，用于侦测所述UWB标签周围是否有UWB传感器；获取模块，用于在所述UWB标签进入所述监控区域时，获取所述UWB传感器的识别码；统计模块，用于根据所述UWB传感器的识别码统计可以与所述UWB标签通信的UWB传感器的数量；测距模块，用于在所述数量达到预设值时，测量同时与所述UWB标签通信的UWB传感器与所述UWB标签通信之间的距离；定位模块，用于根据所述UWB传感器在所述监控区域的位置或所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离，确定所述UWB标签的位置。

另一方面，本发明提供一种室内定位方法，所述室内定位方法应用于一室内定位系统中，所述室内定位系统包括控制台、UWB传感器及UWB标签，所述控制台与所述UWB传感器和所述UWB标签通信连接，所述UWB传感器安装于一监控区域的不同位置，所述室内定位方法包括：侦测步骤，侦测所述UWB标签周围是否有UWB传感器；获取步骤，在所述UWB标签进入所述监控区域时，获取所述UWB传感器的识别码；统计步骤，根据所述UWB传感器的识别码统计可以与所述UWB标签通信的UWB传感器的数量；测距步骤，在所述数量达到预设值时，测量同时与所述UWB标签通信的UWB传感器与所述UWB标签通信之间的距离；定位步骤，根据所述UWB传感器在所述监控区域的位置或所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离，确定所述UWB标签的位置。

本发明的有益效果在于本发明结合UWB通信技术和三维定位技术，在待定位的UWB标签进入监控区域时，利用预设的UWB传感器分别对所述UWB标签进行测距，计算每一个UWB传感器与所述UWB标签的距离，进而根据所述距离来确定所述UWB标签的在所述监控区域的位置。其中的算法简单，运算量少，对处理器的性能要求低，可直接在低功耗微处理器上实现。

【附图说明】

图1是本发明室内定位系統较佳实施例的硬件架构示意图。

图2是UWB传感器与UWB标签的位置关系示意图。

图3是本发明定位单元较佳实施例的功能模块图。

图4是本发明室内定位方法较佳实施例的实施流程图。

附图标记：

控制台	1
		传输网络	2
UWB传感器	3
		UWB标签	4
输入输出单元	11
		存储单元	12
处理单元	13
		通信单元	14
定位单元	40
		侦测模块	41
获取模块	42
		统计模块	43
发送模块	44
		测距模块	45
定位模块	46
		输出模块	47
室内定位系统	100
		监控区域	200

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参阅图1所示，是本发明所述的室内定位系統100的硬件架构示意图。在本实施例中，所述的室内定位系統100包括，但不仅限于，控制台1、传输网络2、UWB传感器3(UltraWideband：超宽带)、及UWB标签4等。所述的室内定位系統100用于在一监控区域200中实时定位进入该监控区域200的UWB标签4的位置。所述监控区域200可以是一室内环境，例如某一楼层的整个区域或者部分区域等。

所述控制台1可以是MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)、CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)、机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器、机柜式服务器或计算机等计算设备。该控制台1包括，但不仅限于，输入输出单元11、存储单元12、处理单元13和通信单元14。所述输入输出单元11可以是按键式设备，例如鼠标、键盘及打印机等，也可以是触控式设备，例如LCD(LiquidCrystalDisplay，液晶)触摸屏或OLED(OrganicLight-EmittingDiode，有机发光二极管)触摸屏等。该输入输出单元11用于接收用户的输入并根据用户的需求进行输出，例如接收用户输入的所述UWB传感器3的识别码然后输出该UWB标签4在所述监控区域200内的三维空间坐标等。所述存储单元12可以是所述控制台1本身的内存，也可以是SD卡(SecureDigitalCard，安全数字卡)、SM卡(SmartMediaCard，智能媒体卡)等外部存储设备，用于存储所述控制台1中安装的程序代码及各类数据，例如所述UWB传感器3的识别码及三维空间坐标等。所述处理单元13用于运行所述存储单元12中存储的程序代码及运算各类数据。所述通信单元14用于通过传输网络2与其他设备通信连接，例如与所述UWB传感器3和UWB标签4通信连接等，传输网络2包括有线网络或者无线网络，例如控制台1可通过USB有线连接和UWB标签4之间通信，以实现数据传输。在本实施例中，所述控制台1通过传输网络2与安装于所述监控区域200不同位置的多个UWB传感器2和/或UWB标签4相连，以建立覆盖所述监控区域200的传感器侦测网络，实时侦测进入所述监控区域200的UWB标签4。

