CN106646354B - 基于超宽带和超声波的定位方法和定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超宽带和超声波的定位方法和定位装置。在每一个时间周期T内，该基于超宽带和超声波的定位方法执行如下步骤：获取多个基站节点的位置信息；利用超宽带测距和超声波测距结合的方法得到定位目标到所述多个基点节点中至少3个基站节点的距离；以及利用所述至少3个基站节点的位置信息以及所述定位目标到所述至少3个基站节点的距离，确定所述定位目标的位置信息。本发明提供的定位装置和定位方法采用超宽带（UWB，ultra wideband）和超声波的结合方式，很好地结合了UWB的速度快、受干扰小和超声波精度高的优点，实现了高精度且高响应速度的定位。

Description

基于超宽带和超声波的定位方法和定位装置

技术领域

本发明涉及一种基于超宽带和超声波的定位方法及定位装置。

背景技术

随着虚拟现实行业的发展，目前市场缺少廉价而灵活准确的定位方案。这里所说的定位，就是确定体验馆中的参与者在场基于超宽带和超声波的定位方法及装置馆中的绝对空间位置，并反馈到所有参与游戏的玩家和游戏服务器上，进而执行群体游戏所必需的各种游戏逻辑。

目前，市场上并不存在足够成熟稳定的虚拟现实（VR，virtual reality）空间定位方案，亦或者用巨大的成本以及灵活度的丧失作为代价。这样的程度恐怕还远远不能称之为解决方案，也远远无法满足众多体验馆从业者的胃口。

发明内容

本发明提供一种基于超宽带和超声波的定位方法及定位装置，既可在利用超声波信号的高精度的优点，又可以利用超宽带信号的速度快且受干扰小的优点，且根据实际情况动态调整超声波和超宽带在定位中的取值权重，从而实现了高精度且高速度的定位。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种基于超宽带和超声波的定位方法，在每一个时间周期T内，该定位方法执行如下步骤： 获取多个基站节点的位置信息；利用超宽带测距和超声波测距结合的方法得到定位目标到多个基点节点中至少3个基站节点的距离；以及利用至少3个基站节点的位置信息以及定位目标到至少3个基站节点的距离，确定定位目标的位置信息。

示例性地，利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到至少3个基站节点的距离包括如下步骤：定位目标向至少3个基站节点发送轮询数据包，轮询数据包包括至少3个基站节点之一的地址信息；符合地址信息的基站节点收到轮询数据包后，向定位目标发出请求包；定位目标收到请求包后，向基站节点发送应答包;以及基站节点接受应答包，对至少3个基站节点中的每个重复以上步骤。

示例性地，利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到至少3个基站节点的距离包括：定位目标向至少3个基站节点发送基于第一超宽带信号的轮询数据包；符合地址信息的基站节点收到轮询数据包后，向定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包并记录第二超宽带信号的发送时间；定位目标收到请求包后，向基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包；基站节点接受应答包且记录第三超宽带信号的接受时间；以及得到第二超宽带信号的发送时间与信号接受时间之差作为第一时间T1。

示例性地，第一超宽带信号的轮询数据包还包括超声波同步信息，定位方法还包括：基站节点在向定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包的同时，启动超声波信号定时器。

示例性地，在定位目标收到请求包后，向基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包的同时，定位目标向基站节点发送基于超声波信号的另一应答包，而且，在基站节点接受应答包且记录信号接受时间的同时，接受另一应答包且使得超声波信号定时器停止记时而获得第二时间T2。

示例性地，该定位方法还包括：在基站节点接受另一应答包且使得超声波信号定时器停止记时而获得第二时间T2的同时，利用惯性导航系统测得定位目标的移动速度V。

示例性地，利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到至少3个基站节点的距离还包括：对于至少3个基站节点中的每个，进行以下步骤：利用公式(T1/2)*V1计算得到第一距离s1；利用公式T2*V2计算得到第二距离s2；利用公式V*T计算得到定位目标的移动距离；计算当前周期得到的第二距离与前一周期得到的第二距离之间的差值；将差值与定位目标的移动距离进行比对，根据对比结果计算获得定位目标到基站节点的距离s，其中s=s1*a+s2*b,a为超宽带信号的权重，b为超声波信号的权重，a的范围为50%以上且90%以下，b的范围为10%以上且50%以下，a+b=1，其中V1是光速，V2是声音的传播速度。

