CN105891867A

CN105891867A - 一种室内外定位方法及系统

Info

Publication number: CN105891867A
Application number: CN201610206983.3A
Authority: CN
Inventors: 张涛
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2016-08-24

Abstract

一种室内外定位方法及系统，设置若干节点，每个节点包括CPU、GNSS接收机、IMU和UWB定位模块，当节点还没有获得自身的位置之前属性设置为Tag，已经获得后设置为Anchor，为其他Tag节点的定位提供参考位置；Anchor节点与Tag节点之间传输的信息包含测距信息和Anchor节点的位置信息；根据预设Anchor节点，属性为Tag的节点比较GNSS、UWB、IMU的定位结果和定位精度，从中选取精度最好的，并判断定位精度是否超限，如果不超限则转换为Anchor，为其他Tag提供定位服务。本发明扩大了定位范围，降低了系统成本，提高了可靠性，提高了系统的扩展性，保护了定位用户的隐私权。

Description

一种室内外定位方法及系统

技术领域

本发明属于传感器领域，发明了一种集成多传感器技术的室内外组合定位技术。

背景技术

室外定位技术已经相当成熟，基于GNSS的定位技术可以满足从米级到毫米级甚至更高精度的定位需求。由于物联网以及消防、警务、旅游等各种行业以及消费群体的需求，室内定位技术成为当今研究的热点，室内定位技术有多种技术平台可供使用，目前能在精度与成本之间取得较好平衡的是UWB定位技术。而目前的UWB定位技术使用的局限性很大，例如必须在定位区域内布设一定数量的Anchor，并且对这些Anchor的坐标进行精确测量，用户容量有限等，这样就使得UWB定位的灵活性很低，受到区域的限制，同时难以实现室内外定位的无缝结合。

具体来说，目前的UWB定位系统中，将节点划分为Tag和Anchor两类。其中，Tag是需要定位的未知点，而Anchor的位置需要固定，并且需要事先用其他定位方式将其位置测量出来(例如用全站仪)。这种模式使得目前的UWB定位系统的使用范围受到很大限制，给室内定位的推广使用造成了障碍，也不容易实现室内外定位的无缝结合。另外，定位运算集中在定位服务器，使得定位系统的可靠性降低，并且限制了用户数量。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供一种室内外定位方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明还提供一种室内外定位方法，设置若干节点，每个节点包括CPU、GNSS接收机、IMU和UWB定位模块，GNSS接收机、IMU、UWB定位模块分别与CPU连接，

当一个节点还没有获得自身的位置之前，将自身的属性设置为Tag；

在一个节点已经获得自身的位置后，将自身的属性设置为Anchor，为其他Tag节点的定位提供参考位置；Anchor节点与Tag节点之间传输的信息不仅包含测距信息，还包含Anchor节点的位置信息；

根据预设的属性设置为Anchor的节点，属性为Tag的节点采用以下流程运行，

步骤1，记GNSS、UWB、IMU的定位结果为Pgnss、Puwb、Pimu，定位精度为Agnss、Auwb、Aimu，

判断GNSS是否可以定位，是则进入步骤2，否则进入步骤3；

步骤2，比较GNSS定位精度Agnss和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，包括如果Agnss<Aimu，则Pos＝Pgnss，Acc＝Agnss，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu；进入步骤5；

步骤3，将UWB定位模块设置为Tag模式，通过与周边属性为Anchor的节点通信进行UWB定位来确定位置Puwb和定位精度Auwb；如果UWB定位不成功，则令UWB定位精度Auwb为一个极大值，表示不使用其定位结果；进入步骤4；

步骤4，比较UWB定位精度Auwb和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，包括如果Auwb<Aimu，则Pos＝Puwb，Acc＝Auwb，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu；

步骤5，根据当前位置Pos和当前精度Acc，判断当前的定位精度是否超限，如未超限，则将UWB模块设置为Anchor模式，为周围的UWB Tag提供定位服务，并回到步骤1重新进入执行；如果超限，直接返回步骤1重新进入执行。

