CN106019221A - 基于AoA的UWB定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于AoA的UWB定位系统，包括发射模块、多个接收模块以及信号处理模块；其中，所述发射模块用于发射信号；所述多个接收模块用于接收发射模块发射的信号，所述信号处理模块用于根据AoA算法计算发射模块与多个接收模块的角度，并融合后得到发射模块与接收模块的位置关系。本发明能够精确的对目标点进行360度全向定位，即使在目标点与接收点被遮挡的情况下，也能取得很好的定位效果。

Description

基于AoA的UWB定位系统
技术领域
本发明涉传感测量领域，具体地，涉及一种基于AoA的超宽带通信(UltraWideband，UWB)定位系统。
背景技术
近年来，出现多种用于局部和室内定位的系统和算法。目前比较常用的局部定位方法有基于接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)的定位方法基于到达角(Arrival ofAngle,AoA)的定位方法，基于到达时间(Time Of Arrive,TOA)的定位方法和基于到达时间差(Time Differential Of Arrive,TDOA)的定位方法。基于接收信号强度的定位方法的优势在于硬件的低成本，因为绝大多数的建筑物里面装有无线局域网(Wireless Local AreaNetwork,WLAN)，然而基于信号强度的定位精度较低，同时容易受到周围环境的干扰。
利用基于TOA的超声波定位已经有很长的历史。相比于基于信号强度的定位，基于TOA的超声波定位的精度更好(大约10厘米)，但是也存在测量量程短，方向性差的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于UWB的AoA定位系统。
根据本发明提供的基于AoA的UWB定位系统，包括：发射模块、多个接收模块以及信号处理模块；其中，所述发射模块用于发射信号；所述多个接收模块用于接收发射模块发射的信号，所述信号处理模块用于根据AoA算法计算发射点与多个接收点的角度，并融合后得到发射点与接收点的位置关系。
优选地，所述发射模块包括：一个UWB发射单元和一个天线；多个接收模块能够组成若干个接收机制，每个接收机制包括：至少两组UWB接收单元和至少两组天线。
优选地，假设多个接收模块总共包括N组UWB接收单元和M组天线，其中N、M为大于等于2的自然数，N小于等于M；在某一时刻内，所述N组UWB接收单元中的任意一个UWB接收单元能够通过射频开关与M组天线中还未被UWB接收单元连接的任意一个天线相连。
优选地，设定一个时间间隔，在一个时间间隔内分别选择L个UWB接收单元与L组天线相连并组成一个接收模块，L为大于等于2并且小于等于M或者N的自然数；根据排列组合能够得到个不同组合方式的接收机制。
优选地，信号处理模块包括AoA算法模块，数据滤波模块和加权平均模块；
所述AoA算法模块用于计算发射模块与接收模块之间的到达角度；
所述数据滤波子模块用于对接收模块接收到的多组AoA数据进行滤波处理；
所述加权平均子模块用于对同一个接收点上多个接收模块测量的多组AoA数据进行加权平均处理，得到该接收点上的AoA数值。
优选地，所述数据滤波子模块进行中滤波处理，即：对某一接受模块前n次AoA数据进行排序，取中间值作为本次滤波后的AoA结果。
优选地，所述加权平均子模块的加权平均处理，其中权值的确定主要依据如下：
1)接受信号强度与第一路径接受信号强度的差值；差值越大，信号受到的干扰越强，权值越小；
2)发射点与当前接受模块的夹角的绝对值；夹角的绝对值越大，则认为数据越不可靠，权值越小。
优选地，多个接受模块包含2块UWB接收芯片、4根天线；所述4根天线分布于一个正方形的四个端点上构成正方形天线阵列，通过射频开关的控制，每个接收芯片能够与4根天线中的任两根天线相连。由此能够得到四种方式的组合。
优选地，在正方形天线阵列中，只有相邻的两根天线能够分别与两个UWB接收芯片相连，并组成一组接收模块用于AoA测量。
优选地，在正方形天线阵列中，正方形的边长等于UWB射频信号所采用的波长的一半。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够高精度的对目标进行定位，基于角度的定位精度不随距离的变化而变化。
2、本发明在定位过程中即使目标与基准物之间存在遮挡也能进行准确定位。
3、本发明采用开关切换的方案可以有效减少UWB接受单元的数量，从而降低成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中天线分布示意图；
图2为天线切换过程示意图；
图3为天线阵列在发射阶段时接收节点的角度示意图；
图4为相邻天线之间的延迟关系示意图；
图中：
10-天线阵列；
11-射频开关；
12-闭合的射频通路
210-阶段1中的第一天线；
211-阶段1中的第二天线；
212-阶段1中的第三天线；
