CN107329111B - 基于无线tof的快速定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于无线TOF的快速定位方法及系统，该方法包括步骤一、通过待定位的标签向至少三个基站广播测距请求；步骤二、待步骤一中的各个基站均收到测距请求后，各个基站根据服务器中预设的时间顺序，逐一向标签发送应答报文；步骤三、待标签收齐步骤二中的所有应答报文后，通过标签汇总生成最终报文，并将最终报文向各个基站广播；步骤四、待各个基站接收到最终报文后，各个基站根据各自的ID提取其中对应的时间戳数据，并以此计算各自与标签之间的距离；步骤五、根据各个基站与标签之间的距离，由服务器计算标签所在位置；其具有高效率定位，提升了系统容量，降低功耗的优点。

Description

基于无线TOF的快速定位方法及系统
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域，特别涉及一种基于无线TOF的快速定位方法及系统。
背景技术
无线双向对称测距（SDS-TWR）是一种高精度的测距方法，例如TOF测距方法。
TOF测距方法可以理解为飞行时差测距（Time of Flight Measurement）方法，它主要利用信号在两个异步收发机之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。
参照图1以说明TOF测距的基本原理，本地节点A向远程节点B发送一个Poll数据包，当B节点接收到Poll数据包时，会自动应答一个Response数据包。A节点记录自发出Poll数据包到接收到Response数据包经过的时间为TTOT；B节点记录自接收到Poll数据包到发出Response数据包经过的时间为TTAT；用总时间TTOT减去周转时间TTAT，即为A、B节点的数据包（poll、Response）在空中飞行度过的往返时间，记为TRTT。假定在每个方向发生的飞行时间TTOF等于50%的往返时间TRTT，则有：TTOF=TRTT/2=(TTOT-TTAT)/2，计算出TTOF后，可计算得到A、B节点之间的距离D，D=TTOFc（c代表光速，电磁波是光波的一种,所以其速度和光速一样）。
实时定位系统，即RTLS（Real Time Location Systems），是一种基于无线电信号的定位手段。在一个分布有多个固定基站的定位系统中，如果通过无线测距技术获知待定位标签与各个基站之间的距离，即可计算出标签所在位置，如图2示意的基于无线TOF测距技术的定位系统，它包括待定位的标签X，以及分布于附近的基站a、基站b、基站c，通过TOF测距可确定标签X距离基站a的距离Da、距离基站b的距离Db、距离基站c的距离Dc，分别以基站a、基站b、基站c为圆心， Da、Db、Dc为半径作圆，计算三个圆的交点即为标签X所在位置，实现对标签X的实时定位。
但是在该基于TOF的定位系统中，待定位的标签需要逐一轮流地与每个基站进行测距，以图2中的基于无线TOF测距技术的定位系统为例，请参见图3，图中由上至下按照时序，标签X先与基站a进行测距,标签X与基站a之间的报文收发构成一个轮回，一个轮回包含三个（图中测距请求Poll、应答报文Response、结果报文Final）甚至更多个报文，轮回结束即完成一次测距，耗时T1，之后标签X与基站b进行测距，重复上述轮回，耗时T2，最后标签X与基站c进行测距，重复上述轮回，耗时T3，为避免冲突，下一次poll数据包的发出时间与前一次final数据包的被接收时间间隔时间Ts由图可见，定位的总耗时是T1、T2、T3及Ts的累加。
假设每次测距的耗时相等，若一次测距需要2ms，和四个基站完成测距就需要8ms，和八个基站完成测距就需要16ms，由于每个标签都需要和所有基站轮流测距，导致定位系统的效率低下，并且随着基站的增加，定位系统的效率会成比例地降低。
发明内容
本发明的目的一在于提供一种基于无线TOF的快速定位方法，具有提高系统效率的优点。
本发明的上述目的一是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于无线TOF的快速定位方法，包括