示例性地，将根据对比结果计算获得定位目标到基站节点的距离s，包括：如果差值大于4倍的移动距离，a取值为90%而b的取值为10%；如果差值小于述定位目标的移动距离，a的取值为50%，b的取值为50%；以及如果差值大于述定位目标的移动距离且小于4倍的移动距离，a的取值为大于50%且小于90%，而b的取值为大于10%且小于50%。

本发明的另一个方面还提供一种基于超宽带和超声波的定位装置，包括：获取单元，构造为在每个时间周期T内获取多个基站节点的位置信息；测距单元，构造为利用超宽带测距和超声波测距结合的方法得到定位目标到多个基点节点中至少3个基站节点的距离；位置确定单元，构造为利用至少3个基站节点的位置信息以及定位目标到至少3个基站节点的距离确定定位目标的位置信息。

示例性地，测距单元还包括：第一超宽带信号发射单元，构造为向至少3个基站节点发送基于第一超宽带信号的轮询数据包；第二超宽带信号发射单元，构造为向定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包且记录第二超宽带信号的发送时间；超声波信号定时器，构造为在向定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包的同时，启动定时功能；第三超宽带信号发射单元，构造为在定位目标收到请求包后，向基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包； 超声波信号发射单元，构造为在第三超宽带信号发射单元向基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包的同时，向基站节点发送基于超声波信号的另一应答包；第三超宽带信号接受单元，构造为接受应答包且记录第三超宽带信号的接受时间；控制单元，构造为在基站节点接受另一应答包的同时，控制超声波信号定时器停止记时而获得第二时间T2；惯性导航系统，构造为测量定位目标的移动速度V；计算单元，构造为计算第二超宽带信号的发送时间与信号接受时间之差作为第一时间T1，且计算第一距离s1、第二距离s2以及定位目标的移动距离且根据公式s1*a+s2*b计算定位目标到基站节点的距离s,其中a为超宽带信号的权重，b为超声波信号的权重，a的范围为50%以上且90%以下，b的范围为10%以上且50%以下，a+b=1，V1是光速，V2是声音的传播速度。

与有技术相比，上述技术方案中的任一个具有以下优点或有益效果：

在本发明的基于超宽带和超声波的定位方法及定位装置中，既可利用超声波信号的高精度的优点，又可以利用超宽带信号的速度快且受干扰小的优点，且根据实际情况惯性导航系统的测量结果动态调整超声波和超宽带在定位中的取值权重，从而实现了高精度且高速度的定位。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于超宽带和超声波的定位方法的流程图，

图2是本发明的定位方法中信号传输的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参看图1，图1示出了本发明提供的基于超宽带和超声波的定位方法的流程图。基于本发明提供的定位方法，能够精确且快速的确定定位目标的位置信息。

根据本发明实施例的基于超宽带和超声波的定位方法，在每一个时间周期T内，该定位方法执行如下步骤：

获取多个基站节点的位置信息；

利用超宽带测距和超声波测距结合的方法得到定位目标到多个基点节点中至少3个基站节点的距离；以及

利用至少3个基站节点的位置信息以及定位目标到至少3个基站节点的距离，确定定位目标的位置信息。

其中定位目标位于多个基站节点构成的网络中，每个定位目标至少对应于3个基站节点，用于确定定位目标的位置信息。

示例性地，基站节点或定位目标的位置信息可以是三维笛卡尔坐标系中的坐标，或者可以是球坐标系中的坐标。

可选地，图2给出了确定每个基站站点到定位目标的距离时的信号传输的示意图，参考图2，利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到所述至少3个基站节点的距离包括如下步骤：

S11.该定位目标向所述至少3个基站节点发送poll轮询数据包，该轮询数据包包括所述至少3个基站节点之一的地址信息；

S12.匹配该地址信息的基站节点收到poll轮询数据包后，向定位目标发出request请求包；

S13.该定位目标收到request请求包后，向基站节点发送answer应答包;以及

S14.基站节点接受answer应答包。

对于至少对至少3个基站节点中的每个重复以上步骤S11-S14。

具体地，对于至少3个基站节点中的每个，利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到至少3个基站节点的距离可以包括：