213-阶段1中的第四天线；
214-阶段1中的第一射频开关；
215-阶段1中的第二射频开关；
216-阶段1中的第三射频开关；
217-阶段1中的第四射频开关；
220-阶段2中的第一天线；
221-阶段2中的第二天线；
222-阶段2中的第三天线；
223-阶段2中的第四天线；
224-阶段2中的第一射频开关；
225-阶段2中的第二射频开关；
226-阶段2中的第三射频开关；
227-阶段2中的第四射频开关；
230-阶段3中的第一天线；
231-阶段3中的第二天线；
232-阶段3中的第三天线；
233-阶段3中的第四天线；
234-阶段3中的第一射频开关；
235-阶段3中的第二射频开关；
236-阶段3中的第三射频开关；
237-阶段3中的第四射频开关；
240-阶段4中的第一天线；
241-阶段4中的第二天线；
242-阶段4中的第三天线；
243-阶段4中的第四天线；
244-阶段4中的第一射频开关；
245-阶段4中的第二射频开关；
246-阶段4中的第三射频开关；
247-阶段4中的第四射频开关。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的基本原理是：设置一个目标发射模块和一个接收模块，所述接收模块包括接收模块和天线阵列。所述天线阵列成正方形分布。所述接收模块包括两个信号接收芯片，通过信号切换模块可以组合出四组接收单元用于接收信号。接收到的信号进行处理后进行AoA计算，最终计算出所述接收模块与所述发射模块之间的角度。所述局部定位系统是第一种基于AoA的UWB定位系统。所述信号发射模块包括一个UWB信号发射模块。所述接收模块包括至少两个信号接收模块。所述信号接收模块包括至少两个信号接收单元。所述信号发射模块安装与便携式模块上。然后，系统会基于局部定位算法计算出所述便携式模块与接收模块之间的方向角或位置。所述局部定位系统会利用同一点的多组AoA数据进行数据滤波，从而得出一个更加准确的方位角。
根据本发明提供的基于AoA的UWB定位系统包括：用于发射信号的信号发射模块；多个信号接收模块用于接收发射模块发射的信号，并通过接收的信号，利用AoA算法计算出发射点与接收点的角度；一个数据融合算法，用于融合多个测量结果，从而得到一个融合后的AoA结果。
所述信号发射模块包括UWB发射单元和天线，所述信号接收模块包括至少两个UWB接收单元和至少两组天线。
所述多组合信号接收模块为N组UWB信号接收单元和M组天线相连。在一个时间间隔，选中的L个UWB接收单元与选中的L组天线相连组成一个接收单元。因此，所述接收系统共有个不同的接收单元。
所述数据融合算法包括数据滤波和加权平均。通过不同接收单元接收到的多组数据分别进行滤波处理，然后计算发射模块与接收模块之间的到达角度。在同一个点测量的多组AoA数据进行加权平均，最终得到一个点上的AoA数值。
滤波处理所使用的滤波器为均值滤波器。
权重根据接收的信号强度不同进行分配。
所述UWB接收模块包括2块UWB接收芯片。
所述UWB接收模块包括4根天线，所述4根天线分布于一个正方形的四个端点上构成正方形天线阵列。通过射频开关的控制，每个接收芯片可以与两根天线相连。在正方形天线阵列中，只有临近的两根天线可以组成一组接收单元，并通过与所述两个接收芯片相连进行信号接收。
更进一步地，UWB发射模块能够封装在手环但不仅限于手环的便携模块中。
在本实施例中，如图1所示，包括天线阵列10、用于进行天线切换的射频开关11。具体地，图2给出了天线切换过程，包括四个阶段：
在第一个阶段，此阶段的第三射频开关216导通，第一天线210与第一信号处理芯片相连。同时，第二射频开关215控制第四射频开关217导通，第二天线211与第二信号处理芯片相连。此时，第一天线210和第二天线211组成接收模块，根据接收到的信号，通过所述数据融合算法得到一个AoA数据。
在第二个阶段，此阶段的第一射频开关224控制第三射频开关226导通，第一天线220与第一信号处理芯片相连，第二射频开关225控制第四射频开关227导通，第四天线223与第二信号处理芯片相连，第一天线220和第二天线221组成接收模块，根据接收到的信号，通过所述数据融合算法得到一个AoA数据。
在第三个阶段，此阶段的第一射频开关234控制第三射频开关236导通，第三天线232与第一信号处理芯片相连，第二射频开关235控制第四射频开关237导通，第四天线233与第二信号处理芯片相连，第三天线232和第四233组成接收模块，根据接收到的信号，通过所述数据融合算法得到一个AoA数据。
在第四个阶段，此阶段的第一射频开关244控制第三射频开关246导通，第三天线242与第一信号处理芯片相连，第二射频开关245控制第四射频开关247导通，第二天线241与第二信号处理芯片相连，第三天线242和第二天线241组成接收模块，根据接收到的信号，通过所述数据融合算法得到一个AoA数据。
由于AoA是一个包含目标节点位置信息的信号参数，所以可以利用信号到达天线的额时间差计算出天线阵列和目标点之间的夹角，如图3所示。