所述传输网络2可以是企业内部网(Intranet)、互联网(Internet)、全球移动通讯系统(GlobalSystemofMobilecommunication，GSM)、宽带码分多址(WidebandCodeDivisionMultipleAccess，WCDMA)等有线网络；也可以是Wi-Fi、蓝牙(BLUETOOTH)通信标准等无线网络。该传输网络2覆盖所述监控区域200，用于在所述控制台1与所述UWB传感器3之间建立通信连接，以及在所述控制台1与所述UWB标签4之间建立通信连接，便于所述控制台1与所述UWB传感器3进行数据传输和通信，以及所述控制台1与所述UWB标签4进行数据传输和通信。

所述UWB传感器3包括，但不仅限于，一通信芯片及一UWB信号收发器。所述通信芯片用于和控制台1通信连接。所述UWB信号收发器用于向UWB传感器发送第一UWB信号。所述UWB传感器3安装于所述监控区域200中，其数量至少为四个。所述UWB传感器3被安装的位置各不相同，例如分别安装于所述监控区域200东西南北四个方位不同的位置等，便于从不同的位置侦测进入该监控区域200的UWB标签4。需要指出的是，在本实施例中，所述监控区域200对应一空间坐标系，安装于该监控区域200的每一个所述UWB传感器3均被分配有一个三维空间坐标。此外，安装于所述监控区域200的所有UWB传感器3之间还可以通过时间同步线进行连接，用以使所有的UWB传感器3之间的时间保持同步，便于后文计算被进入所述监控区域200的UWB标签4与UWB传感器3之间的距离值。

所述UWB标签4是与所述UWB传感器3配套使用的定位标签。该UWB标签4可以与待定位的设备、宠物或者人绑定在一起，用以在该待定位的设备、宠物或者人进入所述监控区域200后，与该监控区域200内的所述UWB传感器3进行通信。在本实施例中，所述UWB标签4可以是单独的TAG标签，例如可以是贴在待测物体上的标签，或者佩戴在用户身上的小饰品、卡片等；也可以是集成有所述UWB标签4的用户随身携带的便携式设备，例如集成有所述UWB标签4的手机、平板等通信设备或者智能手表、运动手环等穿戴式设备等。该UWB标签包括，但不仅限于，一定位单元40、一通信芯片(图中未示出)及一UWB信号收发器(图中未示出)。所述定位单元40可以是MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)、CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)等具有处理功能的部件。所述通信芯片用于和控制台1通信连接。所述UWB信号收发器用于向所述UWB传感器3发射第一UWB信号，并接收该UWB传感器3返回一第二UWB信号。该第二UWB信号可以被所述UWB标签4接收。在本实施例中，所述第一UWB信号和所述第二UWB信号分别被发送的时间及分别被接收的时间均被记录下来。这样，可以根据该第一UWB信号和该第二UWB信号被分别发送及接收的时间，通过TOF(TimeOfFlight，飞行时间)算法来计算得出所述UWB传感器3与所述UWB标签4之间距离。

在本实施例中，所述UWB标签4运行所述的定位单元40，控制安装于所述监控区域200的UWB标签4实时侦测进入该监控区域200的UWB传感器3。在至少四个所述UWB传感器3被侦测到时，分别控制每一个所述UWB传感器3测量该UWB传感器3与所述UWB标签4之间的距离值。进而以每一个所述UWB传感器3测量该UWB传感器3与所述UWB标签4之间的距离值为半径，每一个所述UWB传感器3的三维空间坐标为圆心，在所述监控区域200对应的三维空间坐标系中建立如图2所示的多个圆的方程。其中，所述多个圆的方程相交的位置即为所述UWB标签4的位置，该交点的三维空间坐标即为所述UWB标签4的三维空间坐标。

