CN106211310A - 基于uwb技术的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的室内定位方法，属于高精度室内定位领域，所述方法包括：所述第一UWB基站向第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签发送时间同步信息，实现各个设备的时间同步；所述待定位标签根据时隙型ALOHA算法，向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站发送自身设备信息；所述第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收所述待定位标签发送的自身设备信息，并将该信息上传至所述上位机；所述上位机对获得的信息进行计算，实现对所述待定位标签的位置定位。与现有技术相比，本发明具有成本低、信号碰撞几率小、不影响数据接收、定位精度高，以及能够实现标签容量扩充的特点。

Description

基于UWB技术的室内定位方法

技术领域

本发明涉及高精度室内定位领域，特别是指一种基于UWB技术的室内定位方法。

背景技术

在无线通信技术中，通信碰撞的问题是长久以来一直存在的问题，而对于UWB室内定位技术，要做到对大量标签可靠定位的效果，必须实现标签的防碰撞，目前无线通信中的防碰撞处理，主要有以下几种方法：

现有技术一

频分多路法：即把若干使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户使用的技术。一个标签阅读器包含多个频段的接收通路，每个通路间不会受到其他接收通路的影响，响应的标签也人为的分配一个固定的通路，多个不同通路的标签，与阅读器通信互相不受影响。

现有技术一的缺点：

技术成本高，每个信号接收通路必须使用单独的接收器件，相比单个信号接收通路的设备，成本大大提高；另外标签的信号通路多样，使用差异性大，对管理成本也非常高；对于UWB应用来讲，由于UWB带宽大(500MHz带宽，即通信通路的宽度)，可使用的通信通路非常少，在阅读器识别区域内若有大量标签则防碰撞效果大大降低。

现有技术二

时分多路法：即基于纯ALOHA算法进行无线通信防碰撞处理的方法。纯ALOHA算法是一种数据信号随机接入的方法，每个标签周期性的循环将数据发送给阅读器，多个标签在不同的时间段上发送数据，对每个标签来说发送数据的所占用的时间远比循环的周期要小很多，故可以在周期内随机取一个时间点发送数据。

现有技术二的缺点：

纯ALOHA算法的效率较低，其通用计算公式为：

假设随机发送的数据分布符合泊松分布，设吞吐量S为在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数；网络负载G为在T0内总共发送的平均帧数。

则：吞吐量S＝G*e^-2G极大值为G＝0.5时，S＝0.184

从上式可见，当所有标签发射的信号在空中传输所占用的总时间小于0.184即18.4％(以1秒为列，通信总时间仅占0.184秒)时标签数据在空中成功传输数据的概率将大大提高，据统计约为97％，但是18.4％的通信效率非常低，当阅读器识别范围内标签较少时，可很好的工作，当阅读器识别范围内标签较多,空中传输所占用的总时间超过18.4％时，信号的碰撞几率将大大提高，通信效率大大降低。

传统的有源RFID标签，基于功耗以及使用寿命的考虑，常使用简单的纯ALOHA法，即标签隔随机时间向阅读器发送数据信息，但是对于UWB技术的应用，在标签发送数据的过程中，若有其他标签也在发送数据，则阅读器端接收到的信号有可能发生部分碰撞、完全碰撞，如图3所示。由于UWB技术需要对标签进行精度较高的定位，故如果标签较多碰撞几率较大，不仅会影响数据接收，还会影响定位精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、信号碰撞几率小、不影响数据接收、定位精度高，以及能够实现标签容量扩充的基于UWB技术的室内定位方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种基于UWB技术的室内定位方法，用于无线定位系统，所述无线定位系统包括上位机和能够与所述上位机进行无线通信的第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站，以及能够采用时隙型S-ALOHA算法与所述第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站进行无线通信的若干待定位标签，所述方法包括：

步骤1：所述第一UWB基站向第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签发送时间同步信息，实现所述第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签与所述第一UWB基站的时间同步；

步骤2：所述待定位标签根据时隙型ALOHA算法，向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站发送自身设备信息；

步骤3：所述第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收所述待定位标签发送的自身设备信息，并将该信息上传至所述上位机；

步骤4：所述上位机对获得的信息进行计算，并结合第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的实际位置，实现对所述待定位标签的位置定位。

进一步的，所述步骤1之后，包括：

步骤11：所述第一UWB基站初始化数据，并设定发送时间同步信息的一个周期的时间。

进一步的，所述步骤2进一步为：

经过时间同步后的所述待定位标签在所述第一UWB基站发送时间同步信息的一个周期内，选取随机的时间片，在时间到达选取的时间片时，所述待定位标签向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站发送自身设备信息。