定位目标向至少3个基站节点发送基于第一超宽带信号的poll轮询数据包；

符合地址信息的基站节点收到poll轮询数据包后，向定位目标发送基于第二超宽带信号的request请求包并记录第二超宽带信号的发送时间；

定位目标收到request请求包后，向基站节点发送基于第三超宽带信号的answer应答包；

基站节点接受answer应答包且记录第三超宽带信号的接受时间；以及

得到第二超宽带信号的发送时间与信号接受时间之差作为第一时间T1。

可选地，基于第一超宽带信号的poll轮询数据包还携带有超声波同步信息，当基站节点在向定位目标发送基于第二超宽带信号的request请求包的同时，启动所述基站的超声波信号定时器开始计时。

可选地，在定位目标收到request请求包后，向基站节点发送基于第三超宽带信号的answer应答包的同时，定位目标向基站节点发送基于超声波信号的另一应答包，而且，在基站节点接受应答包且记录第三超宽带信号的信号接受时间的同时，接受另一应答包且使得超声波信号定时器停止记时而获得第二时间T2。

可选地，根据本发明实施例的超宽带测距和超声波测距结合的定位方法还包括：在基站节点接受另一应答包且使得超声波信号定时器停止记时而获得第二时间T2的同时，利用惯性导航系统测得定位目标的移动速度V。

示例性地，该惯性导航系统可以通过9轴传感器（磁力，重力，陀螺仪）确定物体的运动方向，得到物体的位移趋势，在确定方向上的加速度得出运动的速度，通过微积分得到物体的位移趋势。

示例性地，其中利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到至少3个基站节点的距离还包括：对于至少3个基站节点中的每个，进行以下步骤：利用公式(T1/2)*V1计算得到第一距离s1；利用公式T2*V2计算得到第二距离s2；利用公式V*T计算得到定位目标的移动距离；计算当前周期得到的第二距离与前一周期得到的第二距离之间的差值；将差值与定位目标的移动距离进行比对，根据对比结果计算获得定位目标到基站节点的距离s，其中=s1*a+s2*b,a为超宽带信号的权重，b为超声波信号的权重，a的范围为50%以上且90%以下，b的范围为10%以上且50%以下，a+b=1，其中V1是光速，V2是声音的传播速度。

示例性地，为了提高精度，第一距离s1、第二距离s2和定位目标的移动速度V可以通过高斯滤波得到，通过高斯滤波可以滤除信号噪声。

示例性地，将根据对比结果计算获得定位目标到基站节点的距离s，包括：如果差值大于4倍的移动距离，a取值为90%而b的取值为10%；如果差值小于述定位目标的移动距离，a的取值为50%，b的取值为50%；以及如果差值大于述定位目标的移动距离且小于4倍的移动距离，a的取值为大于50%且小于90%，而b的取值为大于10%且小于50%。

由以上可知，在本发明的实施例中，通过动态调整超宽带信号和超声波信号在距离计算时的权重，可以实现：当超声波信号受到的干扰较大时，减小超声波信号的权重而提高超宽带信号的权重，而当超声波信号受到的干扰较小或者没有干扰时，增大精度较大的超声波信号的权重而减小精度较小的超宽带信号的权重，从而实现动态调节。

示例性地，在本发明的实施例中，利用至少3个基站节点的位置信息以及定位目标到至少3个基站节点的距离，确定定位目标的位置信息可以包括利用三个基站节点到定位目标的距离以及三个基站节点的位置坐标而得到定位目标的位置信息，例如，每个基站节点在以定位目标为圆心的圆上，而基站节点到定位目标的距离就是该圆的半径，利用圆的方程获得以定位目标的位置信息为未知数的函数，三个基站节点可以得到三个函数和三个未知数，求解即可得到定位目标的位置信息。

本发明的实施例还提供一种基于超宽带和超声波的定位装置，包括：获取单元，构造为在每个时间周期T内获取多个基站节点的位置信息；测距单元，构造为利用超宽带测距和超声波测距结合的方法得到定位目标到多个基点节点中至少3个基站节点的距离；位置确定单元，构造为利用至少3个基站节点的位置信息以及定位目标到至少3个基站节点的距离确定定位目标的位置信息。