步骤一、通过待定位的标签向至少三个基站广播测距请求；
步骤二、待步骤一中的各个基站均收到测距请求后，各个基站根据服务器中预设的时间顺序，逐一向标签发送应答报文；
步骤三、待标签收齐步骤二中的所有应答报文后，通过标签汇总生成最终报文，并将最终报文向各个基站广播；
步骤四、待各个基站接收到最终报文后，各个基站根据各自的ID提取其中对应的时间戳数据，并以此计算各自与标签之间的距离；
步骤五、根据各个基站与标签之间的距离，由服务器计算标签所在位置。
通过采用上述技术方案，改变了现有的标签与多基站之间测距的机制，现有的标签与多基站测距机制为轮流制，标签与每一个基站的测距相互独立，在时域上不重叠，这导致完成定位的耗时难以被压缩，系统效率降低，而本方案以批量操作的思想，设计了广播测距请求、批量收集应答报文生成一个最终报文以及广播该最终报文的新机制，其实质为将完成一次测距中必然包含的多个步骤分解，并将相同步骤批量操作，在保证数据不冲突的前提下，实现每一独立的测距在时域上的重叠，节约了现有技术中标签针对每一应答报文需轮流生成多个结果报文的耗时，以及通过由标签向各个基站轮流发送测距请求和结果报文的耗时，压缩了定位耗时，提高了系统效率；另外和现有的TDOA相比，测距方式实现的定位系统普遍存在系统容量低的问题，比如在拥有4个基站的模式下，一次定位需要8ms，1秒最大只能达到125Hz（1000ms/8ms=125Hz），而采用本方案可以达到330Hz；再者，由于测距耗时的缩短，标签处于工作的时间缩短，休眠时间增加，标签的功耗降低，理论上可以将电池的工作待机时间增加一倍。
进一步，步骤二中，服务器预设的时间顺序中，相邻的应答报文发送时间点间隔一预设时差Tc。
通过采用上述技术方案，相邻的应答报文的发送时间点间隔预设时差Tc能降低应答报文出现冲突的风险。
进一步，预设时差Tc的时长大于任一应答报文的最大飞行时长。
通过采用上述技术方案，在上一次应答报文送达标签之后，才有下一次应答报文的发出，能够使应答报文出现冲突的风险进一步降低。
进一步，步骤三中，在标签中设定有一超时时间Tm，当接收应答报文的总时长超出该超时时间Tm时，则判断已将所有应答报文收齐。
通过采用上述技术方案，设置超时的方式判断应答报文是否收齐较为简单易于实现。
进一步，Tm=nTc，n为基站数量。
通过采用上述技术方案，根据基站数量n以及预设时差Tc，获取超时时间的方式较为简单。
本发明的目的二在于提供一种基于无线TOF的快速定位方法，具有提高定位速度，提升系统效率的优点。
本发明的上述目的二是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于无线TOF的快速定位系统，包括
通过待定位的标签向至少三个基站广播测距请求的请求装置；
用于待各个基站均收到请求装置中的测距请求后，根据服务器中预设的时间顺序，通过各个基站逐一向标签发送应答报文的应答装置；
用于待标签收齐应答装置中的所有应答报文后，通过标签汇总生成最终报文，并将最终报文向各个基站广播的回传装置；
用于待各个基站接收到最终报文后，由各个基站根据各自的ID提取其中对应的时间戳数据，并以此计算各自与标签之间的距离的算距装置；
用于根据各个基站与标签之间的距离，通过服务器计算标签所在位置的定位装置。
通过采用上述技术方案，改变了现有的标签与多基站之间测距的机制，现有的标签与多基站测距机制为轮流制，标签与每一个基站的测距相互独立，在时域上不重叠，这导致完成定位的耗时难以被压缩，系统效率降低，而本方案以批量操作的思想，设计了广播测距请求、批量收集应答报文生成一个最终报文以及广播该最终报文的新机制，其实质为将完成一次测距中必然包含的多个步骤分解，并将相同步骤批量操作，在保证数据不冲突的前提下，实现每一独立的测距在时域上的重叠，节约了现有技术中标签针对每一应答报文需轮流生成多个结果报文的耗时，以及通过由标签向各个基站轮流发送测距请求和结果报文的耗时，压缩了定位耗时，提高了系统效率；另外和现有的TDOA相比，测距方式实现的定位系统普遍存在系统容量低的问题，比如在拥有4个基站的模式下，一次定位需要8ms，1秒最大只能达到125Hz（1000ms/8ms=125Hz），而采用本方案可以达到330Hz；再者，由于测距耗时的缩短，标签处于工作的时间缩短，休眠时间增加，标签的功耗降低，理论上可以将电池的工作待机时间增加一倍。
