CN107484136A - 一种基于轮询调度的uwb多标签定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轮询调度的UWB多标签定位方法，包括步骤：1)调度基站发射包含一个标签初始化指令的数据包，在各个标签接受到数据包内的标签初始化指令后，向外广播包含各标签对应ID的数据包；2)调度基站在发完标签初始化指令后，进入侦听状态并侦听网络中的数据包，解析出里面的ID，并生成一张轮询表；3)调度基站根据轮询表的轮询状态生成控制标签进行测距的指令；4)各标签根据所接受的指令，发出测距请求；5)测距基站接收到标签的测距请求后与标签进行TWR测距，得到同一个标签离各个测距基站的距离。本发明采用双向飞行时间法，基站与标签不需要时间同步，大大简化了系统的复杂度。

Description

一种基于轮询调度的UWB多标签定位方法

技术领域

本发明涉及室内高精度无线定位领域，尤其涉及一种基于轮询调度的UWB多标签定位方法。

背景技术

随着无线通信的不断发展，定位技术的应用已经广泛渗透到社会发展的各个领域。全球定位系统(GPS：GlobalPositioning System)在室外环境中的应用已经很成熟。但卫星信号不能穿透建筑物，而且室内环境存在严重的多径和非视距干扰，无法进行有效的定位。而超宽带(UWB：UltraWideBand)技术具有多径分辨能力强、传输速率高、低实现成本，尤其是能提供非常高的定位精度等优点，成为无线定位技术中极具潜力的技术。基于UWB的定位技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，它的定位精度在理论上可达到厘米级，完全能够满足精确定位的需求。因此研究超宽带定位技术具有很大的实用价值。

超宽带(UWB)技术是一种新型的无线通信技术，它通过对极窄的时间脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。它的核心是冲激无线电技术，即利用持续时间非常短(纳秒、亚纳秒级)的脉冲波来代替传统传输系统的连续波形。

在无线通信系统中，常用的基于测距的定位技术主要有：接收信号强度(RSSI)、到达角度(AOA)、到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)，以及到达时间(TOA)的变种双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)。

1)接受信号强度法(RSSI)

接受信号强度法(RSSI)是接收节点根据收到的信号强度，计算从发射机到接收机传输过程中的传播损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。由于节点在移动网络中的移动性和难以预知的信道变化，会导致大的测量误差。

2)到达角度法(AOA)

到达角度法(AOA)是根据测量得到的节点之间的角度信息来重构节点之间的距离。通常需要采用定向天线或阵列天线，测量的准确性对多径传播、非视距传播和阵列的精度很敏感。

3)到达时间法(TOA)

到达时间法(TOA)是根据信号在发射机和接收机之间的时延来实现距离测量。如果知道脉冲从一个点到另一个点的传播时间，根据电波传播速度。不难获得两个节点之间的距离估计。

4)到达时间差法(TDOA)

到达时间差法(TDOA)是测量不同基站接收到同一移动站的定位信号的时间差，并由此计算出移动站到不同基站的距离差。假设移动站到任何一个服务基站的距离差为d，可在两个基站之间给出一条双曲线。当同时有k(k≥3)个基站参与测距时，多个双曲线之间的交汇区域就是对用户位置的估计。

5)双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)

每个模块从测距开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的A1发射请求性质的脉冲信号，模块B在其时间戳R1上接收到请求性质的脉冲，在R2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳A2时刻接收。两次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。S＝C*[(A2-A1)-(R2-R1)](C为光速)。

但是目前市面上UWB定位多采用单标签多基站模式。只能用于检测一个标签在网络中的位置情况。在需要多点检测等应用环境下存在缺陷。

发明内容

本发明提供一种基于轮询调度的UWB多标签定位方法，采用双向飞行时间法，基站与标签不需要时间同步，大大简化了系统的复杂度。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于轮询调度的UWB多标签定位方法，包括以下步骤：