而且，所述IMU的定位结果Pimu和IMU定位精度Aimu，根据最近的定位结果Pos和定位精度Acc，采用Dead reckoning航位推测算法得到。

本发明还相应提供一种室内外定位系统，设置若干节点，每个节点包括CPU、GNSS接收机、IMU和UWB定位模块，GNSS接收机、IMU、UWB定位模块分别与CPU连接，当一个节点还没有获得自身的位置之前，将自身的属性设置为Tag；

基于预设的属性设置为Anchor的节点，属性为Tag的节点设置以下模块，第一模块，用于记GNSS、UWB、IMU的定位结果为Pgnss、Puwb、Pimu，定位精度为Agnss、Auwb、Aimu，判断GNSS是否可以定位，是则命令第二模块工作，否则命令第三模块工作；

第二模块，用于比较GNSS定位精度Agnss和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，包括如果Agnss<Aimu，则Pos＝Pgnss，Acc＝Agnss，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu；命令第五模块工作；

第三模块，用于将UWB定位模块设置为Tag模式，通过与周边属性为Anchor的节点通信进行UWB定位来确定位置Puwb和定位精度Auwb；如果UWB定位不成功，则令UWB定位精度Auwb为一个极大值，表示不使用其定位结果；命令第四模块工作；

第四模块，用于比较UWB定位精度Auwb和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，包括如果Auwb<Aimu，则Pos＝Puwb，Acc＝Auwb，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu；

第五模块，用于根据当前位置Pos和当前精度Acc，判断当前的定位精度是否超限，如未超限，则将UWB模块设置为Anchor模式，为周围的UWB Tag提供定位服务，并命令第一模块工作重新进入工作；如果超限，直接命令第一模块工作重新进入工作。

本发明通过多传感器集成以及改变UWB定位的系统架构，提出了一种可以适应更多环境，覆盖分为更广的室内定位系统，并能够更好的实现室内外定位的无缝结合。本发明所提出的定位技术相比原来的UWB定位系统至少有如下优势：

1，扩大了定位范围。原先的UWB定位系统必须在定位区域内安装UWB Anchor，用户离开这个预定的区域就无法再定位。而本发明提出的方法所实现的系统，只要需要定位的用户周围有2个或2个以上的定位用户成功通过任何方式定位，该用户就可以成功定位，定位用户自身就可以将定位区域进行扩展。

2，降低了系统成本，提高了可靠性，原先的UWB定位系统必须在区域内安装多个Anchor，并需要对Anchor进行位置测量，同时配置位置解算服务器。而本发明提出的方法所实现的系统，Anchor的安装成为可选的，也不再需要解算服务器，系统的可靠性瓶颈得以突破。

3，提高了系统的扩展性，保护了定位用户的隐私权。原先的UWB定位系统对解算服务器有着很大的依赖性，所有的计算任务都交给解算服务器，因此用户容量就收到解算服务器的性能制约。而本发明提出的方法所实现的系统，将位置解算的任务由服务器分解到用户自身，这样一来，系统的用户数就可以无限扩大，不再受到制约。而用户自身的位置也不再由服务器计算分发，用户自身的位置隐私得到了一定的保护。

附图说明

图1本发明实施例的结构示意图。

图2本发明实施例的测量使用示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

UWB的定位原理是，未知位置的UWB设备(通常称作Tag)通过测量与已知位置设备(通常称作Anchor)之间的距离，当Tag获取到与两个以及两个以上Anchor之间的距离后，就可以通过解方程的方式得到自身的平面位置，当Tag获取到与三个以及三个以上Anchor之间的距离后，就可以通过解方程的方式得到自身的三维位置。

本发明提出的定位方法是：

首先对目前的UWB定位系统进行如下改进和扩展：

1，每个节点上不仅安装有UWB定位装置，还安装有GNSS以及IMU，可以实现组合定位。参见图1，实施例中每个节点包括CPU、GNSS接收机、IMU、UWB定位模块和显控设备，GNSS接收机、IMU、UWB定位模块、显控设备分别与CPU连接。显控设备可根据需要设置，例如显示屏和键盘。IMU为惯性测量单元。

2，节点不再严格划分为Tag和Anchor，任何一个节点都可以成为Tag，也可以成为Anchor。当一个节点还没有获得自身的位置之前，就将自身的属性设置为Tag，可以通过其它Anchor获取自身的位置，也可以通过其它的方法(GNSS，IMU等)来获取自身的位置，也可以通过组合定位的方式，集合GNSS/IMU/UWB定位系统的观测量，来计算自身的位置。