进一步的，所述步骤1之前，包括：

步骤0：所述待定位标签开启低功耗接收状态；

所述步骤2之后，包括：

步骤21：所述待定位标签进行休眠补时，休眠补时结束后，所述待定位标签重新开启低功耗接收状态。

进一步的，所述休眠补时的时间等于所述第一UWB基站发送时间同步信息的一个周期的时间减去所述待定位标签选取的随机时间片的时间。

进一步的，所述步骤4包括：

所述上位机根据所述第一UWB基站和第二UWB基站接收到所述待定位标签发送的自身设备信息的时间计算第一双曲线，所述上位机根据所述第二UWB基站和第三UWB基站接收到所述待定位标签发送的自身设备信息的时间计算第二双曲线，所述第一双曲线和第二双曲线交于一点，再根据第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的实际位置，计算得出待定位标签的位置信息。

本发明具有以下有益效果：

本发明的UWB技术不适用现有技术中的频分多路法，因此不会造成设备成本和管理成本高的问题。本发明中，首先通过第一UWB基站对室内的待定位标签进行时间同步，根据UWB定位技术对接收信号的处理特性，则不会出现接收信号时间出现错误的情况。而且，本发明中，待定位标签采用时隙型S-ALOHA算法向第一、第二和第三UWB基站发送自身设备信息，即待定位标签在不同的时间片段内向UWB基站发送自身设备信息，这样，避免了现有技术中采用纯ALOHA算法，在连续的时间上发送信号导致的部分碰撞的情况，从而降低了信号的碰撞几率，避免了影响数据接收的情况，提高了待定位标签的定位精度，不仅如此，本发明中采用的时隙型S-ALOHA算法能够在纯ALOHA算法的基础上将数据的吞吐量提升一倍，进而使待定位标签容量的扩充。

综上，与现有技术相比，本发明具有成本低、信号碰撞几率小、不影响数据接收、定位精度高，以及能够实现标签容量扩充的特点。因此，本发明能够实现对大量待定位标签的精确定位。

附图说明

图1为本发明的基于UWB技术的室内定位方法的流程示意图；

图2为本发明的基于UWB技术的室内定位方法的对待定位标签进行坐标定位的坐标示意图；

图3为现有技术中采用纯ALOHA算法的信号碰撞的原理示意图；

图4为本发明的基于UWB技术的室内定位方法的采用S-ALOHA算法的信号碰撞的原理示意图；

图5为本发明的基于UWB技术的室内定位方法的UWB基站接收信号的帧结构；

图6为本发明的基于UWB技术的室内定位方法的一种实施例的待定位标签工作流程示意图；

图7为本发明的基于UWB技术的室内定位方法的一种实施例的第一UWB基站工作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种基于UWB技术的室内定位方法，用于无线定位系统，无线定位系统包括上位机和能够与上位机进行无线通信的第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站，以及能够采用时隙型S-ALOHA算法与第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站进行无线通信的若干待定位标签，如图1所示，方法包括：

S1：第一UWB基站向第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签发送时间同步信息，实现第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签与第一UWB基站的时间同步；

由于后续步骤中，待定位标签需要采用S-ALOHA算法向第一、第二和第三基站发送自身设备信息，需要保证所有标签都有同样的参考时间；而且，上位机需要采用UWB算法的TDOA技术对待定位标签进行位置定位，需要第一、第二和第三UWB基站之间实现时间同步。所以本步骤实现了第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签与第一UWB基站的时间同步。另外，本步骤中，由于第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站与待定位标签均实现时间同步，所以在后续对待定位标签进行位置定位时，即可使用UWB算法的TDOA技术，也可使用UWB算法的TOF技术，使两种技术兼容。

S2：待定位标签根据时隙型ALOHA算法，向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站发送自身设备信息；

本步骤中，根据需要管理的待定位标签数量，可用UWB算法的信号到达时间差算法(TDOA)对待定位标签进行管理。在TDOA模式下由于其调制以及编码的特性，每秒可以对几百个标签进行精确定位，但是如果信号在传输过程中碰撞，则无法对碰撞的标签进行精确定位。因此，本步骤中，使用时隙型ALOHA(S-ALOHA)算法来提升数据吞吐量，S-ALOHA算法把连续的时间分成离散的时间段，使每个待定位标签都在不同的时间段发送数据，则每个待定位标签即使出现碰撞，也属于完全碰撞，不会出现部分碰撞的情况。S-ALOHA算法的吞吐量公式为：