更进一步地，本发明的每组天线阵列包含两根天线，如图4所示。相邻天线之间的信号到达延迟可以通过如下公式计算：
τ = l s i n α c
式中，τ为时间延迟，l相邻天线的距离，α为AoA角度，c为光速。
具体地，通过接收单元接收到的数据需要经过数据滤波。如果信号在传输到天线的过程中没有遮挡，那么天线接收到的FP_RSSI(最短路径信号强度)和接收到的总信号强度(RSSI)相差不大。但是，当信号在传输过程中受到障碍物的遮挡时，所述FP_RSSI会远远小于所述RSSI，所以在测量过程中，通过判断两个信号之间强度的差异大小，判断信号是否被遮挡。由于在一组天线组合中，如果一根天线接收到的信号被遮挡而另一根天线接收的信号正常，那么计算出的AoA角度会有较大的误差。在本发明中，这样的组合所测得的数据会进行剔除。
具体地，本发明中的系统具有均值滤波器用于滤除信号干扰，是测量结果更加准确。在一个滤波周期内，一个接收组合会接收10组信号，并分别计算出AoA角度，然后将这10组计算结果进行平均，得到最终的本组测量组合的测量结果。同理，每个测量得到所属的最终测量结果。
具体地，每个接收组合的测量结果通过加权平均得到最终的测量结果。加权平均的权重根据每个接收组合接收到的信号强度(RSSI)进行分配。接收到信号强度较低的组合的测量数据的权重较低，接收到信号强度较高的组合的测量数据的权重较高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，包括：发射模块、多个接收模块以及信号处理模块；其中，所述发射模块用于发射信号；所述多个接收模块用于接收发射模块发射的信号，所述信号处理模块用于根据AoA算法计算发射模块与多个接收模块的角度，并融合后得到发射模块与多个接收模块的位置关系。
2.根据权利要求1所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，所述发射模块包括：一个UWB发射单元和一个天线；多个接收模块能够组成若干个接受机制，每个接收机制包括：至少两组UWB接收单元和至少两组天线。
3.根据权利要求2所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，假设多个接收模块总共包括N组UWB接收单元和M组天线，其中N、M为大于等于2的自然数，N小于等于M；在某一时刻内，所述N组UWB接收单元中的任意一个UWB接收单元能够通过射频开关与M组天线中还未被UWB接收单元连接的任意一个天线相连。
4.根据权利要求3所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，设定一个时间间隔，在一个时间间隔内分别选择L个UWB接收单元与L组天线相连并组成一个接收模块，L为大于等于2并且小于等于M或者N的自然数；根据排列组合能够得到个不同组合方式的接收机制。
5.根据权利要求4所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，信号处理模块包括AoA算法模块，数据滤波模块和加权平均模块；
所述AoA算法模块用于计算发射模块与接收模块之间的到达角度；
所述数据滤波子模块用于对接收模块接收到的多组AoA数据进行滤波处理；
所述加权平均子模块用于对同一个接收点上多个接收模块测量的多组AoA数据进行加权平均处理，得到该接收点上的AoA数值。
6.根据权利要求5所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，所述数据滤波子模块进行中滤波处理，即：对某一接受模块前n次AoA数据进行排序，取中间值作为本次滤波后的AoA结果。
7.根据权利要求5所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，所述加权平均子模块的加权平均处理，其中权值的确定主要依据如下：
1)接受信号强度与第一路径接受信号强度的差值；差值越大，信号受到的干扰越强，权值越小；
2)发射点与当前接受模块的夹角的绝对值；夹角的绝对值越大，则认为数据越不可靠，权值越小。
8.根据权利要求2所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，多个接受模块包含2块UWB接收芯片、4根天线；所述4根天线分布于一个正方形的四个端点上构成正方形天线阵列，通过射频开关的控制，每个接收芯片能够与4根天线中的任两根天线相连。
9.根据权利要求8所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，在正方形天线阵列中，只有相邻的两根天线能够分别与两个UWB接收芯片相连，并组成一组接收模块用于AoA测量。
10.根据权利要求8所述的基于AoA的UWB定位系统，其特征在于，在正方形天线阵列中，正方形的边长等于UWB射频信号所采用的波长的一半。
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