在一个节点已经获得自身的位置后，就可以将自身的属性设置为Anchor，为其他Tag节点的定位提供参考位置。

3，Tag与Anchor之间的通信信息不再是单纯的测距信息，而是要包含Anchor自身的位置信息。

4，如果节点上没有具备CPU，则需要配置CPU来协调所有部件的运行。

5，节点的定位不再依赖于专用的定位解算服务器，而是将定位算法放在节点自身。

6，Anchor的安装不再是必须的，而是可选的。

经过改进和扩展的定位系统，包括若干节点(设置三个以上)，其中包括至少两个Anchor，以提供初始的定位条件，可以在定位要求较高的区域安装固定的Anchor，其始终运行在Anchor模式。其他区域可以不用安装Anchor，而利用已经定位成功的Tag转换为Anchor，为其他Tag提供定位服务。

预先安装的Anchor功能为：当收到Tag的通信请求后，与Tag进行双向通信，测量Anchor自身与Tag之间的距离，同时将Anchor自身的坐标信息传送给Tag，以供Tag定位使用。、

除了预先安装的Anchor外，其他需要定位的用户均采用Tag/Anchor自主转换模式，本发明考虑分别获取GNSS、UWB、IMU的定位结果Pgnss、Puwb、Pimu和定位精度Agnss、Auwb、Aimu，并从中选取精度最好的作为当前的定位结果Pos和定位精度Acc，并判断定位精度是否超限，(超限的含义是其定位精度是否符合可以为其他Tag提供定位服务的精度。例如系统设定定位精度为2米，则可将定位精度的超限阈值定为1.5米，即，如果自身的定位精度优于1.5米(小于1.5米)，则认为不超限，可以为其他Tag提供定位服务，否则此定位结果仅供自己使用，不为其他Tag提供定位服务，否则会引起较大的误差。)如果不超限，则控制UWB定位模块的运行模式转换为Anchor，为其他Tag提供定位服务。如果超限则设置该节点为Tag模式，不为其他Tag提供定位，

根据预设的属性设置为Anchor的节点，属性为Tag的节点具体设计运作方式如下：

开始后，基于节点的CPU，有两个进程同时运行，进程1是主进程，循环执行如下的步骤。进程2根据最近的定位结果和IMU的观测量，推算当前的位置Pimu，并根据IMU的特性和时间来计算定位精度Aimu。具体算法可以使用现有的Dead reckoning航位推测算法，本发明不予赘述。

1，判断GNSS是否可以定位，是则进入步骤2，否则进入步骤3。根据GNSS接收机的输出信息即可判断GNSS是否可以定位。

2，此时GNSS可以定位，则比较GNSS定位精度Agnss和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，即如果Agnss<Aimu，则Pos＝Pgnss，Acc＝Agnss，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu。进入步骤5。

3，此时GNSS接收机无法定位，则将UWB定位模块设置为Tag模式，通过与周边可用的Anchor通信进行UWB定位来确定位置Puwb和定位精度Auwb。如果UWB定位不成功，则令UWB定位精度Auwb为一个极大值，例如UWB定位精度Auwb＝99999，以表示定位精度达到极大值，不使用其定位结果；进入步骤4。

4，比较UWB定位精度Auwb和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，即如果Auwb<Aimu，则Pos＝Puwb，Acc＝Auwb，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu。

5，在每次更新了自身的位置和定位精度后，都判断当前的定位精度是否超限，如未超限，则将UWB模块设置为Anchor模式，为周围的UWB Tag提供定位服务，并回到步骤1重新进入执行以上流程。如果超限，直接返回步骤1重新进入执行以上流程。