1)调度基站发射包含一个标签初始化指令的数据包，在各个标签接受到数据包内的标签初始化指令后，向外广播包含各标签对应ID的数据包；

2)调度基站在发完标签初始化指令后，进入侦听状态并侦听网络中的数据包，解析出里面的ID，并生成一张轮询表；

3)调度基站根据轮询表的轮询状态生成控制标签进行测距的指令；

4)各标签根据所接受的指令，发出测距请求；

5)测距基站接收到标签的测距请求后与标签进行TWR测距，得到同一个标签离各个测距基站的距离。

本发明的技术方案可以实现多标签定位，采用UWB技术，在所述的调度基站、标签和测距基站间采用时间间隔小于1ns的脉冲进行通信。

作为优选的，采用双向飞行时间法计算脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，来确定标签与各个测距基站的距离。

双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)每个标签与测距基站在测距开始时即会生成一条独立的时间戳。测距基站A的发射机在其时间戳A1时发射请求性质的脉冲信号，标签B在其时间戳R1上接收到请求性质的脉冲，在R2时刻发射一个响应性质的信号，测距基站A在自己的时间戳A2时刻接收。两次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。S＝C*[(A2-A1)-(R2-R1)](C为光速)。

在所述的步骤2)中，系统开机时调度基站将会侦听整个网络1分钟，将侦听到的标签ID记入轮询表中，随机生成一张轮询表，根据轮询表调度基站对网络中的标签进行调度。

作为优选的，包含所述测距请求的测距数据包内加入有标签ID。

本发明中，调度基站根据轮询表，发送含调度命令的数据包。初始化结束后，标签处于侦听状态，当收到调度自己ID的数据包时，相应的标签进入测距模式。

进一步的，为了防止标签在其测距时间片内都是与同一个基站进行测距，而无法提供3个及以上的距离值来进行三边测量定位。在标签的测距数据包中加入了标签ID值。当标签第一次发送测距数据包时，测距基站就记录下这个标签的ID。当与该标签完成一次测距后便不再回复这个标签的请求，等下一个标签ID出现后，取消对这个ID的限制。而在该机制下依然出现无法采集得3个及三个以上距离值时，也可提供报警机制。

所述的报警机制中，在一个测距时间片内，标签无法采集得3个及3个以上的距离值。上位机软件将丢弃测得的值并报告该标签与哪几个测距基站未完成测距任务。

作为优选的，在测出标签和各个测距基站的距离后，利用三边测量定位算法计算标签在网络中的具体位置。

本发明中，利用测距基站在网络中的位置有一定的前提，当测出标签和各个测距基站的距离后，利用三边测量定位算法就可以得出标签在网络中的具体位置。

作为优选的，所述的三边测量定位算法的具体计算步骤如下：

1)已知三点位置(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)；

2)已知未知点(x₀,y₀)到三点距离d₁,d₂,d₃；

3)以d₁,d₂,d₃为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即未知点的位置计算公式：

(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝d₁ ²

(x₂-x₀)²+(y₂-y₀)²＝d₂ ²

(x₃-x₀)²+(y₃-y₀)²＝d₃ ²

解法推导：

设未知点位置为(x,y)，令其中的第一个球形P₁的球心坐标为(0,0)，P₂处于相同纵坐标，球心坐标为(d,0)，P₃球心坐标为(i,j)，三个球形半径分别为r₁,r₂,r₃，z为三球形相交点与水平面高度；则有：

r₁ ²＝x²+y²+z² (1)

r₂ ²＝(x-d)²+y²+z² (2)

r₃ ²＝(x-i)²+(y-j)²+z² (3)

当z＝0时，即为三个圆在水平面上相交为一点，首先解出x：

x＝(r₁ ²-r₂ ²+d²)/2d

将公式(2)变形，将公式(1)的z²代入公式(2)，再代入公式(3)得到y的计算公式：

y＝(r₁ ²-r₃ ²-x²+(x-i)²+j²)/2j。

附图说明

图1为调度基站的工作流程图；

图2为测距基站的工作流程图；

图3为测距标签的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

本实施例中UWB多标签定位方法，包括以下几个步骤：

1)各个标签和测距基站通上电，处于侦听模式。

2)如图1所示，调度基站通上电，当调度基站通上电之后。调度基站将执行5秒发射数据包。该数据包内包含一个标签初始化指令，各个标签接受到这个指令后，向外广播自己的ID号，持续1分钟，结束后指示初始化成功的LED灯亮起。