S＝G*e^-G

当G＝1时，S的极大值为S＝0.368，因此，S-ALOHA算法能够将数据吞吐量提升一倍。

下面列表中列出使用UWB芯片在纯ALOHA方法下，不同传输速率、不同preamble长度、同样传输负载长度下和一帧信号传输的时间，以及小于18％空中利用率的对应值：

由上表可见，若使用6.8Mbps传输速率，64个symbles，1秒钟理论上可传输1742个标签，且不会在空中碰撞，这意味着1秒钟可对1742个待定位标签进行定位。若采用S-ALOHA算法则理论上每秒可以对3484个待定位标签进行定位。

S3：第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收待定位标签发送的自身设备信息，并将该信息上传至上位机；

本步骤中，第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站通过接收待定位标签的自身设备信息，即可获取待定位标签的发送信息的时间，以及第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收到待定位标签的自身设备信息的时间，并将这些信息上传至上位机，为后续上位机采用UWB算法对待定位标签进行位置定位提供了条件。

S4：上位机对获得的信息进行计算，并结合第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的实际位置，实现对待定位标签的位置定位。

本步骤中，上位机可以通过UWB定位算法的TDOA技术对待定位标签的位置进行计算，并结合第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的实际位置，从而获取待定位标签的位置信息。

UWB高精度室内定位原理：

UWB高精度室内定位技术的原理是根据信号在空中飞行的时间来进行定位，其定位精度可达30cm。

其中，TDOA技术是利用待定位标签发出信号到达两个不同的UWB基站的时间差来确定待定位标签在空间中的位置的，只需要在UWB基站之间进行时间同步。例如：假设待定位标签发出信号的时间为T0，此时待定位标签位置未知，UWB基站1接收到信号的时间为T1，UWB基站2接收到信号的时间为T2，则可得以下公式：

d1＝C×(T1-T0) (1)

d1为待定位标签到UWB基站1的距离

d2＝C×(T2-T0) (2)

d2为待定位标签到UWB基站2的距离

则信号达到UWB基站1和UWB基站2的距离差为：

d21＝C*(T1-T0)-C*(T2-T0)＝C*(T1-T2) (3)

根据UWB基站的实际坐标位置(已知)和公式(3)，可绘制出一条双曲线。同理，当有3个UWB基站时，根据任意两个不同UWB基站接收待定位标签信息的时间均可绘制出两条双曲线，例如图2中d21和d31两个条双曲线，这两条双曲线交于一点，该点即为标签位置。TDOA技术不需要UWB基站与待定位标签之间进行时间同步，仅仅在UWB基站之间同步即可。

与TDOA技术不同，TOF定位技术不是计算待定位标签到达不同UWB基站的时间差，而是仅需要计算待定位标签到达UWB基站的时间，根据时间进而计算出待定位标签到达UWB基站的距离，即公式(1)中的d1或公式(2)中的d2，即可定位，但需要待定位标签与UWB基站之间进行时间同步。

本发明的UWB技术不适用现有技术中的频分多路法，因此不会造成设备成本和管理成本高的问题。本发明中，首先通过第一UWB基站对室内的待定位标签进行时间同步，根据UWB定位技术对接收信号的处理特性，则不会出现接收信号时间出现错误的情况。而且，本发明中，待定位标签采用时隙型S-ALOHA算法向第一、第二和第三UWB基站发送自身设备信息，即待定位标签在不同的时间片段内向UWB基站发送自身设备信息，这样，避免了现有技术中采用纯ALOHA算法，在连续的时间上发送信号导致的部分碰撞的情况，从而降低了信号的碰撞几率，避免了影响数据接收的情况，提高了待定位标签的定位精度，不仅如此，本发明中采用的时隙型S-ALOHA算法能够在纯ALOHA算法的基础上将数据的吞吐量提升一倍，进而使待定位标签容量的扩充。

综上，与现有技术相比，本发明具有成本低、信号碰撞几率小、不影响数据接收、定位精度高，以及能够实现标签容量扩充的特点。因此，本发明能够实现对大量待定位标签的精确定位。

本发明中，由于UWB技术通信的带宽(超过500MHz带宽)决定其无法有效的使用频分技术解决信号传输碰撞问题，而纯ALOHA算法，通信的效率很低且应用于UWB中由于碰撞会影响定位精度。所以，本发明中，为解决现有技术中防碰撞方法识别率较低的问题，提升标签识别容量，采用时隙型ALOHA(S-ALOHA)算法提升标签识别容量。

作为本发明的一种改进，S1之后，包括：

S11：第一UWB基站初始化数据，并设定发送时间同步信息的一个周期的时间。

本发明中，由于需要实时对定位环境内的待定位标签进行定位，所以第一UWB基站周期性地向第二UWB基站和第三UWB基站和待定位标签发送时间同步信息。优选的，发送时间同步信息的周期可以为1秒。