本实施例基于以下主要部件：

UWB定位模块：DECAWAVE DWM1000

CPU：STM32F105ARM Cortex M3

IMU：MPU9250

GNSS接收机：Ublox LEA-M8S

显示设备：LCD1602 Module

STM32F105作为中央处理器CPU，连接DWM1000，MPU9250以及LEA-M8S和LCD1602，协调整个系统。

具体实施时，本领域技术人员也可以选用其他芯片。

CPU中运行如下两个进程：

A，主进程1

1，读取GNSS接收机LEA-M8S的定位结果Pgnss和定位精度Pacc(通过解析GGA语句)，判断GNSS是否可以定位，是则进入步骤2，否则进入步骤4。

2，当前情况是定位成功，则读取进程2推算出来的IMU定位结果Pimu和和定位精度Aimu；比较GNSS定位精度Agnss和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，即如果Agnss<Aimu，则Pos＝Pgnss，Acc＝Agnss，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu；进入步骤5。

3，当前情况是GNSS接收机无法定位，则将DWM1000设置为Tag模式，通过与周边可用的Anchor通信进行UWB定位来确定位置Puwb和定位精度Auwb。如果UWB定位不成功，则另UWB定位精度Auwb＝99999；进入步骤4。

4，比较UWB定位精度Auwb和IMU定位精度Aimu，选取精度高的定位结果更新当前位置Pos和当前精度Acc，即如果Auwb<Aimu，则Pos＝Puwb，Acc＝Auwb，否则Pos＝Pimu，Acc＝Aimu。在LCD1602上显示定位结果。

5，在每次更新了自身的位置和定位精度后，都判断当前的定位精度是否超限，(超限的含义是其定位精度是否符合可以为其他Tag提供定位服务的精度。例如系统设定定位精度为2米，则可将定位精度的超限值定为1.5米，即，如果自身的定位精度优于1.5米，则可以为其他Tag提供定位服务，否则此定位结果仅供自己使用，不为其他Tag提供定位服务，否则会引起较大的误差。)如未超限，则将DWM1000设置为Anchor模式，为周围的UWB Tag提供定位服务，并回到步骤1。如果超限，直接返回步骤1。

B，进程2：IMU位置推算，使用现有的Dead reckoning航位推测算法，重复执行如下步骤1，读取最近的定位结果Pos和定位精度Acc。具体实施时，Acc可以初始预设为一个极大值，第一次执行此步骤时，由此得到的Aimu更大，Pimu必然会被丢弃不用；后续重复执行此步骤时即可正常使用最近的定位结果Pos和定位精度Acc。

2，读取MPU9250的观测量，根据时间、观测量、Pos，Acc推算当前位置Pimu。

3，根据MPU9250的性能(精度，漂移特性等)计算定位精度Aimu。

具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行流程，也可采用模块化方式实现相应系统。本发明实施例还相应提供一种室内外定位系统，设置若干节点，每个节点包括CPU、GNSS接收机、IMU和UWB定位模块，GNSS接收机、IMU、UWB定位模块分别与CPU连接，

基于预设的属性设置为Anchor的节点，属性为Tag的节点设置以下模块，

第一模块，用于记GNSS、UWB、IMU的定位结果为Pgnss、Puwb、Pimu，定位精度为Agnss、Auwb、Aimu，

判断GNSS是否可以定位，是则命令第二模块工作，否则命令第三模块工作；

各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予赘述。

本实施例仅为验证本发明中技术方案的正确性和可实施性，采用了松组合模式。为便于推广以及提高性能，具体实施的时候，可以将UWB模块、GNSS模块、IMU模块采用紧组合的方式，集成到现有的设备上去，例如集成到手机内，并利用手机的CPU完成定位算法实现，真正实现产品化。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的。因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种室内外定位方法，其特征在于：设置若干节点，每个节点包括CPU、GNSS接收机、IMU和UWB定位模块，GNSS接收机、IMU、UWB定位模块分别与CPU连接，

判断GNSS是否可以定位，是则进入步骤2，否则进入步骤3；

2.根据权利要求1所述室内外定位方法，其特征在于：所述IMU的定位结果Pimu和IMU定位精度Aimu，根据最近的定位结果Pos和定位精度Acc，采用Dead reckoning航位推测算法得到。

3.一种室内外定位系统，其特征在于：设置若干节点，每个节点包括CPU、GNSS接收机、IMU和UWB定位模块，GNSS接收机、IMU、UWB定位模块分别与CPU连接，

4.根据权利要求3所述室内外定位系统，其特征在于：所述IMU的定位结果Pimu和IMU定位精度Aimu，根据最近的定位结果Pos和定位精度Acc，采用Dead reckoning航位推测算法得到。