示例性地，该测距单元还包括：第一超宽带信号发射单元，构造为向至少3个基站节点发送基于第一超宽带信号的轮询数据包；第二超宽带信号发射单元，构造为向定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包且记录第二超宽带信号的发送时间；超声波信号定时器，构造为在向定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包的同时，启动定时功能；第三超宽带信号发射单元，构造为在定位目标收到请求包后，向基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包；超声波信号发射单元，构造为在第三超宽带信号发射单元向基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包的同时，向基站节点发送基于超声波信号的另一应答包；第三超宽带信号接受单元，构造为接受应答包且记录第三超宽带信号的接受时间；控制单元，构造为在基站节点接受另一应答包的同时，控制超声波信号定时器停止记时而获得第二时间T2；惯性导航系统，构造为测量定位目标的移动速度V；计算单元，构造为计算第二超宽带信号的发送时间与信号接受时间之差作为第一时间T1，且计算第一距离s1、第二距离s2以及定位目标的移动距离且根据公式s1*a+s2*b计算定位目标到基站节点的距离s,其中a为超宽带信号的权重，b为超声波信号的权重，a的范围为50%以上且90%以下，b的范围为10%以上且50%以下，a+b=1，V1是光速，V2是声音的传播速度。

根据本发明实施例的基于超宽带和超声波的定位方法和定位装置，实现了超宽带（UWB）、惯性导航和超声波三种定位的优缺点互补，其中UWB速度快，不怕遮挡，但是精度低；9轴惯性导航，能够通过微积分获得物体的位移趋势而超声波精度高，但是速度慢，容易受到外界干扰，本发明的方法通过结合惯性导航系统的结果动态调整权重，实现了：超声波信号受到的干扰较大时，减小超声波信号的权重而提高超宽带信号的权重，而当超声波信号受到的干扰较小或者没有干扰时，增大精度较大的超声波信号的权重而减小精度较小的超宽带信号的权重，从而实现了高精度以及高速度的定位。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种基于超宽带和超声波的定位方法和定位装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于超宽带和超声波的定位方法，在每一个时间周期T内，该定位方法执行如下步骤：

获取多个基站节点的位置信息；

利用超宽带测距和超声波测距结合的方法得到定位目标到多个基站节点中至少3个基站节点的距离；以及

利用所述至少3个基站节点的位置信息以及所述定位目标到所述至少3个基站节点的距离，确定所述定位目标的位置信息；

定位目标向所述至少3个基站节点发送基于第一超宽带信号的轮询数据包；

符合地址信息的基站节点收到轮询数据包后，向所述定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包且记录所述第二超宽带信号的发送时间；

向所述定位目标发送基于第二超宽带信号的所述请求包的同时，启动基站节点的超声波信号定时器开始计时；

在所述定位目标收到所述请求包后，向所述基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包的同时，所述定位目标向所述基站节点发送基于超声波信号的另一应答包，而且，在所述基站节点接收所述应答包且记录所述第三超宽带信号的接收时间的同时，接收另一应答包且使得所述超声波信号定时器停止计 时而获得第二时间T2；

测量所述定位目标的移动速度V；

计算所述第二超宽带信号的发送时间与所述第三超宽带信号的接收时间之差作为第一时间T1；

利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到所述至少3个基站节点的距离还包括：对于所述至少3个基站节点中的每个，进行以下步骤：

利用公式(T1/2)*V1计算得到第一距离s1；

利用公式T2*V2计算得到第二距离s2；

利用公式V*T计算得到所述定位目标的移动距离；

计算当前周期得到的所述第二距离与前一周期得到的第二距离之间的差值；

将所述差值与所述定位目标的移动距离进行比对，根据对比结果计算获得所述定位目标到所述基站节点的距离s，其中s=s1*a+s2*b,a为超宽带信号的权重，b为超声波信号的权重，a的范围为50%以上且90%以下，b的范围为10%以上且50%以下，a+b=1，

其中V1是光速，V2是声音的传播速度。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其中利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到所述至少3个基站节点的距离包括如下步骤：