具体的，S2进一步为：

经过时间同步后的待定位标签在第一UWB基站发送时间同步信息的一个周期内，选取随机的时间片，在时间到达选取的时间片时，待定位标签向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站发送自身设备信息。

本发明中，为待定位标签采用S-ALOHA算法向UWB基站发送自身设备信息的具体实现方法。若待定位标签采用的纯ALOHA算法向UWB基站发送信息，则在连续的时间上待定位标签发送的信息很容易发生碰撞，如图3所示。但若待定位标签采用S-ALOHA算法向UWB基站发送信息，发送信息的时间将分布在不同时间片中，则信息碰撞几率将大幅度降低，如图4所示。

作为本发明的进一步改进，S1之前，包括：

S0：待定位标签开启低功耗接收状态；

S2之后，包括：

S21：待定位标签进行休眠补时，休眠补时结束后，待定位标签重新开启低功耗接收状态。

本发明中，待定位标签是被动发送自身同步信息的，待定位标签在未接受到时间同步信息时，处于低功耗状态，并且待定位标签休眠补时结束后，重新开启低功耗接收状态。这样，能够降低待定位标签的运行功耗，延长待定位标签的工作时间。

优选的，休眠补时的时间等于第一UWB基站发送时间同步信息的一个周期的时间减去待定位标签选取的随机时间片的时间。

具体的，S4包括：

上位机根据第一UWB基站和第二UWB基站接收到待定位标签发送的自身设备信息的时间计算第一双曲线，上位机根据第二UWB基站和第三UWB基站接收到待定位标签发送的自身设备信息的时间计算第二双曲线，第一双曲线和第二双曲线交于一点，再根据第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的实际位置，计算得出待定位标签的位置信息。

本发明中，不考虑硬件性能对定位精度的影响，如较高的传输速率，会减低定位精度；较长的preamble，可提升定位精度等，仅研究技术手段，在不影响定位精度的前提下提高标签容量。

如果待定位标签发送的信号之间出现碰撞，有两个影响：UWB基站对碰撞的待定位标签信号无法接收到；UWB基站的信号接收时间可能出现误差。这是由于，从UWB高精度室内定位原理可知，定位精度的关键在于UWB基站接收信号的精确性以及不同UWB基站之间的时间同步误差。如图5所示的帧结构，该帧结构符合IEEE802.15.4UWB标准，其中，preamble为前导序列(preamble满足IEEE STD：64、1024或4096symbols，Extra：128、256、512、1536或2048symbols)，SFD为帧起始定界符(SFD满足IEEE STD：8或64symbols，Extra：16symbols)，PHR为物理层头(PHR为21bits)，Date为有效数据(Date满足IEEE STD：Up to 127codedoctets，Extra：Up to 1023coded octets)，UWB基站接收信号的时间在帧结构的SFD最后一个symbol接收完成，PHR接收前获取，因此，若碰撞的信号较多，则接收信号的时间很有可能出现接收错误的情况，导致定位精度变差。所以本发明使用S-ALOHA算法，各个待定位标签的时间同步了，出现的时间误差仅为在preamble长度内，根据UWB芯片对接收信号的处理特性，就不会出现接收信号时间出现错误的情况，而且同时也提高了标签的容量。

下面，本发明提供一个具体的实施例，在具体实施时可以参照如下步骤进行：

在UWB室内定位环境下，包括3个UWB基站，分别为第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站，且该3个UWB基站需要时间同步，故仅选出其中一个UWB基站作为时间同步信息的发送端，例如，该时间同步信息的发送端为第一UWB基站，这里简称为Atx。工作时，第一UWB基站初始化时，第一UWB基站每隔固定周期向外广播一个时间同步信息，该信息即提供给不发送时间同步信息的另外两个UWB基站(第二UWB基站和第三UWB基站)，这里将第二UWB基站和第三UWB基站均简称为Arx，同时，第一UWB基站也向待定位标签发送时间同步信息，使定位环境范围内所有的UWB基站和待定位标签都时间同步。本实施例中，Atx既有接收数据信息功能的作用，也有发射数据信息功能的作用，而Arx可以仅具有接收数据信息功能的作用。

由于待定位标签采用S-ALOHA算法向UWB基站发送自身设备信息，需要保证定位环境内的所有待定位标签都有同样的参考时间，所以需要对每个待定位标签进行时间同步，待定位标签的时间是由芯片内部的定时器产生，通过第一UWB基站发送一个同步信息，由待定位标签接收后重置芯片内部的定时器达到时间同步。