需要说明的是，本发明的室内定位系統100特别适用于超市或医院等需要进行人员或物品定位的领域。在超市的应用中，UWB传感器3安装于超市的监控区域200中，UWB标签4与待定位的消费者或者商品绑定在一起，用以在该待定位的消费者进入监控区域200后，与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，或者用于监控区域200中的商品与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，通过获得消费者个人位置信息和目标商品位置信息，进行路线指引，实现智能导购。在医院的应用中，UWB传感器3安装于医院的监控区域200中，UWB标签4与待定位的病人或者医疗设备绑定在一起，用以在该待定位的病人进入监控区域200后，与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，或者用于监控区域200中的医疗设备与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，以实现病人的监控以及医疗设备的管理等。

参阅图3所示，是本发明所述的室内定位系統控制系统100中所述UWB标签4的定位单元40较佳实施例的功能模块示意图。在本实施例中，所述定位单元40可以被分割成一个或多个模块，所述一个或多个模块被存储在所述存储单元12中，并被配置成由一个处理器(本实施例为所述处理单元13)执行，以完成本发明。例如，在图3中，所述定位单元40被分割成侦测模块41、获取模块42、统计模块43、发送模块44、测距模块45、定位模块46以及输出模块47。本发明所称的模块是能够完成一特定功能的程序段，比程序更适合于描述软件在所述UWB标签4中的执行过程。以下将结合图4的流程图来详细描述模块41-47的具体功能。

参阅图4所示，是本发明所述的室内定位方法较佳实施例的流程图。根据不同的需求，图4所示的流程图中的步骤的执行顺序可以改变，某些步骤可以省略。

步骤S41，侦测模块41侦测所述UWB标签4周围是否有UWB传感器3，以判断UWB标签4是否进入监控区域200。当UWB标签4侦测到有UWB传感器3时，进入步骤S42；否则，重复步骤S41。

在本实施例中，所述监控区域200中安装有多个所述UWB传感器3，且每一个所述UWB传感器3安装于所述监控区域200的不同位置，用于UWB标签4从不同的方位侦测UWB传感器3。其中，所述监控区域200对应一三维空间坐标系，安装于该监控区域200不同位置的所述UWB传感器3分别对应多个不同的三维空间坐标。例如，在图1中，传感器a的三维空间坐标为(x₁，y₁，z₁)，传感器b的三维空间坐标为(x₂，y₂，z₂)，传感器c的三维空间坐标为(x₃，y₃，z₃)，传感器d的三维空间坐标为(x₄，y₄，z₄)。如果所述UWB标签4侦测到一个UWB传感器3，则所述侦测模块41判定UWB标签4进入了所述监控区域200。

步骤S42，获取模块42利用所述UWB标签4的UWB信号收发器，在所述UWB传感器3与进入该UWB传感器3的无线通信范围的UWB标签4之间建立无线通信连接，以获取该UWB传感器3的识别码。

一般情况下，当所述UWB标签4进入所述监控区域200时，该UWB标签4会至少进入一个安装于该监控区域200的所述UWB传感器3的无线通信范围。当所述UWB标签4进入所述UWB传感器3的无线通信范围时，该UWB标签4会被所述UWB传感器3唤醒，并与之进行握手通信。其中，当进入所述监控区域200的UWB标签4仅为一个时，所述获取模块42可以直接通过所述握手通信获取所述UWB传感器3的识别码。当进入所述监控区域200的UWB标签4不止一个时，所述获取模块42分别与所述UWB标签4建立通信连接

步骤S43，统计模块43根据所述UWB传感器3的识别码，统计可以与所述UWB标签4进行通信的UWB传感器3的数量。

步骤S44，当同时与所述UWB标签4进行通信的UWB传感器3的数量达到一个预设值时，发送模块44控制所述UWB标签4向与其进行无线通信的UWB传感器3发送第一UWB信号，并接收所述UWB标签4返回的第二UWB信号。其中，所述预设值可以是不小于4的任意值。

需要注意的是，在本实施例中，当所述UWB标签4向与其进行无线通信的UWB传感器3发送第一UWB信号时，所述发送模块44记录该第一UWB信号被发送的时间。当所述第一UWB信号被所述UWB传感器3接收后，该UWB传感器3会向所述UWB标签4返回所述第二UWB信号，该第二UWB信号中包括所述UWB传感器3接收所述第一UWB信号的时间及发送所述第二UWB信号的时间。