进一步，应答装置中，服务器预设的时间顺序中，相邻的应答报文发送时间点间隔一预设时差Tc。
通过采用上述技术方案，相邻的应答报文的发送时间点间隔预设时差Tc能降低应答报文出现冲突的风险。
进一步，预设时差Tc的时长大于任一应答报文的最大飞行时长。
通过采用上述技术方案，在上一次应答报文送达标签之后，才有下一次应答报文的发出，能够使应答报文出现冲突的风险进一步降低。
进一步，回传装置中，在标签设定有一超时时间Tm，当接收应答报文的总时长超出该超时时间时Tm，则判断已将所有应答报文收齐。
通过采用上述技术方案，设置超时的方式判断应答报文是否收齐较为简单易于实现。
进一步，Tm=nTc，n为基站数量。
通过采用上述技术方案，根据基站数量n以及预设时差Tc，获取超时时间的方式较为简单。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
一、高效率定位，在具有多基站的定位系统中，能极大地提升测距及定位效率，基站的数量越多，效率提升越高；
二、提升了系统容量，使系统容量以倍数提高；
三、降低功耗，使标签的电池工作待机时间倍数提高。
附图说明
图1为TOF测距的基本原理图；
图2为现有的基于无线TOF测距技术的定位系统的定位原理图；
图3为现有的基于无线TOF测距技术的定位系统的工作流程图；
图4为实施例的快速定位流程图；
图5为实施例的快速定位流程中产生数据的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种基于无线TOF的快速定位方法，参见图4，其示意了一待定位标签X在一个拥有n（n大于等于3）个基站的基于无线TOF的快速定位系统中实现快速定位的流程。
首先，标签X以广播的方式将测距请求poll发送到n个基站；当n个基站均接收到测距请求poll之后，每个基站按照服务器中预先设定的时间顺序依次向标签X发送应答报文Response，基站1首先向标签X发送Response（1），自Response（1）发出时间起算，间隔一预设时差Tc后，基站2向标签X发送Response（2），再间隔预设时差Tc后，基站3向标签X发送Response（3），依次类推直至基站n向标签X发送Response（n），这里Tc必然大于Response的飞行时间，例如设置为300us或150us或更短，这取决于服务器芯片的处理能力。
标签设置一超时时间Tm，Tm=nTc，当标签自接收到Response（1）时开始计时，当总时长超出Tm，即超时，则判断已经收齐所有应答报文，标签根据收集的应答报文生成最终报文Final，并以广播的方式将最终报文Final发送到n个基站。
各个基站均收到最终报文后，根据自身的ID从最终报文Final中提取其对应的时间戳数据，参见图5，数据包括：
标签采集的数据：
1、Poll Tx时间戳；
2、Response 1~n RX时间戳和对应基站的ID；
3、Final TX时间戳；
基站采集的数据：
1、标签Poll RX 时间戳；
2、本设备的Response 的TX时间戳；
3、标签最终报文Final的RX 时间戳；
距离的计算在各个基站内完成，距离计算方法和一般的双向对称测距一样。简单描述如下：
针对任何一个基站和标签的距离可以按以下公式计算：
ToF = [ (Final RX Time Stamp – Response TX Time Stamp) – (Final TXTime Stamp – Response RX Time Stamp)+（Response RX Time Stamp – Poll TX TimeStamp）- (Response TX Time Stamp – Poll RX Time Stamp)] /4，距离 Range =光速*ToF。
最后在获得标签X离n个基站的距离数据之后，服务器根据现有的定位计算方法计算得到标签X的位置。
