CN106507302A - 一种基于uwb的三维室内定位系统 - Google Patents

Abstract

一种基于UWB的三维室内定位系统，涉及无线通信网络定位技术领域，包括固定在定位目标上的标签，至少四个固定在室内坐标已知的基站，以及一个定位终端。利用标签轮询与通讯范围内基站进行双向测距，避免了标签和基站之间的需时钟同步问题，并且采用标签打包到各基站的距离并发送给定位终端，极大地降低了定位系统的复杂度和成本；定位数据的运算放在电脑上极大减小单片机的负担使定位延时更小；采用限幅加权递推均值滤波算法对所获得的三维坐标分别进行处理，使定位精度更高。

Description

一种基于UWB的三维室内定位系统

技术领域

本发明涉及无线通信网络定位技术领域，特别涉及到一种超带宽室内定位方法和系统。

背景技术

人类70％-80％的活动发生在室内，因此基于位置服务在生活中变得越来越重要，尤其是利用移动设备通过位置感知来提供导航定位服务成为未来研究的重点。

室外定位一般使用GPS技术，但是在室内由于建筑物的遮挡，GPS信号会严重削弱，而且受到多路径效应的影响，存在定位困难和精度不足的问题。

现行的室内定位技术主要有高精度GPS定位、WIFI定位技术、ZigBee定位技术、RFID射频技术、惯性导航技术和UWB技术等。WiFi定位和ZigBee定位误差较大不适合室内定位；RFID传输距离较近，需要对标签密集布点，工程复杂并且成本较高；惯性导航可以不依赖外部设备单独工作，但是惯性导航收到漂移误差积累的影响不能进行长时间或长距离的定位。现行UWB定位大都采用信号到达时间进行定位，需要实现基站与标签之间时钟同步，且定位数据均是由基站传输给定位终端，这会增加系统的复杂性和成本。

发明内容

针对以上定位系统的缺点，本发明提出一种简单的、成本低的并且定位精度高的可用于室内移动目标定位的超宽带室内定位系统。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于UWB的三维室内定位系统，包括固定在定位目标上的标签，至少四个固定在室内坐标已知的基站，以及一个定位终端。

进一步的，所述基站包括USB接口、电源管理模块、稳压模块、UWB通讯模块、单片机、电池；标签包括USB接口、电源管理模块、稳压模块、UWB通讯模块、单片机、电池、ZigBee模块；所述USB接口负责对电池充电以及对单片机烧录程序；电池、电源管理模块和稳压模块构成电源系统为整个模块进行供电；标签ZigBee模块与单片机通过串口连接，单片机与UWB通讯模块之间通过SPI接口连接；

定位终端包含ZigBee模块、单片机、电脑主机、USB转串口模块；所述单片机与ZigBee通讯模块通过UART串口进行连接；所述定位终端的ZigBee模块与服务器通过USB连接。

进一步的，所述标签和基站之间采用双向测距方式获取到各基站的距离信息，基站与标签之间无需进行时钟同步。

进一步的，标签到各基站的距离信息由标签打包后，该定位信息包通过zigbee通讯模块发送给定位终端。

进一步的，标签和基站之间的双向测距方式采用双向测距的“Using threemessages”通讯方式获得标签与基站之间信号飞行时间，具体操作如下：标签先基站发送定位请求数据包poll，并记录发送时间poll_tx；基站于时间poll_tx接收并确认请求定位数据包，然后延时至时间answer_tx发送应答数据包；标签与时间answer_rx接收并确认应答数据包，然后延时至时间final_tx再次发送确认数据包给基站，基站于时间final_rx接收到确认数据包后，将之前的记录的时间戳poll_rx，answer-tx以及final_rx打包发送给标签；标签汇总自身所记录的时间戳poll_tx，answer-rx,final_tx以及基站发送来的时间戳进行计算获取信号飞行时间，

具体公式如下：

T_round1＝answer_rx-poll_tx

T_reply1＝answer_tx-poll_rx

T_round2＝final_rx-answer_tx

T_reply2＝final_tx-answer_rx

然后乘以光速获得标签到基站之间的直线距离。

进一步的，定位信息包经ZigBee传送给定位终端后，定位中端通过三边定位进行运算获取目标物体的三维坐标，并对所获得的三轴坐标分别进行限幅加权递推均值滤波算法，获取目标物体的更精确的空间坐标。

本发明的优点是：上述方案利用标签轮询与通讯范围内基站进行双向测距，避免了标签和基站之间的需时钟同步问题，并且采用标签打包到各基站的距离并发送给定位终端，极大地降低了定位系统的复杂度和成本；定位数据的运算放在电脑上极大减小单片机的负担使定位延时更小；采用限幅加权递推均值滤波算法对所获得的三维坐标分别进行处理，使定位精度更高。

附图说明：

图1为本发明实施例一种基于UWB的三维室内定位系统的结构原理图。

图2为本发明实施例一种基于UWB的三维室内定位系统的基站的结构原理示图。

图3为本发明实施例一种基于UWB的三维室内定位系统的标签的结构原理示图。

图4为本发明实施例一种基于UWB的三维室内定位系统的定位终端的结构原理示图。

图5为本发明实施例一种基于UWB的三维室内定位系统基站与标签之间双向测距时标记时间戳的时间轴。

图6为本发明实施例一种基于UWB的三维室内定位系统定位流程图。

具体实施方式：

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明作进一部的说明：

如图1所示：本发明实施例基于UWB的三维室内定位装置及系统包括固定在定位目标上的标签，至少四个固定在室内坐标已知的基站，以及一个定位终端。系统的信息流为：标签和基站之间进行UWB双向通讯获取标签到各基站之间的距离信息，基站与标签之间无需进行时钟同步；标签将到各基站之间的距离信息进行打包，通过ZigBee通讯模块传输给定位终端，定位终端进行数据的解算，得到定位目标的空间坐标。