步骤S45，测距模块45根据所述第一UWB信号被发送和被接收的时间，及所述第二UWB信号被发送和被接收的时间，通过TOF测距算法来计算与所述UWB标签4进行通信的每一个所述UWB传感器3与该UWB标签4之间的距离值。所述TOF测距算法为现有技术，此处不再赘述。

步骤S46，定位模块46根据与所述UWB标签4进行通信的UWB传感器3在所述监控区域200的三维空间坐标，及该UWB传感器3与所述UWB标签4之间的距离值，计算所述UWB标签4在所述监控区域200的三维位置坐标。

具体地，在本实施例中，当所述UWB传感器3与所述UWB标签4之间的距离值被计算出来时，所述定位模块46首先以每一个所述UWB传感器3在所述监控区域200的三维空间坐标为圆心，以每一个所述UWB传感器3与所述UWB标签4之间的距离值为半径，建立多个与所述UWB标签4的三维空间坐标相关的空间圆的方程。然后联立所述空间圆的方程，进行空间多元方程的计算。最后得出所述多个空间圆的方程的交点的三维空间坐标。该交点即为所述UWB标签4的位置，其三维空间坐标即为该UWB标签4的三维空间坐标。

以图1为例，传感器a-d的三维空间坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)。假设经过步骤S45，计算得出的所述传感器a-d与所述UWB标签4之间的距离分别为r₁、r₂、r₃、r₄。则所述定位模块46以所述传感器a-d的三维空间坐标为圆心，以所述传感器a-d与所述UWB标签4之间的距离为半径，建立的与所述传感器a-d一一对应空间圆的方程式依次为：

(1)：(x₁-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²＝r₁ ²；

(2)：(x₂-x)²+(y₂-y)²+(z₂-z)²＝r₂ ²；

(3)：(x₃-x)²+(y₃-y)²+(z₃-z)²＝r₃ ²；

(4)：(x₄-x)²+(y₄-y)²+(z₄-z)²＝r₄ ²；

其中，(x，y，z)为所述UWB标签4的三维空间坐标。所述定位模块46联立上述方程(1)-(4)，然后求解多元方程即可计算得出所述(x，y，z)的值，该值即为所述UWB标签4的三维空间坐标值。

需要注意的是，从上述方程式可以看出，要求解出(x，y，z)的值，至少需要四个已知三维空间坐标的参考点进行辅助计算。也就是说，在所述UWB标签4进入所述监控区域200时，与该UWB标签4进行通信的所述UWB传感器3至少为四个时才能对该UWB标签4进行定位。这也就要求，在所述监控区域200内安装的所述UWB传感器3必须不少于四个。此外，从上述方程式还可以看出，当参考点(传感器a-d的坐标)仅为四个时，对所述UWB标签4的三维空间坐标的计算仅能进行一次。显然地，所述计算得出的结果与真实的坐标之间肯定存在一定的误差。如果所述参考点的数量足够多，足以用来对所述UWB标签4的三维空间坐标进行多次计算，然后取其平均值，必然会更接近真是的结果。也就是说，所述监控区域200安装的UWB传感器3的数量越多，同时与所述UWB标签4进行通信的所述UWB传感器3则越多，对所述UWB标签4的实时定位也就越精确。

步骤S47，输出模块47通过所述UWB标签4的通信芯片输出所述UWB标签4的三维空间坐标。

在本实施例中，输出的所述UWB标签4的三维空间坐标可以是坐标值的形式，例如直接输出(x，y，z)对应的坐标值。也可以是与所述监控区域200的平面图或地图相结合输出的形式，例如首先在所述控制台1的输入输出单元11上显示所述监控区域200的平面图或者地图，然后在该平面图或者地图上标识与所述UWB标签4的三维空间坐标对应的位置等。此外，输入输出单元11除了显示实时的UWB标签4位置信息外，还可以通过处理单元13对存储单元12所存储的UWB标签4的多个位置信息进行处理，生成UWB标签4的轨迹线图，再通过输入输出单元11显示所述轨迹线图，从而显示UWB标签4所经过的轨迹。