3)调度基站在发完初始化指令后，马上进入侦听状态1分钟。在这一分钟内，调度基站侦听网络中的数据包，解析出里面的ID号。并根据这些ID号，生成一张轮询表。

4)调度基站轮询表生成成功后，进入调度模式。根据轮询表的轮询状态生成不同的指令。这些指令用来控制标签是否进入测距状态。

5)如图3所示，当标签初始化结束后，标签再次进入侦听模式。当标签接受到对应其ID的唤醒指令后，标签进入测距模式。通过TWR测距法和各个基站测出距离。测距模式持续50ms后，模块进入侦听模式，等待下一次唤醒。

6)当基站监听到测距请求后向标签发来测距回应。标签将第一个到的基站ID记录下来，并和这个ID值的基站进行测距，测距成功后，成功测距的测距基站记录这个ID值。下一个测距请求数据包发送，测距基站接收到，若是自己记录下的ID，则不予以回复。若不是自己的ID，则进行回复，进行测距，并取消对上一个ID的禁令。

7)如图2所示，测距基站从上电以后一直处于侦听状态。当接收到标签的测距请求后与标签进行TWR测距。测定的距离是由测距基站计算产生的。测距基站通过TCP/IP向电脑传输与标签的距离。

8)电脑解析TCP/IP的数据包后，可得到同一个标签离各个基站的距离。而基站在网络中的坐标是已知条件。通过三边测量定位算法可以得到各个ID的标签在网络中的位置。本实施例中6个移动标签实际测试结果如表1所示。

表1六个标签实时定位测试结果

标签ID	测试坐标(米)	实际坐标
			0	5.588,0.805	5.60,0.85
1	3.033,3.050	3.00,3.00
			2	2.245,2.607	2.25,2.50
3	4.302,1.528	4.30,1.50
			4	2.354,0.820	2.40,0.85
5	3.591,2.548	3.60,2.50

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于轮询调度的UWB多标签定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)调度基站发射包含一个标签初始化指令的数据包，在各个标签接受到数据包内的标签初始化指令后，向外广播包含各标签对应ID的数据包；

2)调度基站在发完标签初始化指令后，进入侦听状态并侦听网络中的数据包，解析出里面的ID，并生成一张轮询表；

3)调度基站根据轮询表的轮询状态生成控制标签进行测距的指令；

4)各标签根据所接受的指令，发出测距请求；

5)测距基站接收到标签的测距请求后与标签进行TWR测距，得到同一个标签离各个测距基站的距离。

2.如权利要求1所述的UWB多标签定位方法，其特征在于，在所述的调度基站、标签和测距基站间采用时间间隔小于1ns的脉冲进行通信。

3.如权利要求2所述的UWB多标签定位方法，其特征在于，采用双向飞行时间法计算脉冲信号在标签与测距基站之间的飞行时间，来确定标签与各个测距基站的距离。

4.如权利要求1所述的UWB多标签定位方法，其特征在于，包含所述测距请求的测距数据包内加入有标签ID。

5.如权利要求1所述的UWB多标签定位方法，其特征在于，在测出标签和各个测距基站的距离后，利用三边测量定位算法计算标签在网络中的具体位置。

6.如权利要求5所述的UWB多标签定位方法，其特征在于，所述的三边测量定位算法的具体计算步骤如下：

1)已知三点位置(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)；

2)已知未知点(x₀,y₀)到三点距离d₁,d₂,d₃；

3)以d₁,d₂,d₃为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即未知点的位置计算公式：

(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝d₁ ²

(x₂-x₀)²+(y₂-y₀)²＝d₂ ²

(x₃-x₀)²+(y₃-y₀)²＝d₃ ²

解法推导：

设未知点位置为(x,y)，令其中的第一个球形P₁的球心坐标为(0,0)，P₂处于相同纵坐标，球心坐标为(d,0)，P₃球心坐标为(i,j)，三个球形半径分别为r₁,r₂,r₃，z为三球形相交点与水平面高度；则有：

r₁ ²＝x²+y²+z² (1)

r₂ ²＝(x-d)²+y²+z² (2)

r₃ ²＝(x-i)²+(y-j)²+z² (3)

当z＝0时，即为三个圆在水平面上相交为一点，首先解出x：

x＝(r₁ ²-r₂ ²+d²)/2d

将公式(2)变形，将公式(1)的z²代入公式(2)，再代入公式(3)得到y的计算公式：

y＝(r₁ ²-r₃ ²-x²+(x-i)²+j²)/2j。