这使得多基站定位系统的定位效率大大提升，例如当n为4时，即由拥有四个基站的定位系统完成对标签X的定位，采用现有的方式与基站的单次测距耗时为2ms，则标签完成四次测距需要8ms，若采用本实施例，每个Response的预设时差Tc是0.25ms，则完成4个基站的测距只需要3 ms，总时间减少了5 ms，基站数量越多，则效率越高。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (2)

1.一种基于无线TOF的快速定位方法，其特征是，包括：
通过待定位的标签以广播的方式将测距请求同时发送到n个基站，n大于等于3；
待所述n个基站均收到所述测距请求后，所述n个基站的每一个基站根据服务器中预设的时间顺序，在不同时间段逐一向所述标签发送n个应答报文中的一个应答报文；
待所述标签收齐所有的所述n个应答报文后，通过所述标签汇总生成最终报文，并将所述最终报文向所述n个基站同时广播；
待所述n个基站皆接收到所述最终报文后，所述n个基站根据各自的ID提取其中对应的时间戳数据，并以此计算所述n个基站的每一个基站与所述标签之间的距离；
根据所述n个基站的每一个基站与所述标签之间的距离，由所述服务器计算所述标签的所在位置；
其中所述服务器预设的时间顺序中，相邻的所述n个应答报文发送时间点皆间隔相同的预设时差Tc，以降低所述n个应答报文出现冲突的风险；
其中所述测距请求的广播发送与所述最终报文的广播发送皆是在所述n个应答报文发送的时间间隔之外；
其中所述n个基站的每一个基站收到所述最终报文后，根据自身的ID从所述最终报文中提取其对应的时间戳数据，数据包括：
所述标签采集的数据，包括：Poll Tx时间戳；Response 1 ~ n RX时间戳和对应基站的ID；Final TX时间戳；
所述基站采集的数据，包括：标签Poll RX 时间戳；本设备的Response 的TX时间戳；标签最终报文Final的RX 时间戳；
所述标签与所述n个基站的每一个基站的距离的计算在对应的所述n个基站内完成；
所述预设时差Tc的时长大于任一所述n个应答报文的最大飞行时长；
在所述标签中设定有一超时时间Tm，当接收所述n个应答报文的总时长超出该超时时间Tm时，则判断已将所有所述n个应答报文收齐；
Tm=nTc，n为基站数量。
2.一种基于无线TOF的快速定位系统，其特征是，包括：
通过待定位的标签以广播的方式将测距请求同时发送到n个基站的请求装置，n大于等于3；
用于待所述n个基站均收到所述请求装置中的所述测距请求后，根据服务器中预设的时间顺序，通过所述n个基站的每一个基站在不同时间段逐一向所述标签发送n个应答报文的每一个应答报文的应答装置；
用于待所述标签收齐所述应答装置中的所有所述n个应答报文后，通过所述标签汇总生成最终报文，并将所述最终报文向所述n个基站广播的回传装置；
用于待所述n个基站接收到所述最终报文后，由所述n个基站根据各自的ID提取其中对应的时间戳数据，并以此计算所述n个基站的每一个基站与所述标签之间的距离的算距装置；
用于根据所述n个基站的每一个基站与所述标签之间的距离，通过所述服务器计算所述标签所在位置的定位装置；
其中所述应答装置在所述服务器预设的时间顺序中，相邻的所述n个应答报文发送时间点皆间隔相同的预设时差Tc，以降低所述n个应答报文出现冲突的风险；
其中所述测距请求的广播发送与所述最终报文的广播发送皆是在所述n个应答报文发送的时间间隔之外；
其中所述n个基站的每一个基站收到所述最终报文后，根据自身的ID从所述最终报文中提取其对应的时间戳数据，数据包括：
所述标签采集的数据，包括：Poll Tx时间戳；Response 1 ~ n RX时间戳和对应基站的ID；Final TX时间戳；
所述基站采集的数据，包括：标签Poll RX 时间戳；本设备的Response 的TX时间戳；标签最终报文Final的RX 时间戳；
所述标签与所述n个基站的每一个基站的距离的计算在对应的所述n个基站内完成；
所述预设时差Tc的时长大于任一所述n个应答报文的最大飞行时长；
所述回传装置中，在所述标签设定有一超时时间Tm，当接收所述n个应答报文的总时长超出该超时时间时Tm，则判断已将所有所述n个应答报文收齐；
Tm=nTc，n为基站数量。
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