所述定位目标向所述至少3个基站节点发送轮询数据包，所述轮询数据包包括所述至少3个基站节点之一的地址信息；

符合所述地址信息的所述基站节点收到所述轮询数据包后，向所述定位目标发出请求包；

所述定位目标收到所述请求包后，向所述基站节点发送应答包;以及

所述基站节点接收所述应答包，

对所述至少3个基站节点中的每个重复以上步骤。

3.根据权利要求2所述的定位方法，其中利用超宽带测距和超声波测距结合的方法测量定位目标到所述至少3个基站节点的距离包括：

所述定位目标向所述至少3个基站节点发送基于第一超宽带信号的所述轮询数据包；

符合所述地址信息的所述基站节点收到所述轮询数据包后，向所述定位目标发送基于第二超宽带信号的所述请求包并记录所述第二超宽带信号的发送时间；

所述定位目标收到所述请求包后，向所述基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包；

所述基站节点接收所述应答包且记录所述第三超宽带信号的接收时间；以及

得到所述第二超宽带信号的发送时间与所述第三超宽带信号的接收时间之差作为第一时间T1。

4.根据权利要求3所述的定位方法，其中所述第一超宽带信号的轮询数据包还包括超声波同步信息，所述定位方法还包括：所述基站节点在向所述定位目标发送基于第二超宽带信号的所述请求包的同时，启动超声波信号定时器。

5.根据权利要求1所述的定位方法，还包括：在所述基站节点接收另一应答包且使得所述超声波信号定时器停止计 时而获得第二时间T2的同时，利用惯性导航系统测得所述定位目标的移动速度V。

6.根据权利要求1所述的定位方法，其中将根据对比结果计算获得所述定位目标到所述基站节点的距离s，包括：

如果所述差值大于4倍的所述移动距离，所述a取值为90%而所述b的取值为10%；

如果所述差值小于所述定位目标的移动距离，所述a的取值为50%，所述b的取值为50%；以及

如果所述差值大于所述定位目标的移动距离且小于4倍的所述移动距离，所述a的取值为大于50%且小于90%，而所述b的取值为大于10%且小于50%。

7.一种基于超宽带和超声波的定位装置，包括：

获取单元，构造为在每个时间周期T内获取多个基站节点的位置信息；

测距单元，构造为利用超宽带测距和超声波测距结合的方法得到定位目标到多个基站节点中至少3个基站节点的距离；

位置确定单元，构造为利用所述至少3个基站节点的位置信息以及所述定位目标到所述至少3个基站节点的距离确定所述定位目标的位置信息；

所述测距单元还包括：

第一超宽带信号发射单元，构造为定位目标向所述至少3个基站节点发送基于第一超宽带信号的轮询数据包；

第二超宽带信号发射单元，构造为符合地址信息的基站节点收到轮询数据包后，向所述定位目标发送基于第二超宽带信号的请求包且记录所述第二超宽带信号的发送时间；

超声波信号定时器，构造为在向所述定位目标发送基于第二超宽带信号的所述请求包的同时，启动定时功能；

第三超宽带信号发射单元，构造为在所述定位目标收到所述请求包后，向所述基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包；

超声波信号发射单元，构造为在所述第三超宽带信号发射单元向所述基站节点发送基于第三超宽带信号的应答包的同时，定位目标向所述基站节点发送基于超声波信号的另一应答包；

第三超宽带信号接收单元，基站节点构造为接收所述应答包且记录所述第三超宽带信号的接收时间；

控制单元，构造为在所述基站节点接收另一应答包的同时，控制所述超声波信号定时器停止计 时而获得第二时间T2；

惯性导航系统，构造为测量所述定位目标的移动速度V；

计算单元，构造为计算所述第二超宽带信号的发送时间与所述第三超宽带信号的接收时间之差作为第一时间T1，且利用公式(T1/2)*V1计算得到第一距离s1，利用公式T2*V2计算得到第二距离s2，以及计算当前周期得到的所述第二距离与前一周期得到的第二距离之间的差值，并且将所述差值与所述定位目标的移动距离进行比对，根据对比结果计算获得所述定位目标到所述基站节点的距离s, 其中s=s1*a+s2*b,

其中a为超宽带信号的权重，b为超声波信号的权重，a的范围为50%以上且90%以下，b的范围为10%以上且50%以下，a+b=1，其中V1是光速，V2是声音的传播速度。

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