需要说明的是，本发明的室内定位方法特别适用于超市或医院等需要进行人员或物品定位的领域。在超市的应用中，UWB传感器3安装于超市的监控区域200中，UWB标签4与待定位的消费者或者商品绑定在一起，用以在该待定位的消费者进入监控区域200后，与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，或者用于监控区域200中的商品与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，通过获得消费者个人位置信息和目标商品位置信息，进行路线指引，实现智能导购。在医院的应用中，UWB传感器3安装于医院的监控区域200中，UWB标签4与待定位的病人或者医疗设备绑定在一起，用以在该待定位的病人进入监控区域200后，与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，或者用于监控区域200中的医疗设备与该监控区域200内的UWB传感器3进行通信，以实现病人的监控以及医疗设备的管理等。

通过上述步骤S41-S47可知，本发明通过在监控区域200内预设多个UWB传感器3，在待定位设备上配备与该UWB传感器3配套使用的UWB标签4，结合UWB通信技术和三维定位技术，实现了在室内环境中对待定位设备的精确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内定位系統，其特征在于，包括控制台、UWB传感器及UWB标签，所述控制台与所述UWB传感器和所述UWB标签通信连接，所述UWB传感器安装于一监控区域的不同位置，所述UWB标签包括一定位单元，所述定位单元包括：

侦测模块，用于侦测所述UWB标签周围是否有UWB传感器；

获取模块，用于在所述UWB标签进入所述监控区域时，获取所述UWB传感器的识别码；

统计模块，用于根据所述UWB传感器的识别码统计可以与所述UWB标签通信的UWB传感器的数量；

测距模块，用于在所述数量达到预设值时，测量同时与所述UWB标签通信的UWB传感器与所述UWB标签通信之间的距离；

定位模块，用于根据所述UWB传感器在所述监控区域的位置或所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离，确定所述UWB标签的位置。

2.如权利要求1所述的室内定位系統，其特征在于，所述定位单元还包括：

发送模块，用于控制UWB标签向所述UWB传感器发送的第一UWB信号并接收所述UWB传感器返回的第二UWB信号，及记录所述第一UWB信号和第二UWB信号被发送与被接收的时间。

3.如权利要求2所述的室内定位系統，其特征在于，所述测距模块，还用于根据所述第一UWB信号和所述第二UWB信号被发送与被接收的时间，通过TOF测距算法计算所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离。

4.如权利要求1所述的室内定位系統，其特征在于，安装于所述监控区域的所述UWB传感器的数量至少为四个。

5.如权利要求1所述的室内定位系統，其特征在于，所述定位模块还用于：

以所述UWB传感器在所述监控区域的位置为圆心，以所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离为半径，建立多个与所述UWB标签的位置相关的空间圆的方程；

计算所述空间圆的方程的交点位置，确定所述位置为所述UWB标签的位置。

6.一种室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法应用于一室内定位系统中，所述室内定位系统包括控制台、UWB传感器及UWB标签，所述控制台与所述UWB传感器和所述UWB标签通信连接，所述UWB传感器安装于一监控区域的不同位置，所述方法包括：

侦测步骤，控制侦测所述UWB标签周围是否有所述UWB传感器；

获取步骤，在所述UWB标签进入所述监控区域时，获取所述UWB传感器的识别码；

统计步骤，根据所述UWB传感器的识别码统计可以与所述UWB标签通信的UWB传感器的数量；

测距步骤，在所述数量达到预设值时，测量同时与所述UWB标签通信的UWB传感器与所述UWB标签通信之间的距离；

定位步骤，根据所述UWB传感器在所述监控区域的位置或所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离，确定所述UWB标签的位置。

7.如权利要求6所述的室内定位方法，其特征在于，所述方法还包括：

发送步骤，控制UWB标签向所述UWB传感器发送的第一UWB信号并接收所述UWB传感器返回的第二UWB信号，及记录所述第一UWB信号和第二UWB信号被发送与被接收的时间。

8.如权利要求7所述的室内定位方法，其特征在于，所述测距步骤还包括：

根据所述第一UWB信号和所述第二UWB信号被发送与被接收的时间，通过TOF测距算法计算所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离。

9.如权利要求6所述的室内定位方法，其特征在于，安装于所述监控区域的所述UWB传感器的数量至少为四个。

10.如权利要求6所述的室内定位方法，其特征在于，所述定位步骤还包括：

以所述UWB传感器在所述监控区域的位置为圆心，以所述UWB传感器与所述UWB标签之间的距离为半径，建立多个与所述UWB标签的位置相关的空间圆的方程；

计算所述空间圆的方程的交点位置，确定所述位置为所述UWB标签的位置。