如图2图3和图4所示：本发明基站包括USB接口、电源管理模块、稳压模块、UWB通讯模块、单片机、电池；标签包括USB接口、电源管理模块、稳压模块、UWB通讯模块、单片机、电池、ZigBee模块；定位终端包含ZigBee模块、单片机、电脑主机、USB转串口模块；其中单片机与UWB通讯模块通过SPI接口进行连接，单片机控制UWB信号的收发；标签ZigBee模块与单片机通过串口连接，用于距离信息的传输；所述USB接口负责对电池充电以及对单片机烧录程序；电池、电源管理模块和稳压模块构成电源系统为整个模块进行供电。定位终端的ZigBee模块与服务器通过USB连接。本发明中UWB通讯模块为dacaWave DWM1000芯片。

如图5所示：本发明实施例一种基于UWB的三维室内定位系统，标签和基站之间的双向测距方式采用双向测距的“Using three messages”通讯方式获得标签与基站之间信号飞行时间，标签先基站发送定位请求数据包poll，并记录发送时间poll_tx；基站于时间poll_tx接收并确认请求定位数据包，然后延时至时间answer_tx发送应答数据包；标签与时间answer_rx接收并确认应答数据包，然后延时至时间final_tx再次发送确认数据包给基站，基站于时间final_rx接收到确认数据包后，将之前的记录的时间戳poll_rx，answer-tx以及final_rx打包发送给标签；标签汇总自身所记录的时间戳poll_tx，answer-rx,final_tx以及基站发送来的时间戳进行计算获取信号飞行时间，具体公式如下：

T_round1＝answer_rx-poll_tx

T_reply1＝answer_tx-poll_rx

T_round2＝final_rx-answer_tx

T_reply2＝final_tx-answer_rx

然后乘以光速获得标签到基站之间的直线距离。

如图6所示：本发明一种基于UWB的三维室内定位系统用于室内定位的流程如下：

首先系统上电，标签确定通信范围内基站的个数，如果基站个数少于四个，不能实现空间定位，标签继续查询基站个数；当基站个数大于等于四个的时候，标签轮询对基站进行双向测距获取标签到各基站之间的距离信息，然后对距离信号进行打包，通过ZigBee通讯模块经距离信息发送给定位终端；定位终端接收到距离信息包后，对数据进行解算，获取定位目标当前的空间坐标并利用限幅加权递推均值滤波算法对所获得的三维坐标分别进行处理，获得精度更高定位坐标。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方法，其描述较为具体和详细，不能因此理解为对发明专利的限制。对于本领域内的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于UWB的三维室内定位系统，其特征在于，包括固定在定位目标上的标签，至少四个固定在室内坐标已知的基站，以及一个定位终端。

2.据权利要求1所述的基于UWB的三维室内定位装置，其特征在于，所述基站包括USB接口、电源管理模块、稳压模块、UWB通讯模块、单片机、电池；标签包括USB接口、电源管理模块、稳压模块、UWB通讯模块、单片机、电池、ZigBee模块；所述USB接口负责对电池充电以及对单片机烧录程序；电池、电源管理模块和稳压模块构成电源系统为整个模块进行供电；标签ZigBee模块与单片机通过串口连接，单片机与UWB通讯模块之间通过SPI接口连接；

定位终端包含ZigBee模块、单片机、电脑主机、USB转串口模块；所述单片机与ZigBee通讯模块通过UART串口进行连接；所述定位终端的ZigBee模块与服务器通过USB连接。

3.根据权利要求2所述的基于UWB的三维室内定位系统,其特征在于，所述标签和基站之间采用双向测距方式获取到各基站的距离信息，基站与标签之间无需进行时钟同步。

4.根据权利要求3所述的基于UWB的三维室内定位系统,其特征在于，标签到各基站的距离信息由标签打包后，该定位信息包通过zigbee通讯模块发送给定位终端。

5.根据权利要求3所述的基于UWB的三维室内定位系统,其特征在于，标签和基站之间的双向测距方式采用双向测距的“Using three messages”通讯方式获得标签与基站之间信号飞行时间，具体操作如下：标签先基站发送定位请求数据包poll，并记录发送时间poll_tx；基站于时间poll_tx接收并确认请求定位数据包，然后延时至时间answer_tx发送应答数据包；标签与时间answer_rx接收并确认应答数据包，然后延时至时间final_tx再次发送确认数据包给基站，基站于时间final_rx接收到确认数据包后，将之前的记录的时间戳poll_rx，answer-tx以及final_rx打包发送给标签；标签汇总自身所记录的时间戳poll_tx，answer-rx，final_tx以及基站发送来的时间戳进行计算获取信号飞行时间T_tofT_tof，具体公式如下：

T_round1＝answer_rx-poll_tx

T_reply1＝answer_tx-poll_rx

T_round2＝final_rx-answer_tx

T_reply2＝final_tx-answer_rx

$T_{tof}=\frac{(T_{round1}\×T_{round2}-T_{reply1}\×T_{reply2})}{(T_{round1}+T_{round2}+T_{reply1}+T_{reply2})}$

然后乘以光速获得标签到基站之间的直线距离。

6.根据权利要求4所述的基于UWB的三维室内定位系统，其特征在于，定位信息包经ZigBee传送给定位终端后，定位中端通过三边定位进行运算获取目标物体的三维坐标，并对所获得的三轴坐标分别进行限幅加权递推均值滤波算法，获取目标物体的更精确的空间坐标。

7.根据权利要求2所述的基于UWB的三维室内定位系统，其特征在于，所述的UWB通讯模块为dacaWave DWM1000芯片。