待定位标签是被动接收时间同步信息的，待定位标签在未接收到Atx发送的时间同步信息时，均处于低功耗接收状态，等待接收Atx发送的时间同步信息，当接收到Atx的时间同步信息后，此时待定位标签与Atx、Arx均时间同步，而后在第一UWB基站发送时间同步信息的一个周期时间(优选为1秒)内，取随机的时间片，在到达随机的该时间片时，待定位标签向第一、第二和第三UWB基站发送自身数据信息，第一、第二和第三UWB基站接收到待定位标签的自身数据信息，即可获取待定位标签的发送信息的时间，以及第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站分别接收到待定位标签的自身设备信息的时间，第一、第二和第三UWB基站将这些信息上传至上位机，上位机采用UWB算法的TDOA技术计算出待定位标签的精确位置。

上述过程中，对于待定位标签：

如图6所示，待定位标签开始时，处于低功耗接收状态，然后判断是否接收到时间同步信息，如果否，则继续保持低功耗接收状态，如果是，则关闭低功耗状态，然后在1秒内取随机时间片段，然后判断随机时间片段是否到达，如果否，则在规定时间内继续判断，如果是，则向第一、第二和第三UWB基站发送自身设备信息，待定位标签发送完成后，进行休眠补时(例如随机取到0.5秒，则补时的时间为1秒-0.5秒＝0.5秒)，补时结束后，内部的定时器重置，待定位标签重新开启低功耗接收状态，等待再一次接收时间同步信息；

对于Atx：

如图7所示，Atx向另外两个Arx和待定位标签主动发送时间同步信息，然后Atx进行初始化，并定时发送时间同步信息的周期为1秒，完成后，立即Atx开启接收状态，开始接收信息，然后Atx判断是否接收到待定位标签发出的自身设备信息，如果否，则在规定时间内继续判断，如果是，则将接收到的数据信息上传给上位机，上述过程执行完成后，判断1秒定时时间是否到达，如果否，则返回开始接收信息步骤继续接收信息，如果是，则Atx再一次向另外两个Arx和待定位标签发送时间同步信息，然后返回初始化步骤重新执行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于UWB技术的室内定位方法，用于无线定位系统，其特征在于，所述无线定位系统包括上位机和能够与所述上位机进行无线通信的第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站，以及能够采用时隙型S-ALOHA算法与所述第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站进行无线通信的若干待定位标签，所述方法包括：

步骤1：所述第一UWB基站向第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签发送时间同步信息，实现所述第二UWB基站、第三UWB基站和待定位标签与所述第一UWB基站的时间同步；

步骤2：所述待定位标签根据时隙型ALOHA算法，向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站发送自身设备信息；

步骤3：所述第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收所述待定位标签发送的自身设备信息，并将该信息上传至所述上位机；

步骤4：所述上位机对获得的信息进行计算，并结合第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的实际位置，实现对所述待定位标签的位置定位。

2.根据权利要求1所述的基于UWB技术的室内定位方法，其特征在于，所述步骤1之后，包括：

步骤11：所述第一UWB基站初始化数据，并设定发送时间同步信息的一个周期的时间。

3.根据权利要求2所述的基于UWB技术的室内定位方法，其特征在于，所述步骤2进一步为：

经过时间同步后的所述待定位标签在所述第一UWB基站发送时间同步信息的一个周期内，选取随机的时间片，在时间到达选取的时间片时，所述待定位标签向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站发送自身设备信息。

4.根据权利要求1-3中任一所述的基于UWB技术的室内定位方法，其特征在于，包括：所述步骤1之前，包括：

步骤0：所述待定位标签开启低功耗接收状态；

所述步骤2之后，包括：

步骤21：所述待定位标签进行休眠补时，休眠补时结束后，所述待定位标签重新开启低功耗接收状态。

5.根据权利要求4所述的基于UWB技术的室内定位方法，其特征在于，所述休眠补时的时间等于所述第一UWB基站发送时间同步信息的一个周期的时间减去所述待定位标签选取的随机时间片的时间。

6.根据权利要求5所述的基于UWB技术的室内定位方法，其特征在于，所述步骤4包括：

所述上位机根据所述第一UWB基站和第二UWB基站接收到所述待定位标签发送的自身设备信息的时间计算第一双曲线，所述上位机根据所述第二UWB基站和第三UWB基站接收到所述待定位标签发送的自身设备信息的时间计算第二双曲线，所述第一双曲线和第二双曲线交于一点，再根据第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的实际位置，计算得出待定位标